Nghiên cứu công nghệ CNC và lập trình gia công một số chi tiết trên trung tâm gia công CNC

Nghiên cứu công nghệ CNC và lập trình gia công một số chi tiết trên trung tâm gia công CNC Nghiên cứu công nghệ CNC và lập trình gia công một số chi tiết trên trung tâm gia công CNC Nghiên cứu công nghệ CNC và lập trình gia công một số chi tiết trên trung tâm gia công CNC luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN HÙNG TÂM

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CNC VÀ LẬP TRÌNH GIA CÔNG MỘT SỐ CHI TIẾT TRÊN

TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC

CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

MÃ SỐ ĐỀ TÀI: CTM15B-06

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN HÙNG TÂM

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CNC VÀ LẬP TRÌNH GIA CÔNG MỘT SỐ CHI TIẾT TRÊN

TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

MÃ SỐ ĐỀ TÀI: CTM15B-06

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

GS.TS TRẦN VĂN ĐỊCH

HÀ NỘI - 2017

MỞ ĐẦU

Với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học – công nghệ, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển số và tin học, đã cho phép các nhà chế tạo máy nói chung chế tạo máy công cụ nói riêng, thiết kế các hệ thống điều khiển ngày càng tin cậy hơn Máy điều khiển số CNC (Computer Numerical Control) đóng vai trò quan trọng trong sản xuất linh hoạt, sử dụng máy điều khiển số CNC cho phép giảm khối lương, thời gian gia công chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công và đạt hiểu quả kinh tế đồng thời rút ngắn chu kỳ sản xuất

Chính vì vậy, ngành cơ khí chế tạo phát triển rất mạnh trên thế giới cũng như trong nước ta hiện nay, đầu tư các dây chuyền tự động, các trung tâm CNC

là một vấn đề thiết yếu cho sử phát triển của nước ta Tài chính không còn là vấn

đề lớn nhất đối với các doanh nghiệp khi đầu tư vào máy công cụ điều khiển theo chương trình số Nhưng để vận hành, khai thác sử dụng hiệu quả các máy công cụ CNC trong gia công một số chi tiết có bề mặt phức tạplà vấn đề cấp thiết

mà nhiều doanh nghiệp mong muốn các nhà khoa học tham gia giải quyết

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

"Nghiên cứu công nghệ CNC và lập trình gia công một số chi tiết trên trung tâm gia công CNC" với mục tiêu đặt ra là nghiên cứu công nghệ máy CNC,

phương pháp lập trình và thực hiên cắt thử chi tiết có bề mặt phức tạp trên máy phay CNC Tác giả đi sâu giải quyết các vấn đề chính sau:

Chương 1 Tổng quan về điều khiển số và công nghệ CNC

Chương 2 Giới thiệu trung tâm gia công

Chương 3 Phương pháp lập trình trên máy phay CNC

Chương 4 Lập trình gia công bề mặt phức tạp trên máy phay CNC

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

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ CÔNG NGHỆ CNC 1.1 Bản chất của điều khiển số

Khi gia công trên các máy công cụ, thì chi tiết và các dụng cụ cắt thực hiện các chuyển động tương đối với nhau Những chuyển động (hay dịch chuyển) tương đối được lặp lại nhiều lần khi gia công mỗi chi tiết được gọi là chu kỳ gia công Để có một chu kỳ gia công ta phải xác định một đại lượng và một thứ tự của hành trình Phần "thứ tự" được gọi là phần điều khiển Thật vậy, chương trình làm việc của bất kỳ một máy tự động nào cũng cần có hai loại thông tin: Về kích thước (xác định hành trình của chu kỳ), về điều khiển (xác định thứ tự của hành trình theo thời gian)

Người ta chia các hệ thống điều khiển máy công cụ ra hai loại:

- Điều khiển không theo số (hay còn gọi là điều khiển truyền thống, điều khiển liên tục);

- Điều khiển số

1.1.1 Điều khiển không theo số

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

* Hệ thống điều khiển theo cam (Hình 1.1)

Theo hệ thống này thì quãng

* Hệ thống điều khiển theo quãng đường (Hình 1.2)

Hình 1.1 Điều khiển theo cam

Hình 1.2 Điều khiển theo quãng đường

Ở đây, đại lượng hành trình của cơ cấu chấp hành được giới hạn bởi hai bộ chuyển hành trình KBB và KBH: KBB giới hạn di chuyển của cơ cấu chấp hành

về bên trái hay về phía trước; KBH giới hạn di chuyển cơ cấu chấp hành về bên phải hay phía sau Đại lượng hành trình L được xác định như sau:

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

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

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

b - Khoảng cách giữa hai bộ chuyển hành trình

* Hệ thống điều khiển thời gian ( Hình 1.3)

Trong hệ thống điều khiển này, cơ cấu

chấp hành được điều khiển bằng bộ điều

khiển Bộ điều khiển ở đây là một chi tiết

hình tang trống mà trên nó có một số đường

rãnh nhất định Trên các đường rãnh này có

gá các cam Các cam này được lắp với các cữ

hành trình (bộ chuyển hành trình) Cữ hành

trình điều khiển mỗi chu kỳ gia công theo các

lệnh điều khiển "dịch chuyển về bên trái"

(theo cữ KBB) hoặc điều khiển "dịch chuyển

về bên phải" (theo cữ KBH)

Theo hình 1.3, chiều dài hành trình được xác định theo công thức:

Ở đây: T - thời gian quay một vòng của bộ điều khiển (ph);

- góc gá cam (0

);

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

* Hệ thống điều khiển theo chu kỳ ( Hình 1.4)

Hệ thống điều khiển này là tổng hợp

của hai hệ thống điều khiển theo quãng

đường và thời gian Đại lượng hành trình

được xác định bằng các cữ hành trình

trong hệ thống điều khiển theo quãng

đường hoặc bởi bộ điều khiển trong hệ

thống điều khiển thời gian Trên hình 1.4

ta thấy, khi bộ điều khiển tác động vào rơ

le "tiến" thì cơ cấu chấp hành dịch chuyển

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

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

1.1.2 Điều khiển số

Điều khiển số là hệ thống điều khiển mà mỗi hành trình được điều khiển theo số Mỗi thông tin đơn vị ứng với một dịch chuyển gián đoạn của cơ cấu chấp hành Đại lượng này có tên gọi là "khả năng giải quyết" của hệ thống hay là giá trị xung Cơ cấu chấp hành có thể dịch chuyển với một đại lượng bất kỳ nào ứng với giá trị xung Như vậy, khi biết giá trị xung q và đại lượng dịch chuyển L của cơ cấu chấp hành, ta có thể xác định số lượng xung N cần thiết tác động để

trên băng đục lỗ hoặc băng từ Số lượng thông tin được ghi trong một hệ thống

mã hoá nhất định

1.1.3 Mã hoá thông tin

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

* Chữ cái

Chữ cái của mã số là tập hợp các ký hiệu được dùng khi mã hoá Các phần

tử mới hiện nay của tự động hoá chỉ có hai trạng thái ổn định: Công tắc kín hoặc công tắc hở, trong mạng của băng đục lỗ có thể có hoặc không có lỗ Một trạng thái ứng với ký hiệu 1 (cấp dòng năng lượng chẳng hạn), còn trạng thái khác ứng với ký hiệu 0 (ngắt dòng năng lượng chẳng hạn) Vì vậy chữ cái của mã số chỉ chứa hai ký hiệu {0,1}

