Nghiên cứu giải pháp CAD CAM CNC gia công chi tiết có quỹ đạo chạy dao phức tạp trên trung tâm phay CNC EMCO

Nghiên cứu giải pháp CAD CAM CNC gia công chi tiết có quỹ đạo chạy dao phức tạp trên trung tâm phay CNC EMCO Nghiên cứu giải pháp CAD CAM CNC gia công chi tiết có quỹ đạo chạy dao phức tạp trên trung tâm phay CNC EMCO luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

NGUYỄN LAN HƯƠNG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CAD/CAM/CNC GIA CÔNG CHI TIẾT CÓ QUỸ ĐẠO CHẠY DAO PHỨC TẠP

TRÊN TRUNG TÂM PHAY CNC-EMCO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Hà Nội - Năm 2011

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

NGUYỄN LAN HƯƠNG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CAD/CAM/CNC GIA CÔNG CHI TIẾT CÓ QUỸ ĐẠO CHẠY DAO PHỨC TẠP

TRÊN TRUNG TÂM PHAY CNC-EMCO

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Ph ạm Văn Hùng

Hà Nội - Năm 2011

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung

th ực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác Trừ các ph ần tham khảo đã được nêu rõ trong Luận văn

Tác giả

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Văn Hùng, người đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo và Viện đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành bản Luận văn này

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU

3 Chương 1:3 3TỔNG QUAN VỀ CAD/CAM/CNC3 5

3 1.1 Tổng quan về CAD/CAM/CNC3 5

3 1.1.1 Các định nghĩa về CAD và CAM3 5

3 1.1.2 Các đặc trưng cơ bản về CAD/CAM/CNC3 9

3 1.2 Lập trình gia công trên máy CNC3 11

3 1.2.1 Tổng quan về máy CNC3 11

3 1.2.2.Những khái niệm cơ bản về lập trình gia công trên máy CNC3 20

3 Chương 2:U TRUNG TÂM PHAY EMCO VÀ GIẢI PHÁP CAD/CAM/ CNC GIA CÔNG CHI TIẾT PHỨC TẠP 27

3 2.1 Giới thiệu khái quát về trung tâm phay CNC-EMCO 3 27

3 2.1.1 Đặc tính kỹ thuật của máy3 27

3 2.1.2.Thông số kỹ thuật của máy3 28

3 2.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của máy phay EMCO MILL3503 31

3 2.2.1 Các bộ phận chính của máy 3 31

3 2.2.2 C¸c phÇn tử ®iÒu khiÓn3 32

3 2.2.3 Phụ tùng kèm theo3 34

3 2.2.4 Các chế độ vận hành và nguyên lý vận hành máy3 36

3 2.3 Phương pháp lập trình trên trung tâm phay CNC EMCO350 với hệ điều khiển SINUMERIK 840D3 39

3 2.3.1 Giới thiệu chung về hệ điều khiển SINUMERIK 840D3 39

3 2.3.2.Tạo và viết một chương trình3 40

2.3.3 Lập trình dụng cụ cắt3 423

2.3.4 Lập trình CONTOUR3 463

2.3.5 Các chu trình gia công phay trong SINUMERIK 840D3 473

2.4 Khái quát về khả năng công nghệ của phần mềm Mastercam3 533

2.5 Giải pháp CAD/CAM/CNC lập trình gia công chi tiết có biên dạng phức tạp trên trung phay CNC-EMCO.3 573

Chương 3:3ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP 3CAD/CAM/CNC VỚI TRUNG TÂM PHAY EMCOMILL3503 613

3.1 Quá trình thiết kế và gia công tạo hình3 613

3.1.1 Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống3 613

3.1.2 Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM3 623

3.1.3 Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ tích hợp (CIM)3 643

3.2 CAD/CAM/CNC cho máy EMCOMILL353 653

3.2.1 Cơ sở lý thuyết3 653

3.2.2 Ứng dụng3 66KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Họ đã cố gắng sử dụng những máy tính có bộ nhớ khổng lồ, tốc độ

xử lý nhanh và có khả năng tương tác đồ họa thân thiện với con người trong nhiều giai đoạn của quá trình sản xuất Với sự hỗ trợ của máy tính, nhiều phần công việc đã được hoàn thành một cách tự động hóa và chính xác, giúp giảm thời gian và chi phí trong phát triển sản phẩm và trong chế tạo

Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Design- CAD), chế tạo có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Manufacturing- CAM)

và phân tích, tính toán kỹ thuật có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Engineering- CAE) là những công nghệ được sử dụng cho mục đích này trong suốt chu kỳ sản xuất sản phẩm CAD và CAE được ứng dụng vào giai đoạn thiết kế sản phẩm còn CAM được ứng dụng vào giai đoạn chế tạo, bắt đầu từ việc lập quy trình chế tạo và kết thúc bằng các sản phẩm thực Nhằm hiện thực hóa mục tiêu trên, các doanh nghiệp cơ khí và các cơ

sở đào tạo trong nước đã và đang đầu tư ngày càng nhiều các máy công cụ hiện đại Tuy nhiên việc khai thác và sử dụng sao cho có hiệu quả đang gặp nhiều khó khăn do thiếu đội ngũ kỹ sư, kỹ thuật viên có trình độ cao về công nghệ để khai thác có hiệu quả các máy CNC trong gia công cơ khí nhất là đối với các chi tiết gia công có quỹ đạo phức tạp

Trước tình trạng như vậy hệ thống các trường Đại học, Cao đẳng trong

đó trường Cao đẳng công nghiệp Quốc phòng đã đầu tư một số máy CNC và xây dựng một chương trình đào tạo để đào tạo đội ngũ kỹ sư, kỹ thuật viên có kiến thức và kỹ năng đáp ứng nhu cầu xã hội

