Lập trình gia công chi tiết thép 45 có bề mặt phức tạp trên máy phay CNC

Về thực chất, đây là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy như máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi và sản

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHAN VĂN LIÊN

LẬP TRÌNH GIA CÔNG CHI TIẾT THÉP 45 CÓ

BỀ MẶT PHỨC TẠP TRÊN MÁY PHAY CNC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHẾ TẠO MÁY

Hà Nội – Năm 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHAN VĂN LIÊN

LẬP TRÌNH GIA CÔNG CHI TIẾT THÉP 45 CÓ

BỀ MẶT PHỨC TẠP TRÊN MÁY PHAY CNC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, do chính tôi thực hiện dưới sự chỉ giáo của người hướng dẫn Những số liệu và kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc

Hà nội, ngày 18 tháng 9 năm 2013

Học viên

Phan Văn Liên

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Trang

Hình 1.1 Điều khiển theo cam……… 2

Hình 1.2 Điều khiển theo quãng đường……… 3

Hình 1.3 Điều khiển thời gian……… 3

Hình 1.4 Điều khiển theo chu kỳ……… 4

Hình 1.5 Lịch sử phát triển của CNC……… 9

Hình 1.6 Chu trình điều khiển trong các hệ điều khiển NC……….…… 10

Hình 1.7 Các dòng thông tin trong điều khiển CNC……….…… 12

Hình 1.8 Phương án nhiều bộ vi xử lý……… 13

Hình 1.9 Hệ thống DNC……….……… 14

Hình 1.10 Lịch sử phát triển của CNC……….……… 16

Hình 2.1 Người lập trình……….………… 17

Hình 2.2 Chiều chuyển động trên máy CNC……… … 20

Hình 2.3 Chuyển động của các trục chính……… 21

Hình 2.4.a Điểm gốc phôi……… 22

Hình 2.4.b Điểm gốc phôi……… 22

Hình 2.5 Điều kiện cắt……… 23

Hình 2.6 Bù chiều dài dụng cụ……… 31

Hình 2.7 Dụng cụ ……… 32

Hình 2.8 Chọn mặt gia công……… 33

Hình 2.9 Dy chuyển dụng cụ nhanh……… 33

Hình 2.10 Dy chuyển dụng cụ G02……… 34

Hình 2.11 Dừng tạm thời………

Hình 2.12.a Bù bán kính………

Hình 2.12.b Bù bán kính theo G41, G42………

35 36 36 Hình 2.13 Dừng chương trình……… 41

Hình 2.14 Kết thúc chương trình……… 42

Hình 2.15 Chiều quay trục chính……… 43

Hình 2.16 Thay dụng cụ……… 43

Hình 2.17 Tắt trơn nguội……… 43

Hình 2.18 Khóa trục chính……… 44

Hình 2.19 Tắt nguồn……… 44

Hình 2.20 Cất dụng cụ……… 44

Hình 2.21 Chương trình con……… 45

Hình 2.22 Gọi dụng cụ ……… 46

Hình 2.23 Tốc độ trục chính ……… 46

Hình 2.24 Tốc độ tiến dao……… 46

Hình 2.25 Địa chỉ bù bán kính……… 47

Hình 2.26 Offset dụng cụ 48

Hình 3.1 Trung tâm gia công TNV-40A……… 50

Hình 3.2 Bảng điều khiển trung tâm gia công TNV-40A……… 51

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động chạy dao……… 54

Hình 4.1 Bản vẽ chi tiết bơm bánh răng thủy lực lệch tâm……… 61

Hình 4.2 Bản vẽ chi tiết dao đột lỗ trên phong bì……… 61

Hình 4.3 Bản vẽ chi tiết bơm bánh răng thủy lực lệch tâm trên Inventer……… 62

Hình 4.4 Bản vẽ chi tiết dao đột lỗ trên phong bì trên Inventer……… 62

Hình 4.5 Chọn kiểu tệp tin………

Hình 4.6 Đưa bản vẽ chi tiết vào môi trường gia công………

Hình 4.7 Chọn máy gia công………

64 64 65 Hình 4.8 Định nghĩa phôi……… 65

Hình 4.9 Xoay chi tiết………

Hình 4.10 Gốc chi tiết………

Hình 4.11 Mặt phẳng giới hạn………

Hình 4.12 Chọn phương pháp gia công thô………

67 67 68 69 Hình 4.13 Chọn các bề mặt cần gia công……… 69

Hình 4.14 Chọn đường biên giới hạn vùng chạy dao……… 70

Hình 4.15 Chọn chế độ cắt……… 71

Hình 4.16 Tạo dụng cụ cắt mới……… 73

Hình 4.17 Điều chỉnh kích thước dao……… 74

Hình 4.18 Trang Parameter……… 75

Hình 4.19 Tạo dụng cụ cắt thứ hai, thứ ba……… 77

Hình 4.20 Thông số bề mặt gia công……… 78

Hình 4.21 Thông số gia công thô……… 79

Hình 4.22 Thông số gia công túi hốc……… 80

Hình 4.23 Chọn phương pháp gia công tinh……… 81

Hình 4.24 Đường chạy dao theo parallel………

Hình 4.25 Đường chạy dao theo parallel steep………

Hình 4.26 Đường chạy dao theo radial………

Hình 4.27 Đường chạy dao theo project………

Hình 4.28 Đường chạy dao theo flowline………

Hình 4.29 Đường chạy dao theo contour………

Hình 4.30 Đường chạy dao theo shallow………

Hình 4.31 Đường chạy dao theo pencil………

Hình 4.32 Đường chạy dao theo leftover………

Hình 4.33 Đường chạy dao theo scallop………

Hình 4.34 Đường chạy dao theo blend………

Hình 4.35 Mô phỏng cắt thô ………

81 81 82 82 82 82 83 83 83 83 84 85 Hình 4.36 Mô phỏng cắt tinh ……… 85

Hình 4.37 Mở file NC trong EMCO……… 87

Hình 4.38 Chương trình NC……… 88

Hình 4.39 Cắt tinh trên máy CNC……… 89

Hình 4.40 Sản phẩm bơm bánh răng thủy lực lệch tâm……… 90