* Mã thập phân

Cơ sở của hệ thập phân (mã thập phân) là số 10 Hệ thống này có 10 ký tự: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 Người ta chọn hệ thập phân để tính là xuất phát từ lịch sử tính toán bằng 10 ngón tay

Theo hệ thập phân thì số 3807,45 được viết như sau: 3.103 + 8.102 + 0.101 + 7.100 + 4.10-1 + 5.10-2 Ta thấy, ví trị đầu tiên bên trái dấu phẩy ứng với số

mũ 0 đi vè bên trái của dấu phẩy, các số mũ luỹ thừa tăng dần (2,3) Đi về bên phải của dấu phẩy số mũ lũy thừa giảm dần: - 1, -2, -3 Ví dụ, trong trường hợp phân tích số 3807,45 thì số mũ luỹ thừa giảm như sau: -1, -2 (bằng các chữ số đứng đằng sau dấu phẩy) Mã số thập phân tuy chứa được nhiều dung lượng nhưng lại rất phức tạp khi tính toán

4 1111 8 11111111

Hệ thống mã số đơn vị có ưu điểm là đơn giản, dễ sử dụng Nó được sử dụng để ghi số lượng các xung trên băng từ Tuy nhiên, mã số đơn vị có nhược điểm là cồng kềnh, phức tạp Ví dụ để biểu diễn số trong hệ thập phân 358610 bằng mã số đơn vị thì phải cần tới 3586 ký hiệu 111 111 111

1010112 = 1.25 + 0.24 + 1.23 + 0.22 + 1.21 + 1.20 = 43

1.1.4 Máy công cụ điều khiển theo chương trình NC

Là máy công cụ được điều khiển theo chương trình viết bằng chữ mã ký tự

số Chữ cái và các kí tự chuyên dụng khác trong đó hệ thống điều khiển có cài đặt các bộ vi xử lý MP (Micro processor) làm việc với các chu kỳ thời gian từ 1 đến 20 và có bộ nhớ tổi thiểu 4KByte, đảm nhiệm các chức năng cơ bản của chương trình điều khiển số như: Tính toán toạ độ trên các trục điều khiển theo thời gian thực giám sát các trạng thái của máy, tính toán các giá trị chỉnh lý dao

cụ, tính toán nội suy trong điều khiển quỹ đạo biên dạng, thực hiện so sánh các cặp giá trị cần và giá trị thực (Hình 1.5) là sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy gia công CNC

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

* Hệ thống điều khiển NC

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

+ Đưa dữ liệu vào hệ thống

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

+ Xử lý dữ liệu và đưa dữ liệu ra

Các thông tin đưa vào hệ thống điều khiển được mã hoá và tách thành thông tin hình học và thông tin công nghệ (hình 1.6) Các thông tin hình học dịch chuyển dụng cụ Các thông tin công nghệ điều khiển các chức năng vận hành máy

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

Mỗi một bàn trượt của máy có trang bị một hệ thống dò dịch chuyển để xác định vị trí của bàn trượt và báo cho thiết bị so sánh giá trị thực với giá trị đã cho trong bộ so sánh của hệ thống điều khiển, sai lệch này sẽ được biến đổi thành các tác động điều khiển cụm chạy dao Khi sai lệch điều khiển bằng 0 tức là đã đạt được vị trí đã cho, động cơ chạy dao sẽ dừng Chu trình điều khiển tốc độ cũng dựa trên cơ sở của chu trình điều khiển vị trí Số vòng quay thực được xác định nhờ máy phát đo tốc độ lắp trong động cơ chạy dao

+ Bộ thích nghi

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

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

* Hệ thống điều khiển CNC

Điều khiển NC có nhược điểm là kém linh hoạt, tốn thời gian trong việc thay đổi chương trình vì phải sửa lại các băng đục lỗ Ngày nay hệ thống điều khiển NC được thay thế rộng rãi bằng các hệ thống điều khiển CNC là có sự can thiệp của máy tính Trong các hệ thống điều khiển này có một chương trình hệ

thống CNC do nhà chế tạo cài đặt trong máy tính Thông qua các phần mềm riêng lẻ, ví dụ: chương trình giải mã và hệ điều hành chương trình mà các chức năng CNC riêng lẻ được thực hiện

+ Đưa dữ liệu vào hệ thống

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

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

Hình 1.7 Các dòng thông tin trong điều khiển CNC

Chương trình gia công được đưa vào có thể gọi ra bất cứ lúc nào từ bộ phận lưu trữ chương trình gia công Việc sửa chữa, thay đổi và tối ưu một chưng trình

có thể tiến hành bất kỳ lúc nào ngay tại máy

Việc kiểm tra tính toán nhận biết mã và tách ra thành các dự liệu hình học,

dữ liệu công nghệ là do chương trình điều hành đối với bộ phận lưu giữ chương trình sẽ điều khiển bộ chỉ dẫn các câu lệnh, chỉ dẫn các câu lệnh, chỉ dẫn các chương trình con và nội dung các chương trình gia công đang có trong bộ lưu giữ chương trình

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

+ Bộ thích nghi

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

bộ điều khiển chương trình lưu trữ, bộ điều khiển chương trình đã được lưu trữ

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

và máy

+ Sơ đồ hệ điều khiển CNC

Các hệ điều khiển CNC hiện nay được cấu tạo để khi mở rộng hệ điều khiển có thể bổ sung thêm cho các chức năng đã có các mô đun mở rộng Vì vậy các hệ điều khiển được thiết kế thích hợp cho việc lắp vào phần mềm hoặc sử dụng các linh kiện điện tử hiện đại thích hợp Trong các hệ điều khiển nhiều bộ

Hình 1.8 Phương án nhiều bộ vi xử lý

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

Hình 1.9 Hệ thống DNC

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

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

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

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

- Điều khiển và lập kế hoạch gia công;

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

* Điều khiển thích nghi AC (Adaptive Control)

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

có tác động của người vận hành máy Nhằm tự động thay đổi các thông số gia công theo ảnh hưởng không thể dự kiến trước trong quá trình gia công Ví dụ: Kích thước phôi thay đổi khi điều khiển thích nghi sẽ thay đổi tốc độ chạy dao

cho phù hợp Tuỳ theo mục tiêu sử dụng người ta phân chia các hệ thống điều khiển thích nghi thành:

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

- Điều khiển thích nghi tối ưu ACO (Adaptive Control Optimation)