Việc nghiên cứu các giải pháp CAD/CAM/CNC lập trình gia công các chi tiết có quỹ đạo phức tạp trên máy CNC sát với thực tế, sát với điều kiện sản xuất công nghiệp và phù hợp với điều kiện giảng dạy trong Nhà trường là một vấn đề rất khó khăn nhưng vô cùng cấp thiết, nếu giải quyết tốt vấn đề này thì sinh viên sau khi tốt nghiệp ra trường có thể thích nghi và đảm nhiệm tốt công việc tại các nhà máy, xí nghiệp

Xuất phát từ những lý do trên tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu

giải pháp CAD/CAM-CNC gia công chi tiết có quĩ đạo chạy dao phức tạp trên trung tâm phay CNC- EMCO” làm đề tài luận văn tốt nghiệp cao học của mình

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

2.1.Mục đích nghiên cứu:

Nghiên cứu về công nghệ CAD/CAM/CNC và kỹ thuật lập trình, xây dựng các bài thực hành lập trình gia công các chi tiết có quỹ đạo chạy dao phức tạp trên máy EMCO MILL350 với hệ điều khiển Sinumerik 840D

2.2.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Khả năng công nghệ của CAD/CAM/CNC

- Khả năng công nghệ của máy phay CNC-EMCO

- Cơ sở lập trình phay CNC với hệ điều khiển Sinumerik 840D

- Phần mềm mô phỏng Mastercam

3 Nội dung chính nghiên cứu

Luận văn được trình bày trong 3 chương với nội dung chính như sau :

Chương 1: Tổng quan về công nghệ CAD/CAM/CNC và lập trình gia

công trên máy CNC

Chương 2 Nghiên cứu giải pháp CAD/CAM/CNC gia công chi tiết có

quỹ đạo phức tạp trên trung tâm phay CNC - EMCO

Chương 3: CAD/AM/CNC cho trung tâm phay CNC - EMCO

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

5 Kết luận

Đã áp dụng giải pháp CAD/CAM/CNC lập trình gia công chi tiết phức tạp trên máy phay CNC - EMCO MILL350 với hệ điều khiển Sinumerik 840D phục vụ công tác đào tạo tại trường Cao đẳng công nghiệp Quốc phòng Sản

phẩm chế tạo ra đạt yêu cầu kỹ thuật và năng suất chất lượng

Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể bổ xung vào ngân hàng dữ liệu và làm tài liệu tham khảo trong giảng dạy

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CAD/CAM/CNC LẬP TRÌNH GIA CÔNG TRÊN MÁY CNC 1.1 Tổng quan về CAD/CAM/CNC

Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Design- CAD), chế tạo có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Manufacturing- CAM)

và phân tích, tính toán kỹ thuật có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Engineering- CAE) là những công nghệ được sử dụng cho mục đích này trong suốt chu kỳ sản xuất sản phẩm CAD và CAE được ứng dụng vào giai đoạn thiết kế sản phẩm còn CAM được ứng dụng vào giai đoạn chế tạo, bắt đầu từ việc lập quy trình chế tạo và kết thúc bằng các sản phẩm thực.

1.1.1 Các định nghĩa về CAD và CAM

- 4CAD4(Computer-Aided Design- CAD)

CAD là công nghệ liên quan đến việc sử dụng hệ thống máy tính để giúp đỡ việc tạo, sửa đổi, phân tích và tối ưu hóa thiết kế Theo đó, bất cứ chương trình máy tính nào có tính năng đồ họa và một chương trình ứng dụng với các chức năng kỹ thuật thuận tiện đều được phân loại như là phần mềm CAD Nói cách khác, các công cụ CAD có nhiều cấp độ khác nhau tùy theo ứng dụng Có thể chúng chỉ có những công cụ để vẽ hình học nhằm tạo ra hình dạng vật thể, hoặc có thêm các công cụ phân tích dung sai, tính toán một số đại lượng vật lý và mô hình hóa phần tử hữu hạn… Ở mức độ cao là các phần mềm CAD với các chương trình ứng dụng nâng cao cho phân tích và tối ưu hóa

Vai trò cơ bản nhất của CAD là để xác định hình học của thiết kế như hình dáng hình học của các chi tiết cơ khí, các kết cấu kiến trúc, mạch điện tử, mặt bằng nhà cửa trong xây dựng… Các ứng dụng điển hình của CAD là tạo bản vẽ kỹ thuật với đầy đủ các thông tin kỹ thuật của sản phẩm

và mô hình hình học 3D của sản phẩm Hơn nữa, mô hình CAD này sẽ được dùng cho các ứng dụng CAE và CAM sau này Đây là lợi ích lớn nhất của CAD vì có thể tiết kiệm thời gian một cách đáng kể và giảm được các sai số gây ra do phải xây dựng lại hình học của thiết kế mỗi khi cần đến nó

Một quá trình CAD tiêu biểu được thực hiện theo các bước sau:

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều phần mềm CAD với những cấp

độ khác nhau Có phần mềm CAD riêng lẻ và có những phần mềm CAD tích hợp tổng phần mềm CAD/CAM Ở Việt Nam, trong lĩnh vực cơ khí, các phần mềm CAD phổ biến hiện nay là AutoCAD, Mechanical Destop, Inventor, Solidworks, Catia, Pro/Engineer, Unigraphics, Solid Edge…

Hình 1 1 Mô phỏng gia công với phần mềm EdgeCAM

- 4CAM: 4(Computer-Aided Manufacturing)