Hình 4.41 Sản phẩm dao đột lỗ trên phong bì……… 91

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

SMS Flexible Manufacturing Drawing/Design

CIM Computer Integrated Manufacturing With

planning Design and Manufacturing

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ 2

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY CNC 2

1.1 Tổng quan về điều khiển số 2

1.1.1 Điều khiển không theo số 2

1.1.2 Điều khiển số 5

1.1.3 Mã hoá thông tin 5

1.2 Lịch sử phát triển của các máy CNC 6

1.3 Các hệ điều khiển số 10

1.4 Kết luận 16

Chương 2: LẬP TRÌNH TRÊN MÁY PHAY CNC 17

2.1 Chuẩn bị lập trình 17

2.1.1 Những yêu cầu đối với người lập trình 17

2.1.2 Các bước cần thiết khi lập một chương trình 17

2.1.3 Nhập chương trình vào máy 17

2.1.4 Các thuật ngữ trong lập trình 18

2.1.5 Điều khiển và định hướng các trục 20

2.1.6 Điểm gốc phôi 21

2.1.7 Tọa độ lập trình 22

2.1.8 Xác định điều kiện cắt gọt 23

2.1.9 Các dạng mã lệnh 24

2.2 Mã lệnh G 27

2.2.1 Danh sách các mã G 27

2.2.2 Các dạng tọa độ (G90, G91) 30

2.2.3 Bù chiều dài dụng cụ G43, G44, G49 31

2.2.4 Lựa chọn mặt phẳng gia công G17, G18, G19 33

2.2.5 Di chuyển dụng cụ với tốc độ chạy không cắt G00 33

2.2.6 Di chuyển dụng cụ theo đường thẳng với tốc độ chạy dao cắt gọt G01 33

2.2.7 Di chuyển dụng cụ theo cung tròn với tốc độ tiến dao cắt gọt G02,G03 34

2.2.8 Lệnh dừng tạm thời G04 35

2.2.9 Trở về điểm gốc chính của máy hoặc gốc thứ 2, 3, 4 35

2.2.10 Bù bán kính dụng cụ G40, G41và G42 36

2.3.11 Lựa chọn hệ tọa độ máy G53 37

2.3 Bảng mã M 38

2.3.1 Dừng chương trình và dừng lựa chọn M00, M01 41

2.3.2 M02, M30 kết thúc chương trình và lặp lại chương trình 42

2.3.3 Quay và dừng trục chính M03, M04, M05 43

2.3.4 Đổi dụng cụ M06 [18] 43

2.3.5 Bật tắt dung dịch trơn nguội M08, M09 43

2.3.6 Khóa trục chính M19 44

2.3.7 Tắt nguồn tự động M20 44

2.3.8 Chu trình cất dụng cụ M33 44

2.3.9 Bật và tắt quá trình thổi khí M51, M59 [11] 45

2.3.10 Gọi chương trình con và trở về từ chương trình con M98, M99 45 2.4 Mã lệnh T, S và F 46

2.4.1 Mã lệnh T 46

2.4.2 Mã lệnh S 46

2.4.3 Mã lệnh F 46

2.5 Mã lệnh D và H 47

2.5.1 Mã lệnh D 47

2.5.2 Các thuật ngữ giải thích chức năng bù bán kính dụng cụ 47

2.5.3 Mã lệnh H 48

2.6 Kết luận 49

Chương 3: GIỚI THIỆU TRUNG TÂM GIA CÔNG TNV-40A 50

3.1 Giới thiệu chung 50

3.2 Phạm vi sử dụng 51

3.3 Bảng điều khiển 51

3.3.1 Cấu tạo 51

3.3.2 Các phím 52

3.3.3 Các công tắc 52

3.4 Thông số kỹ thuật [11] 53

3.5 Các chuyện động chính của máy 53

3.5.1 Chuyện động chạy dao 54

3.5.2 Các nhiệm vụ chuyển động chạy dao 54

3.5.3 Kết cấu vít me - Đai ốc bi 55

3.5.4 Chuyển động của đầu trục chính 56

3.6 Yêu cầu kĩ thuật của trục chính 57

3.7 Cấu hình chuẩn 57

3.8 Phần mềm điều khiển trên PC 58

3.8.1 Biên soạn chương trình 58

3.8.2 Mô phỏng 58

3.8.3 Thực hiện gia công 58

3.8.4 Chế độ điều khiển bằng tay 58

3.8.5 Chức năng đặc biệt 58

3.9 Kết luận 59

Chương 4: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MASTERCAM GIA CÔNG 60

CHI TIẾT THÉP 45 CÓ BỀ MẶT PHỨC TẠP TRÊN 60

MÁY PHAY CNC TNV-40A 60

4.1 Giới thiệu tổng quan về phần mềm Mastercam 60

4.2 Ứng dụng phần mềm Inventor tạo sản phẩm có bề mặt phức tạp 61

4.2.1 Bản vẽ bơm bánh răng thủy lực lệch tâm, dao đột lỗ trên phong bì 61

4.2.2 Thiết kế trên phần mềm Inventor profession 2008 62

4.3 Ứng dụng Mastercam để biên dịch chương trình 63

4.3.1 Chọn máy và định nghĩa phôi 64

4.3.2 Chọn phương pháp cắt để gia công thô 68

4.3.3 Chọn dao và các thông số công nghệ 71

4.3.4 Lựa chọn gia công tinh chi tiết 80

4.3.5 Mô phỏng quá trình cắt gọt 84

4.3.6 Xuất chương trình NC và chỉnh sửa chương trình NC 85

4.4 Kết nối chương trình NC từ máy tính sang máy CNC 87

4.5 Gia công trên máy phay CNC 88

4.6 Kết luận 92

KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

MỞ ĐẦU

Một trong những thành tựu quan trọng nhất của tiến bộ khoa học là tự động hóa sản xuất Phương thức cao của tự động hóa sản xuất là sản xuất linh hoạt Trong dây chuyền sản xuất linh hoạt thì máy điều khiển số CNC (Computer Numerical Control) đóng vai trò quan trọng Sử dụng máy điều khiển số CNC cho phép giảm khối lương, thời gian gia công chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công và đạt hiểu quả kinh tế đồng thời rút ngắn chu kỳ sản xuất