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

ACO dùng cho việc tối ưu hoá các quá trình gia công nhằm giảm thời gian gia công hoặc giảm giá thành gia công có chú ý đến nhiều yếu tố ảnh hưởng ngược nhau (công suất cắt cao sẽ làm giảm tuổi bền của dụng cụ cắt) Hiện nay các hệ thống ACO ứng dụng nhiều trong gia công bằng mài và gia công bằng tia lửa điện Hệ thống điều khiển thích nghi được ứng dụng rộng rãi cho các chức năng bổ sung thêm của các hệ điều khiển CNC như tự động theo dõi dụng cụ cắt

và đo chi tiết trong quá trình gia công

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

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

Các hệ thống gia công linh hoạt có khả năng gia công các chi tiết khác nhau trong cùng một họ chi tiết với số lượng chi tiết và thứ tự gia công tuỳ ý Giá thành chế tạo chi tiết kể cả trong điều kiện gia công loạt nhỏ vẫn đạt hiệu quả kinh tế

Tuỳ theo tính linh hoạt và năng suất, người ta phân loại các hệ thống gia công linh hoạt thành:

- Các tế bào gia công linh hoạt;

- Các cụm gia công linh hoạt;

- Các dây chuyền gia công linh hoạt

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

- Một hay nhiều cụm gia công;

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

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

Hạt nhân của tế bào gia công là máy CNC, một trung tâm gia công có trang

bị ổ chứa dụng cụ, các trang bị thay đổi gá lắp Hệ thống thay đổi dụng cụ và chi tiết tạo thành một hệ thống gia công linh hoạt làm việc tự động đòi hỏi các thiết

bị giám sát và đo lường tự động như: đo kích thước dụng cụ ở trên máy; theo dõi

tự động tuổi bền của dao; đo chi tiết

1.2 Lịch sử phát triển của các máy CNC (Hình 1.10)

Ý tưởng điều khiển một dụng cụ thông qua chuỗi lệnh kế tiếp liên tục, mà chúng được ứng dụng trong các máy điều khiển CNC ngày nay đã được phát triển từ thế kỷ thứ 14 Bắt đầu từ những cụm chuông được điều khiển bởi các trục đục lỗ

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

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

1938 Claude E Shanon đã thành công việc tính toán và chuyển nhanh dữ liệu ở dạng nhị phân có vận dụng lý thuyết đại số BOOL và xác nhận công tắc điện tử là thành phần hiện thực duy nhất cho giải pháp này

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

dữ liệu điện tử đã được tạo lập

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

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

- Bìa đục lỗ được đọc tự đồng trên máy;

- Các vị trí đã được đọc phải được thông báo liên tục và các giá trị trung gian bổ sung phải được tính toán cho các giá trị trung gian nội sao cho động cơ Servo (vô tốc độ) có thể điều khiển chuyển động của các trục

Với một máy như vậy cần phải chế tạo được các phần tử thích hợp ngày càng phức tạp hơn Những chi tiết đó vào thời kỳ này đã được miêu tả chính xác với một số ít các dữ liệu toán học Nhưng việc chế tạo chúng bằng tay rất khó khăn

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

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

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

1958 ngôn ngữ lập trình biểu tượng hoá (Symbolish) đầu tiên là công cụ lập trình tự động APT (Automatically Programmed Tool) đã được giới thiệu trong quan hệ liên kết với máy tính IBM 704

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

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

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

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

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

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

1978 các hệ thống gia công linh hoạt FMS

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

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

1984 hệ điều khiển CNC mạnh, có các công cụ trợ giúp lập trình độ hoạ, đã đạt những chuẩn mực mới cao hơn đối với việc lập trình tại xưởng sản xuất 1985/1986 hệ điều khiển CNC với các lập trình tương tác đồ hoạ (Graphicinteeractive progamming) tiến thêm một bước phát triển "lập trình tại phân xưởng"

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

1990 Các giao điện số (Digital intefaces) giữa các hệ điều khiển NC và các

hệ khởi động, cải thiện độ chính xác và đáp ứng điều kiện của các trục NC và trục chính của máy

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

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

Hình 1.10 Lịch sử phát triển của CNC

1994 Kép khín chuỗi quá trình CAD/CAM/CNC bằng cách sử dụng hệ NURBS (Not Uniforme Rationale B - Splines) làm phương pháp nội suy (interpolation method) trong các hệ CNC NURBS là phương pháp dùng để diễn

tả toán học đối với các bề mặt thông thường và các bề mặt đặc biệt bằng các điểm và các thông số (parameters) tạo thành mô hình lưới gồm nhiều nút để diễn

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

1.3 Hướng phát triển của máy CNC trên thế giới và Việt Nam

So với các máy tự động điều kiển theo chương trình cứng (dùng cam, dưỡng cữ chặn, trục gài bi, công tắc hành trình ) Máy CNC có tính linh hoạt cao trong công việc lập trình, đặc biệt có trợ giúp của máy tính, tiết kiệm được thời gian điều chỉnh máy, tính kinh tế cao ngay cả với loạt sản phẩm nhỏ

Ưu điểm chỉ có trong máy CNC là phương thức làm việc với hệ thống xử lý thông tin "điện tử - số hóa" cho phép nối ghép với hệ thống xử lý số trong phạm

vi quản lý toàn xí nghiệp, tạo điều kiện tự động hóa toàn bộ quá trình sau sản xuất Ứng dụng các kỹ thuật quản lý hiện đại thông qua mạng liên thông cục bộ LAN (Location Area Network) hay mạng liên thông toàn cầu WAN (World area Network)

Cùng với sự phát triển của ngành điện tử, công nghệ tông tin các chức năng tính toán trong hệ thống CNC ngày càng hoàn thiện và đạt tốc độ xử lý cao nhờ ứng dụng những thành tựu phát triển của vi xử lý Các hệ thống CNC được chế tạo hàng loạt lớn theo phương thức xử lý đa chức năng dùng cho nhiều mục đích điều khiển khác nhau Vật mang tin từ băng đục lỗ, băng từ, đĩa từ, tiến tới đĩa Compact (CD) có dung lượng nhớ lớn, độ tin cậy ngày càng cao Việc cài đặt các cụm vi sử lý trực tiếp vào hệ NC để trở thành CNC đã tạo điều kiện ứng dụng máy công cụ CNC ngay cả trong xí nghiệp nhỏ, không có phòng lập trình riêng, người điều khiển máy có thể lập trình trực tiếp trên máy Dữ liệu nạp vào, với dung lượng nhớ lớn, độ tin cậy ngày càng cao Việc cài đặt các cụm vi sử lý trực tiếp NC để trở thành hệ CNC đã tạo điều kiện ứng dụng máy công cụ CNC

có thể lập trình trực tiếp trên máy Dữ liệu nạp vào, nội dung lưu trữ, thông báo

về tình trạng hoạt động của máy cùng các chỉ dẫn cần thiết khác cho người điều khiển đều được hiển thị trên màn hình Màn hình ban đầu là đen trắng nay đã dùng màn hình màu đồ hoạ (mô phỏng tĩnh hay động), biên dạng của chi tiết gia công, chuyển động của dao cụ đều được hiển thị