CAM là công nghệ liên quan với việc sử dụng hệ thống máy tính để lập kế hoạch, quản lý và điều khiển các quá trình chế tạo

Một trong những lĩnh vực hoàn thiện nhất của CAM là điều khiển chương trình số (Numerical Control – NC) Đây là kỹ thuật sử dụng các chỉ dẫn đã được lập trình để điều khiển các máy công cụ như máy mài, máy tiện, máy phay, máy dập… Máy tính có thể sản sinh ra một lượng đáng kể các chỉ dẫn NC dựa trên các dữ liệu hình học từ cơ sở dữ liệu CAD cộng với những thông tin bổ sung được cung cấp bởi người vận hành

Một chức năng quan trọng khác của CAM là lập trình robot Các robot này có thể vận hành trong một tế bào gia công, chọn và định vị dao

và chi tiết gia công cho các máy NC Những robot này cũng có thể thực hiện các nhiệm vụ đơn lẻ như hàn, lắp ráp hoặc vận chuyển thiết bị hoặc chi tiết trong phân xưởng

Lập quy trình chế tạo cũng là một mục đích của CAM Quy trình chế tạo bao gồm các nguyên công chi tiết của các bước sản xuất từ ban đầu đến kết thúc, từ máy này đến máy khác trong phân xưởng

Trên thế giới hiện có rất nhiều phần mềm CAM đơn lẻ hoặc dạng tích hợp CAD/CAM Giá thành của các gói phần mềm này cũng khác biệt nhiều tùy thuộc tính năng của chúng Các phần mềm CAM, CAD/CAM phổ biến ở Việt Nam hiện nay là MasterCAM, DelCAM SolidCAM, Pro/Engineer, Catia, Unigraphics, Cimatron, VISI-Series,…

4

- CAE 4(Computer-Aided Engineering)

CAE là công nghệ liên quan đến việc sử dụng hệ thống máy tính để phân tích đối tượng hình học CAD, cho phép người thiết kế mô phỏng và nghiên cứu cách ứng xử của sản phẩm từ đó có thể tinh chỉnh và tối ưu hóa sản phẩm Các công cụ CAE tương đối đa dạng, đáp ứng được cho nhiều nhu cầu phân tích sản phẩm Ví dụ, các chương trình chuyển động học có thể được sử dụng để xác định các hành trình chuyển động và tốc độ các khâu trong cơ cấu máy Các chương trình phân tích động học dịch chuyển lớn có thể được dùng để xác định các tải và các dịch chuyển trong một hệ thống lắp ráp phức tạp như trong ô tô

Trong CAE người ta sử dụng 3 công cụ giải tích chính là phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM), phuơng pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method - FDM) và phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method- BEM)

Trong đó có lẽ phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng rộng rãi nhất

CAE được áp dụng trong các lĩnh vực sau:

- Phân tích ứng suất trên các chi tiết và trên các láp ráp bằng cách sử dụng FEM

- Phân tích dòng chảy và truyền nhiệt (CFD)

- Phân tích động học các cơ cấu

- Mô phỏng các trường hợp cơ khí (MES)

- Mô phỏng các quá trình công nghệ như đúc, dập…

- Tối ưu hóa sản phẩm hoặc quá trình công nghệ

1.1.2 Các đặc trưng cơ bản về CAD/CAM/CNC

Những nét đặc trưng cơ bản nhất của kỹ thuật CAD/CAM theo thành tựu đạt được hiện nay là:

- Chu kỳ hình thành sản phẩm công nghiệp theo phương thức hiện đại là ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC để thiết kế gia công và lắp ráp sản

phẩm, nhằm sáng tạo nhanh sản phẩm và đáp ứng nhanh thị trường

- Kỹ thuật vi xử lý và máy tính dò hình số hóa từ vật mẫu là công cụ đắc

lực của quá trình sáng tạo sản phẩm công nghiệp

- Chuỗi CAD/CAM/CNC được đảm bảo liên thông và linh hoạt nhờ quá trình xử lý và quản trị dữ liệu về sản phẩm và công nghệ chế tạo

1.1.3 Các mức tiếp cận của CAD/CAM/CNC

Hãng DENFORD (Vương quốc Anh) đã tạo lập các modul phù hợp dùng cho đào tạo theo các mức tiếp cận kỹ thuật CAD/CAM/CNC như sau:

M ức 1 (level 1): Mức này cho phay, khoan, tiện

Dùng Mill CAM Designer hoặc Lathe CAM Designer Software + khóa

cứng (hard lock) cho phay, khoan hoặc tiện CNC, kèm theo hệ phần cứng gồm một máy tính có cài đặt Windows Mức này có khả năng thực hiện giải pháp CAD, CAM, CNC như sau:

Vẽ chi tiết gia công rồi lập trình gia công CNC, nghĩa là dùng bàn phím máy tính để tạo lập chương trình CNC theo hai cách:

- Tạo lập bằng tay các lệnh G, M

- Tạo lập tự động các lệnh G, M với hệ CAM rồi chạy mô phỏng chương

trình gia công CNC đã lập trên màn hình máy tính

Sơ đồ tương ứng của mức 1 như hình 1.2

M ức 2 (level 2):Mức này được trang bị như mức 1 nhưng thêm hệ xử lý

thích nghi dùng cho bàn phím CNC của hãng DENFORD để lập trình gia công CNC trên màn hình máy tính mà không dùng bàn phím máy tính