Chính vì vậy hiện nay nhiều nước trên thế giới nói chung cũng như Việt Nam nói riêng đã và đang ứng dụng rộng rãi các máy điều khiển số trong lĩnh vực cơ khí chế tạo Nhưng để sử dụng hiệu quả các máy công cụ CNC trong gia công một số

chi tiết có bề mặt phức tạp trên vật liệu thép 45 là vấn đề cấp thiết mà nhiều doanh

nghiệp mong muốn các nhà khoa học tham gia giải quyết

Từ những cấp thiết trên chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu với đề tài “Lập

trình gia công chi tiết thép 45 một số bề mặt phức tạp trên máy phay CNC” và

mục tiêu đặt ra là nghiên cứu phương pháp lập trình và thực hiên cắt thử chi tiết có

bề mặt phức tạp trên máy phay CNC Tác giả đi sâu giải quyết các vấn đề chính sau: Chương 1 Tổng quan về điều khiển số và lịch sử phát triển của máy CNC Chương 2 Lập trình trên máy phay CNC

Chương 3 Giới thiệu trung tâm gia công TNV-40A

Chương 4 Ứng dụng phần mềm Mastercam gia công chi tiết thép 45 có bề mặt phức tạp trên máy phay CNC TNV-40A

Xin chân thành cảm ơn GS TS Trần Văn Địch người đã tận tình hướng dẫn

em hoàn thành luận văn này Chân thành cảm ơn Viện đào tạo sau đại học, Viện cơ khí Trường ĐHBK Hà Nội Cảm ơn Trường CĐN KTCN Việt Nam - Hàn Quốc, Khoa cơ khí đã tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành đề tài này

Tác giả rất mong muốn nhận được sự góp ý của quý thầy cô và các đồng nghiệp để công trình được hoàn thiện hơn

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY CNC

1.1 Tổng quan về điều khiển số

Điều khiển số ra đời với mục đích điều khiển các quá trình công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ Về thực chất, đây là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi và sản phẩm )trên cơ sở các dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết bị hay

hệ thống

Trước đây, cũng đã có các quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theo chương trình bằng các kỹ thuật chép hình theo dưỡng, chép hình bằng hệ thống thủy lực, cam hoặc điều khiển bằng mạch logic Ngày nay, với việc ứng dụng các thành quả tiến bộ của Khoa Học – Công Nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển số và tin học đã cho phép các nhà chế tạo máy nghiên cứu đưa vào máy công cụ các hệ thống điều khiển cho phép thực hiện các quá trình gia công một cách linh hoạt hơn, thích ứng với nền sản xuất hiện đại và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn

1.1.1 Điều khiển không theo số

Hệ thống điều khiển không theo số có các loại như sau: điều khiển bằng các cam, điều khiển bằng quãng đường, điều khiển theo thời gian và điều khiển theo chu kỳ [7]

* Hệ thống điều khiển theo cam

Theo hệ thống này thì quãng đường (hành trình) L được xác định theo công thức: L = S0.K (1.1)

Ở đây: So - khoảng nâng Prôfin của cam (mm)

K - Tỷ số truyền trung gian (trên hình 1.1 ta có K = L2/L1)

Hình 1.1 Điều khiển theo cam

* Hệ thống điều khiển theo quãng đường

Hình 1.2 Điều khiển theo quãng đường

Ở đây, đại lượng hành trình của cơ cấu chấp hành được giới hạn bởi hai bộ chuyển hành trình KBB và KBH: KBB giới hạn di chuyển của cơ cấu chấp hành về bên trái hay về phía trước; KBH giới hạn di chuyển cơ cấu chấp hành về bên phải hay phía sau Đại lượng hành trình L được xác định như sau [10]:

L = b - a = b1 + b2 - a2 + a1 (1.2)

Ở đây: a1, a2, b1, b2 - toạ độ của các chốt và các bộ chuyển hành trình (mm);

a - Khoảng cách giữa các chốt trên cơ cấu chấp hành;

b - Khoảng cách giữa hai bộ chuyển hành trình

* Hệ thống điều khiển thời gian

Trong hệ thống điều khiển này thì cơ cấu chấp hành được điều khiển bằng bộ điều khiển Bộ điều khiển ở đây là một chi tiết hình tang trống mà trên nó có một số đường rãnh nhất định Trên các đường rãnh này có gá các cam Các cam này được 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 điều khiển "dịch chuyển về bên phải" (theo

V - tốc độ trung bình của cơ cấu chấp hành (m/ph)

* Hệ thống điều khiển theo chu kỳ

Hệ thống điều khiển này là tổng hợp của hai hệ thống điều khiển theo quãng

đường và thời gian Ở đây đại lượng hành trình được xác định bằng các cữ hành trình trong hệ thống điều khiển theo quãng đường hoặc bởi bộ điều khiển trong hệ thống điều khiển thời gian Trên (hình 1.4)

ta thấy, khi bộ điều khiển tác động vào rơ

le "tiến" thì cơ cấu chấp hành dịch chuyển phía trước, khi bộ điều khiển tác động vào

rơ le "lùi" thì cơ cấu chấp hành dịch chuyển sang phía sau (về bên phải) Dĩ nhiên, bộ điều khiển chỉ tác động vào rơ le