1.3.1 Từ các máy CNC tới FMS

Do có tính linh hoạt cao, trên máy CNC có thể thực hiện nhiều chức năng công nghệ khác nhau và việc chuyển đổi giữa các chức năng dễ dàng Trên một máy có thể thực hiện được nhiều loại sản phẩm khác nhau Máy CNC có khả năng tập trung nguyên công cao để gia công các chi tiết phức tạp Nhờ tính linh hoạt cao máy CNC được sử dụng phổ biến trên các dây chuyền Trong các tế bào sản xuất tự động

Để nâng năng suất của máy CNC, vào những năm 1970 - 1980 người ta nhóm các máy này thành các hệ thống sản xuất linh hoạt, có năng suất gần bằng năng suất của dây chuyền tự động sản xuất lớn và loại trừ được nhược điểm của dây chuyền tự động là chế tạo một chủng loại sản phẩm Trên cơ sở của các hệ thống tự động hoá đó người ta đã xây dựng công nghệ điều chỉnh linh hoạt Với công nghệ này thì bất kì chi tiết nào (trong phạm vi đặc tính kỹ thuật của máy) cũng có thể được đưa vào hệ thống FMS theo bất kỳ tuần tự nào và được gia công với bất kỳ sản lượng nào

Khi làm việc trên máy CNC người công nhân thực hiện chức năng cấp phôi cho máy, tháo chi tiết sau khi gia công, thay đồ gá, mở máy, kiểm tra chi tiết và quan sát chung hoạt động của máy Nếu các chức năng đó được tự động hoá thì

tỷ lệ thời gian máy tăng lên, do đó tăng được năng suất của thiết bị

Hệ thống FMS dùng để chế tạo nhiều chủng loại chi tiết với sản lượng nhỏ

và vừa FMS gồm các máy CNC để gia công tự động, hệ thống cấp và tháo phôi,

hệ thống vận chuyển phôi, các máy tính, hệ thống cung cấp chương trình để điều khiển toàn bộ công việc

Điều chỉnh linh hoạt trên các máy CNC được thực hiện theo các hướng sau:

1 Trang bị ổ tích dụng cụ cho máy (magazin dụng cụ);

2 Trang bị cho máy cơ cấu vệ tinh thay đổi;

3 Chế tạo máy nhiều trục chính;

4 Gia công đồng thời bằng nhiều dao;

5 Điều khiển các máy CNC bằng máy tính;

6 Tập hợp các máy CNC thành từng nhóm và điều khiển chúng bằng máy tính;

7 Tập hợp các máy CNC thành hệ thống FMS

* Trang bị ổ tích dụng cụ cho máy

Ổ tích dụng cụ (Tools magazin) với cơ cấu thay dao tự động cho phép gia công nhiều bề mặt của chi tiết trong một hoặc một số lần gá, do đó giảm được thời gian gia công Những magazin dụng cụ đầu tiên đã được sử dụng trong các máy nhiều nguyên công Khi số lượng dụng cụ 30 thì các magazin dụng cụ được chế tạo dưới dạng tang trống, số lượng dụng cụ 30 magazin dụng cụ được chế tạo dưới dạng bằng xích Hiện nay các ma gazin dụng cụ được sử dụng hầu hết trong các loại máy công cụ và số lượng dụng cụ trong magazin dụng cụ tang trống chứa 80 dụng cụ Hãng Sandstrand (Hoa Kỳ) đã chế tạo máy nhiều nguyên công với số lượng dụng cụ trong magazin dụng cụ là 215 Máy nhiều nguyên công của Nga có magazin chứa 80 dụng cụ

Khi tăng dung lượng của magazin dụng cụ thì kết cấu của máy cồng kềnh hơn, giá thành của máy tăng, giảm được độ dịch chuyển của các xích chuyển động, tăng thời gian chọn dao cần thay thế Như vậy, magazin dụng cụ giảm được chức năng của con người và nó là một bước phát triển trong công nghệ sản xuất linh hoạt

* Trang bị cho các máy cơ cấu vệ tinh thay đổi

Cơ cấu vệ tinh thay đổi là cơ cấu cấp phôi tự động và đẩy chi tiết gia công đến vị trí xác định Cơ cấu vệ tinh cho phép làm trùng thời gian phụ (thời gian tháo và thời gian gá đặt phôi trong đồ gá) với thời gian máy khi gia công Cơ cấu

vệ tinh có kết cấu tiêu chuẩn để có thể gá và kẹp chặt trên bàn máy Một số cơ cấu vệ tinh được gá trên máy nhiều nguyên công

Phôi được gá trên đồ gá, đồ gá được lắp trên cơ cấu vệ tinh và cơ cấu vệ tinh này được đặt ở vị trí xác định Cơ cấu vệ tinh khác được lắp cũng có đồ gá với chi tiết gia công Các cơ cấu vệ tinh đổi chỗ cho nhau (theo lệnh điều khiển) nhờ cơ cấu thay đổi các vệ tinh

Sơ đồ cơ cấu vệ tinh thay đổi tăng theo mức độ hiện đại của máy nhiều nguyên công Sử dụng Magazin với các cơ cấu vệ tinh cho phép thực hiện công

nghệ điều chỉnh linh hoạt Tuy nhiên, sử dụng magazin với cơ cấu vệ tinh có một

số nhược điểm như: khi gia công các chi tiết giống nhau cần phải có số đồ gá bằng số cơ cấu vệ tinh, điều kiện này làm tăng chi phí và không đảm bảo độ chính xác cao của các chi tiết được gia công các máy với Magazin vệ tinh chiếm diện tích sản xuất lớn hơn so với máy thông thường khác

Thực tế cho thấy số lượng cơ cấu vệ tinh thay đổi của máy từ 2 - 3 là kinh

tế nhất Vì nó cho phép mở rộng khả năng phục vụ nhiều máy và khả năng lắp máy với hệ thống di chuyển cơ cấu vệ tinh từ ổ chứa tới vị trị yêu cầu Như vậy

có thể giải quyết được nhiều vấn đề công nghệ điều chính linh hoạt và máy có khả năng làm việc liên tục

* Chế tạo máy nhiều trục chính

Máy nhiều trục chính thường là các máy phay chuyên dùng, được sử dụng

để gia công đồng thời nhiều chi tiết giống nhau hoặc gia công đồng thời nhiều bề mặt của một chi tiết bằng nhiều dao với năng suất gia công cao

Do nhiều trục chính nên lực tác động tới các cơ cấu của máy cũng tăng lên

Vì vậy, máy phải có độ cứng vững đảm bảo, nghĩa là phải tăng kích thước của các cơ cấu máy và khối lượng của vật liệu để chế tạo các cơ cấu đó Đồng thời với số trục chính tăng lên thì thời gian chuẩn bị - kết thúc cho một trục chính cũng tăng lên (do không thể chuẩn bị công việc cùng lúc cho tất cả các trục chính) Cho nên mà các máy thường chỉ được trang bị 2 - 4 trục chính trong điều kiện gia công nhẹ và trung bình

* Gia công đồng thời bằng nhiều dao (Hình 1.11)