Hình 1.2 Sơ đồ tương ứng của mức 1

M ức 3 (level 3): mức này có thêm máy thực hành gia công CNC bổ

sung vào mức 2, theo hai phương án trên

M ức 4 (level 4): Mức này là phương án phối hợp giữa mức 1 và mức 2

Bàn phím CNC có thể lập trình và điều khiển gia công CNC với các hệ khác nhau (FANUC, HEIDENHAIN, SIEMENS, SINUMERRIK…) nhờ cách thay đổi panel điều khiển phù hợp với từng hệ Mức này có thể tiến hành thiết kế chi tiết gia công rồi lập trình gia công CNC với bàn phím máy tính (lập trình thủ công hoặc tự động), hoặc lập trình bằng tay với bàn phím CNC, sau đó chạy mô phỏng chương trình gia công CNC đã lập trên màn hình máy tính

M ức 5 (level 5): mức này là bức 4 có bổ sung một máy thực hành gia

công CNC và có khả năng như sau: thiết kế chi tiết gia công rồi lập trình gia công CNC trên máy tính (lập trình thủ công hoặc tự động), hoặc lập trình bằng tay với bàn phím CNC, sau đó chạy mô phỏng chương trình gia công CNC đã lập trên màn hình máy tính, cuối cùng là thực hiện chương trình gia công trên máy thực hành CNC để tạo ra chi tiết đã thiết kế và lập trình

Đĩa cài đặt CAD/CAM/CNC

Khóa cứng CAD/CAM/CNC

Máy tính PC Bàn phím máy tính + chuột

M ức 6 (level 6): mức này là mức dựa trên sự phát triển phần mềm công

nghiệp tiêu chuẩn CAD/CAM, có dùng các mođun phần mềm AutoCAD để thiết kế chi tiết gia công trên máy tính và nạp dữ liệu CAD vào các modul MasterCAM để tạo chương trình gia công CNC rồi truyền dữ liệu trực tiếp tới máy gia công CNC

1.2 Lập trình gia công trên máy CNC

1.2.1 Tổng quan về máy CNC

- Đặc điểm của máy CNC

Hình 1.3 Các tr ục NC điều khiển được trên máy phay

Trục chính và trục ăn dao điều khiển được

Máy phay CNC 3X có ba trục điều khiển được là X, Y, Z (hình 1.3) Ngoài các chuyển động thẳng dọc theo các trục X, Y, Z có thể điều khiển xoay quanh mỗi trục

Các trục quay điều khiển được có ký hiệu là A, B, C (hình 1.4)

Đôi khi cần có những trục ăn dao khác Khi đó chúng được ký hiệu là U,

V, W Có những trục xoay phụ để xoay bàn máy, ụ trục chính và đầu mang dụng cụ có thể xoay độc lập đối với các trục ăn dao Chúng được ký hiệu là

A, B, C

Hình 1.4 Các tr ục quay và trục bước tiến trong hệ tọa độ Đề-các

Các bộ phận mang dụng cụ và chi tiết gia công được chuyển động bằng những motor Những motor này có độ chính xác rất cao vì yêu cầu của việc gia công rất chính xác Sự chuyển động của các trục độc lập phải được thực hiện với tốc độ cao và thời gian định vị nhanh nhất Để dáp ứng được những yêu cầu đó một bộ truyền động hiện đại phải có các thành phần sau:

+ Motor, hộp bánh răng và bộ điều khiển điện tử

+ Bộ trục vít đai ốc bi không khe hở

+ Cảm biến đo chuyển động, thường đặt ở cuối trục vít

+ Bộ khuếch đại công suất giao diện tương tự hay số với bộ điều khiển CNC

Để định vị chính xác, motor phải được nối với hệ thống đo Mỗi trục điều khiển được của máy CNC cần một hệ thống đo với sự biên dịch tự động tín hiệu đo Độ phân giải thường dùng khi đo kích thước dài là 0,001 mm, nhưng đối với trục X của máy tiện thì là 0,0005 mm và cho máy mài là

0,00001 mm theo truyền thống Mối liên hệ giữa motor, bàn máy, cảm biến

đo, trục vít và đai ốc được vẽ trên hình 1.5

Hình 1.5 Truy ền động bước tiến của bàn máy với vít me bi

Kết cấu của bộ truyền vít-đai ốc bi được vẽ trên hình 1.6

Hình 1.6 Truy ền động vít me bi với đai ốc hai nửa không có khe hở

Đặc trưng truyền động là bộ truyền trục vít – đai ốc Khi trục vít được motor truyền động, đai ốc bi mang bàn máy hay dụng cụ sẽ bị đẩy dọc theo trục Nhờ truyền động bi, ma sát hầu như bằng zero Để khử độ rơ dùng hai đai ốc bi kẹp chặt với nhau thông qua vòng kẹp 2 Sai số bước của trục vít có thể tự động được điều chỉnh nhờ bộ điều khiển CNC qua việc bù trừ sai số Dung sai gia công bộ truyền trục vít – đai ốc bi có thể được điều chỉnh bởi các bộ điều khiển CNC hiện đại nhờ dùng giá trị điều chỉnh sai số bước trục vít Muốn vậy, sai số được đo bởi thiết bị laser và lưu trong bộ điều khiển CNC

Giá trị đo được chỉ ra bởi hệ thống đọc quang học Giá trị này được biến đổi thành tín hiệu điện và truyền đến bộ điều khiển

Hình 1.7 Đo vị trí trực tiếp

Hình 1.8 Đo vị trí gián tiếp

Trong hệ thống đo gián tiếp (hình 1.8), hành trình di chuyển được chuyển thành số vòng quay của trục vít bi có gắn một đĩa xung dùng làm thước đo Bộ phát xung ghi nhận số vòng quay của đĩa xung và chuyển đến

cho bộ điều khiển Dựa trên số xung của đĩa quay bộ điều khiển sẽ tính toán chính xác khoảng dịch chuyển hoặc vị trí hiện tại

Trong phương pháp đo vị trí tuyệt đối (hình 1.9), thước đo chỉ ra ngay số

đo vị trí của bàn máy so với một điểm cố định nào đó của bàn máy Điểm này gọi là điểm zero của máy và do nhà sản xuất thiết lập Phương pháp này giả định trước là vùng đọc lớn bằng vùng gia công và mã hóa thước đo là hệ nhị phân Việc này cho phép điều khiển việc cấp phát giá trị số cho vị trí được đọc

Hình 1.9 Đo vị trí tuyệt đối

Trong phương pháp đo vị trí tương đối (hình 1.10) hay còn gọi là gia số, thước đo bao gồm những vạch sáng tối song song nhau Chuyển động của bàn máy từ vị trí này tới vị trí kia được xác định bởi một cảm biến đếm số vạch sáng tối

Bộ điều khiển phải được biết trước một vị trí tuyệt đối Vị trí này sẽ được dùng làm điểm chuẩn khi tính toán vị trí hiện tại của bàn máy với việc dùng hệ thống đo tương đối Vì vậy cần phải cho hệ thống di chuyển đến vị trí tuyệt đối này mỗi khi bộ điều khiển bắt đầu làm việc Điểm này gọi là điểm tham chiếu (reference) trên máy Mỗi chuyển động của các trục, ngay cả khi

di chuyển bằng tay bằng cách dùng tay quay hay nút nhấn, phải được ghi lại bởi bộ điều khiển

Hình 1.10 Đo vị trí tương đối

Do việc bộ điều khiển sẽ mất những thông tin về các chuyển động cơ khí khi tắt máy, nên mỗi khi bật máy lên, hệ thống phải được cho trở về điểm tham chiếu

- Motor chính và trục chính

Motor chính dùng để truyền năng lượng đến trục chính mang dụng cụ và tạo ra lực cắt để gia công chi tiết Ma sát của các phần tử cơ khí trong máy CNC có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả truyền động của máy Động cơ cần có độ

ổn định cao, nghĩa là vị trí hiện tại của máy phải không đổi ngay cả khi lực cắt lớn Động cơ cũng phải có tính động học đủ để thay đổi tốc độ dễ dàng và nhanh chóng và không được chạy quá đà

Trước kia người ta dùng các motor điện một chiều để truyền chuyển dộng cho trục chính Để giữ cho tốc độ cắt không đổi trên bề mặt gia công trong một phạm vi rộng, tốc độ quay của motor phải được điều chỉnh vô cấp Nhược điểm của motor điện một chiều là chổi than bị mòn nên thường xuyên phải kiểm tra và thay mới

- Các cơ cấu kẹp phôi

Trên máy CNC dùng các đồ gá để định vị và kẹp chặt chi tiết Đồ gá phải được thiết kế để kẹp chặt chi tiết chính xác, vững chắc và cho phép gia

công từ nhiều phía, kẹp nhiều chi tiết

Trong máy phay, việc nạp phôi và lấy phôi ra trong tương lai sẽ được thực hiện tự động nhờ robot

- Thay dụng cụ

Máy CNC hiệc đại thường có thiết bị thay dụng cụ tự động Thiết bị này

có thể là Tool Turret hay Tool Magazine

Hình 1.11 Đầu Rơvolve chứa dao

Tool Turret thường được sử dụng trên máy tiện CNC và máy phay CNC

Số lượng dụng cụ khoảng từ 8-16 cái Một trung tâm phay lớn có thể có tới 3 tool turret Nếu số lượng dụng cụ nhiều hơn 48 cái, người ta dùng tool magazine Số lượng dụng cụ trên tool magazine có thể tới 100 hoặc hơn Các magazin có thể 4có những cấu hình khác nhau: dọc, vòng, dĩa, xích và băng Trên hình 1.16 là magazine dạng xích

Hình 1.12 Ổ chứa (magazine ) dao dạng xích

Hình 1.13 Thi ết bị thay dao tự động

Việc thay dụng cụ trên magazine được thực hiện nhờ tay gắp dụng cụ (tool gripper) (hình 1.13) Thời gian thay dụng cụ khoảng từ 6-15 giây Nhanh nhất cũng phải mất 1 giây

- Hệ trục toạ độ trên máy CNC

Hình 1.14 Quy tắc bàn tay phải

Thông thường trên các máy điều khiển theo chương trình số, người ta

thường sử dụng hệ tọa độ Décard OXYZ theo quy tắc bàn tay phải (hệ tọa độ

thuận) và nó được gắn vào chi tiết gia công Gốc của hệ trục tọa độ có thể đặt tại bất kỳ một điểm nào đó trên chi tiết (về mặt nguyên tắc) nhưng thông thường người ta sẽ chọn tại những điểm thuận lợi cho việc lập trình, đồng thời

dễ dàng kiểm tra kích thước theo bản vẽ của chi tiết gia công mà không phải thực hiện nhiều bước tính toán bổ sung

Một đặc điểm mang tính quy ước là trên các máy điều khiển theo chương

trình số, chi tiết gia công được xem là luôn luôn là cố định và luôn gắn với hệ

thống tọa độ cố định nói trên, còn mọi chuyển động tạo hình và cắt gọt đều do dụng cụ thực hiện Trong thực tế, điều này đôi khi là ngược lại, ví dụ như trên

máy phay thì chính bàn máy mang phôi thực hiện chuyển động tạo hình, còn dụng cụ chỉ thực hiện chuyển động cắt gọt

Hình 1.15 H ệ trục tọa độ của máy CNC

Theo quy ước chung, phương của trục chính của máy là phương của trục

OZ, còn chiều dương của nó được quy ước khi dao tiến ra xa chi tiết Ví dụ, với máy tiện 2D thông thường thì trục chính của nó nằm ngang và trùng với

phương OZ của hệ tọa độ, chiều dương của nó hướng ra khỏi ụ trục chính

(hướng về phía bàn dao) Phương chuyển động của bàn xe dao theo hướng

kính là phương OX và chiều dương của nó là hướng ra xa bề mặt chi tiết gia

công Đối với máy phay thẳng đứng, trục Z hướng theo phương thẳng đứng lên trên, còn trục X và trục Y được xác định theo quy tắc bàn tay phải, tuy nhiên trong thực tế các nhà chế tạo máy lại thường ưu tiên chọn trục X là trục

mà có chuyển động bàn máy dài hơn v.v Đối với các chuyển động quay

xung quanh các trục tương ứng X, Y, Z được xác định bằng các địa chỉ A, B,

C sẽ được xác định là dương khi chiều quay đó có hướng thuận chiều kim đồng hồ khi nhìn theo chiều dương của các trục tương ứng (khi nhìn vào gốc của hệ trục toạ độ từ phía các trục thì chiều quay của chúng là ngược chiều kim đồng hồ) Ngoài ra, còn một số chuyển động phụ song song với các trục

tương ứng với các trục X, Y, Z là các địa chỉ U, V, W và hướng của chúng

được biểu diễn như trên hình 1.15

1.2.2.Những khái niệm cơ bản về lập trình gia công trên máy CNC

- Qu ỹ đạo gia công

Khi gia công dao và chi tiết chuyển động tương đối với nhau Tuy nhiên, khi lập trình người ta quy ước rằng dụng cụ chuyển động tương đối so với hệ

thống tọa độ (chuyển động của tâm dao P) còn chi tiết đứng yên

Hình 1.16 là sơ đồ quỹ đạo của tâm dao Đối với dao tiện (hình 1.16a) điểm P là tâm của bán kính mũi dao Các dao phay mặt đầu, dao phay ngón, dao khoan, dao khoét và dao doa có điểm P là tâm mặt đầu, còn dao phay ngón có mặt đầu hình chỏm cầu thì điểm P là tâm của chỏm cầu đó Theo hình 1.16 ta có hai trường hợp:

- Bán kính của dao cố định trong quá trình gia công thì quỹ đạo chuyển động của tâm dao luôn luôn cách đều contour của chi tiết một đoạn bằng bán kính dao (hình 1.16a đến 1.16e)

- Tuy bán kính của dao cố định nhưng quỹ đạo chuyển động của tâm dao

P lại không luôn luôn cách đều contour của chi tiết một đoạn bằng bán kính dao (hình 1.16g đến 1.16l) và nếu quỹ đạo chuyển động của tâm dao P luôn

cách đều contour chi tiết một đoạn bằng bán kính dao thì sẽ gây sai số gia công

Hình 1.16 Sơ đồ quỹ đạo tâm dao

1 Đường viền (contour) của chi tiết 2 Quỹ đạo chuyển động của tâm dao

Như vậy, để gia công chi tiết theo chương trình, trước hết phải xác định được quỹ đạo chuyển động cắt và quỹ đạo chuyển động phụ của tâm dao P Quỹ đạo chuyển động của tâm dao có thể khác nhau: có thể trùng với contour của chi tiết, có thể theo đường cách đều contour hoặc có thể thay đổi vị trí theo một quy luật xác định so với contour của chi tiết Để gia công toàn bộ bề

mặt của chi tiết thì quỹ đạo chuyển động của tâm dao phải liên tục Tuy nhiên

việc xác định quỹ đạo đó rất khó khăn vì quỹ đạo của chương trình rất phức tạp và nó xác định quỹ đạo của tâm dao trong không gian Vì vậy, trong thực

tế khi lập trình quỹ đạo chuyển động của tâm dao được xác định theo từng

phần contour riêng biệt hoặc theo từng phần của đường cách đều Các chức năng G, chức năng phụ M thường dùng

+ G43; G44; G49: các lệnh bù chiều dài dao

+ G54 ÷ G59: các lệnh xê dịch điểm chuẩn của chi tiết so với điểm chuẩn của máy

+ G64 ÷ G69: các lệnh thay đổi số vòng quay và lượng chạy dao

+ G80: hủy bỏ (thay đổi) chu trình đã chọn

+ G81 ÷ G89: các chu trình khoan, khoét

+ G90: lập trình theo kích thước tuyệt đối

+ G91: lập trình theo kích thước tương đối

+ G94; G95: các lệnh chạy dao

+ G96: tốc độ cắt

Một câu lệnh theo các hệ nói trên được viết như sau:

N G X Y Z I J K F S T M LF Trong đó:

N: số thứ tự của câu lệnh

G: mã điều khiển

X, Y, Z: tọa độ theo các trục

I, J, K: tọa độ tâm cung tròn theo các trục

F: lượng chạy dao

- Cá c phương pháp lập trình

Căn cứ vào mức độ tự động hóa các công việc lập trình người ta phân biệt hai phương pháp lập trình sau:

- Lập trình bằng tay

Khi lập trình bằng tay, người lập trình căn cứ vào bản vẽ của chi tiết để

nhập các dữ liệu theo các lệnh từ bàn phím của máy vào bộ nhớ Như vậy việc

lập trình bằng tay tốn nhiều thời gian, dễ nhầm lẫn, đặc biệt là đối với các chi tiết phức tạp Do những nhược điểm đó mà phương pháp lập trình bằng tay được dùng cho các chi tiết có quy trình công nghệ đơn giản hoặc để hiệu

chỉnh các chương trình sẵn có Phương tiện hỗ trợ cho người lập trình bằng tay là máy tính cá nhân hay máy tính bỏ túi Máy tính cá nhân hay máy tính

bỏ túi chỉ giúp cho người lập trình tính toán hình học và tính toán công nghệ Lập trình bằng tay đòi hỏi người lập trình ngoài việc làm chủ phương pháp lập trình còn phải có kiến thức toán học và kiến thức về công nghệ chế

tạo máy

- Lập trình bằng máy

Khi lập trình bằng máy (lập trình có sự trợ giúp của máy tính) người lập trình mô tả hình dáng hình học của chi tiết gia công, các quỹ đạo của dụng cụ

cắt và các chức năng của máy theo một ngôn ngữ mà máy có thể hiểu được

Lập trình bằng máy có ưu điểm là không cần thực hiện các phép tính bằng tay, chỉ cần truy nhập một ít dữ liệu nhưng có thể sản sinh ra một lượng lớn các dữ liệu cho những tính toán cần thiết, đồng thời hạn chế được các lỗi lập trình

Khi lập trình bằng máy tính thì máy tính phải có hai chương trình tính toán đặc biệt sau:

+ Chương trình xử lý (Processor)

+ Chương trình hậu xử lý (Postprocessor)

Processor là chương trình phần mềm thực hiện các tính toán hình học và công nghệ Người ta gọi các dữ liệu của bộ chương trình xử lý (Processor) là CLD (Cuter Location Data), các dữ liệu này đưa ra một giải pháp chung về gia công mà không phụ thuộc vào máy công cụ CNC nào CLD có nghĩa là các dữ liệu xác định vị trí dụng cụ cắt CLD chứa các lệnh ngắn gọn nhất và các mã trong đó không hợp với hệ CNC nào

Muốn dùng CLD cho một hệ CNC cụ thể phải dùng một chương trình đặc biệt là PostProcessor Như vậy PostProcessor có nhiệm vụ dịch chương trình NC dưới dạng CLD thành các mã để cho hệ CNC có thể hiểu và thực

hiện quá trình điều khiển máy gia công

Khi lập trình bằng máy trong phần hình học người lập trình mô tả hình

học của chi tiết như: điểm, đường thẳng, cung tròn, v.v còn trong phần công nghệ người lập trình mô tả quá trình gia công chi tiết như: khoan, phay, chế

độ cắt, dụng cụ cắt, dung dịch trơn nguội, v.v Cả hai việc mô tả trên đây tạo

ra một chương trình nguồn Từ chương trình nguồn này máy tính tạo ra một chương trình gia công phù hợp với máy CNC nhờ bộ Postprocessor

K ết luận

So với các máy vạn năng điều khiển bằng tay thì các máy CNC có những

ưu điểm chính như: hiệu chỉnh chương trình gia công ngay tại chỗ làm việc; thay dao nhanh; gia công được nhiều bề mặt trong một lần gá đặt chi tiết; bù sai số hệ

thống, sai số kẹp chặt v.v ; cho phép giảm nhẹ điều kiện lao động, tăng lợi ích

của công nhân

Việc ứng dụng các phần mềm CAD/CAM để thiết kế, lập trình gia công và

mô phỏng quá trình gia công cho máy công cụ CNC là vấn đề cần quan tâm và thực hiện khi gia công CNC, công việc này có thể giúp chúng ta quan sát được hình dạng của chi tiết gia công trước khi tiến hành gia công thật, nhằm đảo bảo

chất lượng gia công cơ khí, đặc biệt đối với những chi tiết có quỹ đạo phức tạp Việc mô phỏng trước quá trình gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp trên máy phay CNC là rất cần thiết vì có thể kiểm tra trước: Việc gia công và hình dạng sản phẩm gia công; Sự cố có thể xảy ra trong quá trình gia công CNC;

Kiểm soát đường chạy dao và tối ưu hoá chế độ chạy dao nhằm nâng cao chất lượng bề mặt

Do đó nghiên cứu giải pháp CAD/CAM/CNC để gia công các chi tiết phức

tạp sẽ cho phép nâng cao năng suất và độ chính xác gia công, đây là hướng đi đúng và hoàn toàn phù hợp với hướng phát triển của nền công nghiệp hiện nay

Chương 2

TRUNG TÂM PHAY EMCO VÀ GIẢI PHÁP CAD/CAM/CNC GIA CÔNG CHI TIẾT CÓ QUỸ ĐẠO CHẠY DAO PHỨC TẠP

2.1 Giới thiệu khái quát về trung tâm phay CNC-EMCO (hình 2.1)

Hình 2.1 Trung tâm phay EMCOMILL E350

2.1.1 Đặc tính kỹ thuật của máy

- Hệ điều khiển SINUMERIK 840D

- Máy có thể thực hiện phay 3D ngoài ra máy có thể thực hiện các công việc như tiện, khoan, doa, ta rô.v.v

- Độ chính xác lặp lại là 0.01, điều khiển 3 trục x, y, z hiệu quả và có

thể phay theo chiều thẳng đứng, tiện, doa theo các mặt tọa độ XY, XZ, YZ

- Khung máy được thiết kế vững chắc đảm bảo trong quá trình gia công cắt gọt không bị rung và gây sai số Chất lượng bề mặt gia công cao

2.1.2.Thông số kỹ thuật của máy phay CNC EMCO MILL350

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của máy phay CNC EMCO MILL350

6 Khoảng cách dịch chuyển cho trục X mm 600

7 Khoảng cách dịch chuyển cho trục Y mm 525

8 Khoảng cách dịch chuyển cho trục Z mm 500 U

* Truyền động chính

- Động cơ AC vô cấp điều khiển bằng kỹ thuật số hai vùng tốc độ, tự động sang số

- Truyền động chính 20 - 6300 vòng/phút và 20 – 8000 vòng/phút Tốc độ nhập chuẩn: 20 – 6300 vòng/phút

Tốc độ tùy chọn: 20 – 8000 vòng/phút

U

* Động cơ chạy dao

Động cơ AC vô cấp điều khiển số cho các trục X, Y, Z

Tốc độ: Trục X, Y, Z

Có thể nhập: 20 – 10000 mm/phút

Chạy dao nhanh: cho trục X và Y: 18m/phút

Cho trục Z: 17m/phút Chế độ cài đặt: 20 – 20000mm/phút

Hướng chuyển động của các trục (Hình 2.2 )

Hình 2.2 H ướng chuyển động các trục của máy phay CNC

U

* Bàn xoay hiện đại trên máy phay CNC

Bàn xoay hiện đại trên máy phay CNC có các loại:

- Bàn xoay có trục chính nằm ngang (hình 2.3)

- Bàn xoay động cơ lắp phía sau (hình 2.4)

Hình 2.3 Bàn xoay tiêu chuẩn chục trính nằm ngang

Hình 2.4 Bàn xoay động cơ lắp phía sau

- Bàn xoay có nhiều trục (hình 2.5)

Hình 2.5 Bàn xoay có nhiều trục

- Bàn xoay nghiêng (hình 2.6)

Hình 2.6 Bàn xoay nghiêng

Bàn xoay thường được lắp trên các máy phay CNC hoặc trung tâm gia công (hình 2.7)

Hình 2.7 Các trục của bàn xoay và máy phay CNC

Bàn xoay của máy CNC có tác dụng làm tăng thêm tính vạn năng cho máy, chủ yếu để gia công:

+ Mặt phẳng

+ Các bề mặt định hình

+ Gia công bánh răng và dao cắt có nhiều lưỡi thẳng hoặc xoắn

+ Cắt rãnh thẳng hoặc xoắn

+ Gia công các mặt nghiêng

Đối với bàn xoay nhiều trục có thể tiến hành gia công mọt lúc nhiều chi tiết, làm:

+ Tăng khả năng công nghệ của máy

+ Tăng năng suất gia công

+ Giảm thời gian tháo lắp và điều chỉnh dụng cụ

2.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của máy phay CNC - EMCO MILL350

2.2.1 Các bộ phận chính của máy

Các bộ phận chính của máy phay thông thường và máy phay CNC

được thể hiện như (hỡnh 2.8)

Hỡnh 2.8 Cấu tạo mỏy phay CNC

2.2.2 Các phần t ử điều khiển của mỏy phay CNC-EMCO

Các phím điều khiển máy nằm ở phần dưới của bàn phím điều khiển (hỡnh 2.9) Tuỳ thuộc vào loại máy được dùng và các thiết bị phụ trợ đi kèm

mà có một số phím điều khiển máy không được kích hoạt

Hình 2.9 Bàn phÝm ®iÒu khiÓn m¸y cña dßng m¸y EMCO PC-Mill SKIP C¸c vïng trªn mµn h×nh (hình 2.10)

Hình 2.10 Các vùng trên màn hình

1 HiÓn thÞ vïng lµm viÖc ®­îc kÝch ho¹t

2 HiÓn thÞ kªnh ®­îc kÝch ho¹t

3 Hiển thị chế độ làm việc, khi một chế độ con được kích hoạt, nó cũng được hiển thị (ví dụ: REF,INC)

4 Hiển thị đường dẫn (thư mục) và tên của chương trình được chọn

10 Các cửa sổ làm việc, hiển thị NC Vùng hiển thị các cửa sổ làm việc (cửa

sổ soạn thảo chương trình), các cửa sổ hiển thị NC (tốc độ cắt, dao)

11 Cửa sổ được chọn Đường viền và dòng tiêu đề được chiếu sáng Các phép nhập từ bàn phím chỉ có hiệu lực trong cửa sổ này

12 Các phím mềm cột đứng Có 8 trường hiển thị các chức năng của các phím phía bên phải (tương ứng trên máy tính là Shift + F1 F8)

13 Khi có biểu tượng này, phím được kích hoạt (có thể nhảy về menu trên nó)

14 Dòng đối thoại với các chú ý về vận hành

15 Khi ký hiệu này hiện ra, phím được kích hoạt (thông tin hợp lệ)

16 Các phím mềm hàng ngang Có 8 trường hiển thị các chức năng của các phím phía dưới (tương ứng trên máy tính là F1 F8)

17 Khi ký hiệu này hiện ra, phím được kích hoạt (có thêm các chức năng

mở rộng)

2.2.3 Phụ tựng kốm theo

U* Hệ thống dũ 3D U(hỡnh 2.11)

Bằng hệ thống dũ 3D bạn cú thể:

- Tự động điều chỉnh chi tiết

- Cài đặt được điểm chuẩn nhanh và chớnh xỏc

- Do chi tiết gia công trong khi đang chạy chương trình

- Số hoá bề mặt 3D, đo và kiểm tra dụng cụ

Hình 2.11 Đầu dò 3D

U

* Hệ thống đo dao tự độngU (hình 2.12): Thiết bị đo dao TT120 được

sử dụng để đo và kiểm tra chiều dài và bán kính dao.Với thiết bị đo này được sử dụng các chu trình riêng

Hình 2.12 Hệ thống đo dao tự động