"lùi" khi cơ cấu chấp hành chạm vào cữ hành trình KBB Khi cơ cấu chấp hành dịch chuyển về bên phải thì rơ le "tiến" không làm việc Rơ le "tiến" chỉ hoạt động khi cơ cấu chấp hành chạm vào cữ hành trình KBH và lúc ấy chu kỳ mới được lặp lại Ta thấy các hệ thống điều khiển trên đây tuy không giống nhau nhưng đại lượng hành trình lại được điều khiển giống nhau (liên tục) Điều đó có nghĩa là điều khiển theo chương trình số [8]

Hình 1.4 Điều khiển theo chu kỳ

1.1.2 Điều khiển số

Điều khiển số là hệ thống điều khiển mà mỗi hành trình được điều khiển theo

số Mỗi thông tin đơn vị ứng với một dịch chuyển gián đoạn của cơ cấu chấp hành Đại lượng này có tên gọi là "khả năng giải quyết" của hệ thống hay là giá trị xung

Cơ cấu chấp hành có thể dịch chuyển với một đại lượng bất kỳ nào ứng với giá trị xung Như vậy, khi biết giá trị xung q và đại lượng dịch chuyển L của cơ cấu chấp hành, ta có thể xác định số lượng xung N cần thiết tác động để có lượng dịch chuyển L:

Số lượng xung N được ghi trên kênh thông tin được gọi là một chương trình xác định đại lượng thông tin kích thước Các thông tin cần thiết được ghi trên băng đục lỗ hoặc băng từ Số lượng thông tin được ghi trong một hệ thống mã hoá nhất định [9]

1.1.3 Mã hoá thông tin

Con người và máy quan hệ với nhau bằng một ngôn ngữ mà máy có thể hiểu được Máy phải đọc được chương trình do con người ghi và thực hiện theo chương trình đó Khi cơ cấu điều khiển số bị hỏng, chương trình có sai sót thì điều khiển số

sẽ truyền thông tin về nguyên nhân ngừng hoạt động

* Chữ cái

Chữ cái của mã số là tập hợp các ký hiệu được dùng khi 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 mạng của băng đục lỗ có thể có hoặc không có lỗ Một trạng thái ứng với ký hiệu 1 (cấp dòng năng lượng chẳng hạn), còn trạng thái khác ứng với ký hiệu 0 (ngắt dòng năng lượng chẳng hạn) Vì vậy chữ cái của mã số chỉ chứa hai ký hiệu {0,1} [11]

* Mã thập phân

Cơ sở của hệ thập phân (mã thập phân) là số 10 Hệ thống này có 10 ký tự: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9

Người ta chọn hệ thập phân để tính là xuất phát từ lịch sử tính toán bằng 10

* Mã số đơn vị

Mã số đơn vị là một loại mã số trong đó mỗi số được biểu thị bằng số lượng các ký hiệu chữ số 1

Hệ thống mã số đơn vị có ưu điểm là đơn giản, dễ sử dụng Nó được sử dụng

để ghi số lượng các xung trên băng từ Tuy nhiên, mã số đơn vị có nhược điểm là cồng kềnh, phức tạp

* Mã nhị phân

Cơ sở của mã nhị phân là số 2 Đa số 2 lên cấp có số mũ nguyên dương (0,1,2,3 ) ta sẽ được dãy số 20, 21, 23, 24…ứng với dãy số 1,2,3,4,8,16 Bất kỳ một số nào trong hệ nhị phân là tổ hợp của chữ số 0 và 1 [11] Để chuyển số từ hệ tính thập phân sang hệ tính nhị phân cần phải chia tuần tự số thập phân cho 2

1.2 Lịch sử phát triển của các máy CNC

Ý tưởng điều khiển một dụng cụ thông qua chuỗi lệnh kế tiếp liên tục, mà chúng được ứng dụng trong các máy điều khiển CNC ngày nay đã được phát triển

từ thế kỷ thứ 14 Bắt đầu từ những cụm chuông được điều khiển bởi các trục đục lỗ [11]

1808 Josehp M Jacqard đã dùng bìa tôn có đục lỗ để điều khiển các máy dệt Vật mang tin có thể thay thế được dùng để điều khiển máy đã được phát minh

1863 M Fourneaux đã sáng chế ra đàn Dương Cầm tự động, có dùng một bìa giấy khổ 30cm với các lỗ tương ứng để điều tiết khí nén, tác động lên hệ phím ấn cơ khí tạo ra nhạc điệu Phương pháp này đã được tiếp tục phát triển để sau đó có thể điều khiển cả âm lượng Băng giấy đã trở thành vật mang tin và kỹ thuật điều khiển các chức năng phụ đã được phát minh

1938 Claude E Shanon đã thành công việc tính toán và chuyển nhanh dữ liệu

ở dạng nhị phân có vận dụng lý thuyết đại số BOOL và xác nhận công tắc điện tử

là thành phần hiện thực duy nhất cho giải pháp này

1946 Tiến sĩ John W.Mauchyly và J.Preper Eckrt đã cung cấp máy tính số điện tử đầu tiên có tên là ENIAC cho quân đội Hoa Kỳ Cơ sở của kỹ thuật xử lý dữ liệu điện tử đã được tạo lập

1949 - 1952 Jonh Parsons và viện công nghệ MIT đã nghiên cứu theo hợp đồng của không lực Hoa Kỳ một hệ thống dùng cho các máy công cụ để điều khiển trực tiếp vị trí của các trục vít - me bằng đầu ra của một máy tính và chứng minh chức năng thông qua công một chi tiết Parons đã công bố luận điểm cơ bản về ý tưởng này như sau:

- Lưu trữ các vị trí đã tính toán ở bìa đục lỗ;

