Bài giảng: Phương pháp lập trình CNC

Nội dung môn học: Chương 1: Tổng quan về công nghệ CNCChương 2: Tổng quan về chương trình gia côngChương 3: Lập trình gia công trên máy phay CNCChương 4: Lập trình gia công trên máy tiện CNCLịch sử phát triển của máy công cụ (Machine Tool):Khoảng 5000 năm trước công nguyên, con người đã sử dụng những tảng đá và các công cụ phụ trợ khác để làm những công việc mà minh mong muốn như hình vẽ dưới đây. Đây có thể xem như điểm khởi đầu của phát triển máy công cụ.

Phương pháp lập trình CNC

Bộ môn Tự động hóa Trường Đại học Mỏ - Địa Chất

 Chương 1: Tổng quan về công nghệ CNC

 Chương 2: Tổng quan về chương trình gia công

 Chương 3: Lập trình gia công trên máy phay CNC

 Chương 4: Lập trình gia công trên máy tiện CNC

 1.1 Mở đầu:

Lịch sử phát triển của máy công cụ (Machine Tool):

 Khoảng 5000 năm trước công nguyên, con người đã sử dụng những

tảng đá và các công cụ phụ trợ khác để làm những công việc mà minh mong muốn như hình vẽ dưới đây Đây có thể xem như điểm khởi đầu của phát triển máy công cụ.

 Lịch sử phát triển của máy công cụ (Tool Machine):

 Thời trung cổ (khoảng năm 1425) với sự xuất hiện của các thiết bị

tiện, khoan được coi như là cột mốc chính đầu tiên Khi đó con người và sức nước là hai nhân tố chính.

 Lịch sử phát triển của máy công cụ (Tool Machine):

 Vào thế kỷ 18 và 19 đánh dấu cột mốc quan trọng tiếp theo:

 Phát minh ra động cơ chạy bằng hơi nước bởi James Watt

 Phát minh ra bàn trượt bởi Henry Maudslay

 Đây là hai phát minh rất quan trọng của lịch sử phát triển máy công cụ.

 Lịch sử phát triển của máy công cụ (Tool Machine):

 Vào thế kỷ 19, kỹ thuật cơ khí đã phát triển và hoàn thiện tất cả các

cấu kiện (Module) được sử dụng trong máy công cụ:

 Truyền động puli côn cho các hộp số (Cone-pully drive with geers)

 Bàn trượt (Cross slide)

 Ụ động (Tailstock)

 Lịch sử phát triển của máy công cụ (Tool Machine):

 Khoảng năm 1916 ÷ 1950 máy công cụ đã phát triển mạnh mẽ gồm:

 Máy tiện

 Máy khoan

 Máy phay…

 Đây là kết quả của sự kết hợp giữa người và máy.

 Ngày nay nhiều người cho rằng máy CNC đã thay thế hoàn toàn cho

máy công cụ thông thường Nhưng điều đó không đúng.

 Ngày nay các máy công cụ thông thường vẫn đang được sử dụng trên

 Máy CNC được phát triển và hoàn thiện dần cho đến ngày nay,

với một số mốc lịch sử như sau:

 Năm 1954 Bendix đã chế tạo ra bộ điều khiển NC (Numerical Control) hoàn chỉnh đầu tiên có sử dụng các bóng điện tử

 Năm 1954, phát triển ngôn ngữ biểu trưng được gọi là ngôn ngữ lập trình tự động APT (Automatic Programing Tool)

 Năm 1960, kỹ thuật bán dẫn thay thế cho những hệ thống điều khiển xung rơ le, đèn điện tử

 Năm 1968, kỹ thuật mạch tích hợp IC ra đời có độ tin cậy cao hơn

 Năm 1972, hệ điều khiển NC đầu tiên có lắp đặt máy tính nhỏ

 Năm 1979, hình thành khớp nối liên hoàn CAD/CAM – CNC

 Ngày nay các máy công cụ CNC đã hoàn thiện hơn với tính năng vượt trội có thể gia công hoàn chỉnh chi tiết trên một máy gia công với số lần gá lắp ít nhất Đặc biệt chúng có thể gia công các chi tiết có bề mặt

 1.2 Khái niệm điều khiển số:

 Khi gia công trên máy công cụ thông thường, các bước gia công

chi tiết do người thợ thực hiện bằng tay như: điều chỉnh số vòng quay, lượng chạy dao, kiểm tra vị trí dụng cụ cắt để đạt được kích thước cần gia công trên bản vẽ

 Ngược lại, trên máy điều khiển số thì quá trình gia công thực hiện

một cách tự động Trước khi gia công người ta phải đưa vào hệ điều khiển một chương trình gia công dưới dạng một chuỗi các câu lệnh điều khiển Hệ thống điều khiển số có khả năng thực hiện các

 Hệ điều khiển số CNC?

Theo ISO, hệ điều khiển số CNC là một hệ máy vi tính, có khả

năng tiếp nhận phiếu công nghệ dưới dạng tệp dữ liệu được mã hoá bằng chữ và số, xử lý dữ liệu và điều khiển quá trình gia công chi tiết trên máy công cụ như một người thợ vận hành máy lành nghề

 1.3 Hiệu quả kinh tế của máy CNC

Hiệu quả kinh tế do máy CNC đem lại có thể chia ra ở các khía cạnh dưới đây:

 Đạt độ chính xác cao.

 Gia công được các chi tiết có độ phức tạp cao.

 Đáp ứng được tính linh hoạt của sản xuất

 Chi phí cho sản xuất dụng cụ cắt nhỏ hơn

 Rút ngắn được thời gian gia công so với máy công cụ vạn năng.

 1.4 Máy CNC dùng trong công nghiệp

 Máy phay CNC (Milling machines)

 Máy tiện CNC (Turning machines).

 Máy khoan CNC (Drilling machines).

 Máy doa CNC (Boring machines).

 Máy mài CNC (Grinding machines).

 Trung tâm gia công CNC (Machining center).

 Máy đột dập CNC (Punching machines).

 1.5 Thành phần cơ bản của máy CNC

Máy điều khiển số CNC (Computer Numerical Control) có bốn thành phần cơ bản:

 Hệ điều khiển máy (Machine Control Unit - MCU).

 Hệ thống truyền dẫn (Driving System)

 Máy công cụ (Machine Tool).

 Hệ thống phản hồi (Feedback System).

Cấu trúc cơ bản của hệ CNC

 1.6 Cấu trúc hệ trục máy CNC

 1.6.1 Định nghĩa trục máy

Phân tích các chuyển động cơ học cho thấy mọi chuyển động đều

tổ hợp từ hai chuyển động cơ bản:

 Chuyển động tịnh tiến

 Và chuyển động quay tròn

Vì vậy chuyển động của dụng cụ cắt của máy cũng được đặc trưng bởi hai chuyển động trên

 Đối với máy CNC:

 Chuyển động thẳng của dụng cụ cắt song song với trục toạ độ gắn với

máy => gọi là trục chuyển động thẳng (gọi tắt là trục thẳng)

 Chuyển động của dụng cụ cắt quay xung quanh trục toạ độ gắn với

máy => gọi là trục chuyển động quay (gọi tắt là trục quay)

 Số trục thể hiện khả năng công nghệ của máy, nên người ta thường

lấy số trục kèm với tên máy

 ví dụ :

 Máy phay CNC ba trục

 Máy phay CNC bốn trục để gọi tên của máy

 …

 Để mô tả máy CNC từ đơn giản đến phức tạp, tập đoàn công

nghiệp điện tử EIA (Electronic Industries Association) đưa ra tiêu chuẩn EIA-267-B Tiêu chuẩn này cho rằng chỉ cần tối đa mười bốn trục (trục chuyển động) là có thể mô tả tất cả các máy CNC từ đơn giản đến phức tạp

 Mười bốn trục chuyển động được chia thành hai kiểu:

Cách xác định 3 trục: X, Y, Z:

 Hệ toạ độ Đecac gắn vào máy công cụ điều khiển số được quy định bắt đầu bằng trục Z Trục Z bố trí trùng với trục chính, còn các trục khác xác định theo nguyên tắc bàn tay phải

 Hai trục X, Y tương ứng với hai chuyển động của bàn máy trong mặt phẳng tạo bởi hai trục toạ độ X, Y

 Hệ EIA quy định chuyển động nào của bàn máy có hành trình lớn hơn trong hai chuyển động, được xác định là chuyển động của trục X, và chuyển động còn lại là chuyển động của trục Y

 Chiều +Y được xác định dựa trên cơ sở chiều +Z và +X đã biết theo nguyên tắc bàn tay phải

Cách xác định chiều +Y như sau: đưa ngón cái theo chiều +X, ngón giữa theo chiều +Z, ngón trỏ cùng với hai ngón giữa và ngón cái làm thành hệ toạ độ Đecac, chiều đi từ lòng bàn tay đên đầu ngón tay trỏ là chiều +Y Chiều ngược lại là chiều –Y

 1.6.3 Ba trục quay thứ nhất: A, B và C

Ba trục quay thứ nhất ký hiệu bằng ba chữ cái A, B và C:

 Chuyển động quay xung quanh trục X là trục A

 Chuyển động quay xung quanh trục Y là trục B

 Và chuyển động quanh xung quanh trục Z là trục C

 Tương tự như vậy xác định được chiều +B và +C chỉ rõ trên hình

 1.6.4 Ba trục thẳng thứ hai: U, V và W

Ba trục thẳng thứ hai ký hiệu bằng các chữ cái U, V và W Các trục thẳng thứ hai được quy ước:

 Trục U chuyển động song song với trục X

 Trục V chuyển động song song với trục Y

 Trục W chuyển động song song với trục Z

 1.6.5 Ba trục thẳng thứ ba: P, Q và R

Một số máy CNC phức tạp, ngoài ba trục thẳng thứ nhất và ba trục thẳng thứ hai nhưng vẫn chưa đủ để mô tả hết các chuyển động cần thiết, máy cần thêm ba trục thẳng thứ ba Ba trục thẳng thứ ba được

ký hiệu bằng các chữ cái P, Q và R.

Các trục thẳng thứ hai được quy ước:

 Trục P chuyển động song song với trục X

 Trục Q chuyển động song song với trục Y

 Trục R chuyển động song song với trục Z

 1.6.6 Hai trục quay thứ hai: D và E

Hai trục quay thứ hai được ký hiệu bằng các chữ cái D và E Đặc trưng của trục quay thứ hai là quay song song với trục quay thứ nhất A, B hoặc C hoặc một trục đặc biệt.

 Hệ tọa độ Đecac.

 Hệ toạ độ cực.

 1.7.1 Hệ toạ độ Đecac

Hệ toạ độ Đecac được xem như hệ toạ độ chữ nhật dựa trên ba trục

X, Y và Z Các trục vuông góc với nhau và giao nhau tại một điểm gọi là gốc toạ độ Vì thế một vị trí trong mặt phẳng được mô tả qua hai trục toạ độ và một điểm trong không gian được mô tả qua ba trục toạ độ

P(R, α) R

Y

X α

 Góc có đơn vị đo bằng độ và giá trị góc dương khi đo theo chiều ngược kim đồng hồ, góc có giá trị âm khi đo góc cùng chiều kim đồng hồ

Mặt phẳng của toạ độ cực Trục chuẩn để xác định góc

 1.7.3 Hệ toạ độ quy chiếu

 a Hệ toạ độ máy (Machine Coordinate System: MCS)

 Chiều của hệ toạ độ máy phụ thuộc vào từng loại máy riêng biệt

 Điểm gốc của hệ toạ độ này là điểm gốc máy

 Điểm này chỉ được xác định bởi nhà chế tạo máy

 Điểm gốc máy dùng để tổ chức máy sau mỗi lần mất điện.

 b Hệ toạ độ phôi (Workpiece Coordinate System: WCS)

 Hệ toạ độ phôi được dùng để mô tả hình học của phôi trong chương trình gia công

 Điểm gốc phôi (Workpiece zero) được tự do lựa chọn bởi người lập trình Người lập trình không cần biết tình trạng dich chuyển thực của máy, ví dụ: phôi đang dịch chuyển hay dao cắt đang dịch chuyển.

 Định nghĩa chiều dựa trên sự giả định là phôi đứng yên và dao cắt dịch chuyển.

 c Hệ toạ độ phôi hiện hành (Current Workpiece Coordinate System)

 Trong nhiều trường hợp toạ độ điểm gia công theo gốc phôi không thuận lợi Nếu dùng một điểm khác để xác định vị trí gia công thuận lợi hơn, điểm đó được gọi là điểm gốc chương trình

 Khi đó sẽ tạo ra hệ toạ độ phôi hiện hành mới thoả mãn nhu cầu gia công

Hệ toạ độ phôi hiện hành cũng có thể được trở lại hệ toạ độ phôi ban đầu.

Độ lệch được lập trình Hiện hành

TỔNG QUAN VỀ CHƯƠNG TRÌNH GIA CÔNG

 2.1 Các khái niệm cơ bản

 Máy công cụ NC và máy công cụ CNC không có sự khác nhau cơ

bản về ngôn ngữ lập trình và công nghệ gia công của máy công cụ

Do vậy khái niệm về chương trình NC được dùng cho cả hai hệ.

 Chương trình NC là tập hợp những chỉ dẫn cần thiết cho quá trình

gia công một chi tiết cơ khí trên máy công cụ điều khiển số mà không có sự trợ giúp của con người.

 Quá trình lập chương trình gia công là quá trình thiết lập tuần

tự các khối lệnh theo một ngôn ngữ mà bộ điều khiển CNC có thể hiểu được, để hoàn thành một quá trình gia công hoàn chỉnh theo yêu cầu công nghệ

 Chương trình NC cho máy công cụ CNC gồm hai cấp:

 Cấp thấp: Lập trình cơ sở bằng ngôn ngữ điều khiển số (ISO-code) (Tương đương với ngôn ngữ lập trình trên máy tính như: ASSEMBLY )

 Cấp cao: Lập trình nâng cao bằng ngôn ngữ cấp cao Ví dụ: APT (Automatically Programed Tool) (Tương đương với ngôn ngữ lập trình trên máy tính như: Pascal, C, C++ )

 2.2 Cấu trúc của một chương trình NC

 2.2.1 Cấu trúc

 Chương trình NC bao gồm trình tự của các khối lệnh (Block)

 Mỗi khối lệnh là một bước gia công

 Những lệnh được ghi trong một khối lệnh dưới dạng từ (Word)

 Khối lệnh cuối cùng trong trình tự đó chứa một từ đặc biệt cho việc kết thúc chương trình: M2

 Một chương trình theo tiêu chuẩn ISO có 2 loại:

 Chương trình chính (main program)

 Chương trình con (subprogram): là chương trình được gọi từ chương trình chính, thường được dùng trong chương trình chính có nhiều đoạn lặp lại

…Trở về chương trình chính

Cấu trúc một chương trình NC

Word Word Word Chú thích

 2.2.2 Đầu chương trình (tên chương trình)

 Một chương trình thường được bắt đầu bằng một ký tự mở đầu (ví dụ:

%, Begin, ) Đối với hệ Fanuc ký tự đó là O

 Đối với hệ Siemens được tự do lựa chọn nhưng phải thoả mãn điều kiện sau:

 Hai ký tự đầu tiên phải là chữ cái.

 Những chữ còn lại có thể là số (digit) hay dấu gạch chân (underscore).

 Không sử dụng quá tám ký tự.

 Không sử dụng dấu cách.

 Tên chương trình rất có ý nghĩa trong việc gọi và quản lý chương

 Cuối chương trình là các câu lệnh:

 Trở về điểm gốc của chương trình

 Tắt dung dịch tưới nguội

 Dừng trục chính

 Dừng chương trình

 2.2.5 Cấu trúc và địa chỉ của từ lệnh

Từ lệnh (Word) là một thành phần của khối, thông thường là một lệnh điều khiển Từ lệnh bao gồm:

 Một ký tự địa chỉ (Address character) Ký tự địa chỉ thông thường là một chữ cái

 Một giá trị số (numerical value) Một giá trị số bao gồm thứ tự của các

số (digit) Một dấu trừ hay một dấu thập phân có thể được thêm vào thứ tự này Dấu (+) có thể được bỏ qua

Address Value

F300Bước tiến:

300mm/phút

 2.2.6 Cấu trúc khối lệnh

 a Sơ đồ cấu trúc một khối:

/ N Word1 Word2 Wordn

Số khối Dấu cách Dấu cách Dấu cách

 Một số điểm lưu ý:

 Lựa chọn số thứ tự đầu tiên của khối thường là 5 hay 10 Điều này có thể cho phép chèn thêm khối vào trong khi vẫn duy trì sự sắp xếp theo trật tự của khối

 Khối chương trình mà không được thực hiện trong suốt chương trình

gia công có thể được đánh dấu với dấu gạch chéo “/” đằng trước khối

đó

 Chú thích có thể được sử dụng để giải thích các câu lệnh trong khối

của chương trình Chú thích được đánh dấu bởi dấu “;”.

 2.3 Phương thức lập trình

 2.3.1 Lập trình trực tiếp

Người lập trình có thể tự biên soạn chương trình NC trên cơ sở nhận dạng hoàn toàn chính xác toạ độ chạy dao Ở đây thường dùng cho các trường hợp gia công đơn giản Truyền chương trình

NC được lập vào hệ điều khiển máy bằng 2 phương pháp:

 Nhập từ Panel điều khiển trong chế độ EDIT

 Nhập từ các thiết bị ngoài: như trên máy tính, qua cổng giao tiếp RS232

 Phương pháp lập trình trực tiếp

 2.3.2 Lập trình tự động

Người lập trình sử dụng ngôn ngữ hỗ trợ lập trình hoặc phần mềm CAD/CAM như công cụ trợ giúp để chuyển đổi tự động dữ liệu hình học và dữ liệu công nghệ thành chương trình NC Có 2 phương pháp:

 Lập trình bằng phần mềm NC (NC Editor)

 Lập trình bằng phần mềm CAD/CAM (Computer-Aided

Design/Computer-Aidded Manufacturing)

LẬP TRÌNH GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC

(THEO HỆ SIEMENS)

 3.1 Dữ liệu vị trí

 3.1.1 Lựa chọn mặt phẳng gia công: G17, G18, G19

 Ví dụ, để bù độ dài hay bán kính của dao cắt, một mặt phẳng với hai trục phải được lựa chọn trong hệ toạ độ 3 trục Khi đó, nó có thể kích hoạt việc bù bán kính dao trong mặt phẳng này Bù độ dài dao phụ thuộc vào kiểu dao cụ: dao cắt, dao khoan hay dao tiện

 Hơn nữa, một phẳng riêng biệt được quy định để định nghĩa hướng quay của nội suy đường tròn theo hướng thuận hay ngược

 Bảng sau chỉ ra lựa chọn mặt phẳng và gán trục toạ độ tương ứng:

Chức năng G Mặt phẳng (trục cho bù chiều dài dao khoan, phay)Trục thẳng đứng trong mặt phẳng

 3.1.2 Kích thước tuyệt đối/tương đối: G90, G91

Nếu G90 hay G91 được kích hoạt, thông tin vị trí X, Y, Z được hiểu như toạ độ gốc (G90) hay như khoảng dịch chuyển (G91) G90/G91 cấp cho tất cả các trục.

 G90: Kích thước tuyệt đối G90 được kích hoạt cho tất cả các trục từ lúc bắt đầu chương trình cho đến khi bị huỷ bởi G91

 G91: Kích thước tương đối G91 được kích hoạt cho tất cả các trục từ lúc bắt đầu chương trình cho đến khi bị huỷ bởi G90

Sự khác nhau giữa kích thước tuyệt đối và kích thước tương đối

Kích thước tuyệt đối Kích thước tương đối

 3.1.3 Kích thước dạng mét/inch: G71, G70

Nếu một chi tiết gia công có kích thước khác với hệ thống cơ bản

đã được thiết lập trong hệ thống điều khiển (inch hay mm), sau đó

nó có thể được nhập trực tiếp trong chương trình Hệ thống điều khiển sau đó sẽ biến đổi chúng sang hệ thống cơ bản.

 G70: Kích thước hệ inch

 G71: Kích thước hệ met

 Ví dụ:

N10 G70 X10 Z30 ;Kích thước hệ inch N20 X40 Z50 ;G70 vẫn tích cực