Nghiên cứu máy phay 5 trục cnc ck850e và gia công cặp bánh cán thép tại nhà máy thép dana úc

Trong máy CNC người ta sử dụng động cơ điện có thể điều chỉnh tốc độ vòng quay hoặc động cơ bước, các hệ thống truyền động không khe hở, truyền động vít me - đai ốc bi, hệ thống phản hồi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU MÁY PHAY 5 TRỤC CNC

CK850E VÀ GIA CÔNG CẶP BÁNH CÁN

THÉP TẠI NHÀ MÁY THÉP DANA - ÚC

Người hướng dẫn: TS LƯU ĐỨC BÌNH

Sinh viên thực hiện: PHẠM NGỌC SƠN

TÓM TẮT

Tên đề tài: - Nghiên cứu, tìm hiểu máy CNC 5 trục CK 850E

- Gia công cặp bánh cán thép tại nhà máy thép Dana-uc

Sinh viên thực hiện: Phạm Ngọc Sơn

Số thẻ SV: 101110389 Lớp: 11CĐT1

- Nghiên cứu đi sâu vào công nghệ gia công điều khiển số Nguồn gốc hình thành và quá trình phát triển của lĩnh vực gia công điều khiển số Tình hình phát triển của máy điều khiển số ở Việt Nam Ưu điểm vượt trội của máy CNC so với máy cơ thông thường

- Nghiên cứu tìm hiểu về máy phay CNC 5 trục CK 850E để gia công bánh cán tại nhà máy thép Dana-uc , đường số 1, khu công nghiệp Thanh Vinh, Liên Chiểu, Đà Nẵng Nguồn gốc, giá thành, những đặc điểm quan trọng của máy Trình bày về bề mặt đặt biệt mà máy có thể gia công mà những máy CNC khác không thể gia công được Tìm hiểu về cách vận hành, gia công, lập trình trên máy Dao cắt , chế độ cắt

- Lập các bản vẽ 2D, 3D có liên quan

- Gia công 1 cặp bánh cán D10 ( mô hình ) tại nhà máy thép Dana-uc

Nghiên cứu máy phay CNC 5 trục CK 850E và gia công cặp bánh cán thép tại nhà máy thép Dana-uc

MỞ ĐẦU

Ở Việt Nam hiện nay, công nghệ CNC đang phát triển mạnh mẽ, tại các nhà máy thì công nghệ CNC được vận dụng rất nhiều trong sản xuất Tuy nhiên, về mảng nghiên cứu và chế tạo máy CNC thì chúng ta còn rất hạn chế, còn thua xa về trình độ

so với thế giới Với đề tài nghiên cứu về máy phay CNC 5 trục CK 850E rãnh vằn và khắc chữ cho bánh cán của Trung Quốc và hệ điều khiển Siemens 802D của Cộng Hòa liên bang Đức, em hi vọng sẽ tiếp cận được công nghệ tiên tiến này và vào một ngày không xa chúng ta sẽ tự mình sản xuất và chế tạo được những máy CNC như trên Qúa trình nghiên cứu và gia công được tiến hành tại nhà máy thép Dana-Uc, đường số 1, khu công nghiệp Thanh Vinh, Đà Nẵng và được sự hướng dẫn của TS Lưu Đức Bình tại văn phòng khoa cơ khí, đại học Bách Khoa Đà Nẵng

Phương pháp nghiên cứu chủ yếu dựa và những kiến thức em đã học và làm tại nhà máy từ đầu năm 2017 tới nay, từ những tài liệu hướng dẫn của máy CK 850E và các tài liệu về CNC có liên quan

Cấu Trúc của đồ án này gồm có hai phần:

- Ngiên cứu máy phay 5 trục CK 850E

- Gia công cặp bánh cán trên máy

CHƯƠNG 1: MÁY ĐIỀU KHIỂN SỐ

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

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

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

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

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

Tháng 6 năm 1949 Parsons đã liên kết với phòng thí nghiệm Servomechanisms (cơ cấu bám) của Viện công nghệ Masachuset (Massachusetts Insutute of Technology

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

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

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

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

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

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

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

sử dụng trong công nghiệp Tuy nhiên các bộ điều khiển số đầu tiên dùng đèn điện tử nên tốc độ xử lý chậm, cồng kềnh và tiêu tốn nhiều năng lượng Việc sử dụng chúng cũng rất khó khăn, như chương trình được chứa trong các băng hoặc bìa đục lỗ, khó hiểu và không sửa chữa được Giao tiếp giữa người và máy rất khó khăn vì không có màn hình, bàn phím Sau khi các linh kiện bán dẫn được sử dụng phổ biến trong công nghiệp (khoảng năm 1960) thì máy gọn hơn, tốc độ xử lý cao hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn, Các băng, bìa đục lỗ sau này được thay bằng băng hoặc đĩa từ, Nhưng nói chung, tính năng sử dụng của các máy NC vẫn chưa được cải thiện đáng kể, cho đến khi máy tính được ứng dụng vào đây

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

- Kiểu và định dạng của thiết bị vào

- Cấu hình hệ thống nội suy

- Ngôn ngữ lập trình gia công chi tiết

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

cụ Các bộ điều khiển số trên máy công cụ được tích hợp thêm máy tính và thuật ngữ CNC (viết tắt của Computer Numerical Control) được sử dụng từ đầu thập kỷ 70 Máy

CNC ưu việt hơn máy NC thông thường về nhiều mặt, như tốc độ xử lý cao, kết cấu gọn, nhưng ưu điểm quan trọng nhất của chúng là ở tính năng sử dụng, giao diện thân thiện và các thiết bị ngoại vi khác Các máy CNC ngày nay có màn hình, bàn phím và nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin với người dùng (hình 1.1.1 và 1.1.2) Nhờ màn hình, người dùng được thông báo thường xuyên về tình trạng của máy, cảnh báo báo lỗi và các nguy hiểm có thể xảy ra, có thể mô phỏng để kiểm tra trước quá trình gia công, Máy CNC có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác như rô-bốt, băng tải, thiết bị đo, trong hệ thống sản xuất Chúng có thể trao đổi thông tin trong mạng máy tính các loại, từ mạng cục bộ (LAN) đến mạng diện rộng và Internet

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

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

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

vận chuyển, thiết bị kiểm tra, đo lường, làm việc dưới sự điều khiển của một mạng máy tính Sự tích hợp mọi hệ thống thiết bị sản xuất và tích hợp mọi quá trình thiết kế

- sản xuất - quản trị kinh doanh nhờ mạng máy tính với các phần mềm trợ giúp công tác thiết kế và công nghệ, kinh doanh, tạo nên hệ thống sản xuất tích hợp nhờ máy

tính (Computer Integrated Manufacturing - CIM)

Hình 1.1.1 : Máy phay cnc hiện đại

Hình 1.1.2: Máy tiện cnc hiện đại

Hình 1.1.3 : Máy phay rãnh vằn và khắc chữ cho bánh cán thép CK 850E

CAD/CAM là lĩnh vực có liên quan mật thiết với kỹ thuật điều khiển số các thiết bị sản xuất CAD (Computer Aided Design), được dịch là "thiết kế có trợ giúp của máy tính", là một lĩnh vực ứng dụng của CNTT vào thiết kế Nó trợ giúp cho các nhà thiết kế trong việc mô hình hoá, lập và xuất các tài liệu thiết kế dựa trên kỹ thuật

đồ hoạ CAM (Computer Aided Manufacturing), được dịch là "sản xuất có trợ giúp của máy tính", xuất hiện do nhu cầu lập trình cho các thiết bị điều khiển số (máy CNC, rô-bốt, thiết bị vận chuyển, kho tàng, kiểm tra) và điều khiển chúng Chúng vốn xuất hiện độc lập với nhau, nhưng ngày càng xích lại gần nhau CAD/CAM là thuật ngữ ghép, dùng để chỉ một môi trường thiết kế - sản xuất với sự trợ giúp của máy tính

Quá trình xuất hiện, phát trển của máy CNC và các lĩnh vực liên quan là hệ thống CAD/CAM, CIM (hình 1.1.3) Cũng từ hình trên và qua thực tế chúng ta thấy CAD/CAM, CNC đang trong thời kỳ phát triển mạnh và kỷ nguyên của CIM mới được khởi đầu

Hình 1.1.4 Các giai đoạn phát triển của máy CNC và CAD/CAM

1.1.2 Các tính năng kỹ thuật của máy điều khiển số

1.1.2.1 Các tính năng kỹ thuật chung

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

- Độ chính xác: Độ chính xác được đánh giá bằng tổng sai lệch trong phạm vi nào đó

Ví dụ bàn trượt có sai lệch 0,002 mm (0,0008 inch) khi dịch chuyển 500 mm (20 inch) Độ chính xác cần thiết đặc trưng cho một máy CNC là 0,001mm/250 mm (tức là

khoảng 0,0004 inch/10 inch)

- Độ phân giải: Độ phân giải là giá trị dài (hoặc góc) nhỏ nhất mà hệ thống CNC có

thể nhận biết và thực hiện được, thực chất đây là đơn vị cơ sở hay đơn vị lập trình nhỏ

nhất Các hệ thống CNC thông thường đạt đến 0,001 mm (0,0001 inch) và 0,001º

- Độ chính xác lặp lại: Độ chính xác lặp lại là sai lệch vị trí của bàn máy khi trở về vị trí đã được lập trình trước đó Độ chính xác lặp lại được coi trọng hơn độ chính xác

khi đánh giá hệ thống CNC và máy CNC Thông thường độ chính xác lặp lại đạt 0,005

mm (0,002 inch)

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

hệ thống Thông thường hằng số thời gian cho các hệ thống CNC bằng 0,033 giây 1.1.2.2 Các tính năng tiêu chuẩn

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

- Dung lương bộ nhớ cơ sở

- Truy nhập chương trình gia công

- Quản lý tuổi bền dao cắt

- Kiểm soát thời gian chết (không gia công)

1.1.2.4 Các tính năng vận hành

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

- Phục hồi điểm chuẩn thủ công hoặc tự động

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

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

- Thay đổi tốc độ chạy dao

- Thay đổi tốc độ trục chính

- Chọn tốc độ chạy dao nhanh

- Hiển thị trạng thái và thông báo lỗi

- Hiển thị đường chạy dao

- Chẩn đoán tại chỗ và kiểm tra mạch điện

- Chẩn đoán trong qúa trình và trực tuyến

- Các cổng giao tiếp khác

1.1.3 Hiệu quả sử dụng máy CNC

Về bản chất vật lý, quá trình gia công trên máy thông thường và máy CNC hoàn toàn như nhau: kích thước và chất lượng bề mặt của chi tiết gia công được hình thành

và điều khiển bởi sự tương tác cơ, lý, hoá giữa dao và chi tiết gia công Nền tảng lý thuyết cắt gọt kim loại được nghiên cứu và ứng dụng hàng trăm năm nay dựa trên máy truyền thống vẫn đúng cho máy CNC Hiệu quả do điều khiển số mang lại, thực chất là cho phép thực hiện hợp lý hơn các chế độ gia công, phát huy năng lực của máy ở mức

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

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

Bảng 1.1.3 cho phép so sánh một cách tóm tắt phương thức thực hiện và vai trò của con người trong các trường hợp: gia công trên máy thông thường, trên máy NC và trên máy CNC, qua đó chúng ta đã có thể phần nào hiểu được tại sao máy CNC lại cho hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cao hơn so với máy thông thường

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

tự động - công nghệ thông tin mà máy CNC có rất nhiều ưu điểm Hiệu quả kinh tế -

xã hội của việc sử dụng máy CNC được thể hiện ở các khía cạnh sau đây:

- Năng suất gia công cao

- Chất lượng gia công cao

- Tính linh hoạt cao

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

1.1.3.1 Năng suất gia công cao

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

T = Tc + Tp + Tck

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

Bảng 1.1.3: Phương thức thực hiện quá trình gia công trên máy thông thường, máy NC và máy CNC

Truyền lệnh điều

khiển Công nhân thạo nghề trực tiếp điều

khiển theo kích thước và điều kiện

kỹ thuật ghi trong bản vẽ

Chương trình NC truyền vào bộ nhớ

từ băng hoặc bìa đục lỗ

Chương trình NC truyền vào bộ nhớ

từ băng hoặc bìa đục lỗ

Điều khiển chế độ

công nghệ Công nhân thạo nghề trực tiếp điều

khiển theo kích thước và điều kiện

kỹ thuật ghi trong bản vẽ

Chương trình NC truyền vào bộ nhớ

từ băng hoặc bìa đục lỗ

Chương trình NC được nhập vào bộ nhớ từ bàn phím, đĩa từ, đường truyền thông Một

số chương trình

có thể được lưu ở

bộ nhớ trong hoặc

bộ nhớ ngoài (VD đĩa cứng, card nhớ)

Công nhân đặt các thông số (tốc độ trục chính, tốc độ

ăn dao, ) bằng tay

và điều khiển máy bằng các vô lăng, cần gạt, phím,

Chế độ công nghệ được ghi trong chương trình NC

Bộ điều khiển đọc, tính toán tốc độ chuyển động và truyền lệnh cho các

hệ truyền động tương ứng

Máy tính với phần mềm chuyên dùng thực hiện mọi chức năng tính toán công nghệ (nhờ chương trình

và dữ liệu công nghệ, thông số máy, dao, được lưu sẵn trong máy) và điều khiển gia công

Thường phần mềm có cả chức năng giám sát quá trình, cảnh báo lỗi

và sự cố Khi cần

có thể trực tiếp thay đổi chế độ công nghệ từ bên

ngoài chương trình

Đảm bảo kích

thước GC

Công nhân định phải kỳ đo kích thước bề mặt gia công

Bộ điều khiển thường xuyên giám sát kích thước gia công nhờ tín hiệu phản hồi vị trí hoặc

từ thiết bị đo tích cực kèm theo

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

đo khác, ví dụ đầu

dò, máy đo 3 chiều

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

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

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

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

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

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

nghệ và yêu cầu kỹ thuật của chi tiết gia công Công nghệ cắt cao tốc (High Speed

Cutting) chỉ phát huy được hiệu quả cao trên máy CNC Việc gia công bằng nhiều dao,

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

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

vị Các máy CNC hiện đại cho phép tăng tốc độ chạy không lên tới vài chục mét/phút

mà không gây va chạm và định vị vẫn chính xác Trên các máy có hệ thống thay dao

tự động, thời gian thay dao chỉ tính bằng giây Chế độ công nghệ được thay đổi từ chương trình, công nhân không mất thời gian gạt số Việc dừng máy để kiểm tra kích thước trong các nguyên công hầu như được loại bỏ do khả năng điều khiển chính xác

vị trí và quỹ đạo của máy CNC rất cao Các trung tâm gia công thường có hệ thống cấp phôi, kẹp nhả phôi, lấy chi tiết tự động nên thời gian gá kẹp phôi rất ngắn Khi làm việc với máy CNC, công nhân chỉ đóng vai trò giám sát chứ không tham gia trực tiếp vào quá trình gia công nên máy có thể làm việc cả khi vắng mặt công nhân và một công nhân có thể trông coi nhiều máy

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

chương trình gia công và chuẩn lại các toạ độ Toàn bộ thời gian trên chỉ cần không quá 30 phút Trong khi đó, nếu chi tiết đòi hỏi thiết kế và chế tạo đồ gá thì thời gian trên có thể kéo dài hàng tuần Khả năng điều khiển và phối hợp chính xác các trục theo chương trình cho phép loại bỏ các đồ gá và dao định hình phức tạp Nhờ vậy không những giảm được thời gian lắp đặt, căn chỉnh đồ gá mà còn loại bỏ các sai số truyền động do chế tạo và hao mòn cơ khí, tăng độ chính xác gia công Việc lập chương trình

mới có thể tiến hành ngoài máy (trên máy tính độc lập) hoặc thực hiện ngay trong khi

máy gia công nên chiếm thời gian máy không đáng kể

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

độ Trên một máy có thể gia công nhiều bề mặt, bằng các phương pháp công nghệ

khác nhau, có thể gia công thô và tinh trên cùng một máy, trong cùng một lần gá, bằng

nhiều dao, nhiều trục đồng thời Điều đó giảm bớt việc vận chuyển, gá đặt nên không

những làm tăng năng suất mà còn giảm sai số gia công

Người ta đã tổng kết rằng, thời gian trực tiếp gia công (Tc) trên máy thông

thường chỉ chiếm không quá 10% trong tổng số thời gian gia công (T) Trên máy CNC

thời gian đó lên tới 70%

Năng suất gia công trên máy CNC hầu như không phụ thuộc vào tay nghề và

trạng thái tâm, sinh lý của công nhân

1.1.3.2 Chất lượng gia công cao

Chất lượng gia công (độ chính xác kích thước, hình dáng và chất lượng bề mặt

gia công) suy đến cùng phụ thuộc 3 yếu tố: nguyên vật liệu, thiết bị và công nhân

Yếu tố nguyên vật liệu giả thiết là không thay đổi So sánh về thiết bị thì máy

CNC đảm bảo độ chính xác cao và đồng đều nhờ hệ thống điều khiển - đo lường rất

chính xác (cỡ 0,01 - 0,001 mm), hệ thống cơ khí cứng vững và ổn định, quá trình cắt

được điều khiển hoàn toàn nhờ chương trình nên loại trừ được các sai số do chế tạo và

hao mòn các cữ, dưỡng Các máy CNC hiện đại đều có khả năng bù kích thước và

mòn dao, bù khe hở và biến dạng nhiệt cơ khí Trên máy thông thường, tay nghề và

tình trạng tâm, sinh lý của người thợ ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng gia công Khi gia công trên máy CNC, công nhân chỉ có nhiệm vụ nạp chương trình, giám sát

việc gá phôi, thay dao và tình trạng làm việc của máy Vì vậy tâm sinh lý, tay nghề của

công nhân hoàn toàn không ảnh hưởng đến chất lượng gia công

1.1.3.3 Tính linh hoạt cao

Máy CNC hơn hẳn máy thông thường ở tính linh hoạt Điều đó biểu hiện ở hai

khía cạnh Thứ nhất, trên một máy CNC có thể thực hiện nhiều chức năng công nghệ

khác nhau và việc chuyển đổi giữa các chức năng rất dễ dàng Ví dụ, trên máy phay

CNC có thể thực hiện các nguyên công khoan, khoét, doa, gia công mặt phẳng, định

hình, răng, ren, gia công các rãnh, hốc phức tạp như hốc tròn, chữ nhật, elip, Các mặt

cong không gian, như mặt cầu, mặt xoắn ốc, cũng có thể gia công trên máy phay 3

trục Các máy phay 4-5 trục cải thiện đáng kể năng suất và chất lượng gia công và có

thể gia công các sản phẩm nghệ thuật, như tạc tượng Máy tiện CNC, ngoài các chức

năng như máy thường, có thể gia công ren với bước thay đổi, ren trên mặt côn Điều

quan trọng là các mặt cong định hình có thể gia công trên máy CNC một cách dễ dàng,

dùng đồ gá và dao thông thường chứ không cần đồ gá và dao chuyên dùng Trên các

trung tâm gia công có thể thực hiện các công việc phay, khoan, doa, tiện, mài, đồng

thời Chính vì vậy mà máy CNC có khả năng tập trung nguyên công cao để gia công

các chi tiết phức tạp Biểu hiện thứ hai của tính linh hoạt là việc thay đổi đối tượng gia

công trên máy CNC rất dễ dàng, gần như chỉ thay đổi chương trình chứ không cần

thay đồ gá, dao cụ phiền phức như trên máy thông thường Nhờ có khả năng thích ứng

linh hoạt với đối tượng gia công mà máy CNC là thiết bị cơ bản của các hệ thống sản

xuất linh hoạt

Nhờ tính linh hoạt cao của mình mà máy CNC được sử dụng phổ biến không chỉ

trên các dây chuyền, trong các tế bào sản xuất tự động mà còn được sử dụng riêng lẻ

trong loại hình sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ, thậm chí cả chế thử 1.1.3.4 Chi phí gia công giảm, hiệu quả kinh tế cao

Chi phí gia công một loạt N chi tiết có thể được biểu diễn qua công thức sau:

C = Ctx(1 + p)N + Ccb

Trong đó, C - chi phí tổng cộng; Ctx - chi phí thường xuyên cho một chi tiết gồm lương công nhân, nguyên vật liệu, năng lượng chạy máy, ; p – tỉ lệ phế phẩm trung bình; N - số lượng chi tiết trong loạt; Ccb - chi phí cơ bản, gồm khấu hao thiết bị, nhà xưởng,

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

Vì vậy cần phải cân nhắc về kinh tế khi mua sắm máy CNC

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

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

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

1.2 Cấu trúc chung của máy NC

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

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

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

hợp với hộp số có số tốc độ nhỏ nhằm đạt được phạm vi điều chỉnh rộng

Hình 1.2.1.1: Vùng hiệu quả kinh tế của máy thông thường (I) và của máy CNC (II)

Hình 1.2.1: Sơ đồ động học dẫn động chạy dao điển hình của máy CNC

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

CH: Cơ cấu chấp hành; DC:đo dịch chuyển Trên hình 1.2.1.2 người ta sử dụng dẫn động chạy dao có phản hồi (sơ đồ kín) và

không có phản hồi (sơ đồ hở)

Dẫn động không có phản hồi được xây dựng trên cơ sở sử dụng các động cơ bước ĐB công suất lớn hoặc công suất nhỏ Khi sử dụng động cơ bước công suất nhỏ, người ta tổ hợp chúng với hệ khuếch đại thu lực KT (hình 1.2.1.2a) Do không kiểm soát vị trí thực của cơ cấu chấp hành CH, các hệ dẫn động này, chịu sai số của động cơ bước, khuếch đại thu lực và cơ cấu truyền động (bánh răng 1, cặp vít me đai ốc 2,…)

Dẫn động chạy dao có phản hồi bảo đảm kiểm soát dịch chuyển và vị trí thực của cơ cấu chấp hành Loại này có một số dạng: Trên dẫn động hình 1.2.1.2b, giữa động cơ dẫn động ĐC và vít me ba có hộp số hai, tỉ số truyền của hộp số được chọn sao cho khi động cơ quay với tốc độ định mức thì lượng chạy dao là lớn nhất Đát tríc phản hồi ĐT (dạng quay) lắp với động cơ thông qua bộ truyền bánh răng 1

Trong dẫn động chạy dao (hình 1.2.1.2c) người ta tiến hành đo dịch chuyển của

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

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

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

Trong dẫn động chạy dao (hình 1.2.1.2d) người ta sử dụng cảm biến quay, trực tiếp đo dịch chuyển của cơ cấu chấp hành CH thông qua thanh răng - bánh răng Tuy

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

Trong sơ đồ (hình 1.2.1.2) người ta sử dụng cảm biến tuyến tính Sơ đồ như vậy bảo đảm đo trực tiếp lượng dịch chuyển của cơ cấu chấp hành Điều này cho phép hệ thống phản hồi bao hết các cơ cấu truyền động chạy dao, do đó đạt được độ chính cao

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

Những yêu cầu cơ bản đối với xích động học chạy dao theo quan điểm nâng cao

độ chính xác truyền động là: loại trừ khe hở trong các bộ truyền, giảm biến dạng đàn hồi, loại trừ truyền động bánh răng ra khỏi xích động học hoặc đơn giản tối đa

Để đáp ứng tất cả các yêu cầu trên, trong các máy CNC người ta sử dụng dẫn động chạy dao dịch chuyển thẳng không hộp số và dẫn động với hộp số đơn giản có sử dụng động cơ điện có môment khởi động lớn Các động cơ này có độ chính xác tĩnh cao và tác động nhanh Trong các hệ dẫn động không hộp số (hình 1.2.1.2f) trục động

cơ điện ĐC lắp với trục vít me 2 thông qua ly hợp 1 có độ cứng vững xoắn lớn Đát tríc phản hồi ĐT lắp trực tiếp với trục vít (cảm biến quay) hoặc lắp gián tiếp nhờ bộ truyền bánh răng – thanh răng (hình 1.2.1.2g) Trên hình 1.2.1.2h, sơ đồ lắp cảm biến phản hồi ĐT dạng tuyến tính (dịch chuyển thẳng)

Dẫn động không hộp số cho phép nhận được vận tốc của hành trình chạy không đến 10 – 15 m/phút Khi sử dụng dẫn động chạy dao có môment khởi động lớn và dẫn động trục chính có phạm vi điều chỉnh rộng, việc đơn giản sơ đồ động học cho phép đạt được độ chính xác cao và độ bền lâu Sử dụng cảm biến quay cho phép ta đơn giản hoá sơ đồ động học Điều này rất quan trọng cho các máy gia công răng như phay răng, xọc răng, mài răng…

1.3 Các hệ thống cơ khí của máy CNC

1.3.1 Dẫn động chạy dao

Hình 1.3.1.1 Cấu trúc chung của một hệ dẫn động chạy dao

Để điều khiển dẫn động chạy dao cần phải chuyển đổi các xung số do CPU phát

ra thành các tín hiệu cung cấp cho động cơ dẫn động Thông thường hệ thống dẫn động chạy dao có hai giao tiếp: Giao tiếp điều khiển dẫn động và giao tiếp phản hồi (hình 1.3.1.1) Giao tiếp điều khiển dẫn động nhận tín hiệu về vị trí và vận tốc dịch chuyển từ CPU Do tín hiệu này rất yếu nên cần phải khuyếch đại trước khi cấp cho

động cơ dẫn động Bản thân mạch khuyếch đại công suất không phải là một bộ phận

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

toạ độ Tín hiệu từ hệ thống này được đưa về CPU qua giao tiếp phản hồi

Hình 1.3.1.2 Sơ đồ kết nối của hệ thống dẫn động chạy dao

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

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

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

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

- Độ nhạy cao, phản ứng tốt với những dịch chuyển nhỏ

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

bi biến chuyển động quay thành chuyển động thẳng (hình 1.3.1.2) Các cụm kết cấu đảm bảo các chuyển động của các bàn máy Về mặt chức năng xích chạy dao phải thoả mãn những yêu cầu đặt ra là:

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

- Thực hiện được các thay đổi vận tốc theo chương trình, xác định cả về trị số và chiều, không có sự tháo lỏng chi tiết hoặc sai lệch vị trí tương đối giữa dao và chi tiết gia công

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

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

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

Với giả định rằng khối lượng bàn máy và chi tiết gia công là một dữ kiện, ta cố gắng dùng những cơ cấu có quán tính (quay và tịnh tiến) nhỏ nhất có thể, đồng thời lại

có độ cứng vững cao nhất

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

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

khi chế tạo các modul

1.3.1.1 Kết cấu vít me - đai ốc bi

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

cơ khí của máy CNC đều dùng cơ cấu vít me - đai ốc bi (hình 1.3.1.3) Một đầu của trục vít me có lắp động cơ truyền động 1 Động cơ thường được lắp trực tiếp lên trục vít me hoặc qua bộ truyền đai răng, có khả năng truyền động êm và chống trượt Một đầu của trục có thể (nếu không dùng thước thẳng) được gắn thiết bị đo vị trí, encoder quay 3 Bàn máy 2 được gắn trên đai ốc 5 Kết cấu này được ứng dụng phổ biến trong xích động chạy dao Bản thân vít me-đai ốc bi phải là cơ cấu không khe hở

Hình 1.3.1.3 Vị trí của cơ cấu vít me - đai ốc bi trong dẫn động chạy dao

1 Động cơ; 2 Bàn máy; 3 Encoder; 4 Vít me; đai ốc bi

Có ba phương pháp điều chỉnh ban đầu cho vít me- đai ốc bi:

- Điều chỉnh vị trí dọc trục của đai ốc

- Quay đai ốc tại chỗ, hay quay một nửa đai ốc

- Tạo độ dôi công nghệ

Kể cả sau khi đã áp dụng các biện pháp trên thì vẫn còn sai số chế tạo cơ khí, ví

dụ sai số bước vít me, hoặc sai số do biến dạng cơ và biến dạng nhiệt khi gia công Phần lớn các bộ điều khiển hiện đại đều có khả năng bù khe hở và các sai số cơ khí nói trên Tuy nhiên, xác định giá trị các sai số và quy luật thay đổi của chúng là việc làm phải rất tiền và tốn công

Hình 1.3.1.4 Vít me-đai ốc bi

1.Đai ốc bi; 2 Vòng cách; 3 Bi 1.3.1.2 Kết cấu thanh răng/bánh răng

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

Chuyển động theo các trục toạ độ được điều khiển tự động từ chương trình.Trên các máy không đòi hỏi độ chính xác cao, công suất nhỏ thường dùng động cơ bước Trên các máy CNC công nghiệp thường dùng hệ thống điều khiển kín, nghĩa là phải có

hệ thống phản hồi vị trí

1.3.1.3 Động cơ dẫn động

Các loại động cơ dẫn động trên các máy CNC rất đa dạng Mỗi động cơ đều có mạch điều khiển (driver) riêng Các mạch này đều dựa vào nguyên lý điều khiển PID (P-Khâu t lệ, I-Khâu tích phân, D-Khâu vi phân) Tốc độ và vị trí của trục của động cơ servo được định vị nhờ vào kỹ thuật gọi là điều biến độ rộng xung (PWM) Mục này chúng chỉ giới thiệu chung về các loại động cơ mà không đề cập đến các nội dung điều khiển chúng

- Động cơ bước (step motor)

- Động cơ servo một chiều (DC)

- Động cơ tuyến tính

1.3.2 Dẫn động trục chính

Hình 1.3.2.1 Trục chính máy CNC có hệ thống thay dao tự động

Trục chính máy CNC rất phức tạp Thông thường trong lỗ trục chính có hệ thống

để kẹp rút dao với dẫn động bằng khí nén và thủy lực Những máy CNC có hệ thống thay dao tự động, trục chính cần có vị trí chính xác để tay máy có thể lấy dao ra và lắp dao mới vào

Hình1.3.2.2 Bộ biến đổi điện áp và biến tần dùng cho động cơ xoay chiều

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

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

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

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

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

Điều này có thể thực hiện được nhờ sử dụng các loại động cơ điện một chiều Các loại động cơ điện một chiều tuy đắt hơn động cơ xoay chiều và có kích thước lớn hơn vẫn được sử dụng trên các máy CNC để dẫn động trục chính Thời gian gần đây thế giới đã sử dụng hệ thống dẫn động trục chính dựa vào động cơ xoay chiều, gọi là động cơ servo AC, thay đổi tốc độ bằng bộ biến tần Trên hình 1.3.2.2 là một sơ đồ của

bộ biến tần sử dụng mạch điện tử công suất

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

2 pha Đầu ra của bộ biến đổi điện áp nối với bộ biến tần sử dụng thiristor (hình

1.3.2.1 b) Đầu ra của bộ biến tần là dòng xoay chiều ba pha có tần số điều khiển

được

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

Trên máy CNC, tốc độ trục chính cần được điều khiển vô cấp, tự động theo chương trình, trong phạm vi rộng Điều đó rất cần thiết, nhất là khi thay đổi đường kính dao phay hoặc đường kính phôi tiện mà lại cần duy trì vận tốc cắt không đổi Một số công việc, ví dụ gia công ren bằng đầu ta rô cứng, gia công ren nhiều đầu mối, còn đòi hỏi phải định vị chính xác góc trục chính Từ các yêu cầu trên, người ta

sử dụng các loại động cơ dễ điều khiển tự động tốc độ, như động cơ một chiều, xoay chiều đồng bộ Gần đây, nhờ tiến bộ về kỹ thuật điều khiển số, các động cơ không đồng bộ điều khiển bằng biến tần được sử dụng rộng rãi Khi cần định vị góc trục chính, người ta gắn encoder lên trục động cơ (động cơ servo)

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

1.3.3 Dao cắt trên máy CNC

Năng suất và độ chính xác gia công trên máy CNC phụ thuộc rất nhiều vào dao cắt Máy CNC có độ cứng vững rất cao nên có thể sử dụng các thông số cắt lớn hơn so với máy thông thường Chính vì vậy dao cắt trên máy CNC phải đáp ứng được các yêu cầu sau đây:

- Có tính cắt ổn định

- Có khả năng tạo phoi và thoát phoi tốt

- Có tính vạn năng cao để gia công được những bề mặt điển hình của nhiều chi tiết khác nhau

- Có khả năng thay đổi nhanh khi cần thay dao

- Có khả năng điều chỉnh kích thước ngoài vùng gia công khi sử dụng những dụng cụ phụ

Như vậy trong nhiều trường hợp ta không thể sử dụng dao thông thường để gia công trên máy CNC Dao và những dụng cụ phụ để gá kẹp dao trên máy CNC đã được tiêu chuẩn hóa

- Hệ thống kẹp phải có khả năng được điều khiển tự động Ví dụ, trên các máy CNC,

hệ thống kẹp tự động dùng điện cơ, thu lực, khí nén tác động nhanh từ chương trình hoặc từ rô-bốt hay được dùng

- Thường cơ cấu kẹp phôi được nối ghép và làm việc với cơ cấu cấp phôi tự động

- Do máy CNC được sử dụng chủ yếu trong sản xuất nhỏ nên đồ gá phải có tính vạn năng cao, linh hoạt trong tháo lắp Do đó đồ gá thể hiện một số đặc tính của đồ gá gia công nhóm hoặc đồ gá vạn năng - điều chỉnh

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ

2.1 Khái niệm về hệ thống điều khiển số

Điều khiển số (Numerical Control - NC) là một trong những thành tựu quan trọng nhất của những biến đổi trong sản xuất công nghiệp kể từ cuộc cách mạng kỹ thuật công nghiệp lần thứ nhất Ra đời trong những năm đầu của thập kỷ 50 của thế kỷ

XX, công nghệ NC đã trải qua một số mốc phát triển quan trọng cả về phần cứng lẫn phần mềm Ngày nay hàng trăm ngàn máy công cụ NC làm việc trong các phân xưởng của rất nhiều nước trên thế giới Vậy điều khiển số là gì ? Hiệp hội công nghiệp điện

tử (EIA, Mỹ) định nghĩa về NC như “là một hệ thống mà hoạt động của nó được điều khiển bằng dữ liệu số được mã hóa và lưu trữ, được đưa vào trực tiếp tại một thời điểm nào đó Hệ thống này cần biên dịch tự động ít nhất là một phần dữ liệu này” Điều khiển số là tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại, rô-bốt, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi và sản phẩm ) trên cơ sở các dữ liệu dạng chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số ký tự đặc biệt được cung cấp ở dạng mã số nhị phân trong chương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống Ngày nay điều khiển số được hiểu là phương pháp điều khiển quá trình sản xuất nhờ trực tiếp đưa vào máy các lệnh dạng mã số 3 Cũng có thể coi NC là một hình thức thông minh của các hệ thống tự động khả trình (có khả năng lập trình), trong

đó máy công cụ được điều khiển bởi một loạt các lệnh (chỉ dẫn) đã được mã hoá bằng các chữ cái, số, kí hiệu, biểu tượng (symbol) Những lệnh đã mã hoá này được chuyển đổi thành hai dạng tín hiệu điều khiển: tín hiệu ra dạng xung điện và tín hiệu điều khiển dạng đóng/mở (ON/OFF) Các xung điện điều khiển vị trí của dao cắt so với phôi và tốc độ dịch chuyển của nó Chức năng của các tín hiệu ON/OFF bao gồm: điều khiển tốc độ và hướng quay của trục chính, điều khiển đóng mở dung dịch trơn nguội, lựa chọn dao cắt, dừng máy hoặc các tác động khác như tháo và kẹp phôi, tạm dừng

Trong những năm 70 của thế kỷ trước, điều khiển số đã nhanh chóng áp dụng các thành tựu phát triển của kỹ thuật vi điện tử, mạch tích hợp, vi xử lý Những phần cứng chuyên dụng của hệ thống NC to lớn nối cứng đã được thay thế bằng các cụm vi tính và các phần mềm linh hoạt hơn Dung lượng nhớ ngày càng mở rộng, tạo điều kiện lưu trữ trong hệ điều khiển số trước hết là từng chương trình, sau đó là cả thư viện chương trình, lại có thể sửa đổi chương trình đã lập một cách dễ dàng nhờ phần mềm soạn thảo trong hệ điều hành của máy Trong thời gian này giao diện của hệ thống thay đổi triệt để: sử dụng màn hình màu, độ phân giải cao, hiển thị nhiều thông tin; bảng điều khiển truy nhập lệnh trực tiếp, soạn thảo, sửa đổi chương trình Các hệ thống điều khiển số ngày nay cho phép ghép nối mạng cục bộ hay mạng mở rộng để quản lý điều hành tổng thể hệ thống sản xuất

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

Vì thiết bị đọc dữ liệu từ băng đục lỗ của các máy NC được chế tạo từ các linh kiện cơ điện tử hoặc quang điện tử nên chúng rất hư hỏng rất nhanh, không thích hợp với môi trường phân xưởng Hai hướng phát triển để khắc phục tình trạng này như sau:

- Ghi thông tin từ băng đục lỗ lên băng từ

- Sử dụng máy tính trực tiếp điều khiển máy công cụ

Hình 2.1.1.1 Hệ thống điều khiển số trực tiếp DNC

Giữa thập kỷ 60 hai hãng Cincinnati Milacron và General Electric (Mỹ) độc lập nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển số trực tiếp (Direct Numeral Control - DNC), trong đó một số máy NC hoạt động dưới sự điều khiển trực tiếp của một máy tính Hệ thống DNC đã được trình diễn vào năm 1966 Máy tính đặt cách máy phay

NC trên 900 mét (3000 feet), và truyền dữ liệu cho MCU qua đường dây điện thoại Rất nhiều hệ thống DNC đã nhanh chóng phát triển sau đó và được triển lãm năm

1970 Hiệp hội sản xuất máy công cụ quốc gia (National Machine Tool Builders Association - NMTBA, Mỹ) thể hiện hệ thống điều khiển số trực tiếp như trên hình 2.1.1.1, trong đó máy tính dùng chung sẽ lưu trữ và nạp các chương trình gia công cho

máy các máy NC

Hình 2.1.2.2 Mạng của hệ thống điều khiển số phân phối DNC

Hai khả năng mong muốn của các hệ điều khiển CNC là khả năng thực hiện một chương trình từ bộ nhớ và có thể lưu trữ nhiều chương trình khác nhau trong bộ nhớ Điều này làm cho các máy CNC trở nên độc lập so với máy tính chủ Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ máy tính trong những năm 80 của thế kỷ XX và xu thế phát triển trong các ứng dụng DNC đã đưa đến sử dụng mạng máy tính Hình thức này của DNC (thường được gọi là hệ thống điều khiển số phân phối – Distribute Numerical Control) rất khác với những hệ thống DNC trước kia khi mà chỉ có một máy tính chủ được sử dụng (hình 2.1.2.2) Trong các hệ thống điều khiển phân phối, mạng máy tính được sử dụng để phối hợp các hoạt động của một nhóm máy CNC và các thành phần khác như CAD/CAM Hệ thống DNC hiện nay cho ta nhiều khả năng mới để kết nối máy CNC và làm cho mạng máy tính trở nên linh hoạt hơn và hiệu quả hơn Hơn nữa mạng DNC đã trở thành một bộ phận của mạng mở rộng của nhà máy, trong đó tích hợp nhiều thành phần từ khu vực sản xuất (các máy CNC), khu vực thiết

kế (CAD), khu vực chuẩn bị sản xuất (CAM) và khu vực kinh doanh

Một số chức năng mới của hệ thống DNC là:

- Quản lý chương trình gia công

- Bảo mật và soạn thảo chương trình

- Phân phối dữ liệu cho các máy CNC

- Kết nối các máy CNC của các hãng khác nhau

- Cung cấp dữ liệu về dao và gá kẹp cho người điều khiển

- Tổng hợp và quản lý dữ liệu gia công liên quan đến thời gian kết thúc, thời gian gia công, tuổi thọ dao, thống kê chất lượng sản phẩm, số lượng chi tiết đã gia công

Cấu hình cơ bản của một hệ DNC kiểu mới bao gồm có phần cứng và phần mềm

Phần cứng có:

- Máy chủ với cấu hình mạnh, tốc độ cao, bộ nhớ rất lớn

- Các máy tính đầu cuối sử dụng trực tiếp tại xưởng sản xuất Chúng kết nối với máy chủ và với một nhóm máy CNC

- Giao tiếp DNC Đây là các cổng RS-232-C để kết nối máy CNC vào mạng Một số máy NC đòi hỏi có giao tiếp bằng đầu đọc băng đục lỗ

- Dây cáp mạng dùng để truyền dữ liệu trong mạng

2.1.2 Điều khiển số có máy tính (CNC)

Ý tưởng phát triển hệ thống này được hình thành từ hệ thống điều khiển số trực tiếp DNC khi xuất hiện khả năng đưa máy tính vào cụm điều khiển máy công cụ MCU Nhờ các máy vi tính dựa trên các mạch tích hợp nhỏ gọn và các màn hình giá rẻ

mà hệ thống CNC mới trở thành hiện thực: máy vi tính trở thành hạt nhân của MCU

để điều khiển một máy công cụ Hiện nay hầu hết các máy công cụ điều khiển số là máy CNC Các máy CNC có bộ nhớ lớn để chứa nhiều chương trình để gia công và tích hợp nhiều chức năng thông minh khác Máy CNC đọc, lưu và thực hiện toàn bộ chương trình trong bộ nhớ

Chương trình điều hành cơ bản (phần cứng = Hardware) được cài đặt để xử lý nhiệm vụ vốn có của một hệ thống điều khiển số bao gồm:

- Nạp dữ liệu chương trình

- Ghi nhớ các dữ liệu

- Xử lý các dữ liệu để nhận được các chuyển động của máy và các chức năng phụ

- Điều khiển các chuyển động trên máy

- Cụm xử lý trung tâm CPU (Central Procesing Unit) có thể là một cụm vi tính đơn chức (Mono - Microprocesing) hoặc một cụm vi tính đa chức năng (Multi - Microprocesing)

Chương trình hoạt động trên các máy tính này được lập ra từ bảng điều khiển và các cụm tự động lập trình trên máy

Những phần từ khác nhau của hệ thống điều khiển số được tập hợp thành nhóm, được xếp đặt trong một tủ điều khiển gắn liền với bảng phím điều khiển và đầu đọc thông tin

Cấu trúc CNC có thể được môđun hoá như sau:

- Môđun hoá các cụm chức năng điều khiển số và các bộ nối ghép có thể lập trình tự động

- Môđun hoá bảng điều khiển nối ghép hai địa chỉ với hàng loạt quan hệ Cụm này có thể gắn trên cần cônxon di động được

Các môđun nói trên được gắn trực tiếp trên thân máy Nhờ sự giảm tối đa kích thước của các phần tử tự động, đã cho phép thu nhỏ kích thước của cụm CNC và có thể cài đặt thẳng vào bảng điều khiển gắn trên cônxon di động

2.2 Phân loại điều khiển số

- Các hệ thống điều khiển số được phân loại theo:

- Dạng đường chạy dao có thể điều khiển được

- Cấu trúc hệ thống

- Nguồn thông tin điều khiển

- Số trục có thể điều khiển đồng thời

Theo dạng đường chạy dao có thể điều khiển được ta có: điều khiển điểm (point

to point - PTP) và điều khiển đường liên tục (continuouse-path) Theo cấu trúc hệ thống ta có điều khiển NC và CNC Theo nguồn thông tin điều khiển ta có điều khiển

hở và điều khiển kín (có phản hồi) và điều khiển thích nghi Theo số trục có thể điều khiển đồng thời ta có hệ điều khiển 2D, 2,5D và 3D, 4D, 5D

2.2.1 Điều khiển điểm PTP

Các hệ thống điều khiển điểm còn được gọi là hệ thống điều khiển vị trí (positioning) Chức năng chủ yếu của chúng là là dịch chuyển dao từ điểm này đến điểm khác Ví dụ dịch chuyển từ A đến B Có ba cách dịch chuyển khác nhau:

Dịch chuyển dọc theo từng trục toạ độ: Đầu tiên dao dịch chuyển theo trục toạ độ nào

đó (ví dụ theo trục Y đến điểm A', hình 2.2.1.1), sau đó dao mới dịch chuyển đến điểm đích B dọc theo trục toạ độ thứ hai (trục X)

Dịch chuyển thẳng nghiêng 45º : Đầu tiên dao dịch chuyển theo cả hai trục toạ độ X và

Y cho đến khi đạt được toạ độ nào đó của điểm đích (ví dụ YB, tại điểm C, hình

2.2.1.1), sau đó dịch chuyển theo trục toạ độ còn lại (X) để đến điểm đích B

Hình 2.2.1.1 Hệ thống điều khiển PTP

Dịch chuyển theo đường thẳng Hệ thống điều khiển phải đồng bộ các chuyển

động theo hai trục toạ độ sao cho dao dịch chuyển theo đường thẳng từ điểm đầu tới điểm đích Cách này đạt được quãng đường ngắn nhất giữa hai điểm nhưng phải có thiết bị cần thiết để bảo đảm tốc độ dịch chuyển theo các trục để duy trì đường thẳng Như vậy các chi phí có thể không hợp lý đối với những hệ điều khiển điểm đơn giản Hầu hết các ứng dụng của hệ thống điều khiển điểm đều thuộc về các nhóm máy khoan, khoét, doa và đột lỗ Hoạt động của các máy này thường diễn ra trong bốn bước:

- Định vị: Dao dịch chuyển đến vị trí cần thiết nhưng không gia công

- Gia công: Thông thường các chuyển động gia công tiến hành dọc theo trục Z với tốc

độ cắt V, lượng chạy dao s và chiều sâu nào đó

- Lùi dao nhanh: Khi đạt được chiều sâu gia công dao lùi nhanh lên độ cao ban đầu

- Lặp lại chu kỳ: Dao dịch chuyển sang điểm khác và quá trình gia công được lặp lại

cho đến khi kết thúc

Ngoài khả năng địng vị khi gia công lỗ, các hệ thống điều khiển điểm có thể sử dụng để gia công các cạnh thẳng dọc theo các trục toạ độ X và Y và các cạnh thẳng nghiêng 45º khi kiểm soát được tốc độ chạy dao Các hệ điều khiển này thường dùng trên các máy tiện (để tiện bậc) và máy phay đơn giản Các hệ thống điều khiển điểm không thể gia công các biên dạng cung tròn, đường tròn hoặc cạnh thẳng khác 45º Trong trường hợp sai lệch lớn có thể xấp xỉ các cung tròn hoặc đường thẳng bằng các đoạn thẳng ngắn mật độ lớn và lập trình gia công theo các đoạn thẳng này Tuy nhiên chương trình gia công sẽ rất lớn

Theo quan điểm công nghệ thì để giảm thời gian định vị đồng thời vẫn bảo đảm

độ chính xác gia công cần phải sử dụng hệ truyền động phân cấp

Người ta cũng đưa ra nhiều phương pháp tính toán chính xác các cấp độ trung gian nhiều tuỳ ý Vận tốc và thời gian chạy chậm được lựa chọn sao cho độ chính xác định vị nằm trong phạm vi cho phép Trong những hệ điều khiển NC đắt tiền, nhằm nâng cao độ chính xác định vị, số liệu ở giai đoạn quá độ được hệ thống đo thu thập nhằm tính toán hỗ trợ cho các quá trình tiếp theo Cũng cần nói thêm là dẫn động phân cấp được ứng dụng trong các hệ điều khiển khác với mục đích nêu trên Nhằm đạt vận tốc định vị hoặc vận tốc chạy không lớn hơn 10 m/ph, ngoài giải pháp trên người ta đặt

ra những yêu cầu đặc biệt đối với động cơ dẫn động: rôto của động cơ phải có mômen quán tính nhỏ, mômen khởi động lớn phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng (nmin/nmax =

10000)

Hình 2.2.1.2.Điều khiển chạy dao nhanh phân cấp

2.2.2 Điều khiển đường liên tục

Hệ thống điều khiển đường liên tục còn được gọi là điều khiển biên dạng, điều khiển con-tua [1, 2] Hệ điều khiển này phối hợp đồng bộ chuyển động theo các trục toạ độ để tạo ra các đường chạy dao mong muốn (thường là đường thẳng hoặc cung tròn) Điều khiển đường liên tục có khả năng độc lập điều khiển động cơ dẫn động theo những tốc độ khác nhau và theo hướng định trước Quá trình này có thể thực hiện trong hai, ba trục hoặc nhiều hơn Điều khiển đường liên tục có cấu trúc phức tạp vì dẫn động các trục và vận tốc chuyển động phải độc lập với nhau Tất cả các hệ điều khiển đường liên tục có khả năng cắt gọt các biên dạng phức tạp trong mặt phẳng Một

số lớn có thể gia công được các biên dạng ba chiều và một số ít hơn gia công được biên dạng bốn chiều (tuyến tính ba chiều và quay xung quanh trục thứ bốn) Rất ít máy CNC có khả năng đồng thời điều khiển năm hoặc sáu trục Như vậy điều khiển đường liên tục bao hàm cả điều khiển PTP Nó được dùng trên các máy tiện, máy phay, trung tâm gia công, các máy cắt dây (công nghệ tia lửa điện, ăn mòn điện hoá) Hình 2.2.1.2 biểu diễn đường chạy dao khi gia công biên dạng chi tiết trên máy có hệ điều

khiển biên dạng

Hình 2.2.1.2 Quĩ đạo của dao trong hệ điều khiển biên dạng

a) Biên dạng đơn giản; b) Biên dạng phức tạp

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

Thí dụ như trên máy tiện, dao tiện sẽ dịch chuyển trong mặt phẳng XZ để tạo nên đường sinh khi tiện các bề mặt tròn xoay; trên các máy phay 2D, dao phay sẽ thực hiện các chuyển động trong mặt phẳng XY để tạo nên các rãnh hay các mặt có biên dạng bất kỳ

Hình 2.3.1 : Gia công trên hệ thống 2D

2.3.2 Điều khiển 2,5D

Hệ thống này cũng cho phép dao dịch chuyển theo hai trục đồng thời trong một mặt phẳng nào đó để tạo nên một biên dạng, còn trục thứ ba được điều khiển chuyển động độc lập Điều khác biệt của hệ điều khiển này so với điều khiển 2D ở chổ hai trục được điều khiển đồng thời có thể được đổi vị trí cho nhau: có nghĩa là gia công hoặc trong mặt phẳng XY hoặc XZ hoặc YZ Thông qua chức năng G17, G18 và G19 trong chương trình ta có thể chuyển từ mặt phẳng gia công này sang mặt phẳng gia công kia

(hình 2.3.2) Ví dụ gia công trong mặt phẳng XY sau đó - trong mặt phẳng YZ

Hình 2.3.2 Gia công trên hệ thống 2,5D

2.3.3 Điều khiển 3D

Hệ điều khiển 3D cho phép dao cắt dịch chuyển đồng thời trong 3 mặt phẳng để tạo nên một đường cong hay một mặt cong không gian bất kỳ Điều này cũng tương ứng với quá trình điều khiển đồng thời cả ba trục X, Y, Z của máy theo một quan hệ ràng buộc nào đó tại từng thời điểm để tạo nên quỹ đạo của dao theo yêu cầu

Thông thường các trục này có mối quan hệ ràng buộc hàm số Ứng dụng chủ yếu trong gia công khuôn mẫu, các bề mặt phức tạp

Hình 2.3.3 Điều khiển 3D

2.3.4 Điều khiển 4D, 5D

Trong hệ thống này, ngoài các trục tịnh tiến X, Y, Z còn có các trục quay chuyển động trong quá trình gia công theo một quan hệ ràng buộc nào đó tạo ra các bề mặt phức tạp 4D, 5D

Thông thường trên cơ sở của điều khiển 3D, người ta còn bố trí cho dao cắt hoặc chi tiết có thêm một hoặc hai chuyển động quay xung quanh một trục nào đó theo một quan hệ ràng buộc với các chuyển động trên các trục khác của máy 3D Với khả năng như vậy, các bề mặt phức tạp như cánh tua-bin hay các bề mặt có trục quay có thể được thực hiện dễ dàng hơn so với khi gia công trên máy 3D

Mặt khác, vì lý do công nghệ nên có những bề mặt không thể thực hiện được việc gia công bằng 3D vì có thể tốc độ cắt sẽ khác nhau hoặc sẽ có những điểm có tốc

độ cắt bằng không (như tại đỉnh của dao phay cầu) hay lưỡi cắt của dụng cụ không thể thực hiện việc gia công theo mong muốn (ví dụ như góc cắt không thuận lợi hay có thể

bị vướng thân dao vào các phần khác của chi tiết )

Tóm lại, tùy thuộc vào yêu cầu bề mặt gia công cụ thể mà có thể lựa chọn máy thích hợp vì máy càng phức tạp thì giá thành máy càng cao và cần phải bổ sung thêm nhiều công cụ khác như các phần mềm CAD/CAM hỗ trợ lập trình Hơn thế nữa, máy càng phức tạp (càng nhiều trục điều khiển) thì tính an toàn trong quá trình vận hành và sử dụng máy càng thấp (dễ bị va chạm dao vào phôi và máy) Vì thế để sử dụng được các máy này, người điều khiển trước hết đã sử dụng rất thành thạo các máy điều khiển theo chương trình số 2D và 3D

Cũng dễ thấy là máy phức tạp hơn có thể hoàn toàn đảm nhiệm được vai trò của

máy đơn giản hơn, ví dụ như máy 3D có thể đảm nhiệm cho máy 2D và 2,5D

2.3.5 Điều khiển NC và CNC

Hệ thống NC thường được gọi là hệ thống điều khiển cứng Các thuật toán điều khiển do các bo mạch điện tử tích hợp cỡ trung bình thực hiện Các mạch điện này được lắp ráp trên các mạch in và liên kết với nhau do đó cũng có thể gọi NC là hệ

thống điều khiển có cấu trúc cố định Điều này thấy rất rõ là không thể hoặc rất khó khăn bổ sung thêm chức năng điều khiển mới Một đặc điểm của các hệ thống này là các tín hiệu điều khiển đều có dạng xung điện áp Mỗi một xung tạo ra dịch chuyển một đơn vị lập trình hay một đơn vị chiều dài cơ sở BLU (Basic Length Unit) Số lượng xung xác định chiều dài dịch chuyển còn tần số phát xung qui định tốc độ dịch chuyển theo trục nào đó Một đặc trưng quan trọng nữa của hệ thống NC là chúng không có bộ nhớ chương trình gia công Chương trình gia công thường được lưu trữ trên băng đục lỗ truy nhập vào NC từng câu lệnh một Thực hiện xong câu lệnh này mới đọc câu lệnh tiếp theo, cứ như vậy cho đến hết chương trình gia công Sau khi băng đục lỗ cần cuốn ngược lại xong thì mới bắt đầu gia công chi tiết tiếp theo

Hệ thống CNC là hệ thống mềm dẻo vì chúng sử dụng máy tính và bộ nhớ ROM

và RAM để điều khiển máy Do sử dụng máy tính nên đã loại trừ được nhiều mạch điện chuyên dùng như mạch nội suy hay các mạch rơ-le Tín hiệu điều khiển của CNC

là tín hiệu số nhị phân dạng WORD WORD gồm 16, 32 hoặc 64 bít phụ thuộc vào loại CHIP vi xử lý của máy tính Mỗi một bít dữ liệu làm chuyển dịch một đơn vị dài

cơ sở BLU Nhờ sức mạnh của công nghệ máy tính mà nhiều tính năng điều khiển

khác được bổ sung vào hệ thống CNC

Hình 2.3.5.1 Sơ đồ điều khiển hở (open loop)

Hệ thống điều khiển số kiểm soát cả vị trí và tốc độ dịch chuyển của các cơ cấu chấp hành của máy công cụ Mỗi một trục chạy dao đều có hệ thống dẫn động chạy dao riêng để thực hiện các lệnh điều khiển từ MCU Chạy dao trên máy công cụ CNC

có thể làm việc theo nguyên tắc điều khiển hở (open-loop) và điều khiển kín loop) Điều khiển mạch hở không có hệ thống phản hồi để kiểm soát vị trí và tốc độ dịch chuyển của bàn máy Do đó độ chính xác vị trí trên các máy này không cao

(closed-(khoảng 0,025 mm) và chỉ áp dụng cho các hệ thống điều khiển điểm khi môment cản không biến đổi lớn, hoặc các hệ thống học tập Hệ thống điều khiển hở thường sử dụng động cơ bước và vít me đai ốc bi Vì công suất động cơ bước không lớn nên các máy

NC thường lắp thêm bộ khuyếch đại thu lực Sơ đồ này dùng van điều khiển thu lực, động cơ thu lực, bộ truyền trục vít và mối ghép then hoa Dẫn động quay từ động cơ bước qua đai ốc làm dịc chuyển trục vít và con trượt của van điều khiển Con trượt của van điều khiển trở về vị trí ban đầu qua động cơ thu lực, mối ghép then hoa Cũng có thể sử dụng xi lanh thu lực thay thế cho động cơ thu lực Một ứng dụng thường gặp của điều khiển hở là trên các máy CNC dùng cho đào tạo

Hình 2.3.5.2 Sơ đồ điều khiển hở có sử dụng khuyếch đại thuỷ lực

Trong các máy công cụ cắt gọt kim loại, các điều kiện bảo đảm lực cản ổn định thường không có được vì tồn tại hàng loạt các đại lượng ảnh hưởng và tác động đến lực cản (độ cứng của chi tiết; lượng dư gia công không đều; trạng thái gia công như

ma sát, bôi trơn, nhiệt độ cũng thay đổi ) Vì vậy các máy CNC hầu như chỉ ứng dụng chạy dao mạch kín có phản hồi của hai thông số: vị trí và tốc độ

Hệ thống phản hồi đo vị trí và tốc độ thực của cơ cấu chấp hành (bàn máy) rồi gửi vào bộ so sánh hoặc bộ đếm ngược của hệ thống dẫn động chạy dao Hệ thống này

so sánh giá trị cần (từ MCU) và giá trị thực về vị trí và tốc độ để đưa ra tín hiệu lỗi Tín hiệu này là đại lượng điều khiển động cơ dẫn động chạy dao Một hệ thống phản hồi thường sử dụng để xác định vị trí dạng encodes hay resolver và xác định tốc độ

dạng tachometer (hình 2.3.5.3)

Hình 2.3.5.3 Sơ đồ điều khiển kín, có phản hồi (closed loop)

2.3.6 Điều khiển thích nghi

Hệ điều khiển thích nghi (Adaptive Control) là hệ thống điều khiển có tính đến tác động bên ngoài của hệ thống công nghệ để điều chỉnh quá trình gia công (ví dụ thay đổi chế độ công nghệ) nhằm loại bỏ ảnh hưởng của các yếu tố đó tới độ chính xác gia công

Hệ thống điều khiển thích nghi có thể ổn định được kích thước gia công, công

suất cắt, mômen cắt hay nhiệt độ cắt

Hình 2.3.6.1 Sơ đồ phay có chiều sâu cắt (a) và chiều rộng cắt (b) biến đổi tăng

Trên hình 2.3.6.1 là sơ đồ phay bề mặt có chiều sâu cắt thay đổi tăng (hình a) và chiều rộng cắt thay đổi tăng (hình b) Khi đó lượng chạy dao sẽ biến thiên như trên hình c

Hình 2.3.6.2 Sơ đồ tiện có điều khiển thích nghi

Trên hình 2.3.6.2 là một ứng dụng của điều khiển thích nghi Nhiệt độ của bề mặt gia công được đo rồi đưa vào cụm điều khiển Tùy thuộc nhiệt độ mà cụm điều khiển xuất tín hiệu điều khiển máy nhằm giảm sai số của đường kính gia công

Ưu điểm của điều khiển thích nghi là:

- Tối ưu hóa các quá trình gia công

- Nâng cao độ chính xác gia công

- Giảm thiểu tác động của các yếu tố bên ngoài (rung động, nhiệt cắt, sự không đồng đều của phôi liệu…)

2.4 Phần cứng của hệ thống điều khiển số

Các máy điều khiển số gồm 6 thành phần cơ bản sau đây:

- Chương trình gia công

- Thiết bị truy nhập chương trình gia công

- Cụm điều khiển máy

- Hệ thống dẫn động

- Máy công cụ

- Hệ thống phản hồi

2.4.1 Cụm điều khiển máy MCU

Để thực hiện quá trình gia công máy NC và CNC cần phối hợp tốt phần cứng

và phần mềm Hệ thống NC thực hiện quá trình điều khiển bằng các bo mạch điện tử chức năng, trong khi đó hệ thống CNC làm việc đó bằng sức mạnh của máy tính Vì hiện nay các hệ thống điều khiển số đều là CNC nên mục này chỉ trình bày các phần cứng và phần mềm của máy CNC

Cụm điều khiển máy MCU là hạt nhân của hệ thống CNC Nó phối hợp tất cả các hoạt động của máy công cụ, bao gồm truy nhập dữ liệu, xử lý dữ liệu, xuất dữ liệu và các giao tiếp vào/ra khác của máy

Hình 2.4.1 Sơ đồ cấu trúc cụm điều khiển máy MCU

MCU có thể được chia thành bộ xử lý trung tâm DPU (Data Processing Unit - DPU) và bộ điều khiển lặp CLU (Control Loop Unit - CLU) Nhiệm vụ của DPU là đọc chương trình gia công, xử lý (giải mã) các câu lệnh trong chương trình, truyền các

dữ liệu liên quan đến vị trí, tốc độ dịch chuyển và các chức năng phụ khác cho CLU CLU thực hiện quá trình nội suy trên cơ sở dữ liệu nhận được từ DPU và phát ra các tín hiệu điều khiển gửi đến mạch khuyếch đại của dẫn động chạy dao, nhận tín hiệu về

vị trí và tốc độ đến từ hệ thống đo phản hồi, thực hiện các chức năng phụ như đóng/mở

hệ thống làm mát, thay dao cắt

2.4.1.1 Truy nhập dữ liệu

Chức năng này bao gồm đọc dữ liệu từ vật mang tin và lưu trữ dữ liệu số mô tả đường chạy dao và các điều kiện gia công

2.4.2.2 Xử lý dữ liệu

Các dữ liệu được thu thập, được mã hoá và được lưu trữ trong vùng nhớ đệm

Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit - CPU) thực hiện các tính toán kích thước, tốc độ chạy dao, tốc độ cắt, bù bán kính dao, bù kích thước dao Các dữ liệu rời rạc cần để điều khiển đóng/mở hệ thống làm mát và các giao tiếp vào/ra khác của máy Kết quả tính toán của CPU là dữ liệu số sẵn sàng chuyển sang mạch điều khiển động

cơ dẫn động (drive) và các bộ phận khác của máy công cụ

2.4.2.3 Xuất tín hiệu điều khiển

Các tín hiệu về vị trí và tốc độ chạy dao được chuyển đến mạch điều khiển để tạo ra và khuyếch đại tín hiệu điều khiển các động cơ dẫn động

2.4.2.4 Giao tiếp vào/ra của máy

Các dữ liệu rời rạc cần thiết để điều khiển chiều quay của trục chính, đóng/mở

hệ thống làm mát và các chức năng khác như dừng khẩn cấp, bắt đầu chu trình

Cụm điều khiển máy MCU có các thành phần sau:

- Bộ vi xử lý CPU

- Bộ nhớ

- Cổng giao tiếp

- Bo mạch điều khiển (drive) dẫn động chạy dao

- Bo mạch điều khiển (drive) dẫn động trục chính

Cụm điều khiển thực hiện các chức năng sau:

- Phối hợp và điều khiển tất cả các chức năng của máy tính

- Gửi và mã hoá dữ liệu ở trong RAM và ROM của bộ nhớ chính

- Gửi các tín hiệu đến các bộ phận khác của hệ thống điều khiển để thực hiện

Cụm tính toán lôgíc số học thực hiện các chức năng sau:

- Thi hành các tính toán số học như cộng, trừ, nhân và đếm cần thiết

- Thực hiện các phép tính lôgíc như so sánh, phân nhánh và lặp

Bộ nhớ trung gian lưu dữ liệu và kết quả tạm thời của quá trình tính toán

2.4.3 Bộ nhớ ROM và RAM

Bộ nhớ trung gian (bộ nhớ trong) cung cấp cho CPU không gian rất hạn chế Hệ điều khiển CNC cần bộ nhớ lớn hơn nhiều để lưu trữ chương trình gia công, các chương trình của hệ điều hành CNC và dữ liệu xử lý Bộ nhớ của máy tính chia thành hai loại: bộ nhớ trong (chính) và bộ nhớ ngoài (phụ) Bộ nhớ trong có: ROM (Read-Only Memory - ROM) và RAM (Random-Access Memory - RAM) ROM là bộ nhớ

mà CPU chỉ có thể đọc Các chương trình giao tiếp và điều hành được lưu giữ trong ROM và không bị xoá (mất) khi tắt điện RAM là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên Nó có thể được CPU đọc, xoá và ghi lại Khi tắt điện thông tin trong RAM sẽ bị mất

Bộ nhớ ngoài thường là dạng đĩa: đĩa cứng và đĩa mềm và CD-ROM Đĩa mềm dùng để trao đổi dữ liệu từ máy tính này đến máy tính khác Đĩa cứng lắp bên trong MCU và có dung lượng lớn để chứa các chương trình phần mềm ứng dụng khác nhau Các phần mềm, chương trình gia công được lưu trữ ở dạng không hoạt động và khi cần mới đưa chúng vào RAM để sử dụng

Bộ nhớ bọt (bubble) từ hoá cũng là một dạng bộ nhớ được sử dụng ngày càng rộng rãi trên các máy CNC tuy tốc độ truyền dữ liệu của loại bộ nhớ này không lớn bằng bộ nhớ RAM Bọt từ hoá là các hạt tinh thể đá garnet nhiễm từ gắn trên màng mỏng không nhiễm từ Do có dung lượng nhớ lớn, lại không phụ thuộc vào điện áp nguồn mà bộ nhớ bọt từ hoá được sử dụng để lưu trữ các chương trình gia công, chương trình điều khiển và các thủ tục kiểm tra

2.4.4 Các thành phần giao tiếp khác

CPU cần kết nối với các thành phần khác trong hệ thống CNC Xương sống của các kết nối là đường truyền hệ thống (BUS System) Nhờ BUS hệ thống mà dữ liệu được gửi đi và tiếp nhận giữa các thành phần khác nhau trong hệ thống CNC Người

sử dụng cần ba thành phần giao tiếp cơ bản sau đây:

- Hiển thị

- Panel (bảng) điều khiển

- Xuất/nhập chương trình gia công

2.4.4.1 Hiển thị

Hiển thị gồm màn hình thường là loại ống tia âm cực Cathode Ray Tube - CRT,

và một số chỉ thị ánh sáng, loại đèn sợi đốt hoặc diode phát quang (Light-Emitting Diode -LED) Chúng hiển thị những thông tin khác nhau như:

- Chương trình gia công đang thực hiện

- Vị trí toạ độ của dao trên các trục

- Đường chạy dao

2.4.2.2.Bảng điều khiển

Hình 2.4.4 Bảng điều khiển của 1 máy CNC

Bảng điều khiển (hình 2.4.4) là phương tiện để người sử dụng giao tiếp với hệ thống điều khiển Các chức năng mà nó thực hiện chia thành nhóm nhóm: điều khiển máy và điều khiển chương trình gia công Điều khiển máy sử dụng công tắc đóng/mở (ON/OFF), chuyển mạch chọn, nút ấn, tay quay điện tử (Electronic handwheel) và các công tắc quay thay đổi tốc độ chạy dao

Các hoạt động của bảng điều khiển bao gồm đóng/mở trục chính, đóng mở hệ thống làm mát, chạy từng câu lệnh đơn lẻ, chạy khô (chạy không gia công), chọn chế

độ gia công, chọn trục dịch chuyển, thay đổi tốc độ chạy dao và trục chính Trên bảng điều khiển còn có bàn phím để nhập, sửa, nạp chương trình gia công

2.4.2.3 Nhập và xuất chương trình gia công

Phương pháp nhập chương trình gia công từ bàn phím như trên gọi là phương pháp lập trình trên máy (thủ công) Chương trình gia công chứa trên các loại vật mang tin khác như bìa đục lỗ, băng đục lỗ, đĩa từ, băng từ, đĩa CD-ROM cần những thiết bị chuyên dùng để truy nhập vào RAM của CPU Các thiết bị truy nhập có thể là cổng kết nối RS-232-C (kết nối với máy tính), đầu đọc băng đục lỗ, đầu đọc băng từ, ổ đĩa mềm, USB Các thiết bị này kết nối với BUS hệ thống của CPU qua mạch (card) giao tiếp vào/ra (Input/Ouput - I/O)

2.4.5 Bộ điều khiển máy khả trình PMC

Tín hiệu điều khiển do CNC tạo ra có hai dạng: tín hiệu số và tín hiệu liên tục Tín hiệu số mô tả dữ liệu vị trí, dữ liệu vận tốc, dữ liệu bù đường kính và bù kích thước dao còn các tín hiệu liên tục được sử dụng để thực hiện nhiều tác động từ máy công cụ, thực chất đây là các tín hiệu rời rạc và cũng cần đến khả năng xử lý của máy tính Để xử lý các tín hiệu này, hệ thống điều khiển CNC đòi hỏi số lượng cổng vào/ra vượt quá khả năng của máy tính Do đó hệ điều khiển của các máy CNC hiện đại đều

được bổ sung thêm phần cứng là bộ điều khiển lôgíc khả trình PLC thực hiện các tín hiệu liên tục Bộ PLC này thường được gọi bộ điều khiển máy khả trình PMC (Programmable Machine Controler - PMC)

Các chức năng chủ yếu của PMC là:

- Điều khiển tự động thay thế dao

- Điều khiển tự động hệ thống làm mát

- Điều khiển tự động hệ thống kẹp chi tiết (đồ gá)

- Giao tiếp với các công tắc giới hạn (không gian làm việc của máy)

- Tính thời gian

- Dừng máy khẩn cấp

- Khoá máy

- Giao tiếp vào/ra của CNC

- Giao tiếp vào/ra của máy công cụ

- Các chức năng khác

Hình 2.4.5 Chức năng và vị trí của bộ điều khiển máy khả trình PMC trong CNC