- Bìa đục lỗ được đọc tự đồng trên máy;

- Các vị trí đã được đọc phải được thông báo liên tục và các giá trị trung gian

bổ sung phải được tính toán cho các giá trị trung gian nội sao cho động cơ Servo (vô tốc độ) có thể điều khiển chuyển động của các trục

Với một máy như vậy cần phải chế tạo được các phần tử thích hợp ngày càng phức tạp hơn Những chi tiết đó vào thời kỳ này đã được miêu tả chính xác với một

số ít các dữ liệu toán học Nhưng việc chế tạo chúng bằng tay rất khó khăn

Năm 1952 Viện Công nghệ MIT đã vận hành máy công cụ điều khiển số đầu tiên Đó là máy Cincinati Hydrotel có trục vít - me thẳng đứng, hệ điều khiển có cấu tạo gồm nhiều đèn điện tử, tạo khả năng chuyển động đồng thời ba trục, tức là nội suy đường thẳng đồng thời theo ba trục và nhận dữ liệu thông qua băng đục lỗ mã nhị phân (Benary Code Punched Band)

1954 Bendix chế tạo ra hệ điều khiển NC hoàn chỉnh đầu tiên có dùng các đèn điện tử

1957 Không lực Hoa Kỳ đã lắp đặt những máy phay NC đầu tiên

1958 ngôn ngữ lập trình biểu tượng hoá (Symbolish) đầu tiên là công cụ lập trình tự động APT (Automatically Programmed Tool) đã được giới thiệu trong quan

hệ liên kết với máy tính IBM 704

1960 các hệ điều khiển NC trong kỹ thuật đèn bán dẫn (Transitor) đã thay thế các hệ điều khiển cũ (dùng đèn điện tử)

1965 giải pháp thay dụng cụ tự động ATC (Automatic Tool Change) đã nâng cao trình độ tự động hoá khâu gia công

1968 kỹ thuật mạch tích hợp IC (Intergated Circuits) làm cho các hệ điều khiển có kích thước nhỏ, gọn và tin cậy hơn

1969 những giải pháp đầu tiên về điều khiển liên kết chung từ một máy tính trung tâm DNC đã được thiết lập tại Mỹ bằng hệ điều khiển Sundstrand và máy tính IBM Giải pháp thay bệ phiến gá phôi tự động (Automatic Palete Change)

1972 hệ điều khiển NC đầu tiên có lắp đặt một máy tính nhỏ được chế tạo hàng loạt đã tạo ra một thế hệ mới có tiềm lực mạnh hơn, đó là điều khiển số dùng máy tính nhỏ CNC nhưng thế hệ này lại được thay thế nhanh bởi thế hệ mới, mạnh hơn Đó là hệ điều khiển số dùng máy tính có hệ vi xử lý Microprocessor CNC sau này

1976 các hệ xử lý tạo ra một cuộc cách mạng trong kỹ thuật CNC

1978 các hệ thống gia công linh hoạt FMS

1979 các khớp nối liên hoàn CAD/CAM đầu tiên xuất hiện

1980 công cụ trợ giúp lập trình tích hợp trong hệ điều khiển CNC đã tạo ra cuộc tranh luận về quan điểm, xoay quanh vấn đề cần hay không cần giải pháp điều khiển có dùng cách nạp dữ liệu bằng tay

1984 hệ điều khiển CNC mạnh, có các công cụ trợ giúp lập trình độ hoạ, đã đạt những chuẩn mực mới cao hơn đối với việc lập trình tại xưởng sản xuất

1985/1986 hệ điều khiển CNC với các lập trình tương tác đồ hoạ (Graphicinteeractive progamming) tiến thêm một bước phát triển "lập trình tại phân xưởng"

1986/1987 các dao diện tiêu chuẩn hóa (Standard interfaces) mở ra con đường tiến tới công xưởng tự động hóa trên cơ sở một hệ thống trao đổi thông tin liên thông CIM

1990 Các giao điện số (Digital intefaces) giữa các hệ điều khiển NC và các hệ khởi động, cải thiện độ chính xác và đáp ứng điều kiện của các trục NC và trục chính của máy

1992 Các hệ thống của CNC hở (Open - ended control) tạo khả năng và biến đổi thích ứng theo yêu cầu sử dụng

1993 Sử dụng theo tiêu chuẩn các hệ thống khởi động cơ tuyến tính ở các trung tâm gia công MC (Manufacturing centres)

Hình 1.5 Lịch sử phát triển của CNC

1994 Kép khín chuỗi quá trình CAD/CAM/CNC bằng cách sử dụng hệ NURBS (Not Uniforme Rationale B - Splines) làm phương pháp nội suy (interpolation method) trong các hệ CNC NURBS là phương pháp dùng để diễn tả toán học đối với các bề mặt thông thường và các bề mặt đặc biệt bằng các điểm và các thông số (parameters) tạo thành mô hình lưới gồm nhiều nút để diễn tả bề mặt

đạt độ mịn và độ sắc nét cao Những hệ thống CAD/CAM mới xử lý trực tiếp từ hệ CAD Trong hệ CNC giải pháp này giảm được khối lượng dữ liệu, nâng cao độ chính xác và tốc độ xử lý tạo ra chuyển động đều đặn của máy, tăng tuổi thọ của máy và dụng cụ [5]

1.3 Các hệ điều khiển số

* Hệ thống điều khiển NC

Hệ thống NC đầu tiên ra đời do nhu cầu chế tạo các chi tiết phức tạp với số lượng ít Trong hệ thống NC các thông số hình học của chi tiết và các lệnh điều khiển máy được cho dưới dạng dãy các con số

+ Đưa dữ liệu vào hệ thống

Toàn bộ các chỉ dẫn gia công được in vào băng đục lỗ dưới dạng các câu lệnh của chương trình Mỗi câu lệnh được đọc trong hệ thống điều khiển NC, đồng thời đưa vào các bộ phận hiệu chỉnh dụng cụ cần thiết và xê dịch các điểm (0)

