Giáo trình Điều khiển số máy công cụ - Đào Văn Hiệp

81 trang cucquyet12 3580

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Điều khiển số máy công cụ - Đào Văn Hiệp", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_dieu_khien_so_may_cong_cu_dao_van_hiep.pdf

Nội dung text: Giáo trình Điều khiển số máy công cụ - Đào Văn Hiệp

Đào Văn Hiệp Điều khiển số máy công cụ (Bài giảng) Hà Nội, 8-2009
Mục lục Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiển số máy công cụ 1 1.1. Khái quát về điều khiển quá trình công nghệ 1 1.1.1. Điều khiển quá trình công nghệ với máy công cụ truyền thống 3 1.3.2. Điều khiển quá trình công nghệ với máy tự động 3 1.3.3. Điều khiển thích nghi quá trình công nghệ 4 1.2. Các dạng điều khiển tự động máy công cụ 4 1.2.1. Điều khiển bằng cam 6 1.2.2. Điều khiển theo mẫu 6 1.2.3. Điều khiển nhờ bảng cắm 7 1.2.4. Điều khiển theo ch−ơng trình số 8 1.3. Điều khiển số máy công cụ 8 1.3.1. Khái niệm điều khiển số 8 1.3.2. NC và CNC 13 1.3.4. Trung tâm gia công CNC 17 1.3.5. Điều khiển số trực tiếp 20 1.4. Lịch sử phát triển của máy NC 22 1.4.1. Sự ra đời và phát triển của máy NC 22 1.4.2. Các giai đoạn phát triển 25 1.5. Các −u, nh−ợc điểm của máy CNC 26 1.5.1. Các −u điểm của máy CNC 27 1.5.2. Các nh−ợc điểm của CNC 32 1.6. H−ớng sử dụng và phát triển máy CNC 33 1.6.1. Lựa chọn và sử dụng hợp lý máy CNC 33 1.6.2. Điều khiển thích nghi máy CNC 36 1.6.3. Máy có cấu hình thay đổi đ−ợc 41 Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 45 2.1. Nguyên tắc điều khiển CNC 45 2.1.1. Các ph−ơng pháp nội suy 46 2.1.2. Các kiểu điều khiển 48 2.3. Đặc điểm kết cấu và điều khiển các hệ thống 50 2.3.1. Hệ thống điều khiển trục chính 50 2.3.2. Hệ thống điều khiển chạy dao 51 2.3.3. Thiết bị gá kẹp chi tiết 54 2.3.4. Hệ thống thay dao tự động 55 Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 59 3.1. Các chế độ làm việc của máy CNC 59 3.2. Cơ sở hình học của việc lập trình NC 60 3.2.1. Các hệ toạ độ 60 3.2.2. Ph−ơng pháp nhập toạ độ 61 3.2.3. Quy định gốc toạ độ phôi (zero phôi) 61
3.2.4. Bù thông số dao 64 3.3. Cơ sở công nghệ của việc lập trình NC 66 3.3.1. Cơ sở công nghệ tiện 66 3.3.2. Cơ sở công nghệ phay 66 3.4. Những vấn đề chung về lập trình NC 68 3.4.1. Cấu trúc của ch−ơng trình NC 68 3.4.2. Các ph−ơng pháp lập trình 69 3.4.3. Các loại ngôn ngữ lập trình 73 Tài liệu tham khảo 78
Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiển số máy công cụ Máy NC (Numerical Control Machine Tools) nếu đ−ợc dịch một cách đầy đủ phải là máy công cụ điều khiển theo ch−ơng trình số, nh−ng th−ờng đ−ợc gọi tắt là máy công cụ điều khiển số hoặc máy NC. Tuy cũng là một loại máy tự động nh− nhiều thế hệ máy tự động tr−ớc, máy NC có những tiến bộ về nền tảng công nghệ và tính năng. Để giúp bạn đọc hiểu sâu sắc hơn về bản chất của NC, những −u điểm và ứng dụng của máy NC, chúng tôi điểm qua về vấn đề tự động hoá quá trình công nghệ và về máy tự động nói chung tr−ớc khi đi vào những vấn đề cụ thể của máy NC. 1.1. Khái quát về điều khiển quá trình công nghệ Để đạt đ−ợc kết quả gia công mong muốn, quá trình công nghệ (gia công trên máy công cụ) cần phải đ−ợc điều khiển. Có thể nói lịch sử phát triển của khoa học công nghệ chế tạo máy gắn liền với lịch sử phát triển của kỹ thuật điều khiển máy công cụ. Điều khiển máy công cụ đ−ợc định nghĩa là sự tác động lên các cơ cấu của máy để thực hiện quá trình công nghệ gia công chi tiết đạt các chỉ tiêu kỹ thuật, năng suất và chi phí [7]. Điều khiển máy công cụ có thể "bằng tay" (do con ng−ời thực hiện) hoặc "tự động", nghĩa là không có sự can thiệp trực tiếp của con ng−ời. T−ơng ứng với 2 ph−ơng pháp điều khiển là 2 loại máy: máy thông th−ờng và máy tự động. Máy thông th−ờng (Conventional Machine Tools), đôi khi còn đ−ợc gọi một cách không thật rõ ràng là máy vạn năng (Universal Machine Tools hoặc General Purpose Machine Tools), là các máy công cụ không đ−ợc tự động hoá hoặc tự động hoá ở mức rất thấp. Mặc dù đã có những tiến bộ v−ợt bậc về kết cấu; có thể đạt độ chính xác gia công cao (đến àm); tốc độ làm việc cao (3000 ữ 4000v/ph) và khả năng công nghệ cao (gia công đ−ợc nhiều dạng bề mặt khác nhau); các tiện ích sử dụng đ−ợc cải thiện (ví dụ đo, hiển thị toạ độ và chu trình gia công dạng số), nh−ng về nguyên lý làm việc và kết cấu cơ bản thì các máy hiện đại (hình 1.1) không có gì khác so với máy cổ điển (hình 1.2). Về bản chất, chúng đều đ−ợc ng−ời điều khiển trực tiếp. Ng−ời thợ đứng máy phải trực tiếp thực hiện hầu hết các công việc, từ khi gá phôi cho đến khi hoàn thành nguyên công và tháo chi tiết khỏi máy. Đó là chuỗi các công việc: gá phôi, chọn dao, đặt chế độ cắt, dịch chuyển dao, giám sát quá trình và kiểm tra kết quả gia công, tháo chi tiết khỏi máy. Trên máy tự động (Automated Machine Tools), một số chức năng đ−ợc điều khiển tự động. Từ máy thông th−ờng thành máy tự động điều khiển số hiện đại, máy công cụ trải qua nhiều giai đoạn TĐH. Tr−ớc hết ng−ời ta −u tiên TĐH hệ thống chuyển động tạo hình, sau đó là TĐH các hệ thống phụ trợ. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 1
Hình 1. 1: Kết cấu của máy tiện hiện đại Hình 1. 2: Kết cấu của máy tiện cổ điển Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 2
1.1.1. Điều khiển quá trình công nghệ với máy công cụ truyền thống Máy công cụ truyền thống đ−ợc điều khiển bằng tay (hình 1.3). Quá trình công nghệ chứa đựng t−ơng tác cơ, lý, hoá giữa các yếu tố của hệ thống và các yếu tố nhiễu loạn. Thông số đầu vào của hệ thống là chế độ công nghệ (tốc độ cắt S và l−ợng chạy dao F), các thông số đầu ra Y thể hiện phản ứng của hệ thống (kích th−ớc, độ nhám bề mặt, lực cắt, nhiệt độ vùng cắt, rung động, mòn dao, ). Chức năng điều khiển hoàn toàn do con ng−ời (công nhân) thực hiện. Con ng−ời căn cứ yêu cầu công nghệ, tính toán các thông số công nghệ X, đặt chúng vào máy, giám sát đầu ra Y của quá trình để thực hiện các hiệu chỉnh cần thiết. Trong hệ thống này hoàn toàn không có yếu tố tự động điều khiển. Về nguyên tắc, đây là hệ điều khiển quá trình. Với cấu trúc này của hệ thống, quá trình công nghệ nằm trong vòng điều khiển nên mặc dù không đạt đ−ợc độ chính xác và độ nhạy cần thiết (do con ng−ời thực hiện), hệ thống có khả năng thích ứng với biến động của qúa trình. Do các đặc điểm nói trên mà máy công cụ thông th−ờng đ−ợc gọi là hệ thống điều khiển thích nghi bằng tay (Manual Adaptive Control). Hình 1. 3: Sơ đồ điều khiển quá trình theo công nghệ truyền thống 1.3.2. Điều khiển quá trình công nghệ với máy tự động Khi thực hiện quá trình công nghệ trên máy tự động (hình 1.4), việc tính toán các chế độ công nghệ vẫn do con ng−ời thực hiện. Bộ điều khiển thay thế con ng−ời đ−a các thông số công nghệ (S, F) vào máy và điều khiển máy hoạt động theo các giá trị đã ấn định. Nó chỉ giúp tự động hoá khâu nhận, đọc, giải mã ch−ơng trình, tính toán và điều khiển hệ thống thực hiện đúng trình tự và thông số công nghệ quy định sẵn. Chính vì vậy, điều khiển máy công cụ là điều khiển theo ch−ơng trình. Hình 1. 4: Sơ đồ điều khiển quá trình với máy tự động Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 3
Mục tiêu điều khiển tự động trên các máy công cụ hiện nay là đảm bảo các cơ cấu công tác hoạt động theo đúng trình tự và các chế độ công nghệ (S, F) ghi trong ch−ơng trình chứ không phải là các thông số ra (Y) của quá trình. Chất l−ợng của quá trình hoàn toàn phụ thuộc vào tính đúng đắn của phép tính thông số công nghệ ban đầu. Quá trình công nghệ nằm ngoài vòng giám sát của bộ điều khiển nên nó không thể nhận biết và không thể phản ứng tr−ớc các biến động (nhiễu loạn) trong xảy ra trong quá trình công nghệ và những biến động của thông số ra Y. Vì vậy, bộ điều khiển này đ−ợc gọi là bộ điều khiển tĩnh (Fixed Controller). 1.3.3. Điều khiển thích nghi quá trình công nghệ Muốn tự động kiểm soát kết quả gia công, bộ điều khiển phải có khả năng nhận biết những thay đổi của các thông số ra Y hoặc các thông số môi tr−ờng đặc tr−ng, có khả năng bù trừ hoặc hạn chế biến động của chúng, nhằm duy trì sự làm việc bình th−ờng hoặc đảm bảo hiệu quả cao nhất cho quá trình. Hệ thống điều khiển nh− vậy đ−ợc gọi là hệ điều khiển thích nghi (ĐKTN). Sơ đồ ĐKTN máy công cụ đ−ợc thể hiện trong hình 1.5. Trong hệ thống này, con ng−ời chỉ phải tính chế độ gia công. Bộ điều khiển (th−ờng là CNC) vẫn giữ chức năng nhận và duy trì thông số công nghệ đã định. Bộ ĐKTN giám sát thông số ra hoặc thông số môi tr−ờng, ra quyết định điều khiển và lệnh cho bộ CNC thực hiện các hiệu chỉnh cần thiết. Việc giám sát và hiệu chỉnh chế độ công nghệ đ−ợc thực hiện trong thời gian thực, khiến máy công cụ làm việc với chế độ gia công S2, F2 khác với chế độ gia công tính toán S1, F1, đảm bảo giá trị hợp lý nhất của thông số ra. Hình 1. 5: Sơ đồ điều khiển thích nghi quá trình công nghệ Về cấu trúc logic, sơ đồ ĐKTN trong hình 1.5 t−ơng tự nh− sơ đồ điều khiển bằng tay trong hình 1.3, nh−ng ĐKTN do máy móc thực hiện nên đảm bảo đ−ợc độ chính xác và độ nhạy cao. Khác về bản chất so với điều khiển thông th−ờng, ĐKTN mang tính tích cực, động và thông minh. 1.2. Các dạng điều khiển tự động máy công cụ Từ máy thông th−ờng đến máy CNC hiện đại, máy công cụ trải qua nhiều giai đoạn phát triển. Đó là quá trình tự động hoá từng phần, từng hệ thống của máy với sự ứng dụng Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 4
các kỹ thuật tiên tiến nhất của mỗi thời kỳ. Tr−ớc hết, ng−ời ta −u tiên TĐH hệ thống chuyển động tạo hình, sau đó TĐH các hệ thống phụ trợ. Về kỹ thuật, tất cả các dạng TĐH dùng tín hiệu t−ơng tự và tín hiệu số đã đ−ợc lần l−ợt sử dụng. Để đảm bảo các thông số hình học và chất l−ợng gia công, hệ thống chuyển động tạo hình phải làm việc theo một ch−ơng trình lập tr−ớc. Ch−ơng trình gia công đ−ợc biểu hiện d−ới các dạng khác nhau và đ−ợc ghi lên một ph−ơng tiện thích hợp, đ−ợc gọi là vật mang tin. Căn cứ vào dạng biểu diễn ch−ơng trình và vật mang tin (phần tô xám trong hình 1.6), có thể phân biệt 4 dạng điều khiển. Đó là dạng điều khiển bằng cam (I), điều khiển theo mẫu (II), điều khiển nhờ bảng cắm (III) và điều khiển theo ch−ơng trình số (IV). Hình 1. 6: Các dạng điều khiển máy công cụ Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 5
1.2.1. Điều khiển bằng cam Trong hệ thống điều khiển bằng cam (Cam Control), khoảng và tốc độ dịch chuyển của các cơ cấu đ−ợc điều khiển nhờ biên dạng của cam. Sự phối hợp giữa các cơ cấu đ−ợc thực hiện nhờ vị trí t−ơng đối của các cam với nhau trên trục phân phối. Trên hình 1.7 là sơ đồ cơ cấu chạy dao của máy tự động revolver. Khoảng dịch chuyển của các dao phụ thuộc biên dạng của các cam t−ơng ứng. Tốc độ ăn dao phụ thuộc vào tốc độ của trục phân phối và đồng bộ với tốc độ trục chính. Các dao hoạt động đồng bộ theo chu trình, phụ thuộc vào vị trí lắp ráp của các cam trên trục. Nh− vậy, trong dạng điều khiển này, ch−ơng trình gia công đ−ợc thể hiện qua hình học vị trí của các cam, có dạng t−ơng tự và hệ thống cam - trục phân phối là vật mang tin. Hình 1. 7: Hệ thống điều khiển bằng cam 1.2.2. Điều khiển theo mẫu Hệ thống điều khiển theo mẫu (Tracer Control) còn đ−ợc gọi là hệ thống chép hình, trong đó quỹ đạo của dao (tạo nên biên dạng của chi tiết gia công) đ−ợc sao chép từ biên dạng của mẫu (hình 1.8). Tuỳ theo cơ cấu truyền chuyển động từ đầu dò 2 đến dao 8 mà có thể có hệ thống chép hình cơ khí (dùng con tr−ợt, đòn bẩy cơ khí) hoặc hệ thống bám (thuỷ lực, điện hoặc điện - thuỷ lực). Trong hệ thống chép hình, ch−ơng trình gia công có dạng t−ơng tự và Hình 1. 8: Hệ thống chép hình thuỷ lực mẫu chép hình là vật mang tin. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 6
1.2.3. Điều khiển nhờ bảng cắm Bảng cắm (Plug- board) là tên chung để chỉ các bảng phẳng (Panel Type) hoặc tang trống (Drum Type), trên đó chứa ma trận (hàng ì cột) các lỗ cắm để cắm dây, nối kín mạch điện (qua các phần tử logic điện, điện tử nh− tiếp điểm, rơle, diode, bộ đếm, định thời, ) để điều khiển một chuỗi công việc nhất định (hình 1.9). Hình 1. 9: Bảng cắm là vật mang tin Nh− vậy trong tr−ờng hợp này, bảng cắm chính là vật mang tin. Mỗi hàng trong bảng t−ơng ứng với một lệnh trong ch−ơng trình, nên số hàng trên bảng cắm (th−ờng là 24) giới hạn số lệnh điều khiển. Trên mỗi hàng có các lỗ (th−ờng là 34) cách đều nhau. Khi mỗi lỗ đ−ợc cắm thì một chức năng đ−ợc kích hoạt (ví dụ dịch chuyển theo chiều +X). Khi mỗi lệnh (hàng) đ−ợc hoàn thành thì các công tắc hành trình sẽ tác động, cho phép chuyển sang lệnh ghi trong hàng kế tiếp. Khi một lỗ đ−ợc cắm thì chức năng t−ơng ứng đ−ợc kích hoạt liên tục cho đến khi chuyển sang lệnh mới. Vì vậy, điều khiển dùng bảng cắm thuộc dạng điều khiển nối cứng (Hard-Wired Control). Một bộ điều khiển có thể dùng kết hợp nhiều bảng cắm, mỗi bảng chứa một modul ch−ơng trình theo chức năng nhất định. Trên một số máy công cụ còn dùng 2 loại bảng cắm: bảng cắm cơ khí chứa các d−ỡng, vấu để điều khiển quỹ đạo và toạ độ dịch chuyển của cơ cấu công tác. Bảng cắm điện điều khiển các chức năng phụ trợ (nh− bật tắt, đảo chiều động cơ, thay dao, t−ới dung dịch, ). Tín hiệu điều khiển dùng với bảng cắm có thể là liên tục hoặc rời rạc, tuỳ theo phần tử đ−ợc dùng. Có thể nói, điều khiển bằng bảng cắm ch−a phải là điều khiển theo ch−ơng trình số, nh−ng nó gợi ra ý t−ởng mang tính cách mạng trong lĩnh vực điều khiển máy công cụ: điều khiển theo ch−ơng trình số. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 7
1.2.4. Điều khiển theo ch−ơng trình số Điều khiển theo ch−ơng trình số là dạng điều khiển theo ch−ơng trình cho tr−ớc, đ−ợc sản sinh và l−u trữ d−ới dạng các ký tự (chữ số, chữ cái hoặc các ký tự khác). Nhờ sử dụng ch−ơng trình dạng ký tự mà việc sản sinh, sửa đổi ch−ơng trình dễ dàng hơn; thiết bị l−u trữ và đọc ch−ơng trình đa dạng và đơn giản hơn, nhất là khi máy tính đ−ợc sử dụng với t− cách bộ điều khiển. Vì điều khiển số máy công cụ là nội dung cơ bản, xuyên suốt của tài liệu này nên từng vấn đề: khái niệm, kết cấu, vận hành, lập trình cho máy công cụ điều khiển số sẽ đ−ợc trình bày kỹ hơn, theo từng ch−ơng riêng. Đặc điểm của các dạng điều khiển nói trên đ−ợc tóm tắt trong bảng sau. Dạng điều Vật mang tin Nơi sản sinh Nhiệm vụ khiển Hình học Chức năng phụ trợ ch−ơng trình Bằng cam định vị, dịch chuyển cam (đĩa, thùng, mặt đầu) phòng thiết kế Bằng mẫu định vị, dịch chuyển mẫu, d−ỡng phòng thiết kế Bảng cắm định vị, dịch chuyển vấu, mẫu bảng cắm tại máy định vị, dịch chuyển băng đục chuyển mạch, phòng công NC chính xác lỗ, băng từ băng lỗ, băng từ nghệ định vị, dịch chuyển phòng công băng đục lỗ, băng từ, đĩa từ, bộ CNC chính xác với dạng nghệ hoặc tại nhớ trong hình học phức tạp máy 1.3. Điều khiển số máy công cụ 1.3.1. Khái niệm điều khiển số Hiện có nhiều định nghĩa về điều khiển theo ch−ơng trình số(*). Theo Hiệp hội công nghiệp điện tử Mỹ [3] (U. S. Electronic Industries Association - EIA), thiết bị điều khiển số là một hệ thống, hoạt động của nó đ−ợc điều khiển bằng dữ liệu số. Hệ thống phải dịch tự động ít nhất một phần của dữ liệu này. Theo Britannica Concise Encyclopedia, điều khiển số là điều khiển một hệ thống hay thiết bị bằng cách nhập trực tiếp dữ liệu d−ới dạng chữ số, chữ cái, ký hiệu, từ hoặc tổ hợp các dạng trên. (*) Thuật ngữ "điều khiển số" đ−ợc dịch trực tiếp từ "Numerical Control". Tuy nhiên, trong tiếng Việt, "điều khiển số" còn có nghĩa là điều khiển dùng tín hiệu số "Digital Control". Trong nhiều tr−ờng hợp, cần phân biệt để tránh nhầm lẫn. Trong tài liệu này, trừ những chỗ có ghi chú, thuật ngữ "điều khiển số" cần đ−ợc hiểu một cách chính xác là "điều khiển theo ch−ơng trình số" (nh− trong tiếng Nga: "числовое программое управление"). Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 8
Theo ГОСТ 20523-80 [7], điều khiển theo ch−ơng trình số máy công cụ là điều khiển quá trình gia công theo ch−ơng trình, trong đó các dữ liệu đ−ợc cho d−ới dạng chữ số. Ch−ơng trình gia công (Part Program) là bản h−ớng dẫn gia công, trong đó chứa các thông tin hình học (mô tả quỹ đạo chuyển động t−ơng đối giữa dao và phôi) và thông tin công nghệ (tốc độ trục chính, l−ợng chạy dao, ). Các lệnh và từ trong ch−ơng trình đ−ợc tập hợp theo một quy tắc và trình tự quy định và đ−ợc biểu diễn theo một hệ mã tiêu chuẩn (ví dụ ISO) mà bộ điều khiển có thể hiểu và xử lý đ−ợc. Nhờ mã hoá mà các thông tin đ−ợc biểu diễn d−ới dạng số. Bộ điều khiển phải dịch ch−ơng trình ra mã máy để xử lý. Mã hoá ở đây là sự chuyển đổi thông tin các dạng khác nhau (ngôn ngữ nói, số) sang dạng số (ký tự). Ví dụ lệnh "Chạy dao theo đ−ờng thẳng từ vị trí hiện tại đến toạ độ X=100, Y=150 với tốc độ 300mm/ph" đ−ợc mã hoá nh− sau: G01 X100 Y150 F300; "Khởi động trục chính theo chiều kim đồng hồ" đ−ợc mã hoá thành M03. Nhờ thông tin đ−ợc số hoá (thoát ly bản chất vật lý) mà nó có thể đ−ợc ghi vào các thiết bị l−u trữ văn bản. Thiết bị l−u trữ (vật mang tin) dùng cho máy NC rất đa dạng và thay đổi không ngừng theo sự tiến bộ của ph−ơng tiện truyền và l−u trữ thông tin: băng đục lỗ, bìa đục lỗ, băng từ, đĩa từ, các thiết bị điện tử (nh− RAM, Memory Card, USB Flash Drive). Ch−ơng trình NC còn có thể đ−ợc truyền từng qua cáp (RS 232, RS 485) hoặc truyền file qua mạng máy tính, nh− mạng cục bộ (LAN) hoặc Internet. Tuy các ph−ơng tiện l−u trữ và truyền thông tin khác nhau về bản chất vật lý, nh−ng nguyên tắc mã hoá vẫn giống nh− ở băng đục lỗ. Theo nguyên tắc máy tính số, mọi thông tin đ−ợc số hoá và đ−ợc biểu diễn theo mã nhị phân, trong đó chỉ dùng 2 ký tự, là "0" và "1". Trong máy NC, "1" t−ơng ứng trạng thái có tín hiệu (xung), "0" t−ơng ứng trạng thái không có xung. Trong máy CNC (bộ điều khiển là máy tính số) trạng thái "1" hoặc "0" đ−ợc chứa trong 1 bit thông tin. Nhờ sử dụng kết hợp các bit theo một quy tắc nhất định, ta có thể biểu diễn bất cứ ký tự nào. Do hạn chế về kích th−ớc, các băng đục lỗ chỉ có 8 rãnh (Track), nên hệ mã nhị phân thuần tuý chỉ biểu diễn đ−ợc 258 ký tự, không thể biểu diễn đ−ợc các số lớn và các số thập phân nhiều chữ số. Để khắc phục điều đó, ng−ời ta đã đ−a ra hệ mã thập-nhị phân (Binary- Coded Decimal Code), gọi tắt là BCD Code. Trong hệ BCD, chỉ các chữ số từ 0-9 là đ−ợc biểu diễn d−ới dạng nhị phân, còn phần thập phân đ−ợc biểu diễn d−ới dạng thập phân. Với 1 băng đục lỗ 8 rãnh, ta có thể biểu diễn bất cứ ký tự nào và l−ợng thông tin là không hạn chế. Hình 1.10 mô tả một đoạn băng đục lỗ theo hệ mã BCD, chuẩn ISO. Băng gồm 8 rãnh (Track) chứa thông tin (đánh số từ 1-8) chạy dọc suốt chiều dài của băng và 1 hàng lỗ (nhỏ) ăn khớp với răng của cơ cấu dịch chuyển. Mỗi hàng (vuông góc với ph−ơng chuyển động) biểu diễn 1 ký tự. Vị trí có lỗ biểu thị giá trị 1, vị trí không có lỗ - giá trị 0. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 9
Quy tắc kết hợp các bit đ−ợc gọi là hệ mã (Code System). Ta lấy 2 hệ mã thông dụng để làm ví dụ về cách mã hoá thông tin. Đó là hệ EIA của Hiệp hội công nghiệp điện tử Mỹ và hệ ISO của tổ chức tiêu chuẩn thế giới. Quy −ớc về các rãnh theo các hệ mã nh− sau: Hệ EIA: - rãnh 1-4 biểu diễn các chữ số 1-9 theo mã nhị phân; - rãnh 5 chứa mã kiểm tra; - rãnh 6 số 0; - rãnh 6 và 7 kết hợp với các rãnh 1-4 biểu diễn các chữ cái và ký hiệu; - rãnh 8 kết thúc dòng lệnh. Hệ ISO (DIN 66024): - rãnh 1-4 kết hợp với rãnh 5, 6 biểu diễn các chữ số 0-9; - rãnh 1-5 kết hợp với rãnh 7 biểu diễn các chữ cái A-Z; - rãnh 8 chứa mã kiểm tra; - rãnh 1-4 kết hợp với rãnh 6 biểu diễn các ký hiệu. Mã kiểm tra (Parity Check) dùng để kiểm tra lỗi. Hệ EIA đòi hỏi số lỗ trên mỗi hàng phải lẻ. Nếu số lỗ mang thông tin là số chẵn thì máy đục lỗ phải tự động đục thêm lỗ vào rãnh 5 để tạo thành số lỗ lẻ. Khi đọc thông tin để gia công, nếu gặp hàng có số lỗ chẵn thì bộ điều khiển (NC) coi đó là lỗi. Hệ ISO yêu cầu số chẵn và mã kiểm tra ở rãnh 8. Hình 1. 10: Biểu diễn thông tin trên băng đục lỗ 8 rãnh nhờ BCD code Hình 1.11 cho tóm tắt về quy −ớc biểu diễn thông tin theo hệ mã EIA và hệ mã ISO. Theo hệ mã ISO thì đoạn băng trên hình 1.10 biểu thị lệnh G01 X25Y4. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 10
Hình 1. 11: Quy −ớc về biểu diễn thông tin theo hệ mã EIA và hệ mã ISO Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 11
Càng ngày máy tính trên máy NC càng gần với máy tính thông dụng. Vì vậy mọi ph−ơng tiện l−u trữ và truyền thông của máy NC cũng đ−ợc dùng chung với các loại máy tính khác. Ngoài hệ mã BCD đã nói ở trên, mã ASCII (Ameriacan Standard Code for Information Interchange), một hệ mã dùng chung cho máy tính, đang dần dần đ−ợc dùng phổ biến cho các bộ điều khiển công nghiệp trên nền máy tính số, trong đó có máy NC. Trên màn hình của các bộ điều khiển (CNC) ra đời trong khoảng thập niên gần đây, ch−ơng trình NC đ−ợc hiển thị nh− file văn bản (text file), ng−ời dùng có thể sửa chữa, l−u trữ, sao chép. Hầu hết các bộ CNC hiện đại có thể đọc trực tiếp hoặc chuyển đổi (Import, Export) các ch−ơng trình NC đ−ợc soạn thảo bởi các bộ soạn thảo văn bản (Text Editor) thông dụng. Trên thực tế, ng−ời vận hành các máy CNC hiện đại không phải bận tâm đến hệ mã nào đang đ−ợc sử dụng. Việc soạn thảo, sửa chữa và xử lý các ch−ơng trình NC đ−ợc thực hiện nh− các file văn bản thông th−ờng. Hình 1. 12: Sơ đồ cấu trúc của máy CNC Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 12
Bộ điều khiển (Machine Control Unit - MCU) và máy công cụ là 2 bộ phận cấu thành chính của máy NC (hình 1.12). MCU thực hiện mọi chức năng điều khiển, cung cấp tín hiệu cho các thiết bị chấp hành trên máy công cụ. Về phần mình, MCU có 2 modul: bộ xử lý dữ liệu (Data Processing Unit - DPU) và các mạch điều khiển (Control Loops Unit - CLU). DPU có nhiệm vụ đọc và giải mã ch−ơng trình, tính toán l−ợng và tốc độ dịch chuyển của các trục chạy dao (nội suy) và cung cấp số liệu cho CLU. Số liệu đó gồm toạ độ điểm cần tới, chiều và vận tốc chuyển động của mỗi trục chạy dao; các thông tin phụ trợ (chiều quay trục chính, dung dịch bôi trơn, ). CLU cấp tín hiệu chuyển động cho các thiết bị chấp hành và nhận tín hiệu phản hồi về vị trí và vận tốc của cơ cấu công tác. Nh− vậy, chỉ khi nào CLU xác nhận lệnh tr−ớc đã hoàn thành thì DPU mới cung cấp thông tin tiếp theo. 1.3.2. NC và CNC Có thể quan niệm một cách đơn giản rằng máy CNC là máy NC đ−ợc điều khiển bằng máy tính, hay nói cách khác, trên máy CNC, máy tính giữ vai trò bộ điều khiển. Từ đó có công thức: CNC = Computer + NC. Quan niệm đó không sai, nh−ng ch−a đủ thể hiện sự tiến bộ chất của CNC so với NC. Việc sử dụng máy tính số làm bộ điều khiển làm thay đổi căn bản cấu trúc và tính năng của toàn hệ thống. Về cấu trúc, quá trình chuyển hoá từ NC sang CNC tr−ớc hết là quá trình chuyển dần các chức năng từ phần cứng sang phần mềm. Điều khiển NC th−ờng đ−ợc gọi là điều khiển nối cứng (Hard-Wired Control), nghĩa là các chức năng đều đ−ợc thực hiện bởi phần cứng. Cho đến cuối thập kỷ 196x, khi minicomputer xuất hiện (vào năm 1969) thì một số chức năng đ−ợc chuyển từ phần cứng sang phần mềm. Tuy nhiên, vào thời đó, minicomputer còn đắt so với giá của máy công cụ. Cho đến cuối thập kỷ 197x và thập kỷ 198x, microcomputer mới đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong NC nhờ tính năng tốt mà kích th−ớc nhỏ gọn và rẻ tiền. Các bộ CNC dựa trên microcomputer đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cho đến bây giờ. Vai trò của phần mềm trong CNC ngày càng chiếm −u thế và ngày nay CNC đ−ợc quan niệm là điều khiển nối mềm (Soft-Wired Control), trong đó các quá trình thu nhận, xử lý và truyền dữ liệu (từ điều khiển vào/ra, nội suy, quản trị dữ liệu, tạo lệnh điều khiển, giám sát hệ thống, ) đều do máy tính với phần mềm thích hợp thực hiện. Ví dụ, bộ NC đ−ợc chế tạo năm 1968 chứa 400 bảng mạch gồm, trong khi các bộ CNC hiện đại với cùng chức năng chỉ có 1 bảng mạch. Hình 1.13 minh hoạ sự chuyển các chức năng điều khiển từ phần cứng sang phần mềm. Về cơ bản, trên các máy NC, cả DPU và CLU đều có cấu trúc phần cứng. Trên máy CNC, chức năng DPU do máy tính đảm nhiệm, còn CLU vẫn giữ cấu trúc phần cứng. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 13
Hình 1. 13: Sự chuyển các chức năng điều khiển từ phần cứng sang phần mềm - Tín hiệu điều khiển sử dụng trong các hệ điều khiển nối cứng là xung điện áp. Mỗi xung điện áp tạo nên dịch chuyển bằng 1 đơn vị chiều dài cơ sở (Base Length Unit - BLU) của trục đ−ợc điều khiển. Số l−ợng các xung đặt lên trục xác định khoảng cách cần dịch chuyển, tần cấp số xung xác định vận tốc dịch chuyển. Ng−ợc lại, tín hiệu điều khiển trong hệ CNC có dạng số nhị phân. Mỗi từ (word) chứa số bit nhất định (th−ờng là 8, 16 hoặc 32 bit tuỳ theo bộ vi xử lý). Mỗi bit dữ liệu tạo ra dịch chuyển bằng 1 BLU cho trục điều khiển. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 14
Về tính năng, CNC có nhiều −u việt nhờ việc sử dụng máy tính số với phần mềm tích hợp trong điều khiển. Hình 1.14 cho thấy sự khác nhau giữa NC và CNC. Hình 1. 14: So sánh tính năng của NC và CNC - Máy tính CNC có đầy đủ các dạng phần mềm cơ bản(*): hệ điều hành, các phần mềm hệ thống và phần mềm ứng dụng. Vì vậy, CNC thực hiện đ−ợc đủ các chức năng của máy tính: quản lý và điều hành file, quản lý bộ nhớ, điều khiển màn hình, bàn phím, mạng truyền thong, soạn thảo ch−ơng trình, mô phỏng đồ hoạ, truyền thông, ). Các bộ CNC trên nền PC (PC Based CNC) dùng các hệ điều hành thông dụng, nh− Windows, Unix, tạo cho ng−ời dùng môi tr−ờng làm việc thuận lợi và quen thuộc. (*) Các loại phần mềm có hệ điều hành (Operating System - OS), thực hiện chức năng giao diện ng−ời dùng, quản trị bộ nhớ, quản trị file, ; phần mềm hệ thống (System Software) - quản trị, phối hợp đồng bộ và điều khiển toàn bộ phần cứng của hệ thống, nh− truyền dữ liệu, ghi file vào bộ nhớ, hiển thị thông tin lên màn hình, và phần mềm ứng dụng (Application Software) - thực hiện các chức năng chuyên biệt, nh− soạn thảo ch−ơng trình, mô phỏng đồ hoạ, thu nhận tín hiệu, điều khiển các cơ cấu, Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 15
- Giao diện ng−ời dùng của máy CNC hấp dẫn và tiện lợi: màn hình đồ hoạ màu để trợ giúp lập trình và mô phỏng kiểm tra ch−ơng trình, thông báo trạng thái và cảnh báo lỗi, h−ớng dẫn vận hành, ) - Máy tính tạo nên tính linh hoạt, dễ biến đổi và nâng cấp bộ điều khiển. Chỉ bằng cách thay đổi phần mềm, có thể tạo ra các bộ điều khiển khác nhau mà không phải hoặc phải thay đổi rất ít về phần cứng. Ví dụ, chỉ cần cài lại phần mềm, ng−ời dùng có thể nhận đ−ợc hệ điều khiển Fanuc, Siemens, Heidenhian, trên cùng một hệ thống máy tính và phần cứng. Thông qua phần mềm có thể quy định cấu hình của máy: số trục điều khiển, định giới hạn vùng làm việc (Software Limit Switch), chiều và tốc độ chuyển động, thêm bớt các thiết bị phụ trợ, ). Các bộ CNC hiện đại th−ờng đ−ợc thiết kế với cấu hình chuẩn. Cấu hình cụ thể đ−ợc khai báo theo phần cứng của máy công cụ. - Khả năng bảo mật hệ thống đ−ợc tăng c−ờng. Phần mềm không chỉ giúp nhà sản xuất giữ đ−ợc bản quyền và bí quyết công nghệ (Know-how) mà còn cho phép ng−ời dùng bảo vệ các khai báo cấu hình hệ thống, ch−ơng trình điều khiển; ngăn chặn sự truy cập, sao chép, sửa đổi trái phép vô tình hay cố ý. Phần mềm cũng cho phép sao l−u (Back-up) hệ thống và ch−ơng trình để khi cần thì khôi phục lại (Restore). Do giữ vai trò ngày càng quan trọng nên giá trị của phần mềm ngày càng tăng so với phần cứng (hình 1.15). Đầu tiên, các bộ điều khiển đơn giản với các CPU chuyên dùng đ−ợc tạo ra. Sau đó, chúng đ−ợc thay bằng các CPU thông dụng với phần mềm chuyên dùng. Ngày nay nhiều bộ điều khiển đ−ợc tạo ra hoàn toàn nhờ phần mềm chạy trên PC (PC based CNC) với hệ điều hành thông dụng (Windows hoặc Unix). Từ thập kỷ 198x, các bộ NC dựa trên phần cứng không đ−ợc sản xuất và hiện nay, NC mặc nhiên đ−ợc hiểu là CNC. Hình 1. 15: Giá trị phần mềm ngày càng tăng so với phần cứng Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 16
Bảng sau cho phép so sánh một cách tóm tắt các đặc điểm của NC và CNC. So sánh NC và CNC Đặc tính so sánh Điều khiển NC Điều khiển CNC Thời gian xuất hiện 1954 - đầu thập kỷ 197x Khoảng 1970 - nay Thực hiện các chức Mạch phần cứng điện tử Máy tính với các ch−ơng trình điều năng điều khiển khiển máy công cụ Dạng tín hiệu điều Xung điện áp. Mỗi xung Tín hiệu số (bit). Mỗi bit tạo dịch khiển tạo dịch chuyển 1 BLU chuyển 1 BLU Nhập ch−ơng trình Từ băng, bìa đục lỗ, nhờ Dùng mọi thiết bị l−u trữ thông thiết bị đọc. Đọc và thực dụng (bàn phím, bộ nhớ trong, bộ hiện theo từng block. nhớ ngoài, các giao diện truyền thông, mạng cục bộ, Internet, ) Đọc 1 lần nhiều block, ghi vào bộ nhớ đệm và sử dụng dần. Khả năng Giới hạn các chức năng cơ Bao gồm các chức năng cơ bản bản: nội suy, nhận định nh− NC và mở rộng: thêm dạng dạng băng từ, vị trí tuyệt nội suy (parabol, xoắn ốc), soạn đối và t−ơng đối, nhận mã thảo, truyền thông, bộ nhớ, hiển ký tự thị, giao tiếp vào/ra, Cấu trúc phần cứng Phức tạp, bởi vì các chức Đơn giản hơn vì nhiều chức năng điều khiển năng điều khiển đ−ợc thực điều khiển đ−ợc thực hiện bởi phần hiện bởi các mạch điện tử mềm Bộ nhớ (l−u trữ) Không có bộ nhớ trong Có bộ nhớ trong. Sử dụng các thiết ch−ơng trình bị l−u trữ thông dụng (băng từ, đĩa từ, USB flash drive, ) 1.3.4. Trung tâm gia công CNC Trung tâm gia công (Machining Center) CNC khác máy CNC thông th−ờng ở chỗ, có khả năng thực hiện nhiều nguyên công công nghệ khác nhau, nh− tiện, phay, doa, gia công ren, mài, mà bình th−ờng phải dùng một số máy CNC thông th−ờng. Do yêu cầu về tập trung nguyên công mà các trung tâm gia công (TTGC) có những đặc điểm kết cấu sau: - Có nhiều trục điều khiển (4 đến 5 trục hoặc hơn); - Có hệ thống thay dao tự động; - Có cơ cấu cấp phôi, kẹp phôi tự động. - Có khả năng giao tiếp với các thiết bị sản xuất khác, nh− robot, băng tải, Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 17
Nhờ có khả năng tập trung nguyên công cao mà các TTGC cho phép tăng năng suất, tăng độ chính xác gia công. Th−ờng có 2 loại TTGC, là TTGC ngang và TTGC đứng. TTGC ngang dựa trên cơ sở máy tiện, còn TTGC đứng dựa trên máy phay. Ngoài 2 trục X, Z nh− máy tiện, TTGC ngang th−ờng có thêm các trục Y, C. Kho chứa dao trên trung tâm ngang th−ờng có dạng revolver (Turret), trên đó các dao có thể đ−ợc dẫn động (Driven Tool). Một số TTGC ngang có tới 2 trục chính, 2 đài dao, nên có thể gia công hoàn chỉnh các chi tiết có hình dạng phức tạp, nh− các rãnh, lỗ lệch tâm hoặc h−ớng kính; có thể gia công các mặt profile theo ph−ơng pháp bao hình, Trong hình 1.16 là hình ảnh một TTGC ngang và các dạng chi tiết đ−ợc gia công trên đó. Hình 1. 16: Trung tâm ngang CNC TTGC đứng có cấu hình cơ bản nh− máy phay, nh−ng th−ờng có tới 4, 5 trục hoặc hơn. Kho chứa dao có nhiều dạng: dạng đĩa, dạng xích, dạng tang trống, Ví dụ trung tâm trên hình 1.17 có 6 trục (X, Y, Z, B, C, W), trong đó có 1 bàn quay (trục C), ụ dao có thể quay (trục B) và tịnh tiến (trục W). Với cấu hình này, trung tâm có thể gia công nhiều dạng mặt cong không gian phức tạp, nh− cánh bơm ly tâm. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 18
Hình 1. 17: Trung tâm gia công đứng 6 trục TTGC nh− trong hình 1.18 có 5 trục (X, Y, Z, B, U), có kho chứa dao dạng xích. Hệ thống cấp phôi tự động (Automatic Pallet Changer) nh− trong hình 1.18 th−ờng đ−ợc dùng nhiều trong sản xuất linh hoạt. Các phiến gá (Pallet) có tác dụng nh− đồ gá. Phôi đ−ợc lắp lên đó tr−ớc khi gia công và đ−ợc gia công ngay trên khay. Sau khi gia công xong, cả phôi và khay có thể đ−ợc chuyển đến nguyên công sau. Việc gá, tháo phôi đ−ợc thực hiện bên ngoài máy, trong khi gia công chi tiết khác nên không chiếm thời gian máy. Hình 1. 18: Trung tâm gia công đứng 5 trục Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 19
1.3.5. Điều khiển số trực tiếp Điều khiển số trực tiếp (Direct Numerical Control) hay điều khiển số phân bố (Distributed Numerical Control), đều đ−ợc viết tắt là DNC là giải pháp nối mạng các máy CNC để có thể dùng chung các thiết bị nhập, l−u trữ ch−ơng trình và các tiện ích khác (ví dụ phần mềm CAD/CAM). Bình th−ờng, mỗi máy CNC độc lập cần có thiết bị nhập (bàn phím, thiết bị đọc) và l−u trữ riêng. Điều đó không chỉ bất lợi về mặt kinh tế, gây phiền phức khi sử dụng (ví dụ, bộ nhớ của máy không đủ l−u trữ trọn vẹn các ch−ơng trình lớn, gây gián đoạn quá trình gia công) mà còn gây khó khăn cho việc quản lý thống nhất dữ liệu và ch−ơng trình. Có DNC, các máy CNC riêng lẻ không cần hoặc chỉ cần bộ nhớ ch−ơng trình rất nhỏ. Các ch−ơng trình lớn đ−ợc truyền trực tiếp từng block từ máy tính DNC tới máy CNC để thực hiện, hoặc các ch−ơng trình đ−ợc phân bố cho các máy CNC theo nhiệm vụ. Về kết cấu, hệ DNC (hình 1.19) là mạng máy tính nên gồm có: Hình 1. 19: Giải pháp DNC Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 20
1. Máy tính trung tâm (DNC Computer). Máy tính DNC có nhiệm vụ đọc ch−ơng trình, l−u trữ và phân phối cho các máy CNC theo yêu cầu. Vì vậy, nó phải có cấu hình đủ mạnh, đặc biệt bộ nhớ dung l−ợng lớn, đ−ợc cài các phần mềm chuyên dùng (phần mềm DNC) phục vụ quản lý, phân phối ch−ơng trình và hệ điều hành mạng và trang bị các thiết bị đọc chuyên dùng. Máy tính DNC cũng nhận dữ liệu phản hồi từ các máy công cụ để phục vụ cho việc cung cấp ch−ơng trình và phục vụ cho công tác điều hành, quản lý (thống kê và lập báo cáo số l−ợng sản phẩm, thời gian gia công, sự cố, ). Để đáp ứng nhu cầu gia công của các máy CNC và nhận thông tin phản hồi ngay lập tức, hệ thống thông tin 2 chiều này hoạt động theo thời gian thực. 2. Thiết bị mạng (gồm các đ−ờng cáp, giao diện, chuyển mạch) để liên kết các thiết bị trong hệ thống. 3. Các máy CNC - đối t−ợng phục vụ. T−ơng tự nh− các mạng máy tính thông th−ờng, mạng DNC cũng đ−ợc nối theo vòng tròn (hình 1.20) và theo hình sao hay h−ớng tâm (hình 1.21). Hình 1. 20: Ph−ơng pháp nối mạng DNC Hình 1. 21: Nối mạng DNC kiểu h−ớng tâm theo vòng tròn Những khác biệt chính giữa DNC và CNC là: - Các máy tính ở điều khiển DNC phân phối dữ liệu ch−ơng trình tới, và thu thập dữ liệu từ nhiều máy công cụ. Các máy tính ở điều khiển CNC chỉ điều khiển một máy công cụ, hoặc một số ít máy công cụ. - Máy tính DNC th−ờng đ−ợc đặt ở xa các máy công cụ. Máy tính ở điều khiển CNC đ−ợc đặt liền máy công cụ. - Phần mềm DNC đ−ợc phát triển không chỉ để điều khiển từng bộ phận của thiết bị sản xuất mà còn phục vụ nh− là một phần của hệ thống quản lý thông tin trong hệ thống Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 21
sản xuất của công ty. Phần mềm DNC đ−ợc có thể bổ sung (tăng c−ờng) các khả năng của máy CNC đặc biệt. Những −u điểm chính của DNC: - Điều khiển nhiều máy bởi máy tính (Time Sharing). - Khả năng l−u trữ và tính toán lớn. - Vị trí của máy tính đ−ợc đặt ở xa khu vực sản xuất nên dễ đảm bảo về môi tr−ờng. - Loại bỏ đ−ợc băng từ và thiết bị đọc băng từ ở máy công cụ để nâng cao độ tin cậy. - Loại bỏ bộ điều khiển nối cứng (Hardwired Controller) trên một số hệ thống. - Cho phép dùng chung các phần mềm đắt tiền (CAD/CAM, Post-Procesor) và giảm dung l−ợng l−u trữ. Ví dụ các ch−ơng trình đ−ợc l−u trữ d−ới dạng chung (CL Data), khi cần chuyển cho máy nào thì mới dịch (Post-processed) theo mã và cấu hình t−ơng ứng. 1.4. Lịch sử phát triển của máy NC 1.4.1. Sự ra đời và phát triển của máy NC Mẫu đầu tiên của máy công cụ điều khiển số (gọi là máy NC - Numerical Control) do Viện công nghệ Massachusetts (MIT) - Mỹ thiết kế và chế tạo vào năm 1949, theo đặt hàng của Không lực Hoa kỳ, để sản xuất các chi tiết phức tạp và chính xác của máy bay. Tr−ớc đó, các chi tiết máy hoặc các khuôn mẫu phức tạp th−ờng đ−ợc chia thành các phần đơn giản hơn. Sau khi gia công xong, chúng mới đ−ợc ghép lại với nhau thành chi tiết hoàn chỉnh bằng ph−ơng pháp hàn, tán, Công nghệ đó đắt và không đảm bảo đ−ợc độ chính xác về kích th−ớc và hình học mong muốn cũng nh− sự đồng đều về cơ tính vật liệu. Sau này, nhờ ph−ơng pháp chép hình, ng−ời ta đã chế tạo đ−ợc các chi tiết phức tạp hơn. Tuy vậy, công nghệ gia công trên máy chép hình vẫn còn nhiều nh−ợc điểm, nh− độ chính xác không cao (do quán tính của hệ thống lớn, do sai số truyền động cơ khí, do sai số của mẫu, ); năng suất thấp (do phải hạn chế tốc độ tr−ợt của đầu dò trên mẫu); đắt và kém linh hoạt (vì các d−ỡng mẫu là các chi tiết cơ khí chính xác, dùng vật liệu đặc biệt nên khó chế tạo). ý t−ởng áp dụng điều khiển số vào máy công cụ đã gây nên cuộc cách mạng trong công nghệ chế tạo cơ khí. Có thể hình dung máy công cụ điều khiển số là một máy chép hình, nh−ng các d−ỡng, mẫu, cam, cơ khí đ−ợc thay bằng ch−ơng trình máy tính. Ch−ơng trình không bị mòn nh− các d−ỡng mẫu, mang đi mang lại dễ dàng. Việc soạn thảo, sửa đổi ch−ơng trình lại dễ, nhanh và rẻ hơn nhiều so với chế tạo cam, d−ỡng, nên máy NC nhanh chóng đ−ợc hoan nghênh. Ngay sau đó, một ph−ơng án chế tạo máy NC công nghiệp đ−ợc đề nghị với 3 nguyên tắc sau: Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 22
- Sử dụng máy tính(*) để tính toán quỹ đạo chạy dao và l−u 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 đ−a ra thông tin điều khiển các động cơ đ−ợc gắn lên trục vít me. Năm 1952, chiếc máy phay đứng 3 trục điều khiển số của hãng Cincinnati Hydrotel đ−ợc tr−ng bày tại MIT. Nh− vậy, ý t−ởng dùng nguyên lý điều khiển số vào máy công cụ xuất hiện do nhu cầu của quân đội. Mãi khoảng giữa thập kỷ 60, máy NC mới đ−ợc 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 l−ợng. Việc sử dụng chúng cũng rất khó khăn, nh− ch−ơng trình đ−ợc chứa trong các băng và bìa đục lỗ, khó hiểu và không sửa chữa đ−ợc. Giao tiếp giữa ng−ời và máy rất khó khăn vì không có màn hình, bàn phím. Sau khi các linh kiện bán dẫn đ−ợc sử dụng phổ biến trong công nghiệp (khoảng năm 1960) thì máy gọn hơn, tốc độ xử lý cao hơn, tiêu tốn ít năng l−ợng hơn, Các băng đục lỗ sau này đ−ợc thay bằng băng hoặc đĩa từ, Nh−ng nói chung, tính năng sử dụng của các máy NC vẫn ch−a đ−ợc cải thiện đáng kể, cho đến khi máy tính đ−ợc ứng dụng vào đây. Sự xuất hiện IC (1959), LSI (1965), vi xử lý (1974) và các tiến bộ kỹ thuật về l−u 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 đ−ợc tích hợp máy máy tính và thuật ngữ CNC (viết tắt của Computer Numerical Control) đ−ợc sử dụng từ đầu thập kỷ 70. Máy CNC −u việt hơn máy NC thông th−ờng về nhiều mặt, nh− tốc độ xử lý cao, kết cấu gọn, nh−ng −u điểm quan trọng nhất của chúng là ở tính năng sử dụng, giao diện với ng−ời dùng 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 ng−ời dùng. Nhờ màn hình, ng−ời dùng đ−ợc thông báo th−ờng xuyên về tình trạng của máy, cảnh báo báo lỗi và nguy hiểm có thể xảy ra, có thể mô phỏng để kiểm tra tr−ớc quá trình gia công, Máy CNC có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác nh− robot, 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 (*) Chiếc máy tính điện tử đầu tiên mang tên ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) do Mauchly và Eckert chế tạo vào năm 1943. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 23
xuất, hạch toán kinh tế, Một hệ thống sản xuất tự động, có khả năng tự thích ứng với sự thay đổi đối t−ợng sản xuất đ−ợc gọi là hệ thống sản xuất linh hoạt (Flexible Manufacturing System - FMS). FMS gồm máy các máy hoặc trung tâm gia công CNC, robot, các thiết bị vận chuyển, thiết bị kiểm tra, đo l−ờng, làm việc d−ới 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). 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), đ−ợc 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), đ−ợc 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, robot, thiết bị vận chuyển, kho tàng, kiểm tra) và điều khiển chúng. Chúng vốn xuất hiện độc lập với nhau, nh−ng ngày càng xích lại gần nhau. CAD/CAM là thuật ngữ ghép, dùng để chỉ một môi tr−ờng 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 CAD/CAM, CIM đ−ợc tóm tắt trong hình 1.22. Chúng ta thấy vào cuối thế kỷ XX, CAD/CAM, CNC đang trong thời kỳ phát triển mạnh và kỷ nguyên của CIM đ−ợc khởi đầu. Hình 1. 22: Lịch sử phát triển của CNC và các lĩnh vực liên quan Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 24
1.4.2. Các giai đoạn phát triển 1950s-1970s Programs had to be walked to NC controls, generally on paper tape. NC controls had paper tape readers precisely for this purpose. Many companies were still punching programs on paper tape well into the 1980s, more than twenty-five years after its elimination in the computer industry. 1980s The focus in the 1980s was mainly on reliably transferring NC programs between a host computer and the control. The Host computers would frequently be Sun Microsystems, HP, Prime, DEC or IBM type computers running a variety of CAD/CAM software. DNC companies offered machine tool links using rugged proprietary terminals and networks. For example, DLog offered an x86 based terminal, and NCPC had one based on the 6809. The host software would be responsible for tracking and authorising NC program modifications. Depending on program size, for the first time operators had the opportunity to modify programs at the DNC terminal. No time was lost due to broken tapes, and if the software was correctly used, an operator running incorrect or out of date programs became a thing of the past. Older controls frequently had no port capable of receiving programs such as an RS232 or RS422 connector. In these cases, a device known as a Behind The Reader or BTR card was used. The connection between the control's tape reader and the internal processor was interrupted by a microprocessor based device which emulated the paper tape reader's signals, but which had a serial port connected to the DNC system. As far as the control was concerned, it was receiving from the paper tape unit as it always had; in fact it was the BTR or Reader Emulation card which was transmitting. A switch was frequently added to permit the paper tape reader to be used as a backup. 1990s and beyond The PC explosion in the late 1980s and early 1990s signalled the end of the road for proprietary DNC terminals. With some exceptions, CNC manufacturers began migrating to PC- based controls running DOS, Windows or OS/2 which could be linked in to existing networks using standard protocols. Customers began migrating away from expensive minicomputer and workstation based CAD/CAM toward more cost-effective PC-based solutions. Users began to demand more from their DNC systems than secure upload/download and editing. PC-based systems which could accomplish these tasks based on standard networks began to be available at minimal or no cost. In some cases, users no longer needed a DNC "expert" to implement shop Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 25
floor networking, and could do it themselves. However, the task can still be a challenge based on the CNC Control wiring requirements, parameters and NC program format. To remain competitive, therefore, DNC companies moved their offerings upmarket into DNC Networking, Shop Floor Control or SFC, Manufacturing Execution Systems or MES. These terms encompass concepts such as real-time Machine Monitoring, Graphics, Tool Management, Traveler Management and Scheduling. Instead of merely acting as a repository for programs, DNC systems aim to give operators at the machine an integrated view of all the information (both textual and graphical) they require in order to carry out a manufacturing operation, and give management timely information as to the progress of each step. DNC systems are frequently directly integrated with corporate CAD/CAM, ERP and Process Planning systems. Special Protocols A challenge when interfacing into machine tools is that in some cases special protocols are used. Two well-known examples are Mazatrol and Heidenhain. Many DNC systems offer support for these protocols. Another protocol is DNC2 or LSV2 which is found on Fanuc controls. DNC2 allows advanced interchange of data with the control, such as tooling offsets, tool life information and machine status as well as automated transfer without operator intervention. Machine Monitoring One of the issues involved in machine monitoring is whether or not it can be accomplished automatically. In the 1980s monitoring was typically done by having a menu on the DNC terminal where the operator had to manually indicate what was being done by selecting from a menu, which has obvious drawbacks. There have been advances in passive monitoring systems where the machine condition can be determined by hardware attached in such a way as not to interfere with machine operations (and potentially void warranties). Many modern controls allow external applications to query their status using a special protocol. 1.5. Các −u, nh−ợc điểm của máy CNC Về bản chất vật lý, quá trình gia công trên máy thông th−ờng và máy CNC hoàn toàn nh− nhau: kích th−ớc và chất l−ợng bề mặt của chi tiết gia công đ−ợc hình thành và điều khiển bởi sự t−ơng tác cơ, lý, hoá giữa dụng cụ và chi tiết gia công. Nền tảng lý thuyết cắt gọt kim loại đ−ợc 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 th−ờng, do hạn chế của điều khiển thủ công, không thực hiện đ−ợc. 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, v−ợt trội so với máy thông th−ờng. Việc chuyển vai trò điều Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 26
khiển của con ng−ời cho máy móc tạo nên sự chính xác, linh hoạt, nhanh nhạy, bền vững của hệ thống công nghệ. Nhờ các tính năng ngày càng −u việt của hệ thống tích hợp cơ khí - điều khiển tự động - công nghệ thông tin mà máy CNC có rất nhiều −u điểm. 1.5.1. Các −u điểm của máy CNC Hiệu quả kinh tế - xã hội của việc sử dụng máy CNC đ−ợc thể hiện ở các khía cạnh sau đây: 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, dụng cụ đo, phôi liệu, ). Về lý thuyết, điều khiển số không làm giảm thời gian chính mà chỉ giảm 2 thành phần thời gian còn lại. Tuy nhiên, trên thực tế máy CNC cho phép giảm cả 3 loại thời gian so với máy công cụ truyền thống. - Thời gian chính Tc đ−ợc cải thiện nhờ phát huy tối đa công suất gia công của máy, trong khi trên máy thông th−ờng, do hạn chế về tay nghề hoặc tình trạng tâm sinh lý của công nhân điều đó không đạt đ−ợc. Ví dụ, tốc độ trục chính trên máy tiện CNC có thể tới hàng vạn vòng/phút, còn khi làm việc trên máy thông th−ờng, 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 d−ờng nh− 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 đ−ợc 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 tr−ớc 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 đ−ợc thay đổi từ ch−ơng trình, công nhân không mất thời gian gạt số. Việc dừng máy để kiểm tra kích th−ớc trong các nguyên công hầu nh− đ−ợc loại bỏ do khả năng điều khiển chính xác vị trí và quỹ đạo của máy CNC rất cao. Các trung tâm gia công th−ờng 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. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 27
- Việc chuẩn bị máy CNC để gia công một loại sản phẩm mới rất nhẹ nhàng: nạp ch−ơng 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 ch−ơng trình cho phép loại bỏ các đồ gá và dao định hình phức tạp. Nhờ vậy không những giảm đ−ợc 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 ch−ơng 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 ph−ơng 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. Ng−ời ta đã tổng kết rằng, thời gian trực tiếp gia công (Tc) trên máy thông th−ờng 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 nh− không phụ thuộc vào tay nghề và trạng thái tâm, sinh lý của công nhân. Chất l−ợng gia công cao Chất l−ợng gia công (độ chính xác kích th−ớc, hình dáng và chất l−ợng 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 l−ờng rất chính xác (cỡ 0,01 - 0,001 mm), hệ thống cơ khí cứng vững và ổn định, quá trình cắt đ−ợc điều khiển hoàn toàn nhờ ch−ơng trình nên loại trừ đ−ợc các sai số do chế tạo và hao mòn các cữ, d−ỡng. Các máy CNC hiện đại đều có khả năng bù kích th−ớc và mòn dao, bù khe hở và biến dạng nhiệt cơ khí. Trên máy thông th−ờng, tay nghề và tình trạng tâm, sinh lý của ng−ời thợ ảnh h−ởng rất lớn đến chất l−ợng gia công. Khi gia công trên máy CNC, công nhân chỉ có nhiệm vụ nạp ch−ơng 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 h−ởng đến chất l−ợng gia công. Trong số các thông số kỹ thuật của máy CNC, có 2 thông số ảnh h−ởng trực tiếp đến chất l−ợng gia công. Đó là độ chính xác định vị (Accuracy hay Positioning Accuracy) và độ chính xác lặp lại (Repeatability). Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 28
Độ chính xác định vị (ĐCXĐV) liên quan tới thuật ngữ độ phân giải điều khiển (Control Resolution). Độ phân giải điều khiển (ĐPGĐK) nói lên khả năng của MCU, có thể chia khoảng dịch chuyển của bàn máy thành những đoạn nhỏ mà bộ điều khiển có thể nhận biết đ−ợc. Nói cách khác, đó là khoảng dịch chuyển nhỏ nhất của bàn máy mà bộ điều khiển có thể điều khiển đ−ợc. Nếu khoảng dịch chuyển nhỏ hơn ĐPGĐK thì bộ điều khiển không thể nhận biết đ−ợc và ta sẽ mắc một sai số điều khiển. ĐPGĐK phụ thuộc nhiều yếu tố, nh− năng lực xử lý (số bit) của bộ NC, bộ điều khiển truyền động (ví dụ số b−ớc/vòng của động cơ b−ớc), độ phân giải của hệ thống đo (ví dụ số xung phát ra trong 1 vòng quay của encoder). Với một hệ phức hợp, ĐPGĐK sẽ là ĐPG thấp nhất của các yếu tố thành phần. Để làm ví dụ, ta lấy tr−ờng hợp số bit của NC là yếu tố quyết định. Nếu gọi n là số bit của mỗi trục thì số khoảng chia (số điểm điều khiển) trên trục sẽ là Số điểm điều khiển = 2 n ĐPGĐK là khoảng cách giữa 2 điểm điều khiển kề nhau: Khoả ng dịch chuyển Đ PGĐ K = 2n Do nhiều yếu tố (sai số điều khiển, các sai số cơ khí, nh− khe hở truyền động, biến dạng của hệ thống cơ khí, ) nên khi gia công luôn luôn mắc phải sai số định vị (Positioning Error), nghĩa là không bao giờ chúng ta có thể định vị chính xác tuyệt đối bàn máy tại một vị trí xác định. ĐCXĐV đồng nghĩa với sai số định vị, nói lên khả năng định vị chính xác bàn máy tới một vị trí (toạ độ) xác định. Trong tr−ờng hợp xấu nhất, điểm cần đến D nằm chính giữa hai điểm điều khiển kề nhau P1 và P2 (hình 1. 2). Giả thiết sai số cơ khí tuận theo luật phân bố chuẩn, khi đó tuyệt đại đa số giá trị đo (99,74%) nằm trong khoảng ±3σ (σ là ph−ơng sai). ĐCXĐV đ−ợc tính theo công thức: Đ PGĐ K Đ CXĐ V = + 3σ 2 Độ chính xác lặp lại (ĐCXLL) là khả năng điều khiển bàn máy lặp lại nhiều lần đúng vị trí xác định đã đ−ợc lập trình. Nó nói lên khả năng đạt giá trị kích th−ớc một cách ổn định trong một loạt chi tiết gia công. Nguyên nhân của sai số lặp lại là các sai số cơ khí nh− đã nhắc đến ở trên. Khi các kích th−ớc gia công tuân theo luật phân bố chuẩn thì tuyệt đại đa số kích th−ớc nằm trong vùng ±3σ. Vì vậy có thể định nghĩa ĐCXLL nh− sau: ĐCXLL = ±3σ , hay ĐCXLL = 6σ. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 29
Hình 1. 23: Biểu diễn ĐCXĐV và ĐCXLL của máy NC Định nghĩa về ĐPGĐK, ĐCXĐV, ĐCXLL đ−ợc minh hoạ trong hình 1. 23. Ví dụ, một bộ NC điều khiển máy tiện theo 2 trục với số bit là 16 (gọi là bộ điều khiển 16 bit). Khoảng dịch chuyển của trục Z là 800 mm, trục X là 300 mm. Sai số cơ khí tuân theo luật phân bố chuẩn với ph−ơng sai σ = 0.0075 mm. Ta thử tính ĐPGĐK, ĐCXĐV và ĐCXLL của hệ thống. Ta sẽ giải bài toán trên cho bộ điều khiển 8 bit và 32 bit để so sánh kết quả. Vì 2 trục có khoảng dịch chuyển khác nhau nên phải xác định ĐPGĐK và ĐCXĐV cho từng trục. Ta có thể lập một bảng tính Excel nh− sau để tính luôn cho cả 3 tr−ờng hợp: bộ điều khiển 8, 16 và 32 bit. Sigma = 0.0075 n = 8 16 32 Số điểm ĐK 2n = 256 65 536 4 294 967 296 Cả 2 trục 3*sigma = 0.0225 ĐCXLL = 6*sigma = 0.0450 Trục Z Khoảng dịch Z 800 ĐPGĐK (mm) Z/2n 3.125 0.0122 0.000000186 ĐCXĐV (mm) ĐPGĐK/2 + 3*sigma 1.585 0.0286 0.022500093 Trục X Khoảng dịch X 300 ĐPGĐK (mm) X/2n 1.172 0.0046 0.000000070 ĐCXĐV (mm) ĐPGĐK/2 + 3*sigma 0.608 0.0248 0.022500035 Từ ví dụ trên, ta rút ra kết luận: - Độ chính xác lặp lại không liên quan gì đến bộ điều khiển mà do chất l−ợng phần cơ khí (độ chính xác, khe hở, độ cứng vững, ổn định, ) quyết định. - Năng lực của máy tính (số bit) càng lớn thì độ chính xác định vị càng cao. Các bộ điều khiển mới dùng máy tính 32 bit nên có thể đạt độ chính xác định vị rất cao. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 30
- Khi ĐPGĐK thấp thì sai số định vị phụ thuộc nhiều vào sai số điều khiển. Khi nâng cao ĐPGĐK thì sai số cơ khí chiếm vị trí quan trọng. - Với cùng một bộ điều khiển, muốn tăng khoảng dịch chuyển (khoảng điều khiển) của bàn máy thì phải hy sinh độ chính xác định vị. Tính linh hoạt cao Máy CNC hơn hẳn máy thông th−ờng 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 nh− hốc tròn, chữ nhật, elip, Các mặt cong không gian, nh− 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 l−ợng gia công và có thể gia công các sản phẩm nghệ thuật, nh− tạc t−ợng. Máy tiện CNC, ngoài các chức năng nh− máy th−ờng, có thể gia công ren với b−ớc 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 th−ờng 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 t−ợng gia công trên máy CNC rất dễ dàng, gần nh− chỉ thay đổi ch−ơng trình chứ không cần thay đồ gá, dao cụ phiền phức nh− trên máy thông th−ờng. Nhờ có khả năng thích ứng linh hoạt với đối t−ợng 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 đ−ợc sử dụng phổ biến không chỉ trên các dây chuyền, trong các tế bào sản xuất tự động mà còn đ−ợc sử dụng riêng lẻ trong loại hình sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ, thậm chí cả chế thử. Chi phí gia công giảm Chi phí gia công một loạt N chi tiết có thể đ−ợc biểu diễn qua công thức sau: C = Ccb + Ctx(1 + p)N trong đó, C - chi phí tổng cộng; Ccb - chi phí cơ bản, gồm khấu hao thiết bị, nhà x−ởng; Ctx - chi phí th−ờng xuyên cho một chi tiết gồm l−ơng công nhân, nguyên vật liệu, năng l−ợng chạy máy, ; p - tỷ lệ phế phẩm trung bình; N - số l−ợng chi tiết trong loạt. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 31
Máy CNC có năng suất cao, không đòi hỏi công nhân bậc cao, ít sinh phế phẩm nên cho phép giảm chi phí th−ờng xuyên. Tuy nhiên, chi phí mua sắm, bảo trì, lập trình, đảm bảo môi tr−ờng cho máy CNC lớn hơn nhiều lần so với máy thông th−ờng. Ng−ợc lại, máy chi phí ban đầu để mua sắm máy thông th−ờng nhỏ hơn nh−ng chi phí th−ờng xuyên lớn hơn. Vì vậy, theo hình 1.24, nếu sản l−ợng N>N0 thì nên dùng máy CNC (vì có chi phí tổng cộng nhỏ hơn). Hình 1. 24: Lựa chọn ph−ơng án đầu t− 1.5.2. Các nh−ợc điểm của CNC Máy CNC có nhiều −u điểm và đ−ợc sử dụng ngày càng rộng rãi. Tuy nhiên, chúng cũng có những nh−ợc điểm cần quan tâm khi chọn, mua sắm và sử dụng chúng. - Máy CNC, đặc biệt là các trung tâm gia công rất đắt tiền. Giá của chúng từ vài chục ngàn đến hàng triệu đô la Mỹ, gấp từ 5 đến hàng chục lần giá máy thông th−ờng cùng cỡ. - Máy CNC là thiết bị công nghệ cao, có hệ thống cơ khí chính xác và hệ thống điều khiển, đo l−ờng tinh vi, phức tạp. Để bảo đảm độ chính xác, chúng cần điều kiện bảo quản và làm việc khắt khe. Các yêu cầu về dụng cụ, vật t− bảo quản, bảo d−ỡng máy CNC cũng cao và tốn kém hơn máy th−ờng. - Máy CNC đòi hỏi đội ngũ cán bộ kỹ thuật đ−ợc đào tạo chuyên sâu. Máy CNC tuy không đòi hỏi ng−ời vận hành có thay nghề cao nh−ng lại đòi hỏi một đội ngũ cán bộ kỹ thuật đồng bộ và đ−ợc đào tạo chuyên sâu. Lập trình viên phải có kiến thức vững về công nghệ gia công cơ khí, hiểu biết về cấu hình máy, thành thạo ngôn ngữ và công cụ lập trình (CAD/CAM). Thợ vận hành phải nắm chắc kết cấu, tính năng, chế độ vận hành máy, chế độ bảo quản bảo d−ỡng và khắc phục các sự cố thông th−ờng; đồng thời có khả năng lập trình cơ bản. Cán bộ kỹ thuật bảo trì, sửa chữa cần hiểu biết sâu kết cấu chung và kết cấu từng hệ thống của máy; có khả năng chẩn đoán tình trạng hoạt động và phân tích, khắc phục sự cố của máy. Trong nhiều tr−ờng hợp, cần liên hệ với nhà sản xuất để nhận trợ Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 32
giúp kỹ thuật. Nói chung, đội ngũ cán bộ kỹ thuật làm việc với máy CNC gồm các kỹ s− cơ điện tử, đ−ợc đào tạo chuyên sâu về lập trình, vận hành, bảo trì, sửa chữa các hệ thống sản xuất tự động hoá. - Máy CNC là máy có cấu hình cứng (Fixed Configuraton, Non-Configurable Machine Tools), chỉ có nhà sản xuất mới thay đổi đ−ợc. Nhà sản xuất luôn luôn đ−a ra các cấu hình tuy chọn (Options) hấp dẫn (độ chính xác cao, nhiều trục điều khiển, tốc độ gia công cao, nhiều chức năng tự động hoá, ). Ng−ời mua máy nếu không xuất phát từ nhu cầu và trình độ sử dụng thực tế thì sẽ bỏ tiền ra mua các máy đắt tiền với đầy đủ chức năng nh−ng có nhiều chức năng thừa, rất ít dùng, dẫn đến sự lãng phí lớn. - Về bản chất, CNC là điều khiển cứng. Máy CNC làm việc theo ch−ơng trình, nghĩa là mọi hoạt động của nó tuân theo đúng trình tự và chế độ công nghệ quy định sẵn trong ch−ơng trình (xem lại mục 1.1). Bộ điều khiển không thể nhận biết đ−ợc và không thể phản ứng tr−ớc những biến động trong quá trình công nghệ (sự biến động về kích th−ớc, cơ tính vật liệu phôi; sự thay đổi khả năng cắt của dao; ) nên các chế độ công nghệ ghi trong ch−ơng trình mang tính dự phòng cao. Điều đó khiến trong phần lớn thời gian, máy làm việc d−ới khả năng. Điều đó dẫn đến sự lãng phí về năng suất gia công. 1.6. H−ớng sử dụng và phát triển máy CNC Trong phần trên, chúng ta đã phân tích các −u, nh−ợc điểm của máy CNC thông th−ờng. Để phát huy −u điểm, khắc phục những nh−ợc điểm của máy CNC cần tìm ra và áp dụng các giải pháp về kết cấu, điều khiển và sử dụng chúng. Sau đây chúng ta sẽ phân tích một số giải pháp quan trọng nhất. 1.6.1. Lựa chọn và sử dụng hợp lý máy CNC Khi lựa chọn và sử dụng máy CNC cần phải trả lời 2 câu hỏi quan trọng: Dùng máy vạn năng hay 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 3 chiều, việc thiết kế và chuẩn bị ch−ơng trình cho máy CNC trở nên đơn giản. Máy CNC ngày càng đ−ợc sử dụng phổ biến và dần dần thay thế máy vạn năng cả trong gia công thông th−ờng. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 33
Hình 1.25 biểu diễn khu vực sử dụng hiệu quả của máy thông Sản l−ợng th−ờng và máy CNC. Theo đó, máy vạn năng thông th−ờng giá rẻ nh−ng độ chính xác thấp đ−ợc dùng chủ yếu trong sản xuất đơn II chiếc loạt nhỏ các chi tiết có độ phức tạp và độ chính xác thấp (vùng I). Khi yêu cầu độ phức tạp I và độ chính xác cao thì máy CNC phù hợp hơn. Trong điều kiện đó, máy CNC vẫn cho hiệu quả kinh Độ phức tạp và độ chính xác của chi tiết tế cao cả khi sản xuất đơn chiếc, Hình 1. 25: Vùng hiệu quả kinh tế của máy thông loạt nhỏ và chế thử, thậm chí sản th−ờng (I) và của máy CNC (II) xuất theo yêu cầu đặc biệt. Cùng với các yếu tố công nghệ đã nói trên, hiệu quả kinh tế cần đ−ợc tính toán, cân nhắc khi thay thế máy vạn năng bằng máy CNC. Dùng máy CNC với cấu hình nào? Các máy và trung tâm gia công CNC khác nhau rất nhiều về cấu hình, tính năng và tất nhiên là giá cả và các chi phí sử dụng. Vì vậy, chọn máy cho phù hợp với nhu cầu sử dụng cũng là bài toán kỹ thuật và kinh tế. Các máy CNC cỡ vừa, cấu hình thấp (ví dụ máy phay 3 trục, máy tiện 2 trục) th−ờng đ−ợc sử dụng tại các x−ởng máy với các chức năng gia công thông th−ờng. Các trung tâm gia công có thể dùng tại các x−ởng chế thử với các chi tiết phức tạp nh−ng số l−ợng ít. Trừ dây chuyền cứng (hàng khối), các máy và trung tâm gia công CNC đ−ợc ứng dụng trong mọi loại hình sản xuất (hình 1.26). Tuy nhiên, cấu hình của máy và trung tâm gia công cần thay đổi tuỳ theo ứng dụng cụ thể. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 34
Hình 1. 26: Phạm vi ứng dụng máy và trung tâm gia công CNC Khi sản l−ợng thấp, sản phẩm thay đổi th−ờng xuyên thì các máy hoặc trung tâm CNC đơn lẻ đ−ợc sử dụng. Trên các máy này, các chức năng chính đ−ợc −u tiên tự động hoá. Một số chức năng phụ trợ, nh− cấp phôi tự động, giao tiếp với robot, băng tải, không cần thiết. Khi sản l−ợng cao hơn, chúng đ−ợc ghép vào các tế bào, hệ thống, dây chuyền sản xuất linh hoạt. Hình 1. 27: Tính kinh tế của việc sử dụng CNC Trên các hệ thống đó, các thiết bị gia công đ−ợc chuyên môn hoá ở mức độ cao hơn nên chuyển động cắt gọt không nhất thiết phải phức tạp (ví dụ dải tốc độ trục chính có thể Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 35
hẹp hơn, số trục chạy dao không nhất thiết phải nhiều). Nh−ng cùng làm việc với máy CNC còn có các robot, băng tải, máy đo toạ độ, thiết bị l−u trữ, Do đó, các máy CNC phải có giao diện phù hợp. Để giảm sự can thiệp của con ng−ời (khi hệ thống làm việc nhiều ca, kể cả ban đêm, ngày nghỉ không có ng−ời giám sát và phục vụ), các hệ thống phụ trợ và phục vụ và giám sát (cấp phôi, cấp dao, đo dao, tải chi tiết, tải phoi, ) cần đ−ợc tự động hoá. Hình 1.27 cho phép so sánh hiệu quả kinh tế của các loại hình sản xuất có sử dụng CNC. Máy CNC đơn lẻ có thể sử dụng khi sản l−ợng rất thấp nh−ng năng suất của chúng không cao, chi phí sản xuất (tính cho 1 chi tiết) lớn. Trong các tế bào hoặc các dây chuyền sản xuất linh hoạt, máy đ−ợc chuyên môn hoá, có hệ thống phục vụ đầy đủ, có năng suất cao, do đó chi phí sản xuất thấp hơn. 1.6.2. Điều khiển thích nghi máy CNC Khái niệm về điều khiển thích nghi máy công cụ Nh− đã nói ở mục 1.5.2, CNC là bộ điều khiển cứng, làm việc theo ch−ơng trình lập tr−ớc. Nhiệm vụ của CNC là điều khiển máy công cụ thực hiện quá trình và duy trì chế độ gia công theo đúng ch−ơng trình. Trên thực tế, quá trình công nghệ thực luôn có biến động không biết tr−ớc và không theo quy luật nào nhất định. Ví dụ, sự thay đổi của chiều dày và bề rộng cắt; cơ tính vật liệu; khả năng cắt của dụng cụ; rung động của hệ thống; độ cứng vững thực tế của phôi, dao, Nh− đã chỉ ra trong hình 1.5, quá trình công nghệ nằm ngoài vòng điều khiển của CNC nên nó không nhận biết và xử lý đ−ợc. Để đảm bảo chất l−ợng gia công và an toàn của hệ thống, trong công nghệ truyền thống, chế độ cắt đ−ợc xác định theo nguyên tắc phòng ngừa, nghĩa là theo điều kiện khó khăn, nặng nề nhất. Trên thực tế, điều kiện đó chỉ là giả định hoặc xảy ra trong khoảnh khắc. Tromg phần lớn thời gian, máy làm việc d−ới khả năng, với năng suất thấp, chi phí cao. Máy CNC không nằm ngoài tình trạng đó. Nh− trên hình 1.28 l−ợng chạy dao trên máy CNC (FCNC) đ−ợc xác định sao cho khi cắt với chiều sâu cắt lớn nhất (Hmax) dao không bị mẻ. Trong suốt quá trình gia công, tuy chiều sâu cắt thực nhỏ hơn FCNC rất nhiều nh−ng hệ điều khiển vẫn duy trì giá trị đó. Hình 1. 28: Chế độ cắt trên máy CNC Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 36
Nếu bằng cách nào đó, bộ điều khiển hiệu chỉnh đ−ợc l−ợng chạy dao FAC theo chiều sâu cắt thực thì năng suất sẽ tăng lên rất nhiều. Hệ điều khiển có khả năng giám sát theo thời gian thực các biến động của môi tr−ờng và tự hiệu chỉnh chế độ làm việc sao cho đạt đ−ợc tốt nhất mục tiêu điều khiển đ−ợc gọi là điều khiển thích nghi (Adaptve Control - AC). Trong tr−ờng hợp trên, có thể thiết kế bộ AC với nhiệm vụ giám sát (trực tiếp hay gián tiếp) chiều sâu cắt và tự động hiệu chỉnh l−ợng chạy dao FAC, duy trì giá trị lực cắt không v−ợt quá ng−ỡng nào đó (ví dụ, không gãy dao). Nh− vậy, khác với công nghệ CNC truyền thống (thiết lập chế độ công nghệ tr−ớc khi gia công (Off-line), theo nguyên tắc phòng ngừa, bị động), AC là giải pháp tích cực, thông minh và hiệu chỉnh chế độ công nghệ ngay trong khi gia công (On-line). AC không phải ý t−ởng mới. Bộ AC đầu tiên đ−ợc thực hiện tại Bendix Research Liboratories vào khoảng năm 1962-1964, d−ới sự bảo trợ của Không lực Mỹ. Vào khoảng thời gian đó, hãng Cincinnati Milacron cũng xây dựng một hệ t−ơng tự. Cả hai nơi đều nhận ra rằng không thể tạo ra một hệ thống có khả năng đo trực tuyến chỉ tiêu hiệu quả (Performance Index - PI) của quá trình. Mặt khác các hệ AC này đều quá đắt để có thể ứng dụng trong công nghiệp. Sau đó, hàng loạt công trình nghiên cứu đ−ợc tiến hành để tìm ra giải pháp khả thi về kỹ thuật. Các hệ AC cho máy công cụ đ−ợc phân làm 3 loại: - Hệ bù hình học thích nghi (Geometric Adaptive Compensation - GAC) nhằm nâng cao độ chính xác gia công bằng cách giám sát và bù trực tuyến sai số hình học do sự biến động của nhiệt độ vùng cắt, do sai số hình học của máy, do mòn dao, Tuy nhiên, do khó khăn trong việc đo trực tuyến l−ợng mòn dao và nhiệt độ vùng cắt nên cho đến nay ch−a có bộ GAC nào đ−ợc ứng dụng thực tế [11]. - Hệ điều khiển thích nghi tối −u (Adaptive Control Optimization - ACO) nhằm hiệu chỉnh chế độ cắt để đạt đ−ợc chỉ tiêu tối −u nhất định, ví dụ năng suất cắt cao nhất hay chi phí gia công nhỏ nhất. ACO cũng gặp phải khó khăn t−ơng tự nh− GAC, không có thiết bị đo trực tuyến mòn dao và nhiệt độ vùng cắt. - Hệ điều khiển thích nghi theo trạng thái giới hạn (Adaptive Control with Constraints - ACC), th−ờng là đảm bảo lực cắt không v−ợt quá giới hạn cho phép. Hiện nay đây là h−ớng khả thi nhất cho AC máy công cụ. Một số hệ điều khiển thích nghi hiện có Trong số nhiều hệ ĐKTN đ−ợc nghiên cứu trên thế giới thì đã có một số hệ ACO, nh−ng nhiều nhất là các hệ ACC. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 37
Năm 2002, tại Bộ môn Máy tự động và robot, Học viện KTQS, một bộ ACC đã đ−ợc xây dựng (hình 1.29). Hệ gồm có: - Một máy phay CNC (phần trên) với bộ điều khiển TNC360 của hãng Heidenhain (CHLB Đức). Đó là máy phay đứng, 3 trục. Cả 3 trục chạy dao (X, Y, Z) dùng các hệ điều khiển động cơ servo, có phản hồi vị trí bằng th−ớc quang. - Sensor đo lực đ−ợc dùng là hệ thống đo lực cắt 3 thành phần kiểu 9257BA hoặc kiểu 9602 do hãng Kistler (Thụy sĩ) sản xuất. Nhiệm vụ của nó là đo On-line giá trị lực cắt, chuyển thành tín hiệu điện áp để cung cấp cho ACC. - Chức năng AC đ−ợc thực hiện nhờ một PC, có cắm Card thu nhận và xử lý tín hiệu (Data Acquisition - DA) kiểu PCL-812 PG do hãng Advantech (Đài loan) sản xuất và phần mềm trợ giúp thiết kế các modul thu thập, xử lý tín hiệu và điều khiển DASYLab của hãng DASYTECđ (Đức). Nhiệm vụ của cụm này là nhận tín hiệu cắt P, chuyển đổi A/D, tính toán, so sánh với giá trị đặt (ng−ỡng Pmax) và tiến hành hiệu chỉnh l−ợng chạy dao F theo luật xác định để duy trì quan hệ P≤Pmax. Các chức năng suy luận logic và ra quyết định điều khiển nói trên đ−ợc thực hiện bởi một khối các modul logic và một modul PID. Tín hiệu ra của ACC cũng d−ới dạng điện áp, đ−ợc đ−a trực tiếp vào bộ nội suy của CNC (phần d−ới). Hình 1. 29: Sơ đồ ACC tại Học viện Kỹ thuật quân sự Trên hình 1.30 là sơ đồ nối ghép thiết bị phần cứng, hình 1.31 là ảnh mặt máy của bộ ACC đ−ợc thiết kế. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 38
Hình 1. 30: Sơ đồ nối ghép thiết bị của ACC Hình 1. 31: Hình ảnh mặt máy của bộ ACC Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 39
Theo tài liệu công bố năm 2008 [10] thì các hệ t−ơng tự đã đ−ợc thực hiện và th−ơng mại hoá bởi hãng Omative (Ixrael). Hệ có tên gọi là ACM (Adaptive Control & Monitoring), có chức năng giám sát, hiệu chỉnh on-line tốc độ trục chính và l−ợng chạy dao để duy trì lực cắt d−ới giới hạn cho phép (hình 1.32). (a) (b) Hình 1. 32: Chế độ ACC của hệ ACM Để thực hiện chức năng tối −u hoá chế độ cắt trong khi ch−a giải quyết đ−ợc vấn đề đo trực tuyến các thông số công nghệ, F. Cus và các cộng sự tại khoa Cơ khí, ĐHTH Maribor (Slovenia) đã kết hợp chức năng tối −u hoá off-line với bộ ACC để hiệu chỉnh on- line l−ợng chạy dao theo điều kiện lực cắt giới hạn (hình 1.33). Hệ có 2 modul: - Modul tối −u hoá chế độ cắt (l−ợng chạy dao) dựa trên hệ suy luận mờ thích nghi (Adaptive Neuro-fuzzy Inference System - ANfis). Modul này cung cấp giá trị chế độ cắt tối −u cho bộ CNC. - Modul ACC nhận tín hiệu từ bộ đo lực cắt, tính toán l−ợng hiệu chỉnh chế độ cắt (l−ợng chạy dao) và chuyển tín hiệu tới bộ CNC để thực hiện quá trình hiệu chỉnh on-line thông số này. L−ợng chạy dao đ−ợc hiệu chỉnh bằng cách nhân giá trị Feedrate Override Percentage (DNCFRO) với l−ợng chạy dao trong ch−ơng trình. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 40
Hình 1. 33: Hệ điều khiển thích nghi với chức năng TƯH chế độ cắt 1.6.3. Máy có cấu hình thay đổi đ−ợc Chúng ta đã nói rất nhiều đến −u điểm và sự phát triển nhanh chóng của máy CNC và các hệ thống sản xuất dùng CNC. Trên bình diện chung, các thiết bị và hệ thống sản xuất linh hoạt đã và đang thay thế dần các máy vạn năng, các dây chuyền cứng. Vậy thì phải chăng đã đến lúc nói về sự cáo chung của các máy vạn năng và các dây chuyền cứng? FMS có phải dạng sản xuất hiệu quả nhất hiện nay và trong t−ơng lai không? Liệu rồi đây có dạng sản xuất nào thay thế chúng không. Chúng ta sẽ trả lời "không" cho tất cả các câu hỏi trên, vì sao vậy? - Nhờ có năng suất cao, chất l−ợng sản phẩm ổn định, tổ chức và điều hành sản xuất đơn giản, dây chuyền cứng (Dedicated Manufacturing Line - DML) có −u thế v−ợt trội trong điều kiện sản xuất với sản l−ợng rất lớn, chủng loại sản phẩm ít và ổn định nhiều năm. Nhờ chuyên môn hoá sản xuất, ng−ời ta có điều kiện sử dụng các thiết bị chuyên dùng, trình độ tự động hoá cao và công nhân cũng đ−ợc chuyên môn hoá để thực hiện thành thục các thao tác đ−ợc đơn giản hoá tối đa. Thiết bị rẻ tiền, giá công nhân rẻ, tiết kiệm nguyên vật liệu và năng l−ợng, sản l−ợng lớn, khấu hao và hoàn vốn nhanh là những tiền đề cơ bản tạo ra lợi nhuận cao cho nhà sản xuất khi sử dụng dây chuyền cứng. Ngày nay, dây chuyền cứng vẫn đ−ợc ứng dụng khi có thể, ví dụ trong sản xuất hàng tiêu dùng sản l−ợng lớn (giày dép, quần áo, mỹ phẩm, thực phẩm, ). Trong cơ khí vẫn có nhiều doanh nghiệp ứng dụng loại hình sản xuất này, ví dụ sản xuất các loại đạn cỡ nhỏ cho vũ Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 41
khí bộ binh. Ngay cả khi không có điều kiện ứng dụng dây chuyền cứng thì một số nguyên tắc công nghệ và tổ chức của dây chuyền cứng vẫn đ−ợc áp dụng cho các dạng sản xuất khác. - Sản xuất linh hoạt sử dụng các máy và trung tâm gia công CNC có tính vạn năng cao. Bên cạnh những −u điểm về tính linh hoạt, dạng sản xuất này có những nh−ợc điểm cơ bản: thiết bị đắt tiền, năng suất không cao (so với máy chuyên dùng), sử dụng khó khăn và chi phí vận hành cao. Bẳng sau tóm tắt các −u, nh−ợc điểm của dây chuyền cứng và FMS. So sánh −u, nh−ợc điểm của dây chuyền cứng với hệ thống sản xuất linh hoạt Dây chuyền cứng HT sản xuất linh hoạt Giá thành sản xuất Hạ Cao Năng suất gia công Cao Thấp Đặc điểm chuyên môn hoá Theo sản phẩm Theo công nghệ Căn cứ thiết kế chức năng của hệ thống Yêu cầu thực tế Tối đa Khả năng mở rộng chức năng Không Không Độ linh hoạt Thấp Cao Cho hiệu quả cao khi Sản l−ợng lớn Chủng loại nhiều Những −u, nh−ợc điểm của các dạng sản xuất trên bắt nguồn từ đặc điểm chuyên môn hoá của chúng: dây chuyền cứng chuyên môn hoá theo đối t−ợng, còn FMS chuyên môn hoá theo công nghệ. Hiện nay đã xuất hiện một giải pháp nữa để đáp ứng yêu cầu th−ờng xuyên biến động của thị tr−ờng: thiết lập các hệ thống sản xuất tái cấu hình đ−ợc (Reconfigurable Manufacturing Systems - RMS) hoặc các máy công cụ tái cấu hình đ−ợc (Reconfigurable Machine Tools - RMT). Theo [5, 6], RMS đ−ợc định nghĩa nh− sau: Hệ thống sản xuất tái cấu hình (RMS) là hệ thống có khả năng thay đổi nhanh về cấu trúc phần cứng và phần mềm, để có thể điều chỉnh nhanh năng lực sản xuất và chức năng gia công nhóm sản phẩm, đáp ứng sự biến động bất th−ờng của thị tr−ờng. Để đáp ứng yêu cầu trên, RMS cần thoả mãn 5 điều kiện: - Có thể hoán đổi đ−ợc (Convertibility): có thể thay đổi chức năng công nghệ, ví dụ từ phay doa sang tiện, mài, - Có thể tuỳ biến đ−ợc (Customization): có thể thay đổi tính năng kỹ thuật: công suất, tốc độ, vùng gia công, theo yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 42
- Có thể modul hoá đ−ợc (Modularity): thiết bị đ−ợc chia thành các modul chuyên dùng hoặc tiêu chuẩn, nh− đầu cắt gọi, bàn quay, băng tr−ợt, - Có thể tích hợp đ−ợc (Integrability), - Có thể chẩn đoán đ−ợc (Diagnosability). Căn cứ vào khả năng tái cấu hình của phần cứng và phần mềm, ng−ời ta phân các thiết bị thành các loại khác nhau (xem bảng sau). Bảng phân loại thiết bị theo khả năng tái cấu hình Tình trạng phần mềm Phần cứng cấu trúc cứng Phần cứng tái cấu hình đ−ợc Máy điều khiển bằng tay, Không có phần mềm - Dây chuyền cứng Phần mềm điều khiển có Máy CNC có cấu trúc kiểu Máy CNC, Robot, FMS cấu trúc cứng modul Phần mềm điều khiển tái Bộ điều khiển kiểu modul RMS cấu hình đ−ợc hoặc có cấu trúc mở Ta thấy trên các máy CNC, robot và FMS, phần cứng và phần mềm đều có cấu trúc cứng, còn ở RMS phần cứng và phần mềm có cấu trúc kiểu modul, tái cấu hình đ−ợc. Điểm khác nhau cơ bản giữa FMS và RMS là ở chỗ: - FMS đ−ợc thiết lập trên cơ sở các máy CNC dùng chung. Các máy này đ−ợc thiết kế để đảm bảo khả năng gia công lớn nhất có thể (theo gam máy): số trục lớn, kích th−ớc lớn, độ chính xác cao, tốc độ cao, mà không tính đến nhiệm vụ cụ thể. Ng−ời dùng chọn máy luôn luôn phải tính đến nhiệm vụ công nghệ khó khăn nhất, mặc dù thời gian để máy thực hiện nhiệm vụ đó không lớn. Nh− vậy, phần lớn thời gian máy làm những việc d−ới khả năng của nó. Đó là giải pháp không kinh tế. - RMF đ−ợc thiết lập trên cơ sở các máy CNC hoặc các máy công cụ tái cấu hình đ−ợc (Reconfigurable Machine Tools - RMT). Hệ thống nh− vậy có cấu trúc modul. Căn cứ vào nhiệm vụ công nghệ cụ thể (kích th−ớc, hình dạng, vật liệu chi tiết, độ chính xác gia công, ng−ời dùng chọn các modul có sẵn (trong kho của nhà máy hoặc đi thuê) và lắp ráp, liên kết với nhau. Bằng cách đó, ng−ời dùng luôn có khả năng chọn cấu hình thiết bị đúng yêu cầu công nghệ, không thiếu, không thừa. Khi thay đổi nhiệm vụ sản xuất, chỉ cần lựa chọn, thêm bớt, thay đổi các modul và tổ hợp lại hệ thống. Các modul bỏ ra đ−ợc trả về kho để dùng lại hoặc trả lại cửa hàng cho thuê. Giải pháp này kế thừa đ−ợc các −u điểm chuyên môn hoá của dây chuyền cứng và tính linh hoạt của FMS. Hình 1.34 cho thấy dây chuyền cứng và FMS là các dạng sản xuất cứng: dây chuyền cứng có năng suất cao nh−ng chức năng rất hạn chế, chỉ gia công đ−ợc một loại sản phẩm; Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 43
FMS linh hoạt nh−ng năng suất thấp. Nhờ khả năng tái cấu hình nên RMS có tính linh hoạt của FMS nh−ng lại có năng suất cao nh− dây chuyền cứng. Hình 1.35 cho thấy, với sản l−ợng thấp, FMS yêu cầu vốn đầu t− ít nhất. Trong khoảng giữa, RMS là giải pháp kinh tế nhất. Khi sản l−ợng cao, dây chuyền cứng kinh tế nhất. Hình 1. 34: Năng lực SX của DML, RMS và Hình 1. 35: Vốn đầu t− cho DML, RMS và FMS FMS Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 44
Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC Về kết cấu chung, máy thông th−ờng, máy NC và máy CNC đều có phần cơ sở (thân máy, bàn máy, hệ thống truyền động trục chính, hệ thống chạy dao, hệ thống điều khiển, hệ thống gá kẹp và các thiết bị phụ trợ (làm mát, bôi trơn, chiếu sáng, ). Tuy nhiên, kết cấu chung cũng nh− kết cấu của từng hệ thống của máy CNC có nhiều điểm khác so với máy thông th−ờng. 2.1. Nguyên tắc điều khiển CNC Việc điều khiển toàn bộ hoạt động các hệ thống nói trên do bộ điều khiển trung tâm, gọi là MCU (Machine Control Unit) đảm nhiệm. Nhiệm vụ của nó là: - Đọc, giải mã các lệnh trong ch−ơng trình NC, - Lọc và xử lý các thông tin hình học và thông tin công nghệ, tính toán các thông số điều khiển, - Xuất các tín hiệu điều khiển cho các cơ cấu t−ơng ứng: trục chính, chạy dao, thay dao và các thiết bị phụ trợ khác; - Giám sát quá trình để đảm bảo yêu cầu công nghệ và sự an toàn của thiết bị. Chức năng giám sát và một phần chức năng điều khiển th−ờng đ−ợc thực hiện thông qua PLC. Các khối chức năng t−ơng đ−ơng các nhiệm vụ trên đ−ợc thể hiện trên hình 2.1.111 Dữ liệu đ−ợc nhập vào bộ nhớ của máy nhờ bàn phím hay các ph−ơng tiện đọc khác, nh− đọc đĩa, đọc băng. Các máy CNC hiện đại có thể trao đổi dữ liệu với các thiết bị l−u trữ bên ngoài qua giao diện truyền thông chuẩn, nh− RS 232, RS 485. Chức năng xử lý dữ liệu do bộ xử lý trung tâm (CPU) thực hiện. Trên cơ sở các dữ liệu trong ch−ơng trình, CPU tính toán các thông số điều khiển hệ thống. Các thông tin công nghệ, nh− chọn dao, chiều và tốc độ quay trục chính, t−ới dung dịch hoặc dừng, đ−ợc chuyển tới hệ thống t−ơng ứng thông qua bộ hiệu chỉnh 4, Hình 2. 1: Các khối chức năng của bộ CNC th−ờng là PLC. Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 45
Thông tin hình học của đ−ờng chạy dao (dạng, h−ớng, tốc độ) đ−ợc phân tích thành chuyển động độc lập của các trục. Bộ phận thực hiện việc đó gọi là bộ nội suy 3 (Interpolator). Đó là bộ phận quan trọng bậc nhất trong CPU. Lệnh chạy dao từ bộ nội suy đ−ợc đ−a đến mạch điều khiển vị trí (gọi là Position Control Loop), gồm các bộ điều khiển động cơ, động cơ, thiết bị đo vị trí, mạch phản hồi vị trí nh− trình bày trong mục 1.3.3