Máy Điều Khiển Số Và Robot Công Nghiệp

LỜI NÓI ĐẦU Trong một vài năm từ đầu thập kỉ 90 trở lại đây, máy điều khiển số CNC đã xuất hiện ở Việt Nam và dần dần khẳng định được vai trò của nó trong sản xuất cơ khí cụ thể là tron

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 5

Chương 1 MÁY ĐIỀU KHIỂN SỐ 7

1.1 Sự ra đời và phát triển của máy điều khiển số 7

1.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển máy điều khiển số 7

1.1.2 Các tính năng kỹ thuật của máy điều khiển số 10

1.1.3 Hiệu quả sử dụng máy CNC 12

1.2 Cấu trúc chung của máy NC 17

1.2.1 Sơ đồ động học của xích chạy dao 17

1.2.2 Cấu trúc chung của máy tiện NC 21

1.2.3 Cấu trúc chung của máy phay NC 21

1.3 Các hệ thống cơ khí của máy CNC 22

1.3.1 Dẫn động chạy dao 22

1.3.2 Dẫn động trục chính 38

1.3.3 Đường hướng của máy CNC 39

1.3.4 Hệ thống thay dao tự động 43

1.3.5 Dao cắt trên máy CNC 46

1.3.6 Đồ gá trên máy CNC 51

Chương 2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ 52

2.1 Khái niệm về hệ thống điều khiển số 52

2.1.1 Điều khiển số trực tiếp và điều khiển số phân phối (DNC) 53

2.1.2 Điều khiển số có máy tính (CNC) 55

2.2 Phân loại điều khiển số 56

2.2.1 Điều khiển điểm PTP 56

2.2.2 Điều khiển đường liên tục 58

2.2.3 Các hệ thống điều khiển theo số trục được điểu khiển đồng thời 59

2.2.4 Điều khiển NC và CNC 61

2.2.5 Điều khiển hở và điều khiển kín 63

2.2.6 Điều khiển thích nghi 64

2.3 Phần cứng của hệ thống điều khiển số 65

2.3.1 Cụm điều khiển máy MCU 66

2.3.2 Bộ vi xử lý CPU 67

2.3.3 Bộ nhớ ROM và RAM 68

2.3.4 Các thành phần giao tiếp khác 68

2.3.5 Bộ điều khiển máy khả trình PMC 70

2.4 Các phần mềm của CNC 71

2.4.1 Hệ điều hành (phần mềm hệ thống) 72

2.4.2 Phần mềm giao tiếp máy 72

2.4.3 Phần mềm ứng dụng 74

2.4.4 Chương trình nội suy 74

2.5 Hệ thống phản hồi (feedback) 80

2.5.1 Các kiểu hệ thống phản hồi 80

2.5.2 Hệ thống phản hồi kiểu số - tương đối 82

2.5.3 Hệ thống phản hồi kiểu số - tuyệt đối 85

2.5.4 Hệ thống phản hồi tương tự (analog) 86

Chương 3 CƠ SỞ LẬP TRÌNH GIA CÔNG CHO MÁY CNC 89

3.1 Các trục toạ độ và chiều chuyển động 89

3.1.1 Hệ thống các toạ độ 89

3.1.2 Quy định các toạ độ trên máy 89

3.1.3 Các điểm gốc (ZERO) và các điểm chuẩn (tham khảo) 91

3.2 Mã hoá thông tin 95

3.2.1 Hệ thống số và cách biểu diễn đại lượng trong điều khiển số 95

3.2.2 Cấu trúc của chương trình gia công 97

3.2.3 Dữ liệu của chương trình 103

3.3 Các bước lập trình NC 103

3.3.1 Nghiên cứu bản vẽ chi tiết 104

3.3.2 Phân tích chi tiết thành các khối hình học 104

3.3.3 Ghi kích thước cho chi tiết 105

3.4 Các hình thức bảo đảm chương trình 108

3.4.1 Lập trình bằng tay trực tiếp trên máy CNC 108

3.4.2 Lập trình trên mạng DNC 108

3.4.3 Lập trình bằng tay tại phòng chuẩn bị chương trình 109

3.4.4 Lập trình với sự hỗ trợ của máy tính 109

3.5 Ngôn ngữ lập trình 110

3.5.1 Ngôn ngữ lập trình ISO (ngôn ngữ máy) 110

3.5.2 Ngôn ngữ giao thoại 110

3.5.3 Ngôn ngữ lập trình tự động APT 111

3.5.4 Lập trình bằng các phần mềm CAD/CAM 114

Chương 4 LẬP TRÌNH CƠ BẢN CHO MÁY PHAY CNC 116

4.1 Các mã lệnh chủ yếu của máy phay 116

4.1.1 Chức năng chuẩn bị (G) 116

4.1.2 Các lệnh bù dao và bù hệ toạ độ 116

4.1.3 Các chu kỳ 116

4.1.4 Chức năng bổ trợ hay chức năng phụ M-code (M) 116

4.2 Các mã lệnh cơ bản 117

4.2.1 Chạy dao nhanh, G0 hoặc G00 117

4.2.2 Gia công đường thẳng G01 118

4.2.3 Gia công cung tròn, đường tròn G02 và G03 121

4.2.4 Chọn mặt phẳng toạ độ, G17, G18, G19 124

4.2.5 Hệ toạ độ tuyệt đối, tương đối, G90 và G91 124

4.2.6 Đơn vị đo G70 hoặc G71 125

4.2.7 Xác lập điểm 0 của chi tiết, G92 125

4.2.8 Trở về điểm tham chiếu G28, G29, G30 125

4.2.9 Lựa chọn và thay thế dao cắt 126

4.2.10 Đơn vị tốc độ chạy dao G94 và G95 127

4.2.11 Số vòng quay trục chính S 127

4.2.12 Lập trình t lệ, đối xứng G51 128

4.2.13 Quay hệ tọa độ G68 128

Chương 5 LẬP TRÌNH CƠ BẢN CHO MÁY TIỆN CNC 133

5.1 Các nhóm mã lệnh chủ yếu của máy tiện 133

5.1.1 Các mã lệnh chuẩn bị (mã G) 133

5.1.2 Các mã lệnh M 134

5.2 Các mã lệnh cơ bản 135

5.2.1 Chức năng dao T 135

5.2.2 Chức năng vận tốc chạy dao F 135

5.2.3 Chức năng tốc độ trục chính S 136

5.2.4 Xác lập hệ toạ độ làm việc 137

5.2.5 Lập trình theo đường kính và bán kính 138

5.2.6 Lập trình tuyệt đối và lập trình tương đối 139

5.2.7 Các mã lệnh chuyển động của dao 140

5.2.8 Lùi về điểm tham khảo G28 và G30 145

5.2.10 Gia công ren G32 146

5.2.11 Cắt ren có bước thay đổi G34 149

Chương 6 RÔ-BỐT CÔNG NGHIỆP 150

6.1 Sơ lược quá trình phát triển của rô-bốt công nghiệp 150

6.2 Cấu trúc cơ bản của rô-bốt công nghiệp 150

6.3 Kết cấu của tay máy 151

6.4 Hệ tọa độ 153

6.5 Trường công tác của rô-bốt 154

6.6 Phân loại rô-bốt công nghiệp 155

6.6.1 Phân loại theo ứng dụng 155

6.6.2 Phân loại theo phương pháp điều khiển 155

6.7 Ứng dụng của rô-bốt công nghiệp trong sản xuất 156

PHỤ LỤC 160

Phụ lục 1 Các hệ thống số 160

P1.1 Hệ thập phân 160

P1.2 Hệ nhị phân 160

P1.3 Hệ bát phân 161

P1.4 Hệ thập lục phân (hex) 162

P1.5 Số học số nhị phân 163

Phụ lục 2 Bảng mã G, M của hãng FANUC 166

P2.1 Mã G 166

P2.2 Mã M 169

Phụ lục 3 Chế độ cắt trên máy CNC 173

P3.1 Chế độ cắt khi phay 173

P3.2 Chế độ cắt khi khoan 174

P3.3 Chế độ cắt khi doa 174

P3.4 Chế độ cắt khi tarô 176

LỜI NÓI ĐẦU

Trong một vài năm từ đầu thập kỉ 90 trở lại đây, máy điều khiển số (CNC) đã xuất hiện ở Việt Nam và dần dần khẳng định được vai trò của nó trong sản xuất cơ khí

cụ thể là trong một số công nghệ quan trọng như: gia công các loại khuôn mẫu, gia công các chi tiết phức tạp, có độ chính xác cao Trong khu vực kinh tế Nhà nước, nhiều cơ sở đã đầu tư lắp đặt các dây chuyền sản xuất hiện đại, trong đó có các trung tâm gia công CNC, các phần mềm trợ giúp thiết kế và sản xuất (CAD/CAM) được trang bị đồng bộ

Trong khu vực công nghiệp Quốc phòng, do nhiệm vụ là chế tạo các chi tiết vũ khí có độ phức tạp và chính xác cao nên nhiều cơ sở nghiên cứu, đào tạo và các nhà máy Quốc phòng đã trang bị các loại máy CNC để thực hiện các phương pháp công nghệ khác nhau Các máy CNC đã được trang bị phần lớn thuộc nhóm máy phay, tiện, cắt dây, gia công điện cực (xung điện) Bên cạnh các máy hiện đại, có độ chính xác cao, như các máy của Trung tâm khoa học công nghệ và kĩ thuật quân sự, Viện công nghệ - Tổng cục công nghiệp QP; còn lại phần lớn các máy được trang bị cho các nhà máy đều có tính năng công nghệ ở mức trung bình

Mặc dù công nghệ CAD/CAM và CNC đã xuất hiện ở Việt Nam trong một thời gian khá dài, nhưng việc ứng dụng nó trong sản xuất vẫn đang chỉ ở giai đoạn khởi đầu do trang bị còn lẻ tẻ, tính đồng bộ không cao Các cơ sở sản xuất đã trang bị nhiều máy CNC nhưng chưa nối mạng nên chưa có khả năng trao đổi chương trình và

dữ liệu với thiết bị bên ngoài; ở một số cơ sở có thiết bị hiện đại thì lại không có công

cụ lập trình tương xứng Ngoài ra vấn đề đào tạo một đội ngũ lập trình viên có đủ

năng lực khai thác các thiết bị này cũng là vấn đề đáng chú ý

Giáo trình này phục vụ cho công tác đào tạo kỹ sư công nghệ chế tạo máy và công nghệ chế tạo vũ khí tại Học viện kỹ thuật quân sự (KTQS) Mục đích là cung cấp những hiểu biết chung nhất về máy điều khiển số, hệ thống điều khiển số và các kỹ năng lập trình gia công cơ bản cũng như vận hành máy CNC phục vụ cho môn học

"Máy điều khiển số và rô bốt công nghiệp"

Giáo trình gồm 6 chương và 3 phụ lục:

Chương 1 Máy điều khiển số CNC

Chương 2 Hệ thống điều khiển số CNC

Chương 3 Cơ sở lập trình gia công cho máy điều khiển số

Chương 4 Lập trình cơ bản cho máy phay CNC

Chương 5 Lập trình cơ bản cho máy tiện CNC

Chương 6 Rô-bốt công nghiệp

Các tác giả xin cám ơn đồng chí Dương Xuân Biên, Phòng thí nghiệm công nghệ cao, Trung tâm công nghệ, Học viện KTQS đã cung cấp tài liệu về vận hành máy; các đồng chí Nguyễn Trung Thành, Lê Xuân Hùng, giảng viên Bộ môn Chế tạo máy, Khoa Cơ khí đã giúp đ trong quá trình chế bản

Giáo trình là kết quả của nhiều năm giảng dạy các môn học trong lĩnh vực CAD/CAM-CNC Tuy nhiên lần đầu tiên xuất bản chắc vẫn còn sai sót Chúng tôi mong nhận các ý kiến đóng góp để hoàn thiện cho những lần tái bản ịa chỉ liên hệ: Nguyễn Trọng Bản, Bộ môn Chế tạo máy, Khoa Cơ khí, Học viện KTQS; điện thoại CQ: 069515368, D 0982502954; email: trong_ban29@yahoo.com.vn

Các tác giả

Chương 1 MÁY ĐIỀU KHIỂN SỐ

1.1 Sự ra đời và phát triển của máy điều khiển số

1.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển máy điều khiển số

Từ năm 1807 Joseph M Jacquard đã sử dụng các bìa đục lỗ để điều khiển máy dệt Những năm tiếp theo ngành công nghiệp dầu mỏ và hóa chất cũng đã sử dụng nguyên lý này

Năm 1947 John Parsons của công ty Pasrons có trụ sở ở Traverse City, Michigan (Mỹ) bắt đầu thí nghiệm ý tưởng sử dụng những dữ liệu đường cong ba chiều để điều khiển máy công cụ gia công một số bộ phận phức tạp của máy bay Ông

đã sử dụng thành công nguyên lý xấp xỉ toán học (nguyên lý nội suy) để cắt gọt biên dạng cánh máy bay trực thăng (helicopter rotor blade) vào tháng 12 năm 1948

Tháng 6 năm 1949 Parsons đã liên kết với phòng thí nghiệm Servomechanisms (cơ cấu bám) của Viện công nghệ Masachuset (Massachusetts Insutute of Technology - MIT) nhằm phát triển máy tự động điều khiển số mà kết quả

là vào năm 1952 đã chế tạo thành công máy tự động điều khiển số đầu tiên, máy phay trục đứng Cincinnati Hydrotel Cụm điều khiển máy (Machine Control Unit - MCU) được thiết kế từ các đèn điện tử chân không và chiếm nhiều không gian hơn máy công

cụ MCU tiếp nhận dữ liệu máy từ các bìa đục lỗ để tạo ra các chuyển động theo ba trục toạ độ nhờ bộ nội suy tuyến tính

Ngay sau đó, một phương án chế tạo máy NC công nghiệp được đề nghị với 3 nguyên tắc sau:

- Sử dụng máy tính1 để tính toán quỹ đạo chạy dao và lưu dữ liệu vào bìa đục

lỗ

- Dùng thiết bị đọc tại máy để tự động đọc dữ liệu từ bìa đục lỗ

- Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ xử lý và liên tục đưa ra thông tin điều khiển các động cơ dẫn động cơ cấu chấp hành

Năm 1959 triển lãm máy công cụ tại Pari trưng bày những máy NC đầu tiên trên thế giới Thông tin điều khiển (chương trình gia công chi tiết) của những máy này được ghi trên bìa đục lỗ Mãi khoảng giữa thập k 60, máy NC mới được sản xuất và

sử dụng trong công nghiệp Tuy nhiên các bộ điều khiển số đầu tiên dùng đèn điện tử nên tốc độ xử lý chậm, cồng kềnh và tiêu tốn nhiều năng lượng Việc sử dụng chúng cũng rất khó khăn, như chương trình được chứa trong các băng hoặc bìa đục lỗ, khó hiểu và không sửa chữa được Giao tiếp giữa người và máy rất khó khăn vì không có màn hình, bàn phím Sau khi các linh kiện bán dẫn được sử dụng phổ biến trong công

1

Chiếc máy tính điện tử đầu tiên mang tên ENIAC (Electronic Numerical Integrator

nghiệp (khoảng năm 1960) thì máy gọn hơn, tốc độ xử lý cao hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn, Các băng, bìa đục lỗ sau này được thay bằng băng hoặc đĩa từ, Nhưng nói chung, tính năng sử dụng của các máy NC vẫn chưa được cải thiện đáng kể, cho đến khi máy tính được ứng dụng vào đây

Những hoạt động tích cực trong lĩnh vực tiêu chuẩn hoá, những biến đổi xung quanh phần cứng và phần mềm của các hệ thống điều khiển số diễn ra theo ba hướng:

- Kiểu và định dạng của thiết bị vào

- Cấu hình hệ thống nội suy

- Ngôn ngữ lập trình gia công chi tiết

Sự xuất hiện IC (1959), LSI (1965), vi xử lý (1974) và các tiến bộ kỹ thuật về lưu trữ và xử lý số liệu đã làm nên cuộc cách mạng trong kỹ thuật điều khiển số máy công cụ Các bộ điều khiển số trên máy công cụ được tích hợp thêm máy tính và thuật

ngữ CNC (viết tắt của Computer Numerical Control) được sử dụng từ đầu thập k 70

Máy CNC ưu việt hơn máy NC thông thường về nhiều mặt, như tốc độ xử lý cao, kết cấu gọn, nhưng ưu điểm quan trọng nhất của chúng là ở tính năng sử dụng, giao diện thân thiện ùng và các thiết bị ngoại vi khác Các máy CNC ngày nay có màn hình, bàn phím và nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin với người dùng (hình 1-1 và 1-2) Nhờ màn hình, người dùng được thông báo thường xuyên về tình trạng của máy, cảnh báo báo lỗi và các nguy hiểm có thể xảy ra, có thể mô phỏng để kiểm tra trước quá trình gia công, Máy CNC có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác như rô-bốt, băng tải, thiết bị đo, trong hệ thống sản xuất Chúng có thể trao đổi thông tin trong mạng máy tính các loại, từ mạng cục bộ (LAN) đến mạng diện rộng và Internet

Ngoài kỹ thuật điều khiển tự động, sự phát triển của máy CNC và công nghệ gia công trên chúng còn gắn liền với một lĩnh vực khác của công nghệ thông tin: thiết

kế và sản xuất có trợ giúp của máy tính mà chúng ta quen gọi là CAD/CAM Đó là lĩnh vực ứng dụng máy tính vào công tác thiết kế, tính toán kết cấu, chuẩn bị công nghệ, tổ chức sản xuất, hoạch toán kinh tế, Một hệ thống sản xuất tự động, có khả năng tự thích ứng với sự thay đổi đối tượng sản xuất được gọi là hệ thống sản xuất linh

hoạt (Flexible Manufacturing System - FMS) FMS gồm máy các CNC, rô-bốt, các

thiết bị vận chuyển, thiết bị kiểm tra, đo lường, làm việc dưới sự điều khiển của một mạng máy tính Sự tích hợp mọi hệ thống thiết bị sản xuất và tích hợp mọi quá trình thiết kế - sản xuất - quản trị kinh doanh nhờ mạng máy tính với các phần mềm trợ giúp công tác thiết kế và công nghệ, kinh doanh, tạo nên hệ thống sản xuất tích hợp nhờ

máy tính (Computer Integrated Manufacturing - CIM)

Hình 1-1 Trung tâm gia công CNC hiện đại

Hình 1-2 Máy tiện CNC hiện đại

CAD/CAM là lĩnh vực có liên quan mật thiết với kỹ thuật điều khiển số các

thiết bị sản xuất CAD (Computer Aided Design), được dịch là "thiết kế có trợ giúp của

máy tính", là một lĩnh vực ứng dụng của CNTT vào thiết kế Nó trợ giúp cho các nhà thiết kế trong việc mô hình hoá, lập và xuất các tài liệu thiết kế dựa trên kỹ thuật đồ

hoạ CAM (Computer Aided Manufacturing), được dịch là "sản xuất có trợ giúp của

máy tính", xuất hiện do nhu cầu lập trình cho các thiết bị điều khiển số (máy CNC,

rô-bốt, thiết bị vận chuyển, kho tàng, kiểm tra) và điều khiển chúng Chúng vốn xuất hiện độc lập với nhau, nhưng ngày càng xích lại gần nhau CAD/CAM là thuật ngữ ghép, dùng để chỉ một môi trường thiết kế - sản xuất với sự trợ giúp của máy tính

Quá trình xuất hiện, phát trển của máy CNC và các lĩnh vực liên quan là hệ thống CAD/CAM, CIM (hình 1-3) Cũng từ hình trên và qua thực tế chúng ta thấy CAD/CAM, CNC đang trong thời kỳ phát triển mạnh và k nguyên của CIM mới được khởi đầu

Hình 1-3 Các giai đoạn phát triển của máy CNC và CAD/CAM

1.1.2 Các tính năng kỹ thuật của máy điều khiển số

a) Các tính năng kỹ thuật chung

Là một hệ thống điều khiển tự động, các tính năng của hệ thống CNC phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Những người sử dụng cần phải đề ra độ chính xác mong muốn hoặc các chỉ tiêu đánh giá tính hiệu quả sử dụng Thông thường người ta dựa vào 4 tính năng kỹ thuật sau đây:

1 ộ chính xác

Độ chính xác được đánh giá bằng tổng sai lệch trong phạm vi nào đó Ví dụ bàn trượt có sai lệch 0,002 mm (0,0008 inch) khi dịch chuyển 500 mm (20 inch) Độ chính xác cần thiết đặc trưng cho một máy CNC là 0,001mm/250 mm (tức là khoảng 0,0004 inch/10 inch)

thống CNC và máy CNC Thông thường độ chính xác lặp lại đạt 0,005 mm (0,002 inch)

4 ộ nhạy

Độ nhạy là thời gian trễ giữa thời điểm nhập một tín hiệu vào hệ thống và thời điểm đạt được điều kiện mong muốn Số vòng lặp điều khiển càng lớn thì độ nhạy càng cao Tuy nhiên nếu số vòng lặp điều khiển quá lớn thì hệ thống sẽ mất ổn định Giải pháp dung hoà là giảm thời gian trễ nhưng vẫn duy trì tính ổn định của hệ thống Hằng số thời gian của các hệ thống servo (bám) là yếu tố chính quyết định độ nhạy của

hệ thống Thông thường hằng số thời gian cho các hệ thống CNC bằng 0,033 giây

b) Các tính năng tiêu chuẩn

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ CNC đã làm một số chức năng trở thành các tính năng tiêu chuẩn (standard) Các tính năng đó như sau:

- Dung lương bộ nhớ cơ sở

- Truy nhập chương trình gia công

- Quản lý tuổi bền dao cắt

- Kiểm soát thời gian chết (không gia công)

d) Các tính năng vận hành

Các tính năng vận hành cung cấp các hỗ trợ để vận hành thuận lợi:

- Phục hồi điểm chuẩn thủ công hoặc tự động

- Cài đặt hệ thống toạ độ thủ công hoặc tự động

- Chạy khô (dry run), chạy không gia công

- Thay đổi tốc độ chạy dao

- Thay đổi tốc độ trục chính

- Chọn tốc độ chạy dao nhanh

- Hiển thị trạng thái và thông báo lỗi

- Hiển thị đường chạy dao

- Chẩn đoán tại chỗ và kiểm tra mạch điện

- Chẩn đoán trong qúa trình và trực tuyến

- Các cổng giao tiếp khác

1.1.3 Hiệu quả sử dụng máy CNC

Về bản chất vật lý, quá trình gia công trên máy thông thường và máy CNC hoàn toàn như nhau: kích thước và chất lượng bề mặt của chi tiết gia công được hình thành và điều khiển bởi sự tương tác cơ, lý, hoá giữa dao và chi tiết gia công Nền tảng

lý thuyết cắt gọt kim loại được nghiên cứu và ứng dụng hàng trăm năm nay dựa trên máy truyền thống vẫn đúng cho máy CNC Hiệu quả do điều khiển số mang lại, thực chất là cho phép thực hiện hợp lý hơn các chế độ gia công, phát huy năng lực của máy

ở mức độ cao hơn mà trên máy thông thường, do hạn chế của điều khiển thủ công, không thực hiện được Sự tích hợp giữa kỹ thuật cơ khí, điều khiển tự động và công nghệ thông tin đã tạo ra cho máy CNC các tính năng mới, vượt trội so với máy thông thường

Việc chuyển vai trò điều khiển của con người cho máy móc tạo nên sự chính xác, linh hoạt, nhanh nhạy, bền vững của hệ thống công nghệ

Bảng 1-1 cho phép so sánh một cách tóm tắt phương thức thực hiện và vai trò của con người trong các trường hợp: gia công trên máy thông thường, trên máy NC và trên máy CNC, qua đó chúng ta đã có thể phần nào hiểu được tại sao máy CNC lại cho hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cao hơn so với máy thông thường

Nhờ các tính năng ngày càng ưu việt của hệ thống tích hợp cơ khí - điều khiển

tự động - công nghệ thông tin mà máy CNC có rất nhiều ưu điểm Hiệu quả kinh tế - xã hội của việc sử dụng máy CNC được thể hiện ở các khía cạnh sau đây:

- Năng suất gia công cao

- Chất lượng gia công cao

- Tính linh hoạt cao

- Chi phí gia công giảm, hiệu quả kinh tế cao

a) Năng suất gia công cao

Tổng thời gian gia công một loạt chi tiết T gồm 3 thành phần:

T = Tc + Tp + Tck,

Trong đó, Tc - thời gian chính (trực tiếp cắt gọt); Tp - thời gian phụ (thời gian chạy không, thay dao, thay đổi chế độ cắt, kiểm tra, ); Tck - thời gian chuẩn bị - kết thúc loạt gia công (chuẩn bị dao cụ, đồ gá, dao đo, phôi liệu, )

Công nhân thạo nghề

trực tiếp điều khiển

theo kích thước và

điều kiện kỹ thuật

ghi trong bản vẽ

Chương trình NC truyền vào bộ nhớ từ băng hoặc bìa đục lỗ

Chương trình NC được nhập vào bộ nhớ từ bàn phím, đĩa từ, đường truyền thông Một số chương trình có thể được lưu ở

bộ nhớ trong hoặc bộ nhớ ngoài (VD đĩa cứng, card nhớ)

Máy tính với phần mềm chuyên dùng thực hiện mọi chức năng tính toán công nghệ (nhờ chương trình và dữ liệu công nghệ, thông số máy, dao, được lưu sẵn trong máy) và điều khiển gia công Thường phần mềm có cả chức năng giám sát quá trình, cảnh báo lỗi

và sự cố Khi cần có thể trực tiếp thay đổi chế độ công nghệ

từ bên ngoài chương trình

Máy thông thường Máy NC Máy CNC

Bộ điều khiển thường xuyên giám sát kích thước gia công theo chương trình, nhờ tín hiệu phản hồi vị trí và điều khiển động cơ servo Ngoài ra có thể can thiệp vào quá trình gia công nhờ các thiết bị đo khác,

ví dụ đầu dò, máy đo 3 chiều

Thời gian chính Tc được cải thiện nhờ phát huy tối đa công suất gia công của

máy, trong khi trên máy thông thường, do hạn chế về tay nghề hoặc tình trạng tâm sinh

lý của công nhân điều đó không đạt được Ví dụ, tốc độ trục chính trên máy tiện CNC

có thể tới hàng vạn vòng/phút, còn khi làm việc trên máy thông thường, công nhân chỉ

có thể chạy tới vài ngàn vòng/phút Máy CNC có kết cấu cơ khí cứng vững, ổn định về

cơ, nhiệt nên tốc độ và công suất gia công có thể phát huy tối đa Chế độ công nghệ trên máy CNC dường như chỉ phụ thuộc vào độ bền, độ cứng vững của hệ thống công

nghệ và yêu cầu kỹ thuật của chi tiết gia công Công nghệ cắt cao tốc (High Speed Cutting) chỉ phát huy được hiệu quả cao trên máy CNC Việc gia công bằng nhiều dao,

nhiều vị trí đồng thời cũng làm giảm đáng kể thời gian chính

Thời gian phụ Tp giảm trước hết nhờ tăng tốc độ chạy không và giảm thời

gian định vị Các máy CNC hiện đại cho phép tăng tốc độ chạy không lên tới vài chục mét/phút mà không gây va chạm và định vị vẫn chính xác Trên các máy có hệ thống thay dao tự động, thời gian thay dao chỉ tính bằng giây Chế độ công nghệ được thay đổi từ chương trình, công nhân không mất thời gian gạt số Việc dừng máy để kiểm tra kích thước trong các nguyên công hầu như được loại bỏ do khả năng điều khiển chính xác vị trí và quỹ đạo của máy CNC rất cao Các trung tâm gia công thường có hệ thống cấp phôi, kẹp nhả phôi, lấy chi tiết tự động nên thời gian gá kẹp phôi rất ngắn Khi làm việc với máy CNC, công nhân chỉ đóng vai trò giám sát chứ không tham gia trực tiếp vào quá trình gia công nên máy có thể làm việc cả khi vắng mặt công nhân và một công nhân có thể trông coi nhiều máy

Việc chuẩn bị máy CNC để gia công một loại sản phẩm mới rất nhẹ nhàng: nạp

chương trình gia công và chuẩn lại các toạ độ Toàn bộ thời gian trên chỉ cần không quá

30 phút Trong khi đó, nếu chi tiết đòi hỏi thiết kế và chế tạo đồ gá thì thời gian trên có thể kéo dài hàng tuần Khả năng điều khiển và phối hợp chính xác các trục theo chương trình cho phép loại bỏ các đồ gá và dao định hình phức tạp Nhờ vậy không những giảm được thời gian lắp đặt, căn chỉnh đồ gá mà còn loại bỏ các sai số truyền động do chế tạo

và hao mòn cơ khí, tăng độ chính xác gia công Việc lập chương trình mới có thể tiến

hành ngoài máy (trên máy tính độc lập) hoặc thực hiện ngay trong khi máy gia công nên chiếm thời gian máy không đáng kể

Các máy và các trung tâm gia công CNC cho phép tập trung nguyên công cao

độ Trên một máy có thể gia công nhiều bề mặt, bằng các phương pháp công nghệ khác nhau; có thể gia công thô và tinh trên cùng một máy, trong cùng một lần gá, bằng nhiều dao, nhiều trục đồng thời Điều đó giảm bớt việc vận chuyển, gá đặt nên không những làm tăng năng suất mà còn giảm sai số gia công

Người ta đã tổng kết rằng, thời gian trực tiếp gia công (Tc) trên máy thông thường chỉ chiếm không quá 10% trong tổng số thời gian gia công (T) Trên máy CNC thời gian đó lên tới 70%

Năng suất gia công trên máy CNC hầu như không phụ thuộc vào tay nghề và trạng thái tâm, sinh lý của công nhân

b) Chất lượng gia công cao

Chất lượng gia công (độ chính xác kích thước, hình dáng và chất lượng bề mặt gia công) suy đến cùng phụ thuộc 3 yếu tố: nguyên vật liệu, thiết bị và công nhân

Yếu tố nguyên vật liệu giả thiết là không thay đổi So sánh về thiết bị thì máy CNC đảm bảo độ chính xác cao và đồng đều nhờ hệ thống điều khiển - đo lường rất chính xác (cỡ 0,01 - 0,001 mm), hệ thống cơ khí cứng vững và ổn định, quá trình cắt được điều khiển hoàn toàn nhờ chương trình nên loại trừ được các sai số do chế tạo và hao mòn các cữ, dưỡng Các máy CNC hiện đại đều có khả năng bù kích thước và mòn dao, bù khe hở và biến dạng nhiệt cơ khí Trên máy thông thường, tay nghề và tình trạng tâm, sinh lý của người thợ ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng gia công Khi gia công trên máy CNC, công nhân chỉ có nhiệm vụ nạp chương trình, giám sát việc gá phôi, thay dao và tình trạng làm việc của máy Vì vậy tâm sinh lý, tay nghề của công nhân hoàn toàn không ảnh hưởng đến chất lượng gia công

c) Tính linh hoạt cao

Máy CNC hơn hẳn máy thông thường ở tính linh hoạt Điều đó biểu hiện ở hai khía cạnh Thứ nhất, trên một máy CNC có thể thực hiện nhiều chức năng công nghệ khác nhau và việc chuyển đổi giữa các chức năng rất dễ dàng Ví dụ, trên máy phay CNC có thể thực hiện các nguyên công khoan, khoét, doa, gia công mặt phẳng, định hình, răng, ren, gia công các rãnh, hốc phức tạp như hốc tròn, chữ nhật, elip, Các mặt cong không gian, như mặt cầu, mặt xoắn ốc, cũng có thể gia công trên máy phay 3 trục Các máy phay 4-5 trục cải thiện đáng kể năng suất và chất lượng gia công và có thể gia công các sản phẩm nghệ thuật, như tạc tượng Máy tiện CNC, ngoài các chức năng như máy thường, có thể gia công ren với bước thay đổi, ren trên mặt côn Điều quan trọng là các mặt cong định hình có thể gia công trên máy CNC một cách dễ dàng, dùng đồ gá và dao thông thường chứ không cần đồ gá và dao chuyên dùng Trên các trung tâm gia công có thể thực hiện các công việc phay, khoan, doa, tiện, mài, đồng

thời Chính vì vậy mà máy CNC có khả năng tập trung nguyên công cao để gia công các chi tiết phức tạp Biểu hiện thứ hai của tính linh hoạt là việc thay đổi đối tượng gia công trên máy CNC rất dễ dàng, gần như chỉ thay đổi chương trình chứ không cần thay đồ gá, dao cụ phiền phức như trên máy thông thường Nhờ có khả năng thích ứng linh hoạt với đối tượng gia công mà máy CNC là thiết bị cơ bản của các hệ thống sản xuất linh hoạt

Nhờ tính linh hoạt cao của mình

mà máy CNC được sử dụng phổ biến

không chỉ trên các dây chuyền, trong các

tế bào sản xuất tự động mà còn được sử

dụng riêng lẻ trong loại hình sản xuất

đơn chiếc, loạt nhỏ, thậm chí cả chế thử

Hình 1-4 thể hiện mối liên hệ giữa giá

thành chi tiết và sản lượng của một số

loại máy công cụ

d) Chi phí gia công giảm, hiệu

quả kinh tế cao

Chi phí gia công một loạt N chi

tiết có thể được biểu diễn qua công thức

sau:

C = Ctx(1 + p)N + Ccb

Trong đó, C - chi phí tổng cộng; Ctx - chi phí thường xuyên cho một chi tiết gồm lương công nhân, nguyên vật liệu, năng lượng chạy máy, ; p - t lệ phế phẩm trung bình;

N - số lượng chi tiết trong loạt; Ccb - chi phí cơ bản, gồm khấu hao thiết bị, nhà xưởng,

Máy CNC có năng suất cao, không đòi hỏi công nhân bậc cao, ít sinh phế phẩm nên cho phép giảm chi phí thường xuyên Tuy nhiên, chi phí mua sắm, bảo trì, lập trình, đảm bảo môi trường cho máy CNC lớn hơn nhiều lần so với máy thông thường Vì vậy cần phải cân nhắc về kinh tế khi mua sắm máy CNC

Xu thế hiện nay là giá trị phần cứng của bộ điều khiển giảm rất nhanh, trong khi giá trị phần cơ khí và phần mềm lại tăng Vì vậy các máy CNC cỡ trung bình, bộ

điều khiển contour đơn giản trên cơ sở PC (PC Based CNC) không đắt hơn nhiều so

với máy vạn năng Nhờ trợ giúp của công nghệ CAD/CAM, máy đo hoặc đầu dò 3 chiều, việc thiết kế và chuẩn bị chương trình cho máy CNC trở nên đơn giản Máy CNC ngày càng được sử dụng phổ biến và dần dần thay thế máy vạn năng cả trong gia công các bề mặt thông thường

Hình 1-4 Lĩnh vực sử dụng máy CNC

I.Máy cổ điển; II Máy cổ điển có ổ dao chuyên dụng; III Máy CNC; IV Máy chuyên dùng; V.Dây chuyền tự động

Hình 1-5 biểu diễn

khu vực sử dụng hiệu quả

của máy thông thường và

máy CNC Theo đó, máy vạn

năng thông thường giá rẻ

nhưng độ chính xác thấp

được dùng chủ yếu trong sản

xuất đơn chiếc loạt nhỏ các

chi tiết có độ phức tạp và độ

chính xác thấp (vùng I) Khi

yêu cầu độ phức tạp và độ

chính xác cao thì máy CNC

phù hợp hơn Trong điều

kiện đó, máy CNC vẫn cho

hiệu quả kinh tế cao cả khi

sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ

và chế thử, thậm chí sản xuất theo yêu cầu các biệt

1.2 Cấu trúc chung của máy NC

1.2.1 Sơ đồ động học của xích chạy dao

Sơ đồ động học của xích chạy dao máy CNC rất khác so với các máy công cụ thông thường Sự khác nhau chủ yếu ở khâu điều chỉnh các chuyển động công tác và chạy không: trên máy CNC các chuyển động này được điều chỉnh nhờ số liệu trong chương trình gia công Ví dụ, xác lập tốc độ trục chính, thay đổi tốc độ trục chính trên khoảng gia công nhất định, xác lập và thay đổi lượng chạy dao trong quá trình gia công, phối hợp chuyển động của phôi và dao

Nhìn tổng quát, xích công suất cắt gọt thường bắt đầu từ một động cơ có tốc

độ thay đổi vô cấp, dẫn động trục chính thông qua một hộp tốc độ chỉ có 2 đến 3 cấp, nhằm khuyếch đại các mô men cắt đạt trị số cần thiết trên cơ sở tốc độ ban đầu Hiện nay hộp tốc độ như vậy không còn dùng nữa, động cơ dẫn động lắp trực tiếp trên trục chính hoặc thông qua bộ truyền đai thang

Trong máy CNC người ta sử dụng động cơ điện có thể điều chỉnh tốc độ vòng quay hoặc động cơ bước, các hệ thống truyền động không khe hở, truyền động vít me - đai ốc bi, hệ thống phản hồi… Trong xích động học của chuyển động chính khi thay đổi tốc độ trục chính phân cấp người ta sử dụng động cơ không đồng bộ truyền chuyển động cho trục chính thông qua hộp tốc độ tự động và hộp tốc độ có số tốc độ nhỏ Khi yêu cầu điều chỉnh tốc độ trục chính vô cấp người ta sử dụng động cơ một chiều kết hợp với hộp số có số tốc độ nhỏ nhằm đạt được phạm vi điều chỉnh rộng

Hình 1-5 Vùng hiệu quả kinh tế của máy thông

thường (I) và của máy CNC (II)

=Dạng Sơ đồ nguyên lý động học Dạng phản hồi

Có

Quay, lắp trên trục động

cơ

Quay, lắp trên vít me

Quay, lắp trên cơ cấu chấp hành

Tuyến tính, lắp trên cơ cấu chấp hành

Hình 1-6 Sơ đồ động học dẫn động chạy dao điển hình của máy CNC

Dạng Sơ đồ nguyên lý động học Dạng phản hồi

Quay, lắp trên cơ cấu chấp hành

Hình 1-6 Sơ đồ động học dẫn động chạy dao điển hình của máy CNC (tiếp)

B: ộng cơ bước; C: ộng cơ; KT: Khuếch đại thuỷ lực;

CH: Cơ cấu chấp hành; DC: o dịch chuyển

Trên hình 1-6 thể hiện các sơ đồ động học điển hình để tạo chuyển động chạy dao của máy CNC Người ta sử dụng dẫn động chạy dao có phản hồi (sơ đồ kín) và không có phản hồi (sơ đồ hở)

Dẫn động không có phản hồi được xây dựng trên cơ sở sử dụng các động cơ bước ĐB công suất lớn hoặc công suất nhỏ Khi sử dụng động cơ bước công suất nhỏ, người ta tổ hợp chúng với hệ khuếch đại thu lực KT (hình 1-6a) Do không kiểm soát

vị trí thực của cơ cấu chấp hành CH, các hệ dẫn động này, chịu sai số của động cơ bước, khuếch đại thu lực và cơ cấu truyền động (bánh răng 1, cặp vít me đai ốc 2,…)

Dẫn động chạy dao có phản hồi bảo đảm kiểm soát dịch chuyển và vị trí thực của cơ cấu chấp hành Loại này có một số dạng: Trên dẫn động hình 1-6b, giữa động

cơ dẫn động ĐC và vít me 3 có hộp số 2, tỉ số truyền của hộp số được chọn sao cho

khi động cơ quay với tốc độ định mức thì lượng chạy dao là lớn nhất Đát tríc phản hồi ĐT (dạng quay) lắp với động cơ thông qua bộ truyền bánh răng 1

Trong dẫn động chạy dao (hình 1-6c) người ta tiến hành đo dịch chuyển của

cơ cấu chấp hành CH nhờ cảm biến quay ĐT, lắp trực tiếp trên trục vít me Chính vì vậy mà biến dạng đàn hồi của hộp số không ảnh hưởng đến độ chính xác gia công Sơ

đồ này tương đối đơn giản và tiện lợi trong lắp đặt cảm biến Trong trường hợp này vít

me có yêu cầu cao về độ chính chế tạo, dịch chuyển đàn hồi nhỏ, không có khe hở

Trong dẫn động chạy dao (hình 1-6d) người ta sử dụng cảm biến quay, trực tiếp đo dịch chuyển của cơ cấu chấp hành CH thông qua thanh răng - bánh răng Tuy

hệ thống phản hồi bao gồm cả các cơ cấu dẫn động chạy dao, trong đó có truyền động vít me - đai ốc, phép đo chịu sai số của cặp truyền thanh răng – bánh răng Vì vậy người ta phải sử dụng bộ truyền bánh răng – thanh răng có độ chính xác cao, chiều dài của thanh răng phụ thuộc vào hành trình của cơ cấu chấp hành

Trong sơ đồ (hình 1-6e) người ta sử dụng cảm biến tuyến tính Sơ đồ như vậy bảo đảm đo trực tiếp lượng dịch chuyển của cơ cấu chấp hành Điều này cho phép hệ thống phản hồi bao hết các cơ cấu truyền động chạy dao, do đó đạt được độ chính cao

Độ chính xác dịch chuyển của CH phụ thuộc nhiều vào sai số của máy (ví dụ như mòn dẫn hướng, biến dạng nhiệt…)

Những yêu cầu cơ bản đối với xích động học chạy dao theo quan điểm nâng cao độ chính xác truyền động là: loại trừ khe hở trong các bộ truyền, giảm biến dạng đàn hồi, loại trừ truyền động bánh răng ra khỏi xích động học hoặc đơn giản tối đa

Để đáp ứng tất cả các yêu cầu trên, trong các máy CNC người ta sử dụng dẫn động chạy dao dịch chuyển thẳng không hộp số và dẫn động với hộp số đơn giản có sử dụng động cơ điện có môment khởi động lớn Các động cơ này có độ chính xác tĩnh cao và tác động nhanh Trong các hệ dẫn động không hộp số (hình 1-6f) trục động cơ điện ĐC lắp với trục vít me 2 thông qua ly hợp 1 có độ cứng vững xoắn lớn Đát tríc phản hồi ĐT lắp trực tiếp với trục vít (cảm biến quay) hoặc lắp gián tiếp nhờ bộ truyền bánh răng – thanh răng (hình 1-6g) Trên hình 1-6h, sơ đồ lắp cảm biến phản hồi ĐT dạng tuyến tính (dịch chuyển thẳng)

Dẫn động không hộp số cho phép nhận được vận tốc của hành trình chạy không đến 10 – 15 m/phút Khi sử dụng dẫn động chạy dao có môment khởi động lớn

và dẫn động trục chính có phạm vi điều chỉnh rộng, việc đơn giản sơ đồ động học cho phép đạt được độ chính xác cao và độ bền lâu Sử dụng cảm biến quay cho phép ta đơn giản hoá sơ đồ động học Điều này rất quan trọng cho các máy gia công răng như phay răng, xọc răng, mài răng…

1.2.2 Cấu trúc chung của máy tiện NC

a Máy tiện NC có trục chính nằm ngang (hình 1-6a): loại này thường có băng

nghiêng hoặc thẳng đứng, trên đó có lắp một đến hai bàn dao mang đầu dao quay (dạng revonve) gá nhiều dao cắt khác nhau

Các bàn dao có thể mang theo ổ dao và thông qua một tay máy chuyên dùng

để chuyển đổi dao cắt giữa ổ dao và trục mang dao

Trên những máy tiện NC hai bàn dao, có thể tiến hành cắt gọt đồng thời, được gọi là máy tiện NC điều khiển 4 trục tự động

Cơ cấu thải phoi cắt được lắp đặt trong gầm máy và được bao che toàn bộ Thiết bị điều khiển NC gắn liền với cấu trúc máy

Hình 1-7 Cấu trúc máy tiện NC

A- Băng máy; B- ầu dao revonve; C- Chi tiết; D- Ụ gá chi tiết;

E: ầu dao revonve có hai chuyển động cắt nhau vuông góc

b Máy tiện NC có trục chính thẳng đứng

Trên hình 1-7b và 1-7c trình bày các mẫu bố cục loại máy này

Chúng có thể có một hoặc hai trục chính, các bàn dao mang nhiều dao cắt được truyền các chuyển động chạy dao vuông góc với nhau

Trên một số máy tiện, để mở rộng khả năng công nghệ có thể gá lắp các đầu phay chuyên dùng với vai trò là cụm máy kèm theo cấu trúc tổng thể của máy

1.2.3 Cấu trúc chung của máy phay NC

Trên hình 1-8 tổng kết các phương án cấu trúc khác nhau của một số họ máy phay CNC Số lượng các chuyển động của bàn máy chính và phụ đã quy định tính năng điều khiển máy với 4, 5, 6 trục hoặc nhiều hơn nữa

Đối với những máy phay có ít trục điều khiển hơn, đầu trục chính thường được trang bị đài dao revonve mang nhiều dao hoặc một đầu trục có hộp truyền động

cho nhiều trục quay, ghép nối tự động vào trục quay chính của máy trong quá trình làm việc

Hình 1-8 Cấu trúc chung của một số máy phay CNC

Nghiên cứu tổng thể của máy CNC, có thể thấy trong bố cục của chúng người

ta quan tâm tới không những tính năng kỹ thuật của máy mà còn rất coi trọng các yếu

tố tổ chức lưu thông cho dòng vận động của chi tiết, của dao và các yếu tố phụ trợ trong đó trường công tác của rô-bốt công nghiệp là khía cạnh không thể bỏ qua

1.3 Các hệ thống cơ khí của máy CNC

1.3.1 Dẫn động chạy dao

Hình 1-9 Cấu trúc chung của một hệ dẫn động chạy dao

Để điều khiển dẫn động chạy dao cần phải chuyển đổi các xung số do CPU phát ra thành các tín hiệu cung cấp cho động cơ dẫn động Thông thường hệ thống dẫn động chạy dao có hai giao tiếp: Giao tiếp điều khiển dẫn động và giao tiếp phản hồi (hình 1-9) Giao tiếp điều khiển dẫn động nhận tín hiệu về vị trí và vận tốc dịch chuyển từ CPU Do tín hiệu này rất yếu nên cần phải khuyếch đại trước khi cấp cho động cơ dẫn động Bản thân mạch khuyếch đại công suất không phải là một bộ phận

của hệ thống CNC nhưng cần thiết như là một thành phần bổ trợ của hệ thống dẫn động Hệ thống phản hồi thông thường là bộ đo số hoá (encoders) hoặc bộ đo tương tự (resolvers) có nhiệm vụ kiểm soát vị trí và tốc độ dịch chuyển của dao cắt theo các trục toạ độ Tín hiệu từ hệ thống này được đưa về CPU qua giao tiếp phản hồi

Hình 1-10 Sơ đồ kết nối của hệ thống dẫn động chạy dao

Hệ thống dẫn động chạy dao phải bảo đảm các tính chất sau đây:

- Có tính động học rất cao: nếu đại lượng dẫn biến đổi thì bàn máy phải theo kịp biến đổi trong thời gian ngắn nhất

- Có độ ổn định vòng quay cao: Những biến đổi của lực cản chạy dao không làm ảnh hưởng đến tốc độ chạy dao Ngay cả khi tốc độ chạy dao nhỏ cũng đòi hỏi tốc độ ổn định

- Phạm vi điều chỉnh số vòng quay lớn, thông thường bằng 1:10000 đến 1:30000

- Độ nhạy cao, phản ứng tốt với những dịch chuyển nhỏ:  1 mk

Cấu trúc chung của một hệ thống dẫn động chạy dao gồm: một động cơ dẫn động; một hộp giảm tốc, thường là một bộ truyền đai răng; một bộ truyền vít me đai ốc

bi biến chuyển động quay thành chuyển động thẳng (hình 1-10) Các cụm kết cấu đảm bảo các chuyển động của các bàn máy

Về mặt chức năng xích chạy dao phải thoả mãn những yêu cầu đặt ra là:

- Truyền động cho các bộ phận dịch chuyển với tốc độ đều, chạy êm và ổn định

- Thực hiện được các thay đổi vận tốc theo chương trình, xác định cả về trị

số và chiều, không có sự tháo lỏng chi tiết hoặc sai lệch vị trí tương đối giữa dao và chi tiết gia công

- Cung cấp lực cần thiết để thắng những thành phần lực cắt theo chiều chuyển động

- Trong trường hợp cần thiết, một bộ phận nào đó của xích chạy dao cần phải đảm nhiệm chức năng đo lường các dịch chuyển của xe dao

- Để thoả mãn hai yêu cầu đầu tiên, xích chạy dao cần có tần số dao động riêng lớn nhất theo điều kiện có thể, tính ngay từ đầu nguồn động lực của xích

Với giả định rằng khối lượng bàn máy và chi tiết gia công là một dữ kiện, ta

cố gắng dùng những cơ cấu có quán tính (quay và tịnh tiến) nhỏ nhất có thể, đồng thời lại có độ cứng vững cao nhất

Có thể thấy ngay rằng mọi lý thuyết tính toán thiết kế động học các xích truyền động trong máy công cụ vạn năng thông thường đối với máy CNC không còn ý nghĩa nữa Do các nguyên tắc như truyền dẫn vô cấp, truyền dẫn độc lập và nhất là nguyên tắc modul hoá kết cấu, người ta quan tâm nhiều đến các cụm kết cấu cụ thể,

đầu tư nghiên cứu theo chiều sâu và ứng dụng nhanh nhất các tiến bộ khoa học kỹ

thuật trong khi chế tạo các modul

a) Kết cấu vít me - đai ốc bi

Để đảm bảo độ chính xác và êm dịu chuyển động, trong các xích truyền động

cơ khí của máy CNC đều dùng cơ cấu vít me - đai ốc bi (hình 1-11) Một đầu của trục vít me có lắp động cơ truyền động 1 Động cơ thường được lắp trực tiếp lên trục vít

me hoặc qua bộ truyền đai răng, có khả năng truyền động êm và chống trượt Một đầu của trục có thể (nếu không dùng thước thẳng) được gắn thiết bị đo vị trí, encoder quay

3 Bàn máy 2 được gắn trên đai ốc 5 Kết cấu này được ứng dụng phổ biến trong xích động chạy dao Bản thân vít me-đai ốc bi phải là cơ cấu không khe hở

Hình 1-11 Vị trí của cơ cấu vít me - đai ốc bi trong dẫn động chạy dao

1 ộng cơ; 2 Bàn máy; 3 Encoder; 4 Vít me; ai ốc bi

Có ba phương pháp điều chỉnh ban đầu

cho vít me- đai ốc bi:

- Điều chỉnh vị trí dọc trục của đai ốc

- Quay đai ốc tại chỗ, hay quay một

nửa đai ốc (hình 1-12)

- Tạo độ dôi công nghệ

Kể cả sau khi đã áp dụng các biện pháp

trên thì vẫn còn sai số chế tạo cơ khí, ví dụ sai số

bước vít me, hoặc sai số do biến dạng cơ và biến

dạng nhiệt khi gia công Phần lớn các bộ điều

khiển hiện đại đều có khả năng bù khe hở và các

sai số cơ khí nói trên Tuy nhiên, xác định giá trị

các sai số và quy luật thay đổi của chúng là việc làm phải rất t m và tốn công

Vít me đai ốc bi được chế tạo theo nhóm kích thước từ 82,5 đến 20020; độ chính xác theo tiêu chuẩn DIN 69051 (Đức); sai số tích luỹ trong khoảng dịch chuyển 300mm là 5, 10, 25, 50 m đối với ren mài và 25, 50, 100, 200 m đối với ren phay mỏng; nhiệt độ làm việc từ -200

- 1000C Trước khi tạo độ dôi ban đầu khe hở hướng kính giữa trục vít và đai ốc lớn nhất là 0,093 - 0,25 mm, nhỏ nhất là 0,067 - 0,18 mm phụ thuộc vào kích thước của trục vít Bảng 1-2 là thông số của một số bộ truyền vít

315

Từ 315 đến dưới

400

Từ 400 đến dưới

630

Từ 630 đến dưới

độ chính xác động học của bộ truyền vít me đai ốc bi

Độ chính xác về bước theo tiêu chuẩn ISO 3408 có các cấp IT1, IT3, IT5, IT7, IT10; theo tiêu chuẩn DIN có các cấp: 5, 10, 25, 50, 100, và 200 Bảng 1-4 là độ chính xác của bộ truyền theo DIN 69051

- Thông qua một hộp tốc độ gồm các bộ truyền bánh răng, trong đó phải dùng kết cấu khử độ hở ăn khớp và dẫn động bằng động cơ tốc độ cao (động cơ điện quán tính nhỏ hoặc động cơ thu lực kiểu quay)

- Dựa vào những khoảng cách giữa hai gối tựa, sử dụng một bộ truyền đai (có t số giảm tốc lớn) được dẫn động bởi các động cơ có tốc độ chậm

- Dùng các khớp nối trực tiếp với trục của động cơ dẫn động (động cơ có tốc

độ chậm)

Đối với các hành trình lớn, người ta thay vít me có chiều dài lớn bằng một vít

me ngắn và thay đai ốc bằng một bánh răng xoắn (helicodal)

b) Kết cấu thanh răng/bánh răng

Hình 1-13 Các trục trên máy tiện

Hình 1-14 Các trục trên máy phay

Kết cấu này được áp dụng trước hết cho các máy NC cỡ lớn, có hành trình chạy dao dài Ở đây không có sự hạn chế về tốc độ như trường hợp vít me-đai ốc bi, nhưng các biện pháp khử khe hở ăn khớp bánh răng nhất thiết phải được thực hiện Thông thường người ta thiết kế hai xích đồng nhất cùng làm việc nhưng theo những hướng đối ngược nhau trên thanh răng Các tốc độ dịch chuyển chậm của bàn máy cũng yêu cầu các bánh răng quay với tốc độ rất thấp, ta buộc phải dùng các hộp giảm tốc độ để tạo ra vùng số vòng quay nhỏ này

Chuyển động theo các trục toạ độ được điều khiển tự động từ chương trình (hình 1-13 và hình 1-14) Trên các máy không đòi hỏi độ chính xác cao, công suất nhỏ thường dùng động cơ bước Trên các máy CNC công nghiệp thường dùng hệ thống điều khiển kín, nghĩa là phải có hệ thống phản hồi vị trí

c) ộng cơ dẫn động

Các loại động cơ dẫn động trên các máy CNC rất đa dạng Mỗi động cơ đều có mạch điều khiển (driver) riêng Các mạch này đều dựa vào nguyên lý điều khiển PID (P-Khâu t lệ, I-Khâu tích phân, D-Khâu vi phân) Tốc độ và vị trí của trục của động

cơ servo được định vị nhờ vào kỹ thuật gọi là điều biến độ rộng xung (PWM) Mục này chúng tôi chỉ giới thiệu chung về các loại động cơ mà không đề cập đến các nội dung điều khiển chúng

1 ộng cơ bước (step motor)

Cấu tạo của động cơ bước thể hiện trên hình 1-15; còn trên hình 1-16 thể hiện nguyên lý hoạt động của động cơ bước Sau mỗi một xung rô - to quay một góc nhất định bằng S Các xung được cấp cho các cuộn dây I, II, III của động cơ theo trình tự lặp đi lặp lại Hệ điều khiển dùng động cơ bước được gọi là hệ điều khiển hở, vì không có mạch phản hồi vị trí Góc quay của động cơ phụ thuộc số xung và tần số phát xung của bộ điều khiển Ưu điểm của hệ điều khiển dùng động cơ bước là đơn giản và

rẻ tiền Nhược điểm chính của nó là độ chính xác thấp và công suất nhỏ Công suất truyền động có thể tăng nếu dùng động cơ bước kết hợp với hệ thống thu lực, nhưng độ chính xác thì không thể tăng được

Hình 1-15 Cấu tạo của động cơ bước

Có hai nhóm động cơ bước cơ bản được sử dụng là:

ộng cơ bước chạy điện thuần túy hoạt động với một hệ thống các cực là nam

châm vĩnh cửu trong các khoảng tần số tương đối bé ( < 100 Hz) Công suất của các động cơ này chỉ đủ dùng cho dịch động bàn máy của các máy nhỏ với khoảng tốc độ vài m/ph

ộng cơ bước có khuyếch đại thuỷ lực Trong trường hợp này động cơ bước

đóng vai trò dẫn động điều khiển một động cơ thu lực công suất lớn Bản thân động

cơ bước chạy điện thuần tuý có công suất thấp và thiết kế hoạt động trong vùng tần số

16 - 18 KHz Các hệ thống động cơ bước có khuyếch đại mômen bằng thu lực thường được dùng trong các máy NC hạng nặng nhưng vì lý do giá thành cao và những vấn đề

có liên quan quan đến sử dụng hệ thống thu lực nên ngày một hiếm thấy hơn các trường hợp áp dụng

Hình 1-16 Sơ đồ nguyên lý của động cơ bước

2 ộng cơ servo một chiều (DC)

Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống phản hồi vòng kín Tín hiệu

ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí

sẽ được phản hồi về mạch điều khiển này Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, hệ thống phản hồi sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác

Có 3 loại động cơ servo được sử dụng hiện nay đó là động cơ servo DC dựa trên nền tảng động cơ DC; động cơ servo AC dựa trên nền tảng động cơ AC lồng sóc;

và động cơ servo AC không chổi than dựa trên nền tảng động cơ không đồng bộ

Động cơ servo DC nam châm vĩnh cửu có chổi quét

Đa số động cơ servo DC có chổi quét Sử dụng động cơ nam châm vĩnh cửu (permanent magnet - PM) DC rất tin cậy và hiệu quả cao, mômen khởi động lớn, đặc tính tốc độ - mô men là tuyến tính Các nam châm vĩnh cửu được làm từ các loại vật liệu neodim-sắt-bo và thực tế là những động cơ này có thể được điều khiển bằng vi xử

lý dễ dàng bằng cách dựa trên bộ điều khiển Có hai loại động cơ servo DC được sử dụng rộng rãi trên máy CNC: có chổi quét (Brush-Type) và không có chổi quét (Brushless)

Để phân biệt các loại động cơ servo nam châm vĩnh cửu có chổi quét với các loại động cơ DC khác là động cơ này sử dụng một nam châm vĩnh cửu để thay thế các cuộn dây

Cấu tạo của động cơ servo nam châm vĩnh cửu có chổi quét thể hiện trên hình 1-17

Hình 1-17 Hình cắt của động cơ servo nam châm vĩnh cửu có chổi quét

Cũng như tất cả các động cơ DC, động cơ DC nam châm vĩnh cửu có chổi than và cổ góp Trong khi tất cả các động cơ DC hoạt động trên cùng một nguyên tắc, chỉ động cơ DC nam châm vĩnh cửu có tốc độ biến đổi tuyến tính theo momen làm cho chúng lý tưởng trong các ứng dụng Có thể nhận thấy rằng cả việc biến đổi tốc độ và mômen xoắn tăng tuyến tính với điện áp

Sta-to của các loại động cơ điện DC nam châm vĩnh cửu có chổi quét có các

cặp cực từ Khi cấp điện cho động cơ, các cực đối ngược nhau của các cuộn dây sta-to được kích thích và làm quay rô-to Các chổi than dịch chuyển trên các đoạn của cổ góp liên tục khi rô-to quay

- ộng cơ DC nam châm vĩnh cửu loại đĩa

Hình 1-18 Cấu tạo của một động cơ servo nam châm vĩnh cửu với phần ứng điện

dạng đĩa

Trên đĩa mỏng có các nam châm vĩnh cửu nhỏ và mỏng Các đĩa bằng kim loại màu các nam châm vĩnh cửu được gắn trên đĩa bằng keo epoxy thành từng lớp và cách điện với đĩa (hình 1-18) Sta-to là một hình tròn xoay bằng vật liệu gốm Những động

cơ này gọi là động cơ đĩa, vì chúng rất mỏng, đường kính của chúng lớn hơn chiều dài

- ộng cơ nam châm vĩnh cửu DC loại vòng bít, hay ống bọc

Động cơ nam châm vĩnh cửu loại vòng bít hoặc ống bọc (Cup- or Shell-Type)

là loại động cơ có quán tính thấp, lực quán tính thấp nhưng gia tốc cao, đặc điểm là được dùng trong các ứng dụng servo Chúng có các hốc hình trụ phần ứng điện được làm bằng các sợi nhôm hoặc đồng được gắn với nhau bằng nhựa polymer và sợi thủy tinh tạo thành một khối rất vững (hình 1-19)

Hình 1-19 Cấu tạo của động cơ DC nam châm vĩnh cửu loại vòng bít

Hình 1-20 Các bộ phận của động cơ servo DC có chổi quét

Một loại khác của động cơ servo DC kiểu ống bọc được thể hiện trên hình

1-20 Ống bọc của phần ứng điện gắn chắc chắn với trục bằng dây

Nhược điểm chủ yếu của động cơ này là phần ứng điện và nhiệt được tán xạ ở bên trong và làm nóng các bộ phận điều khiển

Động cơ servo DC nam châm vĩnh cửu không chổi quét

Động cơ servo DC nam châm vĩnh cửu không chổi quét có đặc điểm giống như các loại động cơ điện DC nam châm vĩnh cửu có chổi quét (hình 1-21) Các khối nam châm rô-to hình trụ của động cơ DC không có chổi quét được từ hóa theo hướng ngang và các điện cực của rô-to được từ hóa theo hướng ngang theo đường kính Những rô-to thường được làm từ neodim-sắt-bo hay samami-coban-đất hiếm Các vật liệu này cho phép động cơ cung cấp hiệu suất cao hơn khi cùng một kích thước so với các loại động cơ khác

Hình 1-21 Cấu tạo của động cơ điện DC không có chổi quét

Hình 1-22 Sơ đồ đơn giản của cơ cấu phần ứng (HED)

Một sơ đồ đơn giản của một động cơ DC không có chổi quét sử dụng hiệu ứng Hall (Hall Effect Device - HED) được thể hiện trên hình 1-22 Các HED là một biến tích hợp với một bộ khuyếch đại trong một chip IC có khả năng điều khiển từ trường của rô-to và sau đó gửi tín hiệu đến các transistors T1 và T2 để làm thay đổi tín hiệu liên tục trên các cực từ của rô-to Sự chuyển mạch của động cơ DC không chổi quét thể hiện như sau:

(1) Với rô-to đang đứng yên, các HED phát hiện các đôi cực bắc của rô-to, tạo

ra một tín hiệu chuyển về transistor T2 Cung cấp dòng cảm ứng cho cuộn W2 Hút các đôi cực Nam của rô-to và do đó làm cho rô-to quay theo hướng ngược chiều kim đồng hồ

(2) Quán tính của rô-to làm quay rô-to, HED nhận tín hiệu, chuyển về transistor T1, cứ liên tục quá trình như vậy sẽ tạo chuyển động quay cho rô-to

Trong thực tế thường có hai hoặc ba HED trong động cơ điện không có chổi quét được phân bố với góc 900

hoặc 1200 quanh rô-to động cơ Chúng gửi các tín hiệu

để kiểm soát các chuyển động của động cơ

Hình 1-23 Cấu tạo của động cơ DC có chổi quét với ứng dụng (HED)

Hình 1- 24 Cảm biến vị trí của rô-to: các cuộn dây cố định của chổi quét (1), rô-to

nam châm vĩnh cửu (2), vị trí gắn cảm biến (3), ba cảm ứng từ (4), và các bảng mạch

điện tử ( 5)

Hình 1-23 minh họa cấu tạo của một động cơ DC không chổi quét trong đó ứng dụng cảm biến hiệu ứng Hall (Hall-Effect sensor) Sta-to là một ống thép đồng trục được gắn bằng polyme và sợi thủy tinh, để tạo thành rô-to có dạng ống bọc

Vị trí gắn các cảm biến trong động cơ có chổi quét được thể hiện trong hình

1-24 Có 3 cảm biến được gắn trên rô-to với 1 góc cách nhau 1200 hiển thị 3 giai đoạn của động cơ điện có chổi quét

Hình 1- 25 Resolver kiểm soát vị trí của rô-to: các cuộn dây cố định (1), rô-to nam

châm vĩnh cửu (2), vị trí gắn cảm biến (3), ba cảm ứng từ (4), và các bảng mạch điện

tử (5)

Các ƣu điểm của động cơ DC không chổi quét Động cơ DC không chổi

quét có các ưu điểm sau:

- Không cần phải thay thế chổi than hay loại bỏ các bụi bẩn gây ra bởi chổi than

- Không gây hồ quang, không đánh lửa trong quá trình làm việc; làm việc được ở môi trường dễ cháy, bụi, chất lỏng

- Nhiễu sóng điện từ (Electromagnetic interference - EMI) giảm đến tối thiểu nhờ thay thế chuyển mạch cơ khí bằng chuyển mạch điện tử (electronic commutation)

- Động cơ không chổi quét có thể chạy nhanh hơn và hiệu quả hơn2 Tốc độ lên tới 50.000 vòng/ph có thể đạt được so với giới hạn trên khoảng 5.000 vòng/ph cho động cơ có chổi than DC

Các nhƣợc điểm của động cơ DC không chổi quét Động cơ DC không chổi

quét có các nhược điểm sau:

- Các động cơ servo nam châm vĩnh cửu không chổi quét không đảo chiều bằng các bộ đảo cực nguồn điện

- Chi phí chế tạo nhiều hơn động cơ servo có chổi quét

- Sử dụng các cuộn dây để chỉnh lưu dòng điện

2 Theo nghiên cứu của trường Tokai University, Japan (năm 2009) [9] thì hiệu suất của động cơ servo không chổi quét đạt 96,5% (trung bình 85-90%), trong khi đó hiệu suất của động cơ servo có chổi quét chỉ khoảng 75-80%

- Các mạch (driver) điều khiển điện tử để vận hành một động cơ servo DC không chổi quét phức tạp hơn và tốn kém hơn một động cơ servo DC có chổi quét

Đặc tính của động cơ servo DC không chổi quét Rất khó khái quát hóa về

các đặc tính chuyển động quay của động cơ servo DC không có chổi quét Tuy nhiên, chúng thường được đánh giá theo mômen xoắn, từ 0,62 lb-ft (0,84 Nm) đến 5,0 lb-ft (6.8 Nm), đặc biệt 1,9 lb-ft (2,6 Nm) đến 14 lb-ft (19 Nm), công suất tiêu thụ 0,73 hp (0,54 kW) đến 2,76 hp (2,06 kW) Tốc độ tối đa có thể khác nhau từ 1.400 đến 7.500 vòng/ph, và trọng lượng của các động cơ này có thể được từ 5,0 lb (2,3 kg) lên 23 lb (10 kg) Các hệ thống phản hồi có thể là resolver hoặc encoder

3 ộng cơ tuyến tính

Về bản chất động cơ tuyến tính cũng dựa trên những nguyên lý của động cơ chuyển động quay Khác với động cơ chuyển động quay, động cơ tuyến tính đã mở ra một hướng đi mới Động cơ servo DC nam châm vĩnh cửu tuyến tính tương tự với một động cơ nam châm vĩnh cửu chuyển động quay, và một lồng cảm ứng điện xoay chiều (AC) động cơ là tương tự với một cảm ứng thẳng của động cơ

Trước khi có động cơ tuyến tính, chúng ta sử dụng cơ cấu biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động thẳng: vít me bi hoặc dây đai và pu ly; có thể sử dụng xi lanh khí nén hoặc thủy lực

Một động cơ tuyến tính bao gồm hai cụm cơ khí: cuộn dây và nam châm, được hiển thị trên hình 1-25 Dòng điện của cuộn dây trong từ trường sẽ sinh lực Cuộn dây đồng điều khiển dòng điện (I) và cụm này sản sinh từ trường với thông lượng (B) Khi dòng điện và từ trường tương tác với nhau thì sinh lực (F) theo hướng trên hình 1-25, trong đó F = I x B

Hình 1-26 Nguyên tắc vận hành của một động cơ servo tuyến tính

Với kích thước nhỏ gọn động cơ hoạt động với hiệu suất cao, và tạo ra các lực lớn, nếu với số lượng lớn các cuộn dây và các nam châm Các cuộn được bố trí lệch pha 1200, và chúng phải được duy trì sự luân chuyển trong động cơ

Có hai loại động cơ được ứng dụng rộng rãi nhất: thép-lõi hay lõi sắt core hay iron-core) và epôxy- lõi hay lõi không sắt (epoxy-core hay ironless) Mỗi một loại động cơ này có những đặc tính để ứng dụng hiệu trong những trường hợp khác nhau

(steel-Các vòng dây của lõi thép động cơ được cuốn trên các tấm thép silic phát sinh các lực từ lớn nhất với các khối nam châm Hình 1-26 cho thấy một lõi thép của động

cơ tuyến tính không có chổi quét

Hình 1-27 ộng cơ servo tuyến tính sắt - lõi từ bao gồm một từ trường nam châm và

một hệ thống dây nối tiếp

Hình 1-28 ộng cơ servo tuyến tính không lõi thép bao gồm các tấm thép từ và các

cuộn dây từ biến

Các dải nam châm đang bị tách để tạo không khí vào khoảng cách giữa chúng Với các thiết kế này đã tạo ra áp lực lớn cung cấp cho từ lớn cho các nam châm

Động cơ servo tuyến tính có thể đạt được độ chính xác 0,1μm Gia tốc trung bình 2  3g, đặc biệt một số động cơ có thể đạt 15g Vận tốc bị hạn chế bởi các encoder t lệ và bộ khuyếch đại điện áp Trung bình trong khoảng từ 0,04ft/s (1mm/s)

 6,6ft/s (2m/s), nhưng cũng có thể vượt quá 26ft/s (8m/s)

Lực của động cơ tuyến tính không lõi thép có thể từ 5  55lbf (từ 22  245N)

và đặc biệt từ 25  180 lbf (110  800N) Ngược lại, các động cơ tuyến tính có lõi thép trong khoảng 30  1.100lbf (130N  4900N) và cá biệt lên 60  1.800lbf (270N 

8000N)

Chuyển mạch Các động cơ tuyến tính có các pha là 120º ngẫu nhiên để duy

trì chuyển động Có hai cách để duy trì chuyển động của động cơ tuyến tính: dạng hình sin và HED (Hall-Effect Device), hoặc hình thang Động cơ có hiệu quả cao nhất đạt được là biến đổi hình sin, trong khi HED là khoảng 10 đến 15%

Trong biến đổi hình sin, các encoder cung cấp các thông tin phản hồi vị trí trong hệ thống servo này cũng được sử dụng để biến đổi trong các động cơ Một quá trình được gọi là "giai đoạn tìm kiếm" trong động cơ Các HED cảm ứng phân cực phát hiện những thay đổi trong các nam châm theo dõi và chuyển đổi các các động cơ

Ƣu điểm của động cơ servo tuyến tính so với động cơ có chuyển động quay Ưu điểm của động cơ servo tuyến tính so với động cơ có chuyển động quay là:

- Có độ cứng vững cao: động cơ tuyến tính được kết nối trực tiếp đến các vị trí mang tải

- Cơ khí đơn giản

- Có vận tốc và gia tốc lớn

- Có vận tốc lớn: Trung bình vận tốc có thể lên đến 6,6ft/s (2m/s), một số động cơ có thể đạt 26ft/s (8m/s) Điều này so sánh với tốc độ của các trục vít truyền chuyển động thẳng, thường được giới hạn đến 20  30 in/s (0,5 

1.3.2 Dẫn động trục chính

Hình 1-29 Trục chính máy CNC có hệ thống thay dao tự động

Trục chính máy CNC rất phức tạp (hình 1-29) Thông thường trong lỗ trục chính có hệ thống để kẹp rút dao với dẫn động bằng khí nén và thủy lực Những máy CNC có hệ thống thay dao tự động, trục chính cần có vị trí chính xác để tay máy có thể lấy dao ra và lắp dao mới vào

Hình 1-30 Bộ biến đổi điện áp và biến tần dùng cho động cơ xoay chiều

a) Sơ đồ tổng thể; b) Sơ đồ biến tần dùng thirisstor; 1 - Nắn dòng 3 pha thành một chiều; 2- Biến tần dùng thiristor; 3- ộng cơ xoay chiều 3 pha; 4- Mạch đóng mở

thiristor; 5- Thiristor SD1 - SD6; 6 - Diod VD1 - VD6

Dẫn động trục chính của máy CNC phức tạp hơn rất nhiều so với máy công cụ thông thường vì các lý do sau:

- Mức ổn định tốc độ cao, khoảng thay đổi số vòng quay rộng, với momen lớn, khả năng quá tải cao

- Cần bảo đảm độ chính xác định vị trục chính khi thay thế dao cắt hoặc thay phôi

Điều này có thể thực hiện được nhờ sử dụng các loại động cơ điện một chiều Các loại động cơ điện một chiều tuy đắt hơn động cơ xoay chiều và có kích thước lớn hơn vẫn được sử dụng trên các máy CNC để dẫn động trục chính Thời gian gần đây thế giới đã sử dụng hệ thống dẫn động trục chính dựa vào động cơ xoay chiều, gọi là động cơ servo AC, thay đổi tốc độ bằng bộ biến tần Trên hình 1-30 là một sơ đồ của

bộ biến tần sử dụng mạch điện tử công suất

Bộ biến đổi điện áp biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha thành điện áp một chiều

2 pha Đầu ra của bộ biến đổi điện áp nối với bộ biến tần sử dụng thiristor (hình 30b) Đầu ra của bộ biến tần là dòng xoay chiều 3 pha có tần số điều khiển được

1-Cũng như trên các máy thông thường, trục chính trên máy CNC đảm bảo chuyển động cắt chính Trên máy phay, trục chính mang dao phay; trên máy tiện trục chính mang phôi; còn trên máy mài, trục chính mang đá mài Trục chính là bộ phận tiêu tốn năng lượng nhiều nhất trên máy Vì vậy công suất trục chính thường được dùng làm chỉ tiêu đánh giá công suất gia công của máy

Trên máy CNC, tốc độ trục chính cần được điều khiển vô cấp, tự động theo chương trình, trong phạm vi rộng Điều đó rất cần thiết, nhất là khi thay đổi đường kính dao phay hoặc đường kính phôi tiện mà lại cần duy trì vận tốc cắt không đổi Một

số công việc, ví dụ gia công ren bằng đầu ta rô cứng, gia công ren nhiều đầu mối, còn đòi hỏi phải định vị chính xác góc trục chính Từ các yêu cầu trên, người ta sử dụng các loại động cơ dễ điều khiển tự động tốc độ, như động cơ một chiều, xoay chiều đồng bộ Gần đây, nhờ tiến bộ về kỹ thuật điều khiển số, các động cơ không đồng bộ điều khiển bằng biến tần được sử dụng rộng rãi Khi cần định vị góc trục chính, người ta gắn encoder lên trục động cơ (động cơ servo)

So với trục chính của máy thông thường, trục chính của máy CNC làm việc với tốc độ cao hơn (tới hàng vạn v/ph), thường xuyên có gia tốc lớn Vì vậy, yêu cầu cân bằng, bôi trơn đặc biệt cao ở các máy CNC Ngoài ra, do nhu cầu thay dao nhanh, thay dao tự động, kết cấu kẹp dao trên máy phay CNC khác so với máy thông thường Cơ cấu kẹp dao, phôi trên các máy CNC thường được điều khiển tự động bằng khí nén hoặc thu lực

1.3.3 Đường hướng của máy CNC

Đường hướng của máy CNC bảo đảm hai chức năng quan trọng là:

- Độ chính xác dẫn động các bàn dao và bàn máy

- Khả năng chịu lực trong suốt quá trình cắt gọt

Xuất phát từ các chức năng kỹ thuật do đường hướng của máy CNC đảm nhận, những yêu cầu kỹ thuật đặt ra khi thiết kế, chế tạo đường hướng phải đáp ứng là:

- Có độ cứng vững tốt đối với các lực làm việc

- Có độ hút rung động tốt trong mặt phẳng vuông góc với phương chuyển động

- Lực đối ngược với chuyển động của bộ phận dẫn hướng (bàn dao, bàn máy ) cần phải nhỏ và nhất là ít thay đổi theo tốc độ dịch chuyển

- Cần có độ giảm chấn trên phương chuyển động

Trong nhiều trường hợp,

các xe dao của máy NC dịch

chuyển với tốc độ thấp (khoảng vài

chuyển Dao động này có thể có giá

trị biên độ triệt tiêu được giá trị tốc

a) ường hướng ma sát khô hay ma sát nửa ướt

Đây là những đường hướng đầu tiên áp dụng trong ngành cơ khí Bề mặt chịu lực ma sát chính là bề mặt tiếp xúc, hoặc là trực tiếp hoặc qua lớp màng dầu tưới vào định kỳ Những đường hướng dạng này có chất lượng cao về độ cứng và độ hút rung động Tuy nhiên chỉ có những đường hướng được bôi trơn là đạt được tuổi thọ khả dĩ chấp nhận

0.080.2

F

Hình 1-31 Sự gia tăng hệ số ma sát trong quan

hệ với tốc độ dịch chuyển I: ường hướng có cặp vật liệu gang-gang được bôi trơn; II: ường hướng là vật liệu compóit dán trên thép tôi (PolyTetraFluorEthylene = PTFE)