+ Xử lý dữ liệu và đưa dữ liệu ra

Các thông tin đưa vào hệ thống điều khiển được mã hoá và tách thành thông tin hình học và thông 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 máy

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

Mỗi một bàn trượt của máy có trang bị một hệ thống dò dịch chuyển để xác định vị trí của bàn trượt và báo cho thiết bị so sánh giá trị thực với giá trị đã cho trong bộ so sánh của hệ thống điều khiển, sai lệch này sẽ được biến đổi thành các tác động điều khiển cụm chạy dao Khi sai lệch điều khiển bằng 0 tức là đã đạt được

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 được xác định nhờ máy phát đo tốc độ lắp trong động cơ chạy dao

+ Bộ thích nghi

Các thông tin hình học và thông tin công nghệ chuyển qua bộ thích nghi Bộ thích nghi có chức năng như một mắt xích nối giữa máy CNC và hệ thống điều khiển Kết nối các lệnh điều khiển NC với các thông báo từ máy trở lại Chúng có chức năng chính như là các chuyển đổi liên động, cho khả năng tránh được việc thực hiện các lệnh không hợp lý Ví dụ: khi mâm cặp của máy tiện chưa kẹp chặt

Bộ thích nghi không phát lệnh chạy dao mặc dù hệ thống điều khiển có phát lệnh dịch chuyển [3]

* Hệ thống điều khiển CNC

Điều khiển NC có nhược điểm là kém linh hoạt, tốn thời gian trong việc thay đổi chương trình vì phải sửa lại các băng đục lỗ Ngày nay hệ thống điều khiển NC được thay thế rộng rãi bằng các hệ thống điều khiển CNC là có sự can thiệp của máy tính Trong các hệ thống điều khiển này có một chương trình hệ thống CNC do nhà chế tạo cài đặt trong máy tính Thông qua các phần mềm riêng lẻ, ví dụ: chương trình giải mã và hệ điều hành chương trình mà các chức năng CNC riêng lẻ được thực hiện

+ Đưa dữ liệu vào hệ thống

Trong hệ thống NC thông thường chương trình gia công làm chỉ một lần trên băng đục lỗ và nằm trong bộ phận lưu giữ chương trình Hệ thống điều khiển CNC chương trình gia công có thể đưa vào trong hệ thống điều khiển của hệ điều khiển

số khi lập trình, xử lý dữ liệu và đưa dữ liệu ra

Hình 1.7 Các dòng thông tin trong điều khiển CNC

Chương trình gia công được đưa vào có thể gọi ra bất cứ lúc nào từ bộ phận lưu trữ chương trình gia công Việc sửa chữa, thay đổi và tối ưu một chưng 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 dự liệu hình học, dữ liệu công nghệ là do chương trình điều hành đối với bộ phận lưu giữ chương trình

sẽ điều khiển bộ chỉ dẫn các câu lệnh, chỉ dẫn các câu lệnh, chỉ dẫn các chương trình con và nội dung các chương trình gia công đang có trong bộ lưu giữ chương 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 đưa chương trình vào một cách nhanh chóng và tránh được các sai sót

+ Bộ thích nghi

Bộ thích nghi trong hệ điều khiển NC thông thường là một bộ chuyển đổi liên động Trong hệ điều khiển CNC bộ chuyển đổi liên động được thay thế bằng bộ

điều khiển chương trình lưu trữ, bộ điều khiển chương trình đã được lưu trữ sẽ theo dõi và ghép nối chức năng vận hành máy đến từ hệ điều hành khiển CNC và máy

+ Sơ đồ hệ điều khiển CNC

Các hệ điều khiển CNC hiện nay được cấu tạo để khi mở rộng hệ điều khiển

có thể bổ sung thêm cho các chức năng đã có các mô đun mở rộng Vì vậy các hệ điều khiển được 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 thường sử dụng cả phần cứng lẫn phần mềm

Hình 1.8 Phương án nhiều bộ vi xử lý

Trong các phân xưởng có hệ thống DNC các chương trình NC được lập và đưa thẳng vào trong máy tính Phần lớn các hệ điều khiển CNC có các ngôn ngữ lập trình khác nhau vì vậy khi lập trình bằng tay cần có phần mềm tương ứng cho việc biên dịch DNC cung cấp cho cho các máy CNC riêng biệt các thông tin điều khiển

Hình 1.9 Hệ thống DNC

NC lập trình bằng máy đòi hỏi đối với từng kiểu điều khiển một chương trình dịch riêng (Postprocessor) Trong phân xưởng có nhiều máy CNC, các trang bị công nghệ được lưu giữ và điều hành trong một ngân hàng giữ liệu trung tâm của máy tính [4]

Nhờ đó, các dữ liệu về dụng cụ và trang thiết bị công nghệ được gọi ra trên màn hình Các hệ thống DNC có các ưu điểm sau:

- Có một ngân hàng dữ liệu trung tâm cho biết các thông tin của chương trình, 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

* Điều khiển thích nghi AC (Adaptive Control)

Điều khiển thích nghi AC là điều khiển tự động quá trình gia công không có tác động của người vận hành máy Nhằm tự động thay đổi các thông số gia công theo ảnh hưởng không thể dự kiến trước trong quá trình gia công Ví dụ: Kích thước phôi thay đổi khi điều khiển thích nghi sẽ thay đổi tốc độ chạy dao cho phù hợp Tuỳ theo mục tiêu sử dụng người ta phân chia các hệ thống điều khiển thích nghi thành:

- Điều khiển thích nghi cưỡng bức ACC (Adaptive Control Constrain);

- Điều khiển thích nghi tối ưu ACO (Adaptive 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 lượng chạy dao và số vòng quay của dao phải được điều khiển sao cho đảm bảo công suất cắt tối đa cho phép

ACO dùng cho việc tối ưu hoá các quá trình gia công nhằm giảm thời gian gia công hoặc giảm giá thành gia công có chú ý đến nhiều yếu tố ảnh hưởng ngược nhau (công suất cắt cao sẽ làm giảm tuổi bền của dụng cụ cắt) Hiện nay các hệ thống ACO ứng dụng nhiều trong gia công bằng mài và gia công bằng tia lửa điện

Hệ thống điều khiển thích nghi được ứng dụng rộng rãi cho các chức năng bổ sung thêm của các hệ điều khiển CNC như tự động theo dõi dụng cụ cắt và đo chi tiết trong quá trình gia công [3]

* Hệ thống gia công linh hoạt FMS (Flexble manufaceturing systems)

Sự đa dạng của sản phẩm dẫn đến giảm số lượng chi tiết gia công trong một loạt và làm tăng giá thành Một số ngành công nghiệp chế tạo do số lượng kiểu sản phẩm và các phương án mẫu ngày càng tăng Dây chuyền sản xuất truyền thống không hiệu quả kinh tế đối với khối lượng chủng loại chi tiết

Các hệ thống gia công linh hoạt có khả năng gia công các chi tiết khác nhau trong cùng một họ chi tiết với số lượng chi tiết và thứ tự gia công tuỳ ý Giá thành chế tạo chi tiết kể cả trong điều kiện gia công loạt nhỏ vẫn đạt hiệu quả kinh tế [1] Tuỳ theo tính linh hoạt và năng suất, người ta phân loại các hệ thống gia công linh hoạt thành:

- Các tế bào gia công linh hoạt;

- Các cụm gia công linh hoạt;

- Các dây chuyền gia công linh hoạt

Một hệ thống gia công linh hoạt thường có ba thành phần chính:

- Một hay nhiều cụm gia công;

- Các hệ thống vận chuyển chi tiết và dụng cụ;

- Máy tính của hệ thống DNC đóng vai trò là thiết bị chỉ đạo

Hạt nhân của tế bào gia công là máy CNC Một trung tâm gia công có trang bị

ổ chứa dụng cụ, các trang bị thay đổi gá lắp Hệ thống thay đổi dụng cụ và chi tiết tạo thành một hệ thống gia công linh hoạt làm việc tự động đòi hỏi các thiết bị giám sát và đo lường tự động như: đo kích thước dụng cụ ở trên máy; theo dõi tự động tuổi bền của dao; đo chi tiết [5]

1.4 Kết luận

Tìm hiểu lịch sử phát triển máy công cụ nói chung và máy CNC nói riêng là một nhiệm vụ quan trọng đối với các nhà nghiên cứu khoa học, để có định hướng mới cho sử phát triển ngành chế tạo máy hiện đại

Đối với người làm công tác thiết kế, chế tạo trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy ngoài việc phải nắm vững các kiến thức công nghệ chế tạo máy cổ điển, thì việc cập nhật, tiếp thu các máy móc hiện đại, các phần mềm ứng dụng tiên tiến trong lĩnh vực chuyên ngành là hết sức cần thiết

Nghiên cứu áp dụng công nghệ CNC mà chủ đạo là các máy công cụ CNC và các phần mềm thiết kế cơ khí vào một sản phẩm củ thể giúp chung ta thiết kế, chế tạo một sản phẩm chính xác, tin cậy, tiết kiệm chi phí hạ giá thành sản phẩm

Chương 2: LẬP TRÌNH TRÊN MÁY PHAY CNC

2.1 Chuẩn bị lập trình

2.1.1 Những yêu cầu đối với người lập trình

Người lập trình phải có kiến thức về công nghệ để viết chương trình

và người lập trình còn phải tuân thủ các yêu cầu sau:

- Hiểu biết về lý thuyết cắt gọt

- Có kiến thức về đồ gá, lượng dư gia công để quyết định phương pháp gia công đảm bảo quá trình hoạt đông an toàn chính xác

- Chọn dụng cụ cắt thích hợp trên cơ sở phân tích các điều kiện gia công: "Hình dáng, vật liệu phôi, vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt" để tránh sự cố trong quá trình gia công

- Hiểu rõ khả năng gia công của máy đang sử dụng

- Làm chủ các thiết bị an toàn và chức năng khóa liên động của máy

- Hiểu các chức năng của máy liên quan tới việc lập trình

2.1.2 Các bước cần thiết khi lập một chương trình

(1) Kiểm tra bản vẽ để xác định yêu cầu gia công

(2) Phân tích các phần gia công, xác định đồ gá và dụng cụ cắt cần thiết (3) Xác định các bước gia công trên cơ sở kích thước và thông tin trên bản vẽ (4) Để lập một chương trình gia công phải viết ra giấy, chương trình bao gồm chữ, số và ký tự

(5) Sau khi hoàn thành cần kiểm tra lại nội dung chương trình trước khi đưa vào hoạt động

2.1.3 Nhập chương trình vào máy

Sau khi viết chương trình, sử dụng bàn phím trên bảng điều khiển để nhập chương trình vào bộ nhớ NC Nội dung chương trình đã nhập vào có thể được kiểm

Hình 2.1 Người lập trình

tra trên màn hình Thực hiện chương trình máy sẽ hoạt động theo khối lệnh của chương trình [12]

Trình tự làm việc như sau:

2.1.4 Các thuật ngữ trong lập trình

* Số chương trình (Program number)

Số chương trình được đặt dòng đầu tiên của chương trình và được xácđịnh bằng bốn chữ số hoặc ít hơn, sau ký tự Alphabet "O" từ 1 đến 9999 [6]

1 Nghiên cứu bản vẽ để xác định yêu cầu gia công

5 Bật nguồn cho máy công cụ

6 Nhập chương trình vào máy

7 Lưu chương trình vào bộ nhớ

8 Lắp dụng cụ và phôi lên máy

9 Đo, nhập giá trị chiều cao và bán kính dao

10 Rà gá phôi trên bàn máy để xác định điểm O

11 Đặt điểm O phôi

12 Kểm tra chương trình bằng cách chạy không cắt

13 Kiểm tra điều kiện gia công, bằng cách tiến hành cắt thử (sửa chữa chương trình, chỉnh sửa giá trị bù dao nếu cần thiết)

hàng loạt

Ví dụ:

O0001; Số chương trình G91G28Z0 T9001;

* Đoạn chương trình (Part program)

Đoạn chương trình chứa các thông tin cần thiết cho việc thực hiệntừng nguyên công (hay từng bước) được tiến hành bởi một dụng cụ

(Phần chương trình dành cho dụng cụ 503)

2.1.5 Điều khiển và định hướng các trục

* Di chuyển theo các trục điều khiển

Đối với loại máy MV, SV, SVD được xác định như sau [8]:

Hình 2.2 Chiều chuyển động trên máy CNC

sát từ mặt trước máy tới phôi)

Nếu dụng cụ được giả định là di chuyển trong khi bàn máy không chuyển động, có nghĩa là dụng cụ di chuyển sang phải

Y

Với lệnh "Y+" thì bàn máy chạy về phía người điều khiển

Nếu dụng cụ được giả định là di chuyển trong khi bàn máy không chuyển động, có nghĩa là dụng cụ di chuyển từ

vị trí người điều khiển tới thân máy

Ví dụ: Đặt điểm phôi tại tâm dễ dàng tính tọa độ tâm lỗ, hoặc các hốc tròn (pocket)

Hình 2.4.a Điểm gốc phôi

Khi hình dạng hình học chi tiết gia công có tính đối xứng, chọn gốc phôi như hình vẽ để tính toán dễ dàng

Sự khác nhau giữa lập trình theo tọa độ tuyệt đối và gia số:

Lập trình tuyệt đối lập trình gia số

Ký tự, địa chỉ G90(X_, Y_, Z_,); G91(X_, Y_, Z_,);

Ý nghĩa dấu (+, -) Thể hiển vùng tồn tại của điểm Hướng chuyển động tiếp

(2) Tốc độ chạy của dao (Cutting Fpeedrate) (mm/min)

Tốc độ tiến dao được đặt trực tiếp sau

địa chỉ F

F80; Tốc độ tiến dao 80mm/ph

(3) Chiều sâu cắt (Depth Of Cut)

Chiều sâu cắt đạt được bằng cách di

Từ và địa chỉ

Bảng dưới đây đưa ra và giải thích các từ và địa chỉ được sử dụng trong chương trình [6]

Số chương trình :(ISO)/O(EIA) Số chương trình

Lệnh di chuyển theo các trục Cung bán kính, góc R

Định rõ số tiếp theo P,Q Số lần lặp trong chương trình

Lặp đi lặp lại P Đếm số lần lặp trong chương trình

con

Bảng dưới đây giải thích sự khác biệt của từ và địa chỉ trong chương trình

B Xác định vị trí trên trục B (lệnh tuyệt đối)

C Chỉ định góc quay của trục chính (lệnh tuyệt đối)

F Tốc độ tiến dao

G Phương pháp gia công và chuyển động của các trục trong mỗi khối

lệnh thuộc chương trình

H Chỉ định góc quay của trục chính (lệnh gia số)

I Một thành phần của lệnh nội suy đường tròn

J Một thành phần của lệnh nội suy đường tròn, tương ứng với lượng di

P Đặt thời gian dừng và gọi chương trình con

Q Chiều sâu cắt của mỗi lát cắt khi sử dụng chu trình gia công lỗ

R Giá trị bán kính trong lệnh nội suy cung tròn

(3) Nếu nhiều mã G giống nhau đưa ra trong cùng một câu lệnh, mã G sau cùng sẽ có hiệu lực

(4) Nếu mã G không có trong bảng mã G hoặc không có trong phần lựa chọn

bổ sung đưa ra, tín hiệu cảnh báo (No.010) sẽ hiện trên màn hình

(5) NC thiết lập chế độ mã G, xác định biệu tượng , khi nguồn điện được bật lên

(6) Để Taro cứng, "đặt M29S_" trong khối lệnh trước khối lệnh chứa G84 hoặc G74

(7) Đối với các máy có APC, điểm gốc thứ 3, 4 được dùng để điều khiển APC, không dùng được các mục đích khác [17]

G02 Nội suy cung tròn, xoắn vít, xoắn Acsimet, hình nón cùng chiều

06 Đặt đơn vị làm việc theo hệ Inch

G27

00

Quay về gốc máy

G47 Bù vị trí dụng cụ tăng 2 lần

G52

00 Đặt hệ tọa độ địa phương

G54

14

Lựa chọn hệ tọa độ phôi thứ nhất

Gia công lỗ sâu tốc độ cao

G84.3 Chu trình Taro cứng ren trái

10 Đặt kiểu rút dao trong chu trình gia công lỗ

G99 Đặt kiểu rút dao trong chu trình gia công lỗ

Câu lệnh với hệ tọa độ tuyệt đối G90

Khối lệnh tuyệt đối xác định tọa độ điểm đích theo hệ tọa độ của gốc phôi (X0, Y0, Z0)

Câu lệnh với hệ tọa độ gia số G91

Khối lệnh tọa độ gia số định nghĩa tọa độ điểm đích bằng hành trình cần di chuyển trên các trục để tới điểm đó tính từ vị trí hiện tại Chiều dương chỉ ra rằng vị trí điểm tiếp theo nằm theo hướng dương so với điểm hiện tại [8]

(1) Khối lệnh tuyệt đối: