Sự khẳng định chất lượng các bộ controller cnc được chế tạo trong nước QUALITY AFFIRMATION OF DOMESTICALLY MANUFACTURED CNC CONTROLLERS Ngô Kiều Nhi, Nguyễn Dương Thụy, Trần Minh Cường
Trang 1Sự khẳng định chất lượng các bộ controller cnc
được chế tạo trong nước QUALITY AFFIRMATION OF DOMESTICALLY MANUFACTURED CNC
CONTROLLERS
Ngô Kiều Nhi, Nguyễn Dương Thụy, Trần Minh Cường, Hồ Hồng Sơn Phòng Thí Nghiệm Cơ Học ứng Dụng - Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
Tóm tắt
Bắt đầu từ bộ Controller điều khiển máy tiện bằng động cơ bước được chế tạo thành công lần đầu tiên vào năm 1996,
đến nay Phòng Thí Nghiệm Cơ Học ứng Dụng - Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM (PTNCHUD) đã chuyển giao trên 30
bộ Controller điều khiển máy phay, máy tiện bằng động cơ servo phục vụ nâng cấp hay thay thế các bộ Controller nước ngoài các chủng loại khác nhau Từ điều khiển 2 trục sang 3 trục, 4 trục, từ bộ điều khiển bằng Controller đến phối hợp với PLC để thực hiện các chức năng khác nhau, đến nay PTNCHUD đã cung cấp các máy công cụ nâng cấp sang CNC
điều khiển bởi máy tính (PC - based) cho các cơ sở sản xuất khuôn nhựa, các trường học tại TP.HCM, tại Đà Nẵng, Hà Nội
Abstract
Since the first controller in 1996 which controls lathe by step motors, the Laboratory of Applied Mechanics - Hochiminh University of Technology has manufactured over 30 controllers for fraises and lathes by servo motors which served enhancing or replacing foreign controllers There are various types of controller, from 2 axes controlling to 3 axes, 4 axes; from controlling by controller to combining with PLC to perform diversified functions Now, the Laboratory of Applied Mechanics has supplied machines enhanced to PC-based CNC controller for manufactories, schools in Hochiminh , Danang and Hanoi
I nhu cầu chế tạo
Cùng với chủ trương của Đảng về Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa thì bản thân nền kinh tế thị trường đã thúc đẩy các doanh nghiệp cần có các thiết bị hiện đại cho phép thay đổi quy trình công nghệ để nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm Từ những năm 94, 95 tại TP.HCM đã bắt đầu xuất hiện các máy công cụ kỹ thuật số, chủ yếu là máy phay, được gọi ngắn gọn là máy CNC Kèm theo
đó là nhu cầu đào tạo nhân lực biết sử dụng máy CNC xuất hiện, buộc các trường Đại Học, các trường dạy nghề phải nghĩ đến chuyện trang bị máy CNC để dạy cho học viên Tuy nhiên giá của máy CNC hết sức cao so với khả năng tài chính của đại đa số các doanh nghiệp và cơ sở đào tạo tại Việt Nam Xu hướng chính của giới khoa học kỹ thuật trong việc tìm kiếm giải pháp giảm gánh nặng tài chính trang bị máy CNC là tận dụng các máy công cụ hiện có Vấn đề còn lại là bộ điều khiển tự động kỹ thuật số (gọi tắt là bộ CNC hay bộ Controller CNC ký hiệu CNC) Biện pháp tình thế được thỏa mãn bằng cách dùng các bộ CNC của nước ngoài Tuy nhiên khi các hãng nước ngoài thay đổi loại mới thì biện pháp này gặp khó khăn không vượt qua được về linh kiện thay thế Biện pháp mang tính căn cơ hơn là chủ động nghiên cứu để chế tạo các bộ CNC Biện pháp này đã được Phòng Thí Nghiệm Cơ Học ứng Dụng – Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM (PTNCHUD) triển khai từ năm 1995
ii các giai đoạn phát triển nghiên cứu
Cho đến nay, công trình nghiên cứu chế tạo hoàn toàn tại Việt Nam các bộ CNC đã trải qua các giai
đoạn: chế tạo thử nghiệm, hoàn thiện thêm, triển khai ứng dụng vào công nghiệp, mở rộng phạm vi lĩnh vực ứng dụng như sau:
2.1 Giai đoạn chế tạo thử nghiệm (1996 - 1998)
Mục tiêu nghiên cứu là thử nghiệm khả năng điều khiển đồng thời từ 2 đến 3 trục của máy công cụ,
cụ thể là máy cắt dây, máy tiện, máy phay Các vấn đề trọng tâm cần giải quyết:
- Phần cứng: điều khiển và phối hợp hoạt động của các động cơ Step
- Phần mềm: lập chương trình điều khiển cho phép giao tiếp sử dụng dữ liệu NC program do các phần mềm CAD/CAM tạo ra, tự soạn thảo các NC – program với dung lượng tối đa 64KB, giả lập
đường chạy dao trên màn hình đồ họa 2 - 3 chiều để kiểm tra dữ liệu và phạm vi chạy bàn trước khi gia công thực tế, tính trước thời gian gia công
Trang 2Các bộ CNC trong giai đoạn này chủ yếu được điều khiển bởi môtơ bước Thị trường sử dụng là các trường học Các máy đã được chuyển giao trong giai đoạn này là:
- Mô hình dạy học máy phay (ký hiệu Supermill), mô hình dạy học máy tiện (ký hiệu Superture):: Trường Trung Học Kỹ Thuật Công Nghiệp 4, Trường Kỹ Thuật Cao Thắng, Phân viện Kỹ Thuật Phổ Thông, Trường Cao Đẳng Sư Phạm Kỹ Thuật Công Nghiệp, mỗi trường 1 máy phay 1 máy tiện Các đặc tính kỹ thuật của máy khi lắp với CNC được chế tạo như sau:
2.1.1 Máy phay
a- Phần cơ khí:
- Loại: máy phay đứng 3 trục điều khiển bằng động cơ bước (Step Motor)
- Kích thước bàn máy: 730mm x 210mm
- Hành trình chạy dao (X x Y x Z): 400mm x 170mm x 120mm
- Lượng chạy dao tối đa: 300mm/phút
- Nguồn điện sử dụng: 1 pha – 220V – 50Hz
b- Phần điều khiển:
- Điều khiển 3 trục đồng thời, có các lệnh điều khiển nội suy đường thẳng, cung tròn, đường xoắn ốc trụ và các mã lệnh G – M thông dụng khác
- Có thể giao tiếp sử dụng mã lệnh các phần mềm CAD/CAM tạo ra
- Cho phép biên soạn lập trình điều khiển trực tiếp trên máy theo mã G – M
- Mô phỏng giả lập đường chạy dao bằng đồ họa trước khi gia công
2.1.2 Máy tiện
a- Phần cơ khí:
- Loại: máy tiện 2 trục điều khiển bằng động cơ bước (Step Motor)
- Hành trình chạy dao (X x nZ): 75mm x 400mm
- Lượng chạy dao tối đa: 300mm/phút
- Độ phân giải kích thước: 0.005mm
- Nguồn điện sử dụng: 1pha – 220V – 50Hz
b- Phần điều khiển:
- Điều khiển 2 trục đồng thời, có các lệnh điều khiển nội suy đường thẳng, cung tròn, và các mã lệnh G – M thông dụng khác
- Có thể giao tiếp sử dụng mã lệnh do các phần mềm CAD/CAM tạo ra
- Cho phép biên soạn lập trình điều khiển trực tiếp trên máy theo mã G – M
- Mô phỏng giả lập đường chạy dao bằng đồ họa trước khi gia công
Cho đến nay các máy trên vẫn hoạt động tốt Ưu điểm của việc dùng các máy loại này cho viêc đào tạo như sau:
- Học viên được vận hành trực tiếp máy
- Phần giao diện được viết phù hợp với năng lực nhận thức của người học ở mọi trình độ nhờ có nhiều hình ảnh, dữ liệu trực quan
- Khi có sự cố hư hỏng thì việc bảo trì của đơn vị cung cấp (tức PTNCHUD) kịp thời, dễ dàng
2.2 Giai đoạn hoàn thiện triển khai ứng dụng vào công nghiệp (1999 - 2001)
Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo bộ CNC điều khiển máy công cụ trên cơ sở động cơ Servo và kiểm nghiệm sự đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cho sản xuất Trong giai đoạn này 15 máy công cụ của các cơ
sở khác nhau đã được nâng cấp bằng các CNC do PTNCHUD cung cấp (ký hiệu LAME – 200n – M, với n là 0, 1 tùy năm chuyển giao là năm 2000 hay 2001)
Các cơ sở trên thuộc các dạng sở hữu khác nhau: nhà nước, tư nhân; tại các thành phố lớn: TP.HCM,
Hà Nội, Đà Nẵng Có thể kể một số đơn vị điển hình như sau:
- Công Ty Chế Tạo Máy SINCO
- Công Ty Cơ Khí Khuôn Mộu và ép Nhựa CKE (2 bộ)
- Trường Cao Đẳng Công Nghệ - ĐHQG Đà Nẵng (thuộc nhà nước)
- Cơ sở Cơ Khí và Nhựa Ngọc Hoa (3 bộ)
- Công Ty TNHH Cơ Khí Tân Hòa (tại Ba Đình – Hà Nội)
- Cơ sở Dương Bội Chí (2 bộ)
-
Trang 3Các đặc tính kỹ thuật của CNC nhãn hiệu LAME – 2000 – M như sau:
♦ Số trục điều khiển: 3 trục X, Y, Z được điều khiển chuyển động đồng thời;
♦ Tăng giảm tốc tự động cho tất cả lệnh chuyển động;
♦ Hệ thống điều khiển servo (closed-loop) vị trí theo nguyên lý PIVF (tuyến tính –tích phân và velocity feed forward) cho các động cơ AC/DC servo;
♦ Hệ thống điều khiển hai vị trí (phần chọn lựa);
♦ Tốc độ chạy dao nội suy đạt tới 1,5m/phút (độ phân giải kích thước 1(m);
♦ Có khả năng tự kiểm tra hệ thống điều khiển và báo lỗi
dao thực tế trên không gian làm việc của bàn máy;
không gian làm việc của bàn máy và trên hình chiếu trục đo (3 chiều) để kiểm tra trước khi gia công thực tế;
♦ Ước tính trước thời gian gia công bằng giả lập;
64KB;
đường truyền nối tiếp RS-232 Dung lượng và số chương trình lưu trong bộ điều khiển không hạn chế
trong 3 mặt phẳng chính (G17, G18, G19);
♦ Có thể dùng mã R (bán kính) hoặc I, J, K (tâm) khi nội suy tròn và xoắn ốc;
♦ Người sử dụng có thể đặt 6 hệ tọa độ gia công G54 – G59;
♦ Người sử dụng có thể đặt thông số bù dao (bán kính, offset dài) cho 9 dao
2.3 Giai đoạn mở rộng chức năng của CNC và lĩnh vực ứng dụng (từ 2001- đến nay)
Hiện nay trên thị trường nhập ồ ạt các xác máy công cụ của nước ngoài với các nhãn hiệu khác nhau của các nước khác nhau và với các chức năng phụ khác nhau Vấn đề kỹ thuật yêu cầu đối với bộ CNC chế tạo trong nước là phải thỏa mãn các yêu cầu đa dạng đó Có thể kể ra một số đặc tính kỹ thuật yêu cầu trong quá trình gắn các bộ LAME – 200n – M cho một số loại nhãn máy như sau:
Trong giai đoạn này (tức từ năm 2001 đến nay) đã có trên 10 máy phay, tiện với các yều cầu điều
Trang 4khiển khác nhau: nâng số trục điều khiển lên hơn 3, điều khiển PLC ngoại vi, thay dao tự động với
số lượng dao lớn đã được nâng cấp bằng bộ LAME – 2001 – M và LAME – 2002 - M
Trên các Hình 1, 2 là hình ảnh một số tủ CNC và một số máy được nâng cấp
a) Boọ ủieàu khieồn CNC Controller LAME – 2001 – T b) Boọ ủieàu khieồn CNC Controller LAME – 2002 –
M
Hình 1: Bộ điều khiển CNC
Hình 2: Bộ điều khiển CNC chuyển giao cho các cơ sở Bên cạnh các máy công cụ (cắt tia lửa điện, phay, tiện) thì LAME – 200n – M được sử dụng để nâng cấp các loại máy khác: máy in ống đồng THINK – LAB, máy cắt bao bì, máy đục lỗ dệt,
iii các nhận định và đề xuất
Trong vòng 6 năm qua đã có trên 30 bộ CNC mang nhãn hiệu LAME – 200n – M được lắp đặt tại các cơ sở sản xuất khác nhau, điều này đã khẳng định được sự thừa nhận của thị trường đối với sản phẩm Mặc dù còn cần phải cải tiến liên tục trước các yêu cầu ngày càng nhiều và khắt khe hơn, song LAME – 2000 – M đã đạt được mục tiêu thuyết phục các doanh nghiệp trong nước sử dụng mình Có được thành quả trên là nhờ những nguyên nhân sau:
- Đạt được chất lượng theo yêu cầu kỹ thuật hiện nay trong giới sản xuất tại Việt Nam
- Đáp ứng được các nhu cầu điều khiển đa dạng do việc nhập các chủng loại máy rất khác nhau
- Bảo trì tốt, không bị động về linh kiện, cán bộ kỹ thuật bảo trì luôn đáp ứng các nhu cầu khắt khe của các cơ sở sản xuất về thời gian
- Giá cả hợp lý Nhờ yếu tố này mà nhiều cơ sở sản xuất quy mô nhỏ, đồng vốn ít cũng có được các máy điều khiển tự động Trong số 30 máy đã được nâng cấp bởi LAME – 200n – M thì trên 20 chiếc (tức chiếm 2/3) thuộc các cơ sở tư nhân Việc phổ cập hóa các máy tự động đến các doanh nghiệp vừa và nhỏ là một nhu cầu cần đạt của chương trình Tự động hóa – Hiện đại hóa
Trang 5Nội dung tự động hóa các thiết bị công nghiệp có thể cho rằng gồm các bài toán cần giải quyết như sau:
a- Chế tạo máy (chế tạo cơ khí máy)
b- Chế tạo bộ điều khiển CNC
c- Vạch ra quy trình công nghệ
Hiện nay biện pháp giải quyết để điều khiển máy các cơ sở sản xuất quy mô khác nhau đặc biệt quy mô vừa và nhỏ có được máy CNC là nhập xác máy đã qua sử dụng với bộ điều khiển hư hỏng hay không còn thích hợp do thuộc thế hệ cũ, không còn linh kiện thay thế
Trên các xác máy đó, PTNCHUD cải tạo thêm phần cơ khí, loại toàn bộ phần điều khiển cũ, và lắp
đặt LAME – 2002 – M vào Thực tế cho thấy việc chế tạo cơ khí phần máy hiện nay nền công nghiệp Việt Nam chưa làm được Vậy có nên chăng chương trình Tự Động Hóa nên coi trọng phần công nghệ gia công cơ khí để đủ sức chế tạo các chi tiết khác nhau một cách đồng bộ sao cho tổ hợp thành một cái máy có đầy đủ điều kiện cho phép lắp các bộ CNC vào
Vấn đề quy trình công nghệ để điều khiển chương trình làm việc của máy tự động cũng là một vấn
đề lớn cần đặc biệt quan tâm
Mặt khác, quy trình công nghệ gia công trên máy điều khiển tự động khác hẳn đối với máy do nguồn công nhân tự thao tác điều khiển các chuyển động Nừu quy trình công nghệ trước đây được như một khoa học thành ra một môn học thì thiết nghĩ quy trình công nghệ gia công khi sử dụng công cụ CNC cũng phải được vạch ra một cách chuẩn mực
Cả 3 bài toán trên cần được giải quyết ở ngang tầm nhau thì mới phối hợp được nguồn tài nguyên về kinh phí NCKH, về thành quả đã đạt được Vì vậy thiết nghĩ chương trình Tự động nên xem xét, bổ sung lực lượng vào giải quyết 2 bài toán (a) và (c) trên