Chi tiết trong cùng một thời gian được gia công bằng nhiều dao khác nhau Hình 1.11 là máy CNC điều chỉnh nhiều nguyên công với nhiều trục chính thay đổi Trên rãnh chữ T của thân máy có bàn 2 Trên bàn 2 còn có thân hình vòm 3 với magazin gồm các ụ trục chính thay đổi 5 Các ụ trục chính được chuyển từ magazin tới ụ 4 và ngược lại nhờ cánh tay quả lắc 6 và bộ định vị tự động Robot

7 Trên phần ngang của thân 1 có bàn 10 và trên phần trượt của bàn 10 có bàn phân độ 9 Trên bàn phân độ 9 có lắp các đồ gá với chi tiết gia công

Hình 1.11 Máy CNC điều chỉnh nhiều nguyên công với ụ trục chính thay đổi

Quá trình gia công được thực hiện nhờ di chuyển theo phương ngang của ụ

4 với trục chính 8 Gá đặt phôi theo toạ độ được thực hiện nhờ dịch chuyển của bàn 10 còn gá đặt phôi theo mặt phẳng gia công được thực hiện bằng cách xoay bàn phân độ 9 đi một góc Điều chỉnh máy được thực hiện bằng cách thay đổi các ụ chính với các dụng cụ và các phiếu dẫn đồ gá với chi tiết gia công Quá trình gia công được thực hiện nhờ di chuyển theo phương ngang của ụ 4 với trục chính 8 Gá đặt phôi theo toạ độ được thực hiện nhờ dịch chuyển của bàn 10 còn

gá đặt phôi theo mặt phẳng gia công được thực hiện bằng cách xoay bàn phân độ

9 đi một góc Điều chỉnh máy được thực hiện bằng cách thay đổi các ụ chính với các dụng cụ và các phiến dẫn, đồ gá vệ tinh và phân tử mang chương trình

Do tất cả các dụng cụ của ụ trục chính được di chuyển theo một chương trình

và máy có khả năng chuyên môn hoá hẹp cùng với nhiều công việc điều chỉnh chưa được tự động hoá, cho nên máy này dùng để gia công các chi tiết loạt vừa

và loạt lớn

Các máy tổ hợp CNC cho phép tăng hệ số tải trọng lên tới 0.8 - 0.9 và tăng hiệu quả lên tới 5 - 6 lần so với các máy tổ hợp truyền thống khác Hiệu quả cao khi

sử dụng máy tổ hợp CNC là nhờ gia công bằng nhiều dao và mỗi dao thực hiện gia công theo chương trình riêng, còn dịch chuyển của các trục chính và bàn quay được điều khiển chung bằng một cơ cấu điều khiển số Hiệu quả cao khi sử dụng các máy tổ hợp CNC được xác định bằng các thông số công nghệ và nó không dùng cho mọi trường hợp Như vậy, gia công đồng thời bằng nhiều dao cho phép nâng cao năng suất của máy và cho phép thực hiện điều chỉnh linh hoạt

* Điều khiển máy CNC bằng máy tính

Điều khiển máy CNC bằng máy tính cho phép thực hiện công nghệ điều chỉnh linh hoạt (nhờ nối kết với máy tính, khả năng điều khiển thích nghi và điều khiển di chuyển của các vệ tinh thay đổi) giảm kích thước của máy, nâng cao

được năng suất và chất lượng gia

* Tập hợp các máy CNC thành nhóm và điều khiển chúng bằng máy tính

Điều khiển máy nhóm máy CNC bằng máy tính cho phép hiệu chỉnh chương trình trực tiếp trên máy và điều chỉnh công việc của các máy

Hiệu quả kinh tế, kỹ thuật của điều khiển nhóm máy này bằng máy tính được thể hiện qua những ưu điểm sau:

Hệ thống FMS bao gồm hệ thống vận chuyển tự động và điều khiển trung tâm bằng máy tính, nhằm tự động hoá các nguyên công chính, nguyên công phụ trong sản xuất hàng loạt nhỏ và loạt vừa Hình 1.13 là dây chuyền tự động điều chỉnh được dùng để gia công các chi tiết dạng hộp Dây chuyền này bao gồm các máy CNC với các ụ trục chính 1, các cánh tay tự động 3 và các cơ cấu vận chuyển - tích trữ 2

Điều chỉnh dây chuyển được thực hiện bằng điều chỉnh các máy CNC thay thế các đồ gá, thay thế các cánh tay tự động, các phần tử mang chương trình trong cơ cấu điều khiển số

+ Hệ thống FMS với kho chứa phôi và dụng cụ (hình 1.13)

Hệ thống FMS với kho chứa phôi và dụng cụ được dùng để gia công các chi tiết dạng hộp Hệ thống này gồm 6 máy, máy số 3 có 3.5 toạ độ với các hành trình lớn nhất theo các toạ độ x, y, z là 900, 700 và 650 mm Giới hạn lượng chạy dao theo các toạ độ là 2 - 500m/phút và toạ độ dịch chuyển nhanh là 10m/phút Bàn quay của máy có 72 vị trí được khắc dấu và thiết kế cho các cơ cấu vệ tinh có kích thước bề mặt làm việc là 800 x 800 mm Truyền động chính

có công suất 12KW, số vòng quay trục chính từ 12.5 - 1600V/phút Dung lượng của một magazin dụng cụ là 36, khi gia công chi tiết, sai số khoảng cách tâm của

lỗ nằm trong khoảng 0,03mm trên 500mm chiều dài Các máy được trang bị các

cơ cấu cấp phôi tự động (4) các cơ cấu này được gá trên các đồ gá vệ tinh dạng tấm

Ngoài nhóm máy CNC trong hệ thống FMS trên hình 1.13 còn có: bộ phận kiểm tra phôi và lấy dấu (1) Máy chuẩn bị phôi (2), bộ phận kiểm tra lần cuối bằng máy kiểm tra (7)

Công đoạn chuẩn bị sản xuất trong hệ thống có: bộ phận lưu giữ các cơ cấu

vệ tinh dạng tấm; Các chi tiết của đồ gá điều chỉnh, lắp ráp - vạn năng; Bộ phận lắp ráp và lưu giữ đồ gá, bộ phận lắp ráp và điều chỉnh dụng cụ, có thể lắp ráp thành nhiều đồ gá cùng lúc cho tất cả các máy của hệ thống

Điều chỉnh kích thước của dụng cụ được thực hiện bằng các thiết bị quang học Dọc theo dây chuyền của các máy có kho chứa phôi và chi tiết (6) Phôi và chi tiết được chuyển tới bằng máy cần trục tự động (5)

Hệ thống điều khiển FMS trên hình 1.13 được thực hiện ở hai mức cao và thấp ở mức cao cho phép lập trình, kiểm tra, hiểu chỉnh và lữu giữ chương trình,

lập tài liệu công nghệ, lập kế hoạch và tiến trình sản xuất, điều khiển tính cơ động của các máy CNC, điều khiển các cơ cấu vận chuyển và cấp phôi Phía đối diện kho chứa phôi và chi tiết (6), các máy vạn năng được lắp đặt để chỉnh sửa phôi trước khi đi vào dây chuyền

Hình 1.13 Hệ thống điều khiển FMS

1 Máy lấy dấu ; 2 Máy chuẩn bị phôi; 3 Các máy CNC gia công;

4 Cơ cấu cấp phôi tự động; 5 Cần trục tự động ;

6 Kho chứa phôi và chi tiết; 7 Máy kiểm tra tự động

Hệ thống FMS ở trên so với tổ hợp các máy CNC (10 máy): số công nhân đứng máy giảm từ 14 xuống 9; năng suất gia công tăng 164% đối với mỗi máy, tăng năng suất lên 164% đối với mỗi nhân viên phục vụ

1.3.2 Tính ưu việc của máy CNC

Một trong những hướng của tự động hoá trong sản xuất vừa là sử dụng các máy CNC Hiệu quả kinh tế khi sử dụng có thể đạt được đối với cả trường hợp gia công loạt nhỏ chi tiết (20 - 40 chi tiết) Tuy nhiên, trong sản xuất đơn chiếc thì hiệu quả kinh tế khi gia công trên các máy vạn năng chiếm ưu thế hơn:

- Máy CNC cho phép hiệu chỉnh chương trình gia công ngay tại chỗ làm việc Trong sản xuất gia công cao, thay thế một cách có hiệu quả các máy vạn năng thông thường Tất cả các nguyên công tiện trên các máy CNC đều được thực hiện bằng các dạo tiện tiêu chuẩn mà không dùng các dao định hình và cữ chặn

Sử dụng CNC cho phép giảm nhẹ điều kiện lao động của nhân công, giải phóng công nhân khỏi việc có tính chất đơn điệu, lặp lại nhiều lần

- Mở rộng khả năng công nghệ của các máy CNC cho phép gia công cao

độ chính xác gia công và bù các sai số xuất hiện trong quá trình cắt Các hệ điều khiển CNC hiện nay cho phép đạt độ chính xác vị trí trong khoảng 0.0025 - 0.001 mm, một số trường hợp có thể đạt 0,0025 - 0,0005 mm Các hệ điều khiển cho phép điều chỉnh vô cấp số vòng quay của trục chính để giữ cho tốc độ cắt cố định khi di chuyển bề mặt gia công có đường kính khác nhau và xác định chính xác vị trí góc của trục chính để gá đặt chi tiết không đối xứng trên mâm cặp: cho phép thực hiện các nguyên công khoa, phay theo phương hướng kính của chi tiết khi chi tiết đứng yên

- Hệ điều khiển CNC hiện đại có khả năng bù sai số hệ thống (do biến dạng nhiệt) hiệu chỉnh sai số dịch chuyển tích lũy do sai số bước của trục vit me bị gây ra Trên các máy CNC được trang bị cơ cấu hiệu chỉnh vị trí của phôi khi kẹp chặt (bù sai số kẹp chặt phôi)

- Các máy tiện CNC hiện nay còn có thêm cơ cấu tự động kiểm tra kích thước gia công (dùng các Dattric tiếp xúc) Hệ điều khiển của máy có chức năng

xử lý tín hiệu để hiệu chỉnh vị trí của dụng cụ cắt trong phạm vi dung sai cho phép của chi tiết Việc kiểm tra kích thước phôi và hiệu chỉnh vị trí của dụng cụ cắt được thực hiện trước bước cắt tinh nhằm loại bỏ phế phẩm gia công

Trong nhiều máy CNC được trang bị cơ cấu giới hạn để tự động dừng quá trình cắt khi công suất cắt, lực cắt hoặc mômen cắt đạt giá trị tới hạn

Hệ điều khiển máy CNC được trang bị cơ cấu giới hạn để tự động dừng quá trình cắt khi công suất cắt biến động Các hệ điều khiển thích nghi xảy ra sau một vòng quay của trục chính, số vòng quay của trục chính có thể giảm từ 2000 vòng/phút đến 0 vòng/phút trong một vài mili giây Sử dụng hệ thống điều khiển thích nghi có ý nghĩa quan trọng đối với trường hợp gia công có lượng dư và tính chất cơ lý của vật liệu cố định, do đó rất thích hợp trong sản xuất đơn chiếc và sản xuất hàng loạt

Thành phần thời gian cơ bản khi gia công trên các máy CNC tăng lên đáng

kể vì số vòng quay của trục chính có thể đạt 3500 - 10.000vòng/phút Tốc độ dịch chuyển nhanh của bàn máy và dụng cụ trên các máy CNC có thể đạt > 15 - 20m/phút

Các máy CNC và các trung tâm gia công có khả năng thay dao tự động khi chuyển bước gia công hoặc khi lượng mòn của giao vượt quá giới hạn cho phép

Kết luận chương 1:

Tìm hiểu lịch sử phát triển máy công cụ nói chung và máy CNC nói riêng

là một nhiệm vụ quan trọng đối với các nhà nghiên cứu khoa học, để có định hướng mới cho sử phát triển ngành chế tạo máy hiện đại

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

Nghiên cứu áp dụng công nghệ CNC mà chủ đạo là các máy công cụ CNC

và các phần mềm thiết kế cơ khí vào một sản phẩm cụ thể giúp chúng ta thiết kế, chế tạo một sản phẩm chính xác, tin cậy, tiết kiệm chi phí hạ giá thành sản phẩm

Chương 2:

GIỚI THIỆU TRUNG TÂM GIA CÔNG FIRST-MCV300

2.1 Giới thiệu chung về trung tâm gia công

Trung tâm gia công First-MCV300(Hình 2.1) là một trong những trung

tâm gia công phay CNC hiện đại, doLong Chang Machinery Co.,LTD-Đài Loanthiêt kế chế tạo Máy sử dụng phần mềm tích hợp trong hệ Fanuc của hãng, được chế tạo theo công nghệ cao của CHLB Đức và thỏa mãn được tất cả các tiêu chuẩn về chất lượng và đặc tính kỹ thuật cũng như các tiêu chuẩn an toàn quốc tế

Trung tâm gia công First-MCV300 có thể thỏa mãn được các yêu cầu gia công cũng như vận hành một cách chính xác an toàn và hiệu quả

Hình 2.1 Trung tâm gia công First - MCV300

2.2 Phạm vi sử dụng

Trên thế giới cũng như ở Việt Nam những năm gần đây xuất hiện nhiều trung tâm gia công CNC với chức năng khác nhau Với trung tâm gia công MCV300 có các chức năng chính sau [12]:

Hình 2.2 Bảng điều khiển tâm gia công MCV300

- Màn hình LCD (tương tự như màn hình máy tính) dùng để hiển thị dữ liệu số;

- Bàn phím có nhiều chức năng dùng để nhập dữ liệu số vào máy;

- Vùng điều khiển gồm các công tắc (bật- tắt) dùng để điều khiển trong quá trình vận hành [12]

2.3.2 Các phím

- Reset: Nút hủy bỏ bộ nhớ

- Start: Nút khởi động, nút thực hiện lệnh

- Cancel: Hủy bỏ câu lệnh hiện tại

- Feedhold: Dừng chương trình khi đang chạy, muốn chạy tiếp ấn Start

- Alter:Thay thế câu lệnh hiện tại

- EOB: Đánh dấu chấm phẩy (;) khi kết thúc câu lệnh

- Insert:Chèn câu lệnh

Ngoài ra có các nút khác như mũi tên dùng để di chuyển con trỏ…

2.3.3 Các công tắc

* Công tắc MODE

- DNC(Direct Numerical Computer): Dùng để chuyển chương trình từ

máy tính sang máy CNC thông qua cổng RS-232 chín chân ra

- Edit: Dùng soạn thảo chương trình và chỉnh sửa chương trình

- Memo (Auto): Dùng điều khiển nhớ và chạy tự động chương trình

- MDI(Manual Direct Input): Nhập dữ liệu bằng tay và chạy chương trình

bằng lệnh vừa nhập

- MPG (Manual Program): Dịch chuyển bàn máy bằng tay quay

- JOG: Chạy dao cắt bán tự động

- Rapid: Chạy dao nhanh không cắt gọt (Có 3 nấc 25%, 50%, 100%.)

- ZRN(REF): Đưa bàn máy về điểm chuẩn R của máy

* Công tắc Rapid Override

Tốc độ chạy dao nhanh có 3 vị trí 25%, 50%, 100%

* Công tắc Spindle Override

Tỷ lệ % vận tốc quay của trục chính từ 50-120%

* Các công tắc khác

- Công tắc Singe block: ON- Chạy từng lệnh, OFF- Chạy cả chương trình

- Công tắc DRYRUN: ON- Chạy không cắt dùng khi thay dao chạy lại

phần đã cắt hoặc chạy thử chương trình OFF- tắt chế độ trên

- Machine lock: ON- Khóa bàn dao

- Manual ABS: ON- Sử dụng hệ tọa độ tuyệt đối

- M01: ON- thực hiện lệnh chờ có điều kiện, OFF tắt không dùng

- Option Block Skip: Bỏ qua hay không bỏ qua lênh trước đó có dâu (/)

- TOOL: Nút thay dao

- Cycle Start: Chạy tự động chương trình

- FEED HOLD: Tạm dừng 1 lệnh hoặc một chương trình

2.4 Thông số kỹ thuật[12]

Bảng thông số kỹ thuật chính của máy

Khoảng cách tối đa từ bàn máy đến trục chính 530 mm

Bàn kẹp dụng cụ, mâm dao (bằng khí nén) 6.0 kgf/c㎡

Động cơ bàn máy (động cơ bước) X/Y: 1.2kW , Z: 1.8kW

2.5 Các chuyển động chính của máy

Trên trung tâm gia công First MCV300 có ba chuyển động chính có thể thực hiện đồng thời

2.5.1 Chuyện động chạy dao

Trên trung tâm gia công First MCV300 gồn 3 chuyển động chính:

- Chuyển động trục điều khiển trên bàn máy dọc (X);

- Chuyển động trục điều khiển trên bàn máy ngang (Y);

- Chuyển động trục điều khiển trên trục chính (Z)

Nguyên tắc chung

Chuyển động chạy dao là chuyển động tạo ra biên dạng của chi tiết trong

đó nội suy các lệnh ghi bằng mã số chuyển thành chuyển động phù hợp với tốc

độ các bàn chạy dao trong máy công cụ

Cấu trúc có tính nguyên tắc của một hệ thống chạy dao được thể hiển trên hình sau:

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động chạy dao

2.5.2 Các nhiệm vụ chuyển động chạy dao

Nhiệm vụ chính của hệ truyền chuyển động chạy dao là chuyển đổi các lệnh trong bộ điều khiển thành các chuyển động tịnh tiến hay quay tròn của những bàn máy mang dao và chi tiết gia công trên máy công cụ Các chuyển động tịnh tiến là các chuyển động thẳng theo phương 3 trục tọa độ của không gian ba chiều còn các chuyển động quay tròn là các chuyển đông xung quanh các trục tọa độ này

Chuyển động chạy dao là chuyển động dịch chuyển tương đối giữa dao và chi tiết theo một phương xác định và đảm bảo được tốc độ cắt

Truyền động chạy dao là chuyển động dịch chuyển của dụng cụ cắt theo quỹ đạo và đạm bảo các yếu tố: biên dạng đường cắt; biên dạng của dụng cụ cắt

và các yêu cầu chi tiết gia công khác phải đạt được, do đó sẽ có các động cơ khác nhau điều khiển chuyển động cắt

Hệ truyền động chạy dao của một máy công cụ CNC phải thể hiện được những tính chất sau đây :

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

- Có độ vững chắc số vòng quay cao; khi các lực cản chạy dao biến đổi cần hạn chế tới mức thấp nhất ảnh hưởng của nó đến tốc độ chạy dao, tốt nhất là không ảnh hưởng gì Ngay cả khi chạy dao tốc độ nhỏ nhất cũng đòi hỏi một quá trình tốc độ ổn định

2.5.3 Kết cấu vít me - Đai ốc bi

Kết cấu này được ứng dụng phổ biến trong xích động chạy dao, trong đó hầu hết là bộ truyền động vít me - đai ốc bi có ứng lực Sơ đồ nguyên tắc trình bày trên hình 2.3 ứng lực tạo ra để khử các khe hở ngược chiều và tuyến tính hóa đường đặc tính tải trọng dịch động trong vùng tải trọng yếu

Cơ cấu này có ưu điểm là ma sát rất nhỏ và ít bị mòn Nhược điểm chủ yếu của chúng là có độ giảm chấn thấp Nhờ một cặp đai ốc ghép cùng theo chiều trục có thể khử khe hẹp giữa trục vít me va bản thân đai ốc mà không làm tăng ma sát giữa chúng

Các vít me trong bộ truyền bị hạn chế về chiều dài, ở độ dài 3 hay 4 mét

- Dựa vào khoảng cách hai gối tựa, sử dụng một bộ truyền đai (có tỉ 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 bởi một thanh răng xoắn

2.5.4 Chuyển động của đầu trục chính

Cụm trục chính dùng để thực hiện chuyển động quay tròn chính xác của dụng cụ hoặc phôi Độ chính xác gia công trên máy công cụ phần lớn phụ thuộc vào độ chính xác chuyển động, độ cứng vững và độ ổn định chống rung của trục chính Do đó, yêu cầu đối với cụm trục chính rất chặt chẽ gồm:

- Độ chính xác quay tròn, thể hiện qua độ đảo đo trên đầu mút phía trước của trục chính theo hướng kính hoặc hướng trục

- Độ bền cao, đặc biệt khi tải trọng biến đổi về độ lớn và phương tác dụng

- Độ cứng vững cụm trục chính (thể hiện bằng lượng di động đàn hồi ở đầu mút phía trước của cụm trục chính) do độ đàn hồi của trục chính và ổ đỡ quyết định

- Độ ổn định rung động của cụm trục chính, ảnh hưởng quyết định tới độ

ổn định và chính xác của toàn máy Tính năng giảm chấn của ổ đỡ và đặc tính biến tần của cụm trục chính sẽ ảnh hưởng tới độ nhẳn bóng bề mặt và chế độ gia công cho phép Yêu cầu này đặc biêt quan trọng cho các máy gia công tinh và cụm truc chính quay cao tốc

- Tính ổn định của cụm trục chính quyết định bởi:

• Độ cứng vững của cụm trục chính;

• Chế tạo và lắp ghép cụm trục chính và ổ đỡ;

• Cân bằng động lực học của trục chính có tốc độ cao

- Tuổi thọ của cụm trục chính và ổ đỡ

- Tỏa nhiệt và biến dạng ít

- Kẹp dụng cụ gá lắp chi tiết nhanh, tin cậy, dễ tự động hóa nhằm đảm bảo định tâm và quay tròn chính xác

Trục chính trong máy CNC là một chi tiết quan trọng trong hệ thống truyền động dùng để truyền các dạng chuyển động và momen khác nhau đến dao cắt Tùy theo kiểu và công dụng máy công cụ mang trục chính, độ chính xác, điều kiện làm việc, phương pháp kẹp dụng cụ, cách bố trí các phần tử dẫn động

và kiểu ổ đỡ của trục chính mà ta định ra kết cấu trục chính khác nhau Trục chính trong máy công cụ First MCV300 có những ưu điểm sau:

- Kết cấu nhỏ gọn không có nhiều gờ tránh được tập trung ứng suất

- Lắp ráp đơn giản

- Phương pháp kẹp chặt bằng khí nén

- Khả năng chịu mòn cao (thép Crôm - Niken)

- Truyền động êm, chính xác

Nhược điểm trục chính của máy CNC – MCV300:

- Trục chính máy có độ chính xác cao nên thường chế tạo vật liệu đắt tiền

- Khó chế tạo (yêu cầu về nhiệt luyện cao)

2.6 Yêu cầu kĩ thuật của trục chính

- Độ rắn HRC 5059

- Độ nhẵn của trục chính là 8

- Dung sai tròn trên các tiết diện trục không lớn hơn 0,001 mm

- Dung sai độ trụ các mặt cắt trên các tiết diện không lớn hơn 0,001 mm

- Dung sai về độ đảo mặt đầu tại vị trí lắp ổ lăn 16

2.8 Phần mềm điều khiển trên PC

Phần mềm điều khiển cho phép thực hiện chạy chương trình gia công, hiển thị đồ hoạ (3D) mô phỏng quỹ đạo của dụng cụ và điều khiển máy bằng tay hoặc tự động thông qua các phím trên bàn phím của máy tính

2.8.1 Biên soạn chương trình

Nó cho phép tải, lưu trữ và in ấn các File, hiển thị, sửa đổi và xoá các dòng lệnh, kiểm tra chương trình để tìm lỗi và cú pháp trong các dòng lệnh của chương trình Chương trình dựa trên tiêu chuẩn ISO

2.8.2 Mô phỏng

Hiển thị đồ hoạ chương trình soạn thảo theo mã ISO, nó thực hiện việc hiển thị quỹ đạo dao cắt ở chế độ tự động và chế độ mô phỏng từng khối lệnh (hiển thị trên màn hình toàn bộ chi tiết gia công)

2.8.3 Thực hiện gia công

Lựa chọn cắt gọt ở cả hai chế độ:

- Tự động (Automatic)

- Từng câu lệnh (Single block hoặc Block to block)

Đồng thời cho phép kiểm tra máy hoạt động ở cả hai chế độ trên màn hình PC

2.8.4 Chế độ điều khiển bằng tay

Tất cả các chuyển động của trục chính, dịch chuyển bàn máy đều được điều khiển bằng bàn phím thông qua các phím chức năng như: Insert, home, end

2.8.5 Chức năng đặc biệt

Trong chế độ này nó cho phép soạn thảo, sửa đổi, thay đổi dụng cụ, gốc toạ độ, câu lệnh đồng thời xoá bỏ hoặc thêm bớt trong một câu lệnh hay từng câu lệnh

Kết luận chương 2:

Trung tâm gia công CNC First-MCV300 là một trong những thiết bị hiện đại, mang đặc tính đầy đủ của 1 thiết bị gia công điều khiển số được Trường Đại học Công nghiệp Dệt May Hà Nội đầu tư

Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý, tính năng kỹ thuật và vận hành sử dụng thành thạo trung tâm gia công First-MCV300 là một nhiêm vụ cần thiết được Ban Giám Hiệu nhà trường giao cho chúng tôi thực hiện nghiên cứu nhằm ứng dụng trong dạy học kết hợp nghiên cứu gia công sản phẩm cho thị trường;

Là cơ sở để nghiên cứu các thiết bị điều khiển số trong các lĩnh vực khác

có dạng cấu tạo tương tự như trung tâm gia công CNC

Chương 3:

PHƯƠNG PHÁP LẬP TRÌNH TRÊN TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC 3.1 Chuẩn bị lập trình

3.1.1 Những yêu cầu đối với người lập trình

Người lập trình phải có kiến thức về công nghệ để viết chương trình và người lập trình còn phải tuân thủ các yêu cầu sau:

- Hiểu biết về lý thuyết cắt gọt

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

- Chọn dụng cụ cắt thích hợp trên cơ sở phân tích các điều kiện gia công:

"Hình dáng, vật liệu phôi, vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt" để tránh sự

cố trong quá trình gia công

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

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

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

3.1.2 Các bước cần thiết khi lập một chương trình

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

(2) Phân tích các phần gia công, xác định đồ gá và dụng cụ cắt cần thiết (3) Xác định các bước gia công trên cơ sở kích thước và thông tin ghi trên bản vẽ

(4) Để lập một chương trình gia công phải viết ra giấy, chương trình bao gồm chữ, số và ký tự

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

3.1.3 Nhập chương trình vào máy

Sau khi viết chương trình, sử dụng bàn phím trên bảng điều khiển để nhập chương trình vào bộ nhớ NC Nội dung chương trình đã nhập vào có thể được kiểm tra trên màn hình Thực hiện chương trình máy sẽ hoạt động theo khối lệnh của chương trình

Trình tự làm việc như sau:

3.1.4 Các thuật ngữ trong lập trình

* Số chương trình (Program number)

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

5 Bật nguồn cho máy công cụ

6 Nhập chương trình vào máy

7 Lưu chương trình vào bộ nhớ

8 Lắp dụng cụ và phôi lên máy

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

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

hàng loạt

Số thứ tự được ký hiệu bằng chữ "N" dùng để chỉ định một phần chương trình, sử dụng cho một dụng cụ cắt xác định theo thứ tự

* Đoạn chương trình (Part program)

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

(Phần chương trình dành cho dụng cụ 503)

* Di chuyển theo các trục điều khiển

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

Hình 3.1 Chiều chuyển động trên máy CNC

Trục Bộ phận Chiều dương (+) và âm (-)

X Bàn máy Chiều + (Chuyển động sang bên trái, nếu

quan sát từ mặt trước máy tới phôi)

Y Bàn máy Chiều + (Hướng tra mặt trước của máy)

* Chuyển động của các trục chính(Hình 3.2)

Các ký hiệu (+), (-) dùng để xác định hướng chuyển động của các trục