Bai giang Máy công cụ CNC & phương pháp lập trình gia công

hệ thống điều khiển số trên máy CNC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỀU KHIỂN THEO CHƯƠNG TRÌNH SỐ CNC

I Khái niệm về điều khiển số NC và CNC

Điều khiển số (numerical control) NC là phương pháp điều khiển hoạt động của máy công cụ một cách chính xác dựa vào một chuỗi các mã lệnh bao gồm các ký tự số, chữ cái và các ký hiệu mà bộ điều khiển máy (machine control unit – MCU ) có thể hiểu được

Các mã lệnh điều khiển này được chuyển đổi thành các xung điện điều khiển các motor và hướng dẫn bộ điều khiển thực hiện quá trình gia công các chi tiết một cách tự động Các ký tự số, chữ cái và các ký hiệu mã hoá liên quan đến vị trí, khoảng cách, các chuyển động của bàn máy và dụng cụ cắt cũng như các chức năng khác mà máy có thể hiểu được

Thời kỳ ban đầu (từ 1953 đến đầu những năm 70) là thế hệ của các máy điều khiển số

NC, chương trình nạp vào máy thông qua các băng giấy giấy đục lỗ và thông tin được xử lý bằng công nghệ điện tử thời kỳ đầu (rơle, bóng đèn điện tử rồi đến các transitor) Các linh kiện điện tử riêng lẻ có những nhiệm vụ nhất định, liên hệ giữa chúng được thông qua các mối giây nối hàn cứng trên các mạch logic điều khiển Sau khi kỹ thuật vi xử lý phát triển mạnh mẽ người ta đã ghép nối các vi xử lý và các hệ điều khiển NC và máy công cụ điều khiển số lúc này trở thành máy CNC (computer numerical control) Thông tin nạp vào máy từ các băng đục lỗ đã chuyển sang tất cả các dạng như các dạng mà chúng ta có thể nhập vào máy tính cá nhân hiện nay ( đĩa từ, thẻ nhớ, bàn phím… ) Ngược lại, cũng có thể xuất thông tin ra màn hình màu hoặc trắng đen có trên máy cũng như xuất ra các thiết bị giống các thiết

bị nhập Đa số các chức năng điều khiển được giải quyết thông qua các phần mềm hệ thống được lập trình trước

II Phân loại máy công cụ CNC

Có nhiều tiêu chí để phân loại máy CNC công nghiệp:

- Phân loại theo phương pháp truyền động điện, thuỷ lực, khí nén

- Phân loại theo phương pháp điều khiển: điều khiển điểm, điều khiển đoạn, điều khiển đường

- Phân loại theo phương pháp thay dao: bằng tay hay tự động theo kiểu đầu rơvônve, trống mang dao hoặc băng tải dao

- Phân loại theo kích cỡ phôi có thể gia công được

- Phân loại theo kích thước và trọng lượng máy

- Phân loại theo số trục có thể điều khiển đồng thời

- Phân loại theo hệ điều hành: Fanuc, Siemens, Heidenhain, Fagor, EMCO…

- Phân loại theo chức năng: cụ thể gồm:

a Máy khoan CNC:

+ Máy khoan 2 trục: 2 trục X và Y được điều khiển bằng lập trình, nó có thể định

vị chính xác vị trí của các lỗ cần khoan trên mặt phẳng Chiều sâu của lỗ được điều khiển bằng cam hoặc bằng tay

+ Máy khoan 3 trục: chiều sâu Z cũng được lập trình

+ Máy khoan 4 trục: đầu trục chính có thể xoay được để khoan các lỗ nghiêng

b Máy tiện CNC

Chức năng gia công giống như máy tiện truyền thống nhưng được điều khiển bằng máy tính và thường có hai trục trở lên Tối thiểu phải có hai trục được điều khiển đồng thời giống như máy tiện truyền thống: đó là chuyển động của bàn xe dao dọc theo trục Z và ngang theo trục X để gia công các biên dạng tròn xoay bất kỳ cũng như khoan, khoét các lỗ có tâm trùng với tâm của trục chính (hình 1.1)

c Máy phay CNC

Có nhiều máy

phay điều khiển số

CNC khác nhau Nếu

dựa vào vị trí của các

trục chính mang đầu

dao ta có máy phay

đứng hoặc máy phay

ngang giống như máy

phay truyền thống Số

trục có thể điều khiển

đồng thời thường là 3

trục trở lên (điều

khiển chuyển động

của phôi hay dụng cụ

cắt tịnh tiến theo 3

phương X, Y, Z trong

không gian) Chức

năng gia công của nó

bao gồm phay mặt

phẳng, phay đường

biên, phay mặt cong,

khoan, khoét, doa lỗ và tarơ ren (hình 1.2)

Hình 1.1: Máy tiện CNC DECKEL MAHO

Hình 1.2: Máy phay CNC hiệu DECKEL MAHO

d Trung tâm gia công

Trung tâm gia công (ra đời từ những năm 60) cũng là một máy công cụ CNC nhưng khả năng gia công của nó rộng hơn các máy tiện hay phay CNC đơn lẻ Trung tâm gia công có thể được thực hiện nhiều nguyên công gia công hoàn thành chi tiết chỉ cần một lần gá Đáp ứng yêu cầu trên, trung tâm gia công thường có khả năng tự động thay đổi dụng cụ cắt và điều khiển được nhiều chuyển động đồng thời (tối thiểu là 3 trục)

Người ta còn chia ra trung tâm gia công gia công tiện và trung tâm gia công phay và nhiều nhánh nhỏ hơn theo sơ đồ sau:

Dưới đây sẽ trình bày rõ thêm về từng loại trung tâm gia công phổ biến ở trên:

* Trung tâm gia công tiện thông dụng:

Khi trang bị trung tâm gia công tiện ta cần chú ý đến đặc điểm sản xuất và tính chất của chi tiết gia công mà chọn loại máy thích hợp Có nhiều trung tâm gia công tiện được trang

bị nhiều loại mâm cặp có kích cỡ khác nhau để kẹp được nhiều dạng chi tiết khác nhau Có nhiều trung tâm gia công tiện lại chỉ có 1 mâm cặp thích hợp cho việc gia công các chi tiết trụ nhỏ mà phôi là dạng

phôi thanh có thể

lồng qua lỗ của trục

chính Có loại trung

tâm gia công tiện có

ụ động chống tâm

còn có loại thì không

(chỉ gia công chi tiết

ngắn) Có loại có 1

bàn xe dao, có loại

có 2 bàn xe dao

Loại có 2 bàn xe dao

thì số trục điều khiển

đồng thời là 4 trục

(mỗi bàn xe dao 2

trục)

Trung tâm gia công

Trung tâm gia công tiện Trung tâm gia công phay

Trung tâm gia công đứng

Trung tâm gia công ngang

Trung tâm

GC phay vạn năng

Hình 1.3: Phân loại trung tâm gia công

Hình 1.4: Trung tâm gia công tiện EMCO HYPERTURN

Nếu xe dao dưới thực hiện việc gia công đường kính ngoài thì xe dao trên cùng thời điểm có thể gia công đường kính trong hoặc các chức năng gia cơng khác nên năng suất gia công rất cao Một số trung tâm gia công tiện có 2 mâm cặp có khả năng gia công được 2 đầu của chi tiết mà người vận hành không phải ngừng máy để đổi đầu chi tiết

* Trung tâm gia công tiện có khả năng phay (tiện – phay kết hợp):

Xuất phát từ sự phát triển của máy công

cụ CNC cũng như yêu cầu về tăng năng suất

gia công, trung tâm gia công tiện phay ra đời để

gia công các chi tiết mà trước đây để hoàn

thành nó phải chuyển từ máy tiện sang máy

phay tốn nhiều thời gian vận chuyển, tháo lắp

và gá đặt phôi Để thực hiện được công việc

phay, khoan, tarô, trung tâm gia công tiện –

phay được trang bị thêm trên xe dao các ụ dao

có thể quay được để lắp dao phay hay mũi

khoan mà người ta gọi là driven tools hay live

tools (hình 1.5) Đối với trung tâm gia công tiện

– phay số trục đồng thời tối thiểu phải là 3 trục:

trục X và trục Z là hướng tịnh tiến ngang và dọc

của xe dao, trục C là trục quay của trục chính

bởi vì lúc này trục chính bắt buộc phải có khả năng định vị chi tiết tại các góc quay bất kỳ Ví dụ để khoan 4 lỗ hướng kính cách đều nhau một góc 900 trên trục thì trục C (mâm cặp) phải có khả năng tự động xoay đi 900 và cố định lại vị trí đó khi đã gia công 1 lỗ khoan và chuyển sang gia công lỗ khoan kế tiếp

Hình 1.6: Đầu mang dao của trung tâm gia công tiện phay 4 trục (có trục Y thẳng đứng) và

các dạng chi tiết mà máy gia công được

Một số trung tâm gia công tiện có thêm trục Y (xe dao có thể tịnh tiến lên xuống) Lúc này máy có thể thực hiện được các công việc mà một máy phay 4 trục có thể làm được ví dụ như khoan các lỗ vuông góc với đường tâm trục nhưng không xuyên tâm, phay các rãnh xoắn ốc và các bề mặt phức tạp bên ngoài trục (hình 1.6)

Hình 1.5: Đầu rơvônve trung tâm gia công tiện có mang dao tự quay (driven

tools)(hãng EMCO)

* Trung tâm gia công phay đứng :

Trung tâm gia công phay, đôi khi người ta chỉ gọi là trung tâm gia công (không có từ phay)

Trung tâm gia công đứng có trục chính mang dao có hướng thẳng đứng áp dụng để gia công các chi tiết mà phôi thường có dạng khối phẳng và việc gá đặt trên bàn máy cũng đơn giản (chỉ cần dùng êtô hay các thỏi kê và thanh kẹp) Lực cắt chủ yếu tác dụng theo phương thẳng đứng Trung tâm gia công đứng thường có từ 3 đến 4 trục Nếu có thêm trục thứ tư (cùng điều khiển số - lập trình được) gọi là trục C (thường là trục quay xung quanh đối với trục X), tức là người ta gắn thêm ụ quay giống như đầu phân độ lắp trên máy phay

*Trung tâm gia công ngang :

Trung tâm gia công ngang có trục chính nằm theo phương ngang, áp dụng để gia công các chi tiết mà các mặt gia công chủ yếu nằm ở măt bên Trung tâm gia công ngang thường có hai bàn máy, trong khi chi tiết ở bàn máy này đang gia công thì ta tháo lấy sản phẩm và lắp phôi mới ở bàn máy kia

* Trung tâm gia công vạn năng :

Trung tâm gia công vạn năng kết hợp được đặc tính của trung tâm gia công đứng và trung tâm gia công ngang Trục chính của nó có thể lập trình như là trung tâm gia công ngang hoặc là trung tâm gia công đứng khi ta tháo hoặc lắp thêm đầu trục chính đứng Với các trung tâm gia công vạn năng 5 trục thì hai chuyển động quay có thể do đầu trục chính thực hiện hoặc bàn máy có khả năng xoay quanh trục X nằm dọc và quanh trục Y nằm ngang (hình 1.7)

e Máy gia công tia lửa điện EDM:

Hình 1.7: Trung tâm gia công 5 trục (3 tịnh tiến + 2 quay)

(a) Ụ trục chính xoay và (b) bàn máy xoay

(b) (a)

Dụng cụ cắt đóng vai trò là một điện cực âm, chi tiết cũng đóng vai trò của một điện cực Khi tia lửa điện phóng ra giữa hai điện cực sẽ đốt nóng và làm chảy vật liệu gia công ở vùng tiếp xúc với điện cực dụng cụ Muốn duy trì quá trình gia công thì bắt buộc khe hở giữa các điện cực phải được duy trì ở một mức nào đo để duy trì sự phóng điện, điều này chỉ có thể thực hiện thông qua các cảm biến về hiệu

điện thế và dòng điện đưa qua bộ điều khiển số

để dịch chuyển dụng cụ cắt hay dịch chuyển bàn

máy mang chi tiết

Máy gia công tia lửa điện được chia

làm hai loại :

+ Máy gia công tia lửa điện có điện cực

định hình: hình dáng của bề ma gia công

là âm bản của hình dáng dụng cụ (in dập

hình dáng của dụng cụ điện cực)

+ Máy cắt dây: điện cực dụng cụ là một

sợi dây đồng hoặc hợp kim wonfram dài

chạy liên tục qua phôi để cắt các biên

dạng 2D trong mặt phẳng

Máy gia công tia lửa điện thích hợp cho

việc gia công các loại vật liệu có độ cứng cao

(nhưng phải dẫn điện được), gia công tinh các bề

mặt 3D phức tạp sau khi đã gia công thô bằng gia công cơ, gia công các khe hẹp và sâu, gia công các góc hẹp, tạo vết nhám cho bề mặt khuôn đúc các sản phẩm nhựa, cắt profile cho các khuôn dập hoặc khuôn đùn ép

Hình 1.8: Máy cắt dây

Hình 1.10: Máy cắt dây 4 trục X,Y; U,V

Maxicut 734 (Ấn độ) Hình 1.9: Máy gia công tia lửa điện điện

cực định hình TOP EDM (Đài loan)

III Ưu nhược điểm của máy CNC

1:Ưu điểm :

Đặc tính và ưu điểm chung của máy CNC có thể chia làm 4 nội dung chính sau:

- Chính xác: các máy CNC hiện đại có thể đạt độ chính xác trong phạm vi dung sai 0,0025-0,005 mm

- Tin cậy: do bộ điều khiển (vi xử lý) cũng như các cải tiến ở độ cứng vững, sống trượt vít me bi, bàn máy cũng như dụng cụ cắt gọt đã làm cho máy có độ tin cậy hoạt động rất cao

- Có khả năng lập lại cao: các chi tiết chế tạo trong hàng loạt rất giống nhau nhờ khả năng lập lại của máy tính cộng với độ tin cậy của máy

- Năng suất cao: nhà chế tạo đã giảm đến mức tối đa hành trình chạy không của máy, tăng tốc độ chạy dao nhanh, cắt gọt tự động liên tục với tốc độ cắt cao, giảm số lần gá đặt và giảm số công nhân vâïn hành máy đã làm cho năng suất của máy CNC khá cao Đây là một trong những yếu tố góp phần hoàn vốn đầu tư nhanh khi trang bị các máy công cụ CNC đắt tiền

Cụ thể hơn ưu điểm của máy công cụ CNC có thể tóm tắt ở 13 điểm chính sau:

1 - Độ chính xác cao, sản phẩm chất lượng đồng nhất

2 -Thực hiện được các thủ tục (nguyên công) gia công các chi tiết có hình dáng phức tạp

mà các máy truyền thống không thể gia công được

3 - Năng suất gia công tăng

4 - Giảm được thời gian chuẩn bị sản xuất, thời gian phụ

5 - Hạn chế được phế phẩm

6 - Hạn chế được lỗi của con người: do không cần phải cắt thử, đo thử, định vị trí dao…

7 - An toàn cho người vận hành: nguyên tắc an toàn của máy CNC tránh cho người vận

hành đụng vào các bộ phận chuyển động cũng như dụng cụ cắt

8 - Hiệu quả và tiện lợi khi vận hành máy: khi máy bắt đầu làm việc nó không cần

nhiều đến sự giám sát của con người khi vận hành so với máy truyền thống

9 - Hạ được giá thành dụng cụ cắt : máy CNC sử dụng các dụng cụ cắt và các thiết bị

cặp dao tiêu chuẩn và đơn giản, chúng không cần dùng các dao định hình phức tạp

10 - Máy làm việc an toàn, ít lỗi do ít có sự can thiệp của người vận hành khi nó hoạt

động

11 - Ít cần phải kiểm tra sản phẩm trong loạt

12 - Hiệu sduất sử dụng máy cao: thời gian gá lắp ít, không cần phải điều chỉnh máy, cắt

gọt liên tục đã làm cho hiệu suất sử dụng của máy có thể lên đến 50%

13 - Không chiếm nhiều không gian trong xưởng: do giảm được chỗ lưu trữ phụ tùng và

đồ gá

14 - Chương trình gia công có thể lưu trữ, chỉnh sửa và gọi ra bất cứ lúc nào nhờ sử dụng máy tính, không cần dùng nhiều giấy tờ

2 Nhược điểm của máy CNC

- Giá thành đắt, chi phí đầu tư ban đầu cao

- Công nhân vận hành phải được đào tạo: mặc dù nói rằng độ chính xác của chi tiết gia công không phụ thuộc vào tay nghề của người vận hành vì người vận hành không can thiệp trực tiếp bằng tay vài quá trình gia công Tuy nghiên, để lập trình

và vận hành máy, người vận hành phải được đào tạo kỹ lưỡng về CNC và kỹ thuật gia công trên máy CNC

- Phải tốn chi phí cho việc lập trình và các công việc thực hiện trên máy tính

- Chi phí bảo dưỡng cao

IV: Những tính năng trong hệ điều khiển của máy CNC hiện đại ngày nay

1) Có màn hình (màu hoặc trắng đen)

2) Có thể lập trình theo kích thước hệ met hoặc inch

3) Trao đổi dữ liệu theo tiêu chuẩn EIA hoặc ACII

4) Có thể nhập dữ liệu bằng tay (manual data input)

5) Soạn thảo được chương trình gia công

6) Nội suy

7) Định vị dụng cụ cắt theo hệ thống điểm hoặc đường liên tục

8) Hiệu chỉnh (bù trừ) bán kính lưỡi cắt của dao, hiệu chỉnh chiều dài dao

9) Lưu trữ nhiều chương trình gia công cùng lúc

10) Có nhiều chương trình gia công (hay chu trình gia công được nhà sản xuất lập trình sẵn) 11) Có chứa nhiều macro và chương trình con

12) Đảo chiều các trục

13) Chẩn đoán và bảo lỗi hư hỏng, giúp đỡ vận hành (help and diagnostics)

14) Quản trị dữ liệu

Nhiều khái niệm mới ở đây sẽ được làm rõ ở những chương sau

Các thông số kỹ thuật cơ bản của các kiểu máy CNC

Khi trang bị các máy CNC như máy phay, máy tiện, máy EDM, ta cần chú ý các thông số cơ bản như minh hoạ dưới đây:

a) Mùáy phay CNC 3 trục

Thông số Đơn vị Ví dụ máy phay Brigeport VMC

2216 (Mỹ)

Tốc độ dịch chuyển nhanh của trục X&Y m/ph 18

Trọng lượng phôi lớn nhất bàn máy chịu được kg 341

Kích thước bao của máy WxDxH (m) 2,5x2,6x2,46

Thay dao tự động, số lượng dao mang tối đa cái 22

b) Máy phay CNC 5 trục

Mơ tả các thơng số

VC630/5AX DOOSAN Hàn Quốc

Bàn máy

(Table)

Trục chính (Spindle) Tốc độ trục chính tối đa (Max Spindle Speed) 12,000 r/min

Số lượng dao (Tool storage

EMCO 345II (Áo)

Các kích thước làm việc

Đường kính chi tiết lớn nhất tiện được mm 220

Đường kính phôi thanh lớn nhất tiện được mm 45

Khoảng dịch chuyển các trục

Góc quay bé nhất (độ phân giải góc quay) độ 0.001

Đầu rơvônve (tool turret)

Dẫn động ăn dao

Ụ động tiêu chuẩn

Ụ động tự động

Hệ thống làm mát

Nguồn cung cấp

Kích thước và trọng lượng

Chiều cao tâm trục chính so với sàn mm 1160

d) Máy cắt dây EMD

Dưới đây là đặc tính và các thông số kỹ thuật cơ bản của máy cắt dây MAXICUT e (Ấn Độ)

• Năng suất cắt (Cutting speed) tính bằng diện tích/phút : 120 mm2/min

• Độ nhám bề mặt bé nhất: 0.8µ Ra

• Góc nghiêng cắt tối đa (Taper angle) : ±15° trên 100mm

• Điều khiển từ xa cầm tay

• Bộ làm mát chất điện môi có điều chỉnh nhiệt độ

• ePulse technology

Phần máy công cụ (Machine tool)

Kích thước bàn máy lớn nhất 650 X 440 mm

Chiều cao phôi lớn nhất 200 mm

Trọng lượng phôi lớn nhất 300 kg

Khoảng dịch chuyển X,Y của bàn máy 300, 400 mm

Khoảng dịch chuyển U,V (song song X,Y) 80, 80 mm

Khối lượng lớn nhất của cuộn dây cắt 6 kg

Độ chính xác kích thước (độ phân giải) 0.001 mm

Đường kính dây điện cực 0.25 mm (Std.) 0.15 0.2, 0.3 mm (tự chọn)

Máy phát xung (Pulse Generator) ELPULS - 20 e

Điều khiển các trục X, Y, u, v đồng thời

Nội suy (Interpolation) Đường thẳng và tròn (Linear & Circular) Bước nhảy giá trị nhập nhỏ nhất 0.001 mm

Giá trị lệnh nhập bé nhất (X,Y) 0.001 mm

Kích thước lập trình lớn nhất (X,Y) ± 999.999

Data Input / Output •1.44 MB Floppy disk •RS-232C isolated serial interface

•Special function sealed keyboard

Chất lỏng điện môi Nước đã làm giảm iôn (De-ionised water)

Dung tích bồn chứa 250 lit

Hệ thống làm mát chất điện môi 1700kCal

e) Máy điện cực định hình EDM

EDM CNC 340)

Kích thước từ đầu kẹp điện cực đến bán máy mm 150-600

Dung tích thùng chứa dung dịch điện môi L 305

Kích thước thùng chứa chất điện môi (LxWxH) mm 860x1010x600

Độ bóng bề mặt gia công cực đại (nhám tối thiểu) Ra (µm) 1

CHƯƠNG 2

ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO MÁY CÔNG CỤ CNC

1 Đặc điểm kết cấu chung

Máy công cụ điều khiển số CNC về mặt kết cấu cơ bản thì nó cũng gồm đầy đủ các bộ phận chính mà một máy công cụ truyền thống cần phải cĩù Tuy nhiên máy CNC có độ chính xác gia công cao hơn nhiều so với máy truyền thống nên nó có một số đặc điểm cấu tạo riêng có thường gặp sẽ được trình bày dưới đây Điều hiển nhiên là máy CNC phải có bộ điều khiển bằng máy tính, có bàn phím nhập dữ liệu và điều khiển máy, có màn hình hiển thị các thông tin và dữ liệu vào ra cũng như các hình vẽ đồ họa Các nội dung này sẽ được giới thiệu trong chương 3 và phần vận hành gia công trên máy

Cấu tạo chung của máy phay CNC được biểu diễn qua các sơ đồ sau:

Hình 2.2: Hình dáng chung bên ngoài của một sốâ máy phay CNC: MAKINO – Nhật Bản (trái)

và EMCO – Áo (phải)

Các bộ phận của máy phay CNC

Băng trượt Bàn máy

Bệ máy Trụ máy Trục chính Bộ điều khiển

máy Động cơ servo Bộ thay dao tự động

Hình 2.1: Các bộ phận chính của máy phay CNC

Các bộ phận của máy tiện CNC

Khung kết cấu cơ

Rãnh dẫn dung dịch trơn nguội

Trục chínhHệ thống khí nén

Ổ chứa dao và bộ

phận tự động thay

đổi dụng cụ cắt

Động cơ trục chínhHộp số 2 tốc độBộ tạo lực đẩy thanh

đẩy thay dao

Nút bấm thay dao

Hình 2.3 : Cấu tạo của máy phay CNC 3 trục (hiệu BridgePort) khi bỏ vỏ che

Sau đây xét đặc điểm của một số hệ thống và cơ cấu chính

Hình 2.5: Cấu tạo chung bên ngoài của máy tiện CNC DOOSAN Puma MX

2600 (hãng Doosan – Hàn quốc)

Động cơ servo dẫn

động trục chính

Uï động được dẫn động bằng thuỷ lực và được điều khiển số

Đầu rơvônve có thể lắp nhiều dao hướng kính và hướng trục, có một vài dao tự quay

Hình 2.6 : Cấu tạo của máy tiện CNC 3 trục (hãng EMCO) khi bỏ vỏ che

2 Kết cấu hệ thống cơ khí của máy

2.1 Khung máy

Khung máy làm

chi tiết cơ sở để lắp tất

cả các thiết bị và bộ

phận khác như bàn máy,

trục chính, xe dao (đối

với máy tiện) v.v… lên

nó tạo thành máy hoàn

chỉnh Khung máy phải

chịu tất cả các tải trọng

tĩnh cũng như động do

tác động của lực cắt, do

rung động trong quá

trình cắt và do khối

lượng của các chi tiết va ø

bộ phận lắp lên nó cũng

như trọng lượng bản

thân của nó Do vậy đối

với khung máy cần phải

thoả mãn hai yêu cầu

chính sau nhằm đảm bảo

độ chính xác gia công

của máy:

- Phải đảm bảo

đủ độ cững

vững

- Phải có khă năng chống và hấp thu rung động

Với các lý do trên, khung máy CNC thường được chế tạo bằng gang đúc, có hình khối rỗng, nhiều gân chịu lực và có kết cấu vững chắc Đối với một số máy tiện công suất cỡ vừa và nhỏ có thể chế tạo đế máy máy bằng thép tấm hàn lại với nhau

2.2 Sống trượt

Sống trượt có chức năng dẫn

hướng chuyển động của bàn máy, xe

dao, ụ trục chính, ụ động v.v… Hình

dạng và kích thước của sống trượt

phụ thuộc vào độ chính xác dịch

chuyển, khả năng chịu tải và độ

chính xác động học của sống trượt

Về mặt ma sát có thể chia sống trượt

ra hai loại: sống trượt ma sát trượt

và sống trượt ma sát lăn (sống trượt

con lăn)

Sống trượt ma sát trượt được

sử dụng nhiều vì giá thành chế tạo

thấp và khả năng chịu tải lớn mặc

dù nó có hệ số ma sát lơn hơn sống

trượt ma sát lăn Sống trượt ma sát

Trụ đứng (column)

Trục

Z

Bàn máy (saddle) Trục X

Thân đế (bed)

Trục Y

Hình 2.7: Cấu tạo khung máy phay CNC

Hình 2.8: Sống trượt máy tiện CNC (hãng EMCO)

trược có thể đúc liền khối với thân máy sau đó mạ một lớp hợp kim chống mài mòn hoặc cũng có thể chế tạo rời rồi lắp vào thân máy bằng vít

Sống trượt ma sát trượt thường có các dạng sau (hình 2.9):

Sống trượt phẳng, sốâng trượt đuôi én, sống tượt tam giác, sống trượt lăng trụ nhiều cạnh

Sống trượt tam giác thường dùng cho máy tiện, ưu điểm của loại này là bàn xe dao vẫn duy trì được sự cân bằng ngay cả khi sống trượt bị mòn Nhược điểm của nó là có hệ số ma sát lớn nhất so với các loại khác

Sống trượt phẳng thường áp dụng cho các máy CNC cỡ lớn có khă năng tải cao Để đăm bảo khả năng định hướng chuyển động, sống trượt phẳng thường phải kết hợp với sống trượt đuôi én

Sống trượt lăn trụ nhiều cạnh thường hay gặp trong các máy phay và máy cắt dây CNC, khả năng tải của nó có nhỏ hơn các loại sống trượt ma sát trược khác do diện tích tiếp xúc thường nhỏ hơn Loại này mang tính chất dung hoà và kết hợp của loại sống trượt phẳng và sống trượt tam giác

Sống trượt con lăn:

Dùng sống trựơt con lăn

có khả năng giảm hao mòn,

giảm ma sát và giảm tải nhiệt

phát sinh trong quá trình dịch

chuyển, tốc độ dịch chuyển

cao, không xảy ra hiện tượng

dính khi bắt đầu trượt Nhược

điểm của sống trượt con lăn là

khả năng chịu va đập kém

Ngoài các sống trượt kể

trên còn có thể có sống trượt

thuỷ tĩnh, bề mặt của bạc trượt đợc ngăn cách hoàn toàn với sống trượt bằng một lớp dầu thuỷ lực áp suất cao đến khoảng 300 bar Với loại này thì hao mòn do ma sát là không đáng kể, cứng vững và chịu được va đập, khả năng tải cao nếu áp lực dầu lớn Tuy nhiên, nó ít được sử dụng vì giá thành chế tạo cao và khó khăn trong việc lắp ráp

2.3 Hệ thống chạy dao

Hệ thống chạy dao tạo ra các chuyển động tương đối giữa dao và chi tiết (trừ chuyển động quay tròn của trục chính mang chi tiết trong máy tiện) Nó bao gồm cơ cấu vitme đai ốc và bộ truyền tự động cơ điện đến trục vít me

Hình 2.9: Các kiểu mặt cắt ngang sống trượt

Hình 2.10: Sống trượt con lăn

Hình 2.11 : Bản vẽ lắp hệ thống chạy dao máy phay CNC Bridgeport

a) Vítme đai ốc (screw nut)

Bảng so sánh ưu điểm của vít me- đai ốc bi so với các loại truyền động khác

Vít me đai ốc

bi

Vít me đai ốc ácsimet

Thủy lực Đai và xích Bánh răng

thanh răng

Cơ cấu cam Xi lanh khí nén

Ít cần bảo dưỡng x

Khả năng lặp lại cao x

ống tuần hoàn bi

Hình 2.12: Vít me - đai ốc bi trong hệ thống chạy dạo máy CNC

Hầu như tất cả các máy công cụ CNC đều sử dụng cơ cấu vítme đai ốc bi để biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của bàn máy Vitme đai ốc bi có ưu điểm là hệ số ma sát rất nhỏ, khả năng chuyển động nhanh, làm việc êm, chính xác Hiện nay thường sử dụng vitme đai ốc bi cầu Vitme đai ốc bi đũa chỉ dùng trong trường hợp tải trọng tác dụng lớn Các viên bi chuyển động tuần hoàn trong ống của đai ốc thông qua một kênh nối Khe hở giữa bi và vitme có thể được khử bằng cách điều chỉnh vít nén hay miếng chêm ở giữa hai phần của đai ốc

b) Bộ truyền đai răng

Đa số các máy CNC thường sử dụng bộ

truyền đai răng trong hệ thống chạy dao bởi giá

thành chế tạo thấp, làm việc không ồn, không cần

bôi trơn, ít bảo dưỡng Sử dụng đai răng cho phép

khắc phục hiện tượng trượt tương đối giữa dây đai

và puli Hình dạng của đai như hình vẽ Một số đai

có lực căng làm việc cao có lõi bằng các sợi dây

thép

Sử dụng đai truyền không vì mục đích giảm

tốc hay tăng tốc mà chỉ để thay đổi vị trí lắp đặt

động cơ đồng thời loại bỏ yêu cầu sử dụng khớp nối

trục mềm để đảm bảo sự làm việc của cơ cấu khi

có sự không đồng trục giữa trục động cơ và trục

vitme nếu lắp trực tiếp động cơ lên vitme

c) Hộp tốc độ

Do động cơ có khả năng điều chỉnh tốc độ

quay rất rộng có thể nằm trong giới hạn từ 0 đến

maximum, vì vậy hộp số trong hệ thống chạy

dao và thay đổi tốc độ trục chính không còn ý

nghĩa biến đổi tốc độ nữa Thông thường chỉ có

một hệ bánh răng hai cấp tốc độ trục chính (low

gear và high gear) với mục đích tăng momen

cho trục chính chứ không dùng vào mục đích

biến đổi tốc độ

2.4 Trục chính

Trục chính của máy công cụ CNC làm

việc trong một phạm vi tốc độ rất rộng (0 ÷

20.000 v/ph), thậm chí đến 40.00 v/ph, do vậy

nó được chế tạo với độâ chính xác cao và phải

được cân bằng động tốt để tránh ảnh hưởng của

lực quán tính và momen quan tính

Đối với máy phay, trong lỗ trục có có lắp cơ cấu then kéo (draw bar) để giữ chặt gá dao hoặc đẩy gá dao ra khi thay dao (xem hình vẽ trục chính máy phay)

Đối với máy tiện, trục chính là trục rỗng giống như máy tiện truyền thống để lồng gá được phôi thanh Kích thước lớn nhất của phôi thanh gá được phụ thuộc và kích cỡ của máy

Hình 2.13: Truyền động đai răng trong

cơ cấu chạy dao

Hình 2.14: Trục chính máy tiện CNC

Hình 2.15: Cấu tạo trục chính máy phay CNC VMC Bridgeport

Hình 1.16: Cấu tạo trục chính máy tiện CNC EMCO

2.5 Bạc trục chính

Ngày nay đa số bạc trục chính là ổ lăn Do chịu lực dọc trục nên ổ lăn làm bạc trục chính phải là loại bi cầu đỡ chặn hoặc ổ bi đũa côn Ưu điểm của ổ lăn là hệ số ma sát nhỏ, kích thước vừa phải, dễ thay thế Nhược điểm của nó là chịu tải trọng va đập kém Ngoài ổ lăn, người ta còn dùng ổ trượt làm bạc trục chính Khi đó phương pháp bôi trơn cho trục chính là phương pháp thuỷ động hay thuỷ tĩnh

Bôi trơn cho ổ lăn trục chính bằng chính mỡ trong ổ lăn cho đến hết tuổi thọ của chúng chứ không cần phải cấp dầu bôi trơn liên tục như cho vít me hay sống trượt

3 Hệ thống động lực

Hệ thống động lực trên các máy CNC theo kiểu truyền động điện cụ thể là các động cơ điện dẫn động các hệ thống như chạy dao, dịch chuyển bàn máy và quay trục chính Động cơ điện trên các máy công cụ CNC là các động cơ servo, tốc độ có thể thay đổi được từ 0 đến giới hạn maximum Động cơ servo khác với động cơ điện thơng thường ở chỗ nĩ được thiết kế cho những hệ

thống hồi tiếp vịng kín T ín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu cĩ bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp 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 vị trí chính xác

Động cơ dẫn động trục chính và dẫn động bàn máy hay bàn xe dao đều là động cơ servo Động cơ dẫn động trục chính có công suất lớn hơn Có hai loại động cơ servo:

- Động cơ servo một chiều DC

- Động cơ servo xoay chiều AC

Một số máy sử dụng động cơ bước và động cơ chuyển động thẳng để dẫn động bàn máy

- Động cơ bước (stepper motor)

- Động cơ chuyển động thẳng (linear motor)

Động cơ điện một chiều có loại có chổi góp và không có chổi góp Loại không có chổi góp phải nhờ nguồn điện ngoài để tạo ra lực từ làm quay rotor Động cơ servo một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, bắt buộc phải có cổ góp và chổi than, chúng có các đặc tính sau:

+ Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng vì tốc độ động cơ DC chịu tác động trực tiếp của hiệu điện thế tác dụng và từ thông của nam châm vĩnh cửu

+ Động cơ DC có momen lớn nên áp dụng tốt cho các công việc cần có gia tốc lớn

Ngoài ra nó còn dao động được chế tạo với một số đặc điểm như: truyền động êm không giật cục ở tốc độ < 1v/ph, máy phát tốc độ được tích hợp trong roto và lắp cùng trục với roto Lựa chọn loại động cơ DC có chổi góp hay không có chổi góp nhìn chung tùy vào trường hợp Loại có chổi than

giá thành rẻ hơn Sử

dụng loại không có chổi

than trong sẽ không cần

bảo dưỡng nhiều, đáp

ứng được tốc độ làm

việc cao và không gây

cháy nổ trong môi

trường dễ gây cháy nổ

do không sinh ra tia lửa

điện như loại có cổ góp

Thay đổi điện thế

và cường độ dòng điện

sẽ điều chỉnh được tốc

độ và momen của động

cơ nên động cơ DC đáp

Hình 2.17:Mặt cắt ngang động cơ servo DC nam châm vĩnh cửu

ứng được các nhiệm vụ chuyển động phức tạp

Động cơ servo xoay chiều sử dụng dòng điện xoay chiều Từ trường sinh ra từ các cuộn dây của rotor và stato và lực từ sinh ra trong cuộn dây stato do sự đổi chiều của dòng điện Động cơ servo xoay chiều AC ngày đợc sử dụng nhiều và gần như thay thế cho động cơ DC do giá thành chế tạo thấp, dễ sử dụng và hoạt động tin cậy, sử dụng điện lưới quốc gia tiêu chuẩn, không có cổ góp và chổi than nên không cần bảo dưỡng các bộ phận này Việc thay đổi số vòng quay được thực hiện bằng cách thay đổi tần số của dòng điện nhờ máy biến tần Tuy nhiên giá thành của thiết bị hơi đắt, vì vậy động cơ servo AC thường ít dùng đối với các hệ thống điều khiển chuyển động phức tạp

Động cơ bước: thường sử dụng cho hệ thống điều khiển chu trình hở (không có hồi tiếp vị trí) Động cơ bước cung cấp momnen nhỏ do vậy chỉ áp dụng cho các truyền động có lực cản nhỏ và ít thay đổi (ví dụ như máy cắt dây hoặc máy gia công tia lửa điện)

Khác với hai loại động cơ trên, động cơ bước chuyển động không liên tục, chuyển động của chúng là tổng hợp các chuyển động rời rạc của các góc quay nhỏ cộng lại khi động cơ nhận được tín hiệu chuyển động là các xung số ở dạng hình thang Chuyển động của động cơ bước được điều khiển bằng tín hiệu lệnh chỉ chiều quay (cùng

chiều hay ngược chiều kim đồng hồ) và các

xung điện Ứng với mỗi xung điện, roto sẽ

quay được một góc xác định Ví dụ loại động

cơ bước 200 bước sẽ quay một góc 360/200 =

1,80 khi nhận được một xung điện Đây là loại

động cơ được tiêu chuẩn hóa trong tự động hóa

công nghiệp.(Nhiều loại động cơ bước có bước

chia nhỏ hơn gọi là Microstepping có độ phân

giải góc quay nhỏ hơn)

Động cơ bước có đặc tính là giữ tại vị trí

cố định rất tốt tuy nhiên không tạo được

momen lớn nên nó rất lý tưởng cho các ứng

dụng có công suất nhỏ, dễ điều khiển bằng

máy tính và giá thành rẻ Không nên áp dụng

cho các ứng dụng cần tốc độ cao và phải điều

khiển chính xác momen quay

Hình 2.19 là mặt cắt của động cơ bước

Hình 2.19: Mặt cắt ngang của động cơ bước

200 bước Hình 2.18: Ứng dụng động cơ bước trong hệ thống chạy dao điều khiển

chu trình hở (không có hồi tiếp)

tiêu chuẩn Động cơ bước có roto là nam châm vĩnh cửu, chúng làm việc dựa trên từ trường của nam châm vĩnh cữu trên roto và từ trường của cuộn dây trên stato

Động cơ bước có 4 dây ký hiệu như hình vẽ, để quay động cơ các pha chuyển lần lượt từ 1,

2, 3, 4 và sau đó bắt đầu từ 1 lại Để đảo chiều động cơ, thứ tự bước sẽ ngược lại, có nghĩa là 4, 3,

2, 1, 4… Nếu tập hợp các giá trị trên giữ nguyên thì động cơ sẽ đứng yên không quay Mỗi bước xoay được phải nhỏ hơn độ chính xác dịch chuyển (bước dịch chuyển) yêu cầu

Các động cơ servo có tổn hao công suất điện năng nhỏ, lượng nhiệt toả ra bé có thể truyền qua vỏ của động cơ và truyền ra môi trường xung quanh, do vậy mà vỏ của động cơ có thể bao kín hoàn toàn, bảo vệ động cơ khỏi bụi bặm hoặc dung dịch trơn nguội lọt vào Bởi lý do đó động cơ servo truyền động chạy dao có thể đặt ngay dười bàn máy nơi mà dầu mỡ, bụi phoi, và nước làm mát có khả năng xâm nhập vào

Động cơ chuyển động thẳng:

Nếu chúng ta trải phẳng một động cơ điện chuyển động quay thì stator trở thành nguồn tạo lực

và rotor trở thành một ray nam châm điện Do vậy nguyên lý làm việc của động cơ chuyển động thẳng cũng giống như động cơ quay thơng dụng dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Lực Lorentz trong động cơ truyền động thẳng là lực đẩy tác động lên phần động theo phương tịnh tiến thay vì việc sinh ra mơmen quay trong máy điện quay thơng thường Khi cho dịng điện xoay chiều vào dây quấn phần sơ cấp làm xuất hiện từ trường chạy trong khe hở giữa phần sơ và thứ cấp T ừ trường này quét qua các thanh dẫn của phần thứ cấp làm xuất hiện trong chúng sức điện động cảm ứng Do dây quấn thứ cấp ngắn mạch nên sinh ra dịng điện cảm ứng T ừ trường chạy tác dụng với dịng điện phần ứng sinh ra lực điện từ cĩ xu hướng kéo phần thứ cấp chạy cùng chiều từ trường Vì thứ cấp cố định nên tạo ra phản lực cĩ tác dụng đẩy phần sơ cấp chạy theo chiều ngược với từ trường

Động cơ điện chuyển động thẳng khơng phải là kỹ thuật mới vì chúng đã được sử dụng ở

những năm đầu thế kỷ 20 và ứng dụng thường thấy nhất là trong hệ thống đẩy tàu đệm từ trường Cấu tạo của động cơ điện tuyến tính được trình bày ở hình 2.10

Hình 2.20: Cấu tạo của động cơ chuyển động thẳng

Ưu điểm của động cơ chuyển động thẳng:

• Tốc độ cao: T ốc độ lớn nhất của động cơ điện chuyển động thẳng chỉ bị giới hạn bởi điện thế

và tốc độ của bộ điều khiển điện tử T ốc độ phổ biến nhất là 3m/s với độ phân giải 1 micromet Nếu tốc độ cao hơn thì độ phân giải phải thơ hơn

• Độ chính xác cao: Độ chính , độ phân giải và khả năng lặp lại của động cơ chuyển động

thẳng được điều khiển bằng thiết bị hồi tiếp

• Độ đáp ứng nhanh: Tốc độ đáp ứng nhanh do khơng cĩ độ trễ trong điều khiển chuyển động

Tốc độ đáp ứng của các thiết bị dẫn động bằng động cơ chuyển động thẳng cao hơn một trăm lần so với hệ thống truyền động cơ khí Điều này đồng nghĩa với gia tốc và năng suất cao

• Độ cứng vững: Do khơng cĩ khâu khớp cơ khí nên việc gia tăng độ cứng vững được thực

hiện dễ dàng Độ cứng vững của hệ thống dẫn động dùng đơng cơ tịnh tiến cao hơn nhiều so với hệ thống dùng động cơ chuyển động quay và vítme-đai ốc bi

• Vận hành khơng cần bảo dưỡng: Do khơng cĩ sự tiếp xúc giữa các chi tiết chuyển động nên

khơng cĩ hiện tượng mịn

• Tuổi thọ cao

Do cĩ ưu điểm về độ chính xác và tốc độ chuyển động nhanh, hiện nay cĩ một số nhà sản xuất

máy cơng cụ CNC sử dụng động cơ chuyển động tịnh tiến để dẫn động bàn máy Khi đĩ khơng cịn

sử dụng vitme-đai ốc, khơng cịn khâu khớp cơ khí, kết cấu đơn giản, dễ lắp ráp, khơng cĩ hiện tượng rung động hoặc hiện tượng dính trượt Hình 2.21 minh họa so sánh về cấu tạo giữa bộ dẫn động động

cơ chuyển động quay và động cơ chuyển động tịnh tiến

Điển hình một số máy CNC sử dụng động cơ chuyển động thẳng như Deckel Maho 5 trục HSC 75V

của Đức, Matsuura 5 trục LX-05 AX của Nhật Bản

Hình 2.21: So sánh về cấu tạo giữa bộ dẫn động động cơ chuyển động quay và động cơ chuyển động

tịnh tiến

4. Dụng cụ cắt và hệ thống thay dao (tool changer)

4.1 Dụng cụ cắt

Nhìn chung dụng cụ cắt sử dụng trên máy tiện và máy phay CNC giống như các dụng cụ sử dụng trên các máy truyền thống Tuy nhiên khi sử dụng dao cho máy CNC cần dùng các loại dao chất lượng cao để giảm lực cắt, giảm rung động nhằm tăng tuổi thọ và đảm bảo độ chính xác cao cho chi tiết gia công Khi sử dụng dao kém chất lượng về kích thước, hình dáng hình học, độ sắc và độ chống mòn sẽ làm mất đi ưu điểm chính xác của bản thân máy công cụ CNC Các dụng cắt có chất lượng cao mặc dù có giá thành đắt nhưng tuổi bền cao, tốc độ cắt cho phép lớn, lực cắt nhỏ nên tăng được năng suất gia công và đảm bảo chất lượng gia công, giúp máy hoạt động ít rung và đảm bảo tuổi thọ Do vậy cuối cùng sẽ làm tăng hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất

4.2 Chuôi kẹp dao (tool holder):

Chuôi kẹp dao trên máy phay CNC có nhiều loại khác nhau và được tiêu chuẩn hóa (thông dụng nhất là tiêu chuẩn DIN của Đức) Chuôi dao có phần côn để rút vào lỗ trục chính Hai loại chuôi dao phổ biến là loại có gờ kiểu CV và gờ kiểu BT (hình 2.23) Đầu dưới của chuôi dao có lỗ côn để lắp san-ga (hay collect chuck) là một bạc côn xẻ rãnh để kẹp chặt chuôi dao bằng lực

ma sát khi ta vặn đai ốc hãm bóp chặt san-ga Đầu trên chuôi kẹp dao có một lỗ ren để lắp núm dùng để giữ chặt chuôi kẹp dao vào trong lỗ trục chính

Hình 2.22: Các loại dụng cụ cắt sử dụng cho máy tiện và phay CNC

Hình 2.23: Kiểu chuôi dao tiêu chuẩn thường dùng cho máy phay CNC

Đai ốc hãm Lỗ ren vặn núm giữ

chuôi dao

Hình 2.24: Chuôi dao và các bộ phận kẹp dao sử dụng cho máy phay CNC

Trên hình 2.25 là một số kiểu bộ kẹp cán dao dùng trên máy tiện CNC Hình 2.25 (a) và (b) là kẹp dao cho dao tự quay để thực hiện chức năng phay và hình 2.25 (c) là cho các dao tiện thông thường Xem thêm hình 2.28 để biết thêm chi tiết về cách lắp bộ phần kẹp dao trên đầu rơvonve của máy tiện

4.3 Hệ thống thay dao

Máy công cụ CNC có thể tự động thực hiện nhiều nguyên công khác nhau một cách liên tục, mỗi nguyên công thường sử dụng một hay nhiều dao, vì vậy chúng phải có khả năng tự động thay dao cắt thông qua sự điều khiển CNC Máy tiện hay sử dụng mâm chứa dao kiểu như đầu rơvônve (tool turret) Đối với trung tâm gia công phay, vì số lượng dao cần rất nhiều nên dao có thể chứa trong mâm xoay (carousel (xem hình 2.26), ring magazine) hoặc trong các ổ chứa dao (magazine) kiểu băng xích tải (tool chain magazine) như minh họa trên hình 2.27

Tuỳ thuộc và kiểu và kích cỡ, đầu rơ vôn ve có thể chứa từ 8 đến 16 dao (hình 2.28) Ở các tung tâm gia công lớn có thể sử dụng tới 3 đầu rơvônve Nếu như số dao lớn hơn 48 thì chuyển sang sử dụng băng tải dao và nó có thể chứa tới 100 dụng cụ cắt hoặc hơn thế nữa

Quá trình thay dao cắt diễn ra như sau:

Đối với máy tiện, đầu rơvônve chi cần xoay dao cần thiết đến vị trí làm việc

Đối với máy phay nếu ổ chứa dao kiểu magazine thì quá trình thay dụng cụ cắt gồm nhiều bước:

- Chuyển ổ chứa dao đến vị trí thay dao

- Đưa trục chính đến vị trí thay dao (một số máy không cần bước này)

Hình 2.27: Kiểu ổ chứa dao kiểu magazine

Ổ chứa dao máy phay CNC DECKEN MAHO

Mâm chứa dao kiểu carousel

Mâm chứa dao Bridgeport VMC 2216

Hình 2.26: Ổ chứa dao và hệ thống thay dao trên máy phay CNC

- L

ấy ra từ trục chính dao cũ và cất nó

vào vị trí ban đầu của nó (chú ý chỗ

cũ của dao phải trống- tức là không

có dao nào đang chiếm chỗ - nếu

không sẽ xảy ra va chạm dao)

- Xoay tròn ổ chứa dao để đưa dao mới

cần thiết đến vị trí và dao có thể

được lấy ra, trục chính hạ xuống giữ

chặt lấy dao mới

- Ổ chứa dao và trục chính lùi về vị trí

ban đầu (home position)

Thay dao kiểu trên mất nhiều thời gian

hơn (6 đến 15 giây) vì phải trải qua nhiều bước,

trong khi đó đầu rơvônve chỉ cần mất khoảng 5

giây là nó có thể đổi được dao khác

Một số máy của CHLB Đức sử dụng tay kẹp dao (xem hình 2.29) Tay kẹp dao có hai đầu Trong lúc nó vừa lấy dao cũ từ trục chính thì cùng thời điểm nó kẹp lấy dao mới trong ổ chứa, sau đó quay 1800 để lắp dao mới vào trục chính và cất dao cũ vào ổ chứa Kiểu thay dao này ít tốn thời gian hơn vì có hai bước được thực hiện đồng thời

Hình 2.30: Tay kẹp và giữ dao trong mâm chứa dao kiểu carousel (máy phay

Bridgeport)

Hình 2.29: Kiểu thay dao trên các máy

phay CNC CHLB Đức

1 Dao phay 2 Tay kẹp dao

3 Trục chính 4 Băng tải dao (tool magazine)

Hình 2.28: Đầu Rơvônve chứa dao trên máy phay (a) và máy tiện (b) của

hãng EMCO

 2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 31

CHƯƠNG 3:

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CÔNG CỤ CNC

Trong chương này, không đi sâu vào cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển máy công cụ CNC một cách chi tiết, mà chỉ tập trung vào các nguyên lý và các khái niệm cơ bản nhất về cấu thành và sự hoạt động của hệ thống điều khiển máy công cụ CNC

Nói một cách chung nhất, bộ điều khiển máy nhận các mã lệnh chỉ dẫn của người lập trình dưới dạng G-code (sẽ được đề cập sau), sau đó thông dịch và chuyển thành các xung điều hướng dẫn các động cơ chuyển động trong quá trình gia công

1 Cấu thành của hệ thống điều khiển số CNC

MMI chịu trách nhiệm giao tiếp giữa NC và người vận hành máy, thi hành các lệnh của máy, hiển thị thông tin trạng thái của máy và thực hiện các chức năng soạn thảo chương trình gia công

NCK là lõi của hệ thống CNC, nó thông dịch chương trình gia công và tiến hành nội suy, điều khiển vị trí và bù trừ sai số dựa trên chương trình đã được thông dịch Cuối cùng NCK điều khiển các động cơ servo chuyển động để gia công chi tiết

PLC NKC

MMI

 2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 32

Bộ điều khiển PLC điều khiển việc thay dao, tốc độ trục chính, thay chi tiết gia công và nhập hoặc xuất các tín hiệu xử lý Nó đóng vai trò điều khiển các hoạt động của máy (ngoại trừ điều khiển cộng cơ servo)

Hình 3.2 thể hiện kiến trúc của một hệ máy công cụ CNC dưới góc độ cả phần cứng lẫn phần mềm Dưới góc độ phần cứng, máy CNC bao gồm hệ điều khiển CNC, hệ thống các động

cơ dẫn động, và bản thân máy công cụ Tín hiệu điều khiển vị trí, là đầu ra cuối cùng của hệ CNC, được truyền đến bộ điều khiển động cơ (motor drive system), bộ điều khiển động cơ điều khiển các động cơ servo bằng điều khiển vận tốc hoặc momen Cuối cùng, động cơ bắt bàn máy mang chi tiết chuyển động thông qua hệ thống truyền động

Trong hệ thống CNC, mô-đun xử lý các chức năng của MMI, NCK và PLC bao gồm bộ

xử lý trung tâm, hệ thống RAM và ROM để lưu các ứng dụng của người dùng (cho MMI), chương trình gia công (cho NCK) và các chương trình PLC (cho PLC) Mô-đun xử lý kết nối với

hệ giao diện có trang bị các phím nhập dữ liệu, màn hình hiển thị và hệ thống bus Có thể nói, kiến trúc của một hệ CNC tương tự như một máy tính đa nhiệm Hệ CNC cũng có các thiết bị nhập/xuất các tín hiệu tương tự và tín hiệu số nhằm giao tiếp trực tiếp với các thiết bị ngoại vi khác và tạo mối liên kết truyền thông giữa các động cơ và mô-đun nhập/xuất

Theo cách nhìn về mặt phần mềm, hệ thống CNC được thể hiện trên hình 3.2 Theo đó, hệ CNC bao gồm các chức năng MMI hỗ trợ chức năng soạn thảo chương trình, giao diện người dùng và hiển thị các thông tin trạng thái của máy; các chức năng NCK thi hành công việc thông dịch chương trình, nội suy và điều khiển; các chức năng PLC thực hiện các chương trình logic theo cách tuần tự

Hình 3.2 Cấu thành của hệ thống CNC chuẩn

1.1 Chức năng của MMI (giao tiếp giữa người và máy)

MMI thực hiện chức năng tương tác với người vân hành máy Vì thế có rất nhiều loại giao diện người dùng khác nhau tùy vào các nhà sản xuất máy công cụ khác nhau Các chức năng của MMI được chia ra 5 nhóm sau:

 2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 33

1 Các chức năng liên quan đến hoạt động của máy: bao gồm hiển thị trạn thái của máy khi máy

hoạt động ví dụ như khoảng cách đã đi được, tốc độ dịch chuyển dao, tốc độ quay của trục chính, dòng lệnh nào đang được thi hành Ngoài ra nó còn hỗ trợ các chức năng như dịch chuyển bàn máy bằng tay, nhập dữ liệu bằng tay, tìm chương trình, soạn thảo chương trình, quản lý dụng cụ cắt (xem hình 3.3)

Hình 3.3 Ví dụ về màn hình hiển thị MMI và bộ bàn phím nhập dữ liệu của hệ điều khiển

FANUC áp dụng cho máy phay

2 Chức năng thiết lập (set) các tham số: Trong hệ thống CNC, có rất nhiều các tham số

(parameters) và chúng được phân thành 3 loại sau:

- Tham số của máy dùng để thiết lập các chế độ thông thường của máy, hệ đẫn động các động cơ servo và trục chính, hiệu chỉnh dao, hệ tọa độ máy, các điều kiện biên an toàn

- Tham số chương trình: thiết lập trong quá trình soạn thảo chương trình

- Tham số người dùng: để thích nghi với yêu cầu của người sử dụng máy

Ví dụ về màn hình hiển thị các tham số và phương pháp thay đổi các tham số bằng hệ thống bàn phím nhập liệu được minh họa trên hình 3.4 (hệ điều khiển FANUC)

Hình 3.4 Ví dụ về thiết lập tham số (parameters) cho máy thông qua MMI (hệ điều khiển FANUC), đưa con trỏ đến tham số cần sửa, nhập giá trị mới và nhấn phím Input

 2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 34

3 Chức năng soạn thảo chương trình gia công: Chức năng này cho phép nhập và chỉnh sửa

chương trình gia công (gọi là G-code, dựa trên tiêu chuẩn EIA/ISO Electronics Industry Association/International Organization for Standardization) Về mặt thực tế, người sử dụng máy phải biết G/M code (sẽ được làm rõ ở chương 4) Ở một số hệ điều khiển CNC, chức năng lập trình gia công sử dụng chế độ hội thoại giữa người và máy để giúp cho việc soạn thảo chương trình được dễ dàng hơn Ví dụ để soạn thảo chương trình gia công khoan lỗ, người lập trình không cần nhớ chi tiết cú pháp của từng câu lệnh trong chu trình khoan Chương trình hỗ trợ lập trình trong máy sẽ tự động sinh chương trình G-code, người dùng chỉ nhập các thông số cơ bản như vị trí lỗ cần khoan, chiều sâu lỗ v.v…

4 Chức năng giám sát và cảnh báo (Monitoring and alarm functions): Hệ thống CNC luôn luôn

thông báo cho người dùng trạng thái và tình trạng của máy Chức năng này là rất cần thiết khi máy hoạt động ở tốc độ cao Trên máy công cụ CNC thường có các đèn báo về mức độ tải của máy, các chuông hoặc đèn báo lỗi về sự cố, báo cáo trạng thái của PLC v.v…

5 Các dịch vụ và tiện ích khác: Ngoài 4 chức năng thiết yếu bên trên, nhiều chức năng tiện ích

khác rất hữu dụng đối với người vận hành máy Ví dụ chức năng DNC (Direct Numerical Control) có nhiệm vụ truyền chương trình gia công soạn thảo bên ngoài máy CNC xuống máy CNC để tiến hành gia công (sẽ được làm rõ thêm ở cuối chương), hoặc chức năng copy các tham

số trong máy ra bên ngoài và lưu thành file để lưu trữ khi người dùng cần phục hồi các tham số như ban đầu, hoặc chức năng giao tiếp trao đổi dữ liệu giữa máy tính PC và hệ điều khiển CNC

1.2 Chức năng NCK (Numerical Control Kernel)

Nhìn chung, hệ NC thông dịch dữ liệu nhập, lưu giữ nó trong bộ nhớ, gửi lệnh đến hệ thống dẫn động, và kiểm tra các tín hiệu phản hồi về vị trí hoặc tốc độ của hệ thống dẫn động Các khối chức năng của NCK và dòng thông tin trong NCK, được xem là bộ phận thiết yếu của hệ CNC, được thể hiện trên hình 3.5 Chức năng thông dịch, nội suy, điều khiển gia tốc/giảm tốc và điều khiển vị trí l cc chức năng chính của bộ phận NCK

a) Chức năng thông dịch (interpreter): đóng vai trò đọc chương trình gia công (part

program), thông dịch các block lệnh dưới dạng mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange) trong chương trình gia công và lưu giữ chương trình đã được thông dịch đó vào bộ nhớ trong để rồi chuyển sang bộ nội suy (interpolator) Các khối lệnh (blocks) được thực hiện tuần tự, trình thông dịch sẽ đọc và dịch block lệnh kế tiếp khi khối lệnh phía trước đang được thi hành Vì thế, nếu thời gian thông dịch khối lệnh phía sau dài hơn thời gian thực hiện lệnh thì máy phải chờ cho đến khi khối lệnh được thông dịch xong Do vậy việc máy phải tạm dừng là không tránh khỏi Để tránh trường hợp này, người ta dùng bộ đệm (buffer) để lưu trữ tạm thời dữ liệu thông dịch Bộ đệm luôn giữ một lượng số các dữ liệu đã được thông dịch đủ để tránh việc máy phải dừng tạm thời khi có trường hợp thời gian thông dịch lệnh lớn hơn thời gian thi hành lệnh

Hình 3.5 Các khối chức năng của NCK

 2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 35

b) Nội suy (interpolator): đóng vai trò đọc các thông tin đã được thông dịch và lưu trữ trong

bộ nhớ đệm bên trong, tính toán vị trí, tốc độ trên mỗi đơn vị thời gian của các trục của máy, và lưu trữ kết quả này vào một bộ nhớ đệm khác có tên là FIFO (first in, first out) để điều khiển việc gia tốc và giảm tốc Nội suy đường thẳng và nội suy đường tròn là hai kiểu nội suy điển hình trong hệ thống NC Nội suy parapol, nội suy spline và một số nội suy khác chỉ dùng trong một số máy CNC Các phương pháp nội suy sẽ được làm rõ ở mục 6

Bộ nội suy phát một xung (pulse) ứng với dữ liệu đường tùy vào loại đường được nội suy (thẳng, tròn, prarapol hay spline) và gửi xung đó đến bộ đệm FIFO Số lượng của xung được quyết định dựa vào vận tốc Trong một hệ NC, chuyển vị trên mỗi xung quyết định độ chính xác dịch chuyển (không xét sai số cơ khí) Ví dụ nếu một trục nào đó có thể chuyển động 0.002mm/xung thì độ chính xác của hệ thống NC là 0.002 Thêm vào đó, hệ thống NC phải tạo

ra 25000 xung để dịch chuyển chi tiết một đoạn 50 mm và 8333 xung/giây để dịch chuyển với tốc độ 1 mét/phút

c) Nếu điều khiển vị trí thi hành bằng cách sử dụng dữ liệu tạo ra từ bộ nội suy, máy sẽ bị rung về mặt cơ khí do quán tính khi chi tiết bắt đầu chuyển động hoặc dừng Để khắc phục hiện tượng đó, việc điều khiển gia tốc và giảm tốc phải được thực hiện trước khi dữ liệu nội suy được

gửi đến bộ điều khiển vị trí Phương pháp này gọi là gia tốc/giảm tốc sau nội suy Ngược lại cũng tồn tại phương pháp gia tốc/giảm tốc trước nội suy khi việc điều khiển tốc/giảm tốc được

thực hiện trước khi nội suy

1.3 Khối chức năng PLC

Bộ điều khiển logic được dùng để thi hành các điều khiển mang tính tuần tự trong các máy móc và trong công nghiệp Trong quá khứ, điều khiển logic được thực hiện chủ yếu bằng phần cứng bao gồm rơle, bộ đếm, timer và mạch điện Chúng được gọi là bộ điều khiển dựa vào phần cứng Gần đây, hệ thống PLC gồm ít thiết bị điện hơn, chúng bao gồm bộ vi xử lý và bộ nhớ Chúng có khả năng thực hiện các phép logic, đếm, chức năng timer và cả bộ tính toán số học Vì vậy, PLC được gọi là bộ điều khiển logic dựa vào phần mềm (software-based logic controller)

Ưu điểm của PCL bao gồm:

- Linh hoạt: điều khiển logic được thay đổi chỉ cần thông qua thay đổi chương trình (phần mềm)

- Khả năng mở rộng: thực hiện dễ dàng bằng cách thêm các module và sửa lại chương trình

- Hiệu quả kinh tế: giảm được giá thành vì giảm được thời gian thiết kế, độ tin cậy cao, dễ bảo trì

- Tiết kiệm không gian: có kích thước nhỏ gọn so với điều khiển bằng hộp rơle

- Tin cậy: xác xuất hỏng do tiếp điểm kém rất thấp thì PLC sử dụng công nghệ bán dẫn

- Tính năng hoạt động tốt: thực hiện đươc các phép toán học và soạn thảo chương trình Kiến trúc về phần cứng của bộ phận PLC của hệ NC bao gồm bộ vi xử lý, hệ thống bộ nhớ, bộ nhớ chươg trình và các module input/output như trên hình 3.5 Ngay khi nguồn được bật lên, hệ thống bộ nhớ set môi trường phần cứng cho PLC và bộ nhớ chương trình, quản lý input/output, rơ le, timer, lưu giữ các chương trình của người dùng, và các dữ liệu được thông dịch bởi bộ vi xử lý Module input/output giao tiếp với các công tắc hành trình, rơle…

Các module chức năng của được thực hiện trong PLC thể hiện trên hình 3.6 và có thể tóm tắt như sau: Ban đầu, người dùng tạo các chương trình ứng dụng bằng cách dùng một chương trình soạn thảo PLC bên ngoài sau đó nạp vào PLC Ở giai đoạn này, một thiết bị chuyên dụng được dùng để giúp người dùng soạn thảo chương trình gọi là programer hay loader Programer bao gồm trình soạn thảo để soạn chương trình và bộ biên dịch (compiler, lưu ý biên dịch khác với thông dịch) chuyển chương trình PLC thành ngôn ngữ PLC có thể hiểu và thi hành được Lý

do tại sao phải dùng trình biên dịch là vì chương trình được biên dịch thực hiện nhanh và hiệu quả rất nhiều so với chưa biên dịch Chương trình PLC đã được biên dịch được truyền qua CPU module Trạng thái của PLC đang được thi hành trong CPU module được gửi đến chương trình PLC để người dùng giám sát trạng thái hoạt động

 2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 36

Hình 3.6 Kiến trúc và chức năng của hệ thống PLC

Module đọc chương trình soạn thảo bằng Loader và thi hành tuần tự các lệnh lệnh logic được gọi là Executer Đây là bộ phận cốt lõi của PLC Executer lặp một cách tuần tự các bước: đọc input, thực hiện các phép logic của chương trình, gửi kết quả đến output thông qua output module

PLC trong máy CNC cũng tương tự như các PLC thông dụng nhưng chúng có thêm bộ điều khiển bổ trợ dùng để hỗ trợ chức năng của khối NCK Các chức năng cần thiết đó là:

- Mạch giao tiếp với NCK

- Dual-port RAM để hỗ trợ đường truyền tốc độ cao

- Bộ nhớ để trao đổi dữ liệu trong quá trình giao tiếp tốc độ cao với NCK

- Module input tốc độ cao

Trong thực tế, tùy vào quyết định cá nhân của từng nhà sản xuất máy CNC và các nhà sản xuất PLC, nhiều ngôn ngữ PLC được sử dụng Cũng chính vì thế đã xảy ra một số khó khăn trong quá trình bảo trì và hướng dẫn sử dụng Để giải quyết vấn đề này, ngôn ngữ PLC (IEC1131-3) chuẩn được xây dựng và được sử dụng rộng rãi Tiêu chuẩn IEC1131-3 định nghĩa năm loại ngôn ngữ PLC: 1) Structured Text (ST), 2) Function Block Diagram (FBD), 3) Sequential Function Charts (SFC), 4) Ladder Diagram (LD), và 5) Instruction List (IL 1)

2 Phân loại hệ thống điều khiển

Đối với hệ thống điều khiển máy công cụ CNC vấn đề cơ bản quan trọng là làm sao từ các

dữ liệu của chương trình đã lập của người dùng, bộ điều khiển tiến hành xử lý, tính toán và phát lệnh đến các đông cơ dẫn động bàn máy và trục chính thực hiện các dịch chuyển cần thiết để tạo

ra hình dáng hình học của chi tiết cần gia công với độ chính xác nhất định một cách tự động hoàn toàn

Khi vận tốc thực và vị trí thực được các sensor nhận biết và hồi tiếp ngược về mạch điều khiển, động cơ servo dùng trong các máy CNC liên tục được điều khiển sao cho sai số vận tốc hoặc sai số vị trí giữa vị trí cần và vị trí thật là nhỏ nhất Hệ thống hồi tiếp đầy đủ nhất sẽ bao gồm 3 vòng lặp điều khiển độc lập điều khiển các trục của máy (hình 3.7) Vòng ngoài cùng nhất

là vòng hồi tiếp vị trí, vòng giữa là vòng hồi tiếp vận tốc, và vòng trong cùng là vòng lặp về dòng điện Nói chung, vòng lặp điều khiển vị trí được bố trí trong hệ NC, do hệ NC đảm nhận, các vòng lặp khác đặt ngay trong thiết bị dẫn động servo Tuy nhiên cũng không có quy định thống nhất nào về vị trí của các vòng lặp điều khiển Chúng phụ thuộc vào nhà thiết kế máy công

cụ CNC

 2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 37

Hình 3.7 Ba loại vịng lặp điều khiển trong máy CNC

Nếu phân loại dựa theo phương pháp mà hệ điều khiển xác định và kiểm tra vị trí, người ta chia hệ thống điều khiển thành 4 loại sau:

- Điều khiển chu trình hở (open loop)

- Điều khiển theo chu trình nửa kín (semi-closed loop)

- Điều khiển chu trình kín (closed loop)

- Điều khiển hỗn hợp (hybrid loop)

Phần lớn các máy cơng cụ CNC cĩ độ chính xác cao được trang bị bộ điều khiển chu trình đĩng và nĩ kiểm sốt vị trí dịch chuyển dụng cụ cắt chính xác hơn, do đĩ chất lượng gia cơng chi tiết tốt hơn Tuy nhiên điều khiển theo chu trình hở vẫn cịn sử dụng ở các máy CNC cĩ độ chính xác vị trí thấp hoặc các máy cĩ mơmen cản sinh ra trên động cơ đẫn động bàn máy là nhỏ

và giá trị ổn định (ví dụ máy gia cơng tia lửa điện điện cực dây hoặc điện cực định hình) để giảm giá thành chế tạo

a) Hệ thống điều khiển chu trình hở

Ở hệ thống điều khiển chu trình hở, dữ liệu chương trình gia cơng nhập được đưa vào bộ điều khiển MCU (machine control unit) (xem hình 3.8) Nĩ giải mã thơng tin và lưu trữ trong bộ nhớ cho đến khi người vận hành bấm nút bắt đầu chạy chương trình Từng lệnh của chương trình được chuyển đổi sang các xung điện một cách tuần tự và tự động để gửi tới bộ điều khiển, kích hoạt và điều khiển các động cơ servo Lượng dịch chuyển của động cơ hay nĩi cách khác là bàn máy phụ thuộc vào số xung điện (electric pulses) mà động cơ nhận được

Hình 3.8 Hệ thống điều khiển theo chu trình hở

Điều khiển tốc độ trục chính

Điều khiển đ/cơ Servo X

Trục X

Đ/c Servo Đai truyền

Vít me Đ/cơ Servo

Trục Y

 2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 38

Hệ thống này khá đơn giản vì khơng cĩ mạch hồi tiếp (feedback), tuy nhiên khơng cĩ cách nào để kiểm tra xem động cơ servo cĩ dịch chuyển (quay) đúng theo lệnh đã được yêu cầu hay khơng, tức là chúng khơng cĩ mối liên hệ ngược Do vậy hệ thống điều khiển chu trình hở khơng thể áp dụng cho các máy CNC gia cơng cơ cĩ độ chính xác lớn hơn 0,02 mm hoặc cĩ lực cắt trong quá trình gia cơng lớn Đối với loại điều khiển này động cơ servo là các động cơ một chiều kiểu động cơ bước (stepper motor) Độ chính xác gia cơng chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác chuyển động của động cơ bước, vítme và hệ thống truyền động Khi mơmen quay nhỏ và ít thay đổi thì độ chính xác dịch chuyển khá cao, do vậy các máy gia cơng tia lửa điện hiện nay vẫn

sử dụng điều khiển theo chu trình hở

b) Bộ điều khiển chu trình nửa kín

Điều khiển chu trình nửa kín là loại hệ thống điều khiển phổ biến cĩ cấu trúc như hình 3.9 Với loại này, thiết bị kiểm tra vị trí được lắp vào trục của động cơ servo và chúng kiểm tra gĩc quay Độ chính xác cuối cùng (chuyển động của bàn máy) phụ thuộc khá lớn và độ chính xác của trục vitme Vì thế, trục vít me bi cĩ độ chính xác cao được dùng trong hệ truyền động cho bàn máy Khi cần thiết, một số máy hệ NC cịn cho phép bù trừ sai số của bước vít me và khe hở của trục vitme để tăng độ chính xác Bù trừ sai số bước vít me bằng cách hiệu chỉnh chỉ thị đến

hệ dẫn động servo nhằm loại bỏ sai số tích lũy Bù trừ sai số khe hở khi chiều chuyển động đổi dấu, một lượng xung tương ứng với khe hở được gửi đến hệ điều khiển động cơ servo để hiệu chỉnh

Hình 3.9 Điều khiển chu trình nửa kín

c) Điều khiển chu trình kín (closed loop system)

Mặc dù bộ điều khiển chu trình nửa kín cĩ thể thể bù trừ sai số bước vitme và he hở vitme nhưng nĩi chung khĩ đạt được độ chính xác cao khi ảnh hưởng của khe hở sẽ thay đổi theo khối lượng của chi tiết gia cơng Độ mịn của trục vít me cũng khác nhau tại các vị trí khác nhau Khe

hở của vitme cũng thay đổi theo nhiệt độ Thêm vào đĩ, chiều dài của trục vitme cũng bị giới hạn so với các máy cĩ yêu cầu hành trình lớn Khi đĩ cơ cấu bánh răng thanh răng được sử dụng đối với các máy cĩ kích thước lớn Tuy nhiên, độ chính xác của cơ cấu bánh răng thanh răng thường kém Do vậy, điều khiển chu trình kín sử dụng trong trường hợp này sẽ khắc phục được sai số của vitme hoặc bánh răng thanh răng (hình 3.10)

Hình 3.8 Hệ thống điều khiển theo chu trình kín (cĩ hồi tiếp vị trí và tốc độ)

Chỉ thị

vị trí

Bàn máy Động cơ

servo dẫn động

Máy đo tốc độ (tachometer)

Vít me- đai ốc

 2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 39

Trong hệ thống điều khiển chu trình kín, thiết bị giám sát vị trí được lắp trên bàn máy và vị trí thực của bàn máy được hồi tiếp về hệ điều khiển Chu trình kín và chu trình nửa kín khá giống nhau ngoại trừ vị trí của thiết bị giám sát vị trí (gọi là linear scale) được lắp ở bàn máy hay ở trục của động cơ và độ chính xác của thiết vị nhận biết vị trí của hệ điều khiển chu trình kín rất cao Tuy vậy, hiện tượng cộng hưởng trong dao động của khung máy, hiện tượng dính trượt v.v gây nên thiết hụt chuyển động bởi vì bản thân cả thân máy cũng dính liền với đối tượng giám sát (bàn máy) có ảnh hưởng đến đặc tính của hệ servo Hệ điều khiển chu trình kín luôn cố làm giảm sai số giữa vị trí cần đến trong lệch dịch chuyển và vị trí thật Để giảm các sai số do các hiện tượng nói trên gây ra, bộ điều khiển phải nhạy (dập được ảnh hưởng của dao động rung của khung máy) và đôi khi dẫn đến mất ổn định trong điều khiển Vì vậy, nếu tần số cộng hưởng của máy thấp hơn tần số đáp ứng của hệ điều khiển chu trình kín thì hệ điều khiển vị trí trở nên mất ổn định Vì thế người ta cố gắng tăng độ cứng vững của khung máy nhằm tăng tần số dao động cộng hưởng của máy Đồng thời cố gắng giảm hệ số ma sát và loại bỏ các nguyên nhân gây

ra thiếu hụt chuyển động

d) Hệ điều khiển chu trình hỗn hợp

Trong trường hợp khó tăng được độ cứng vững của máy khi khối lượng chi tiết gia công lớn hoặc khó loại bỏ được hiện tượng thiếu hụt chuyển động do hiện tượng dính hoặc trượt chuyển động trong các máy CNC hạng nặng, người ta sử dụng bộ điều khiển chu trình hỗn hợp nhằm bảo đảm độ chính xác vị trí mà không làm mất tính ổn định điều khiển (hình 3.9)

Trong chu trình hỗn hợp, có hai vòng lặp điều khiển: vòng nửa kín giám chuyển động của động cơ, vòng kín sử dụng thước quang để giám sát vị trí của bàn máy Trong vòng lặp nửa kín,

có thể dùng thuật toán điều khiển có độ nhạy cao bởi vì vòng lặp này không bị ảnh hưởng của toàn bộ khung máy Còn trong vòng lặp kín, độ chính xác điều khiển được tăng lên nhờ phương pháp bù trừ sai số mà vòng lặp nửa kín không thực hiện được Vì vòng lặp kín chỉ bù trừ sai số thuộc về vị trí nên hoạt động tốt ở chế độ nhạy thấp hơn Sự kết hợp giữa vòng lặp kín và nửa kín cho phép đảm bảo độ chính xác điều khiển trong mọi trường hợp

Hình 3.9 Bộ điều khiển chu trình hỗn hợp

3 Nguyên lý về điều chỉnh vị trí kiểu chu trình kín của máy công cụ CNC

Mục này giới thiệu vắn tắt nguyên lý chung của điều khiển chu trình kín nói chung (mở rộng ra cho cả 3 loại, nửa kín, kín và hỗn hợp)

Đối với các máy công cụ CNC gia công cắt gọt hiện nay đều phải dùng phương pháp điều khiển vị trí theo kiểu kín chứ không thể dùng mạch hở bởi ta biết rằng mômen cản trên các trục vít me sẽ thay đổi liên tục và có giá trị rất lớn để chống lại lực cản cắt kim loại Thậm chí trên cùng một đường chuyển dao, lực cắt cũng thay đổi do độ cứng vật gia công thay đổi cũng như chiều dày cắt thay đổi Lực cản thay đổi làm cho tốc độ động cơ dẫn động thay đổi và do vậy với cùng một xung điện do MCU phát ra thì bàn máy không thể luôn luôn dịch chuyển được những khoảng cách luôn bằng nhau Ví dụ để dịch chuyển từ điểm A đến điểm B thì bộ điều khiển đông cơ servo phát ra một số lượng X xung điều khiển nào đó trong điều kiện chuẩn không đổi Tuy nhiên khi điều khiển cắt thay đổi, nếu bộ điều khiển động cơ servo phát ra X xung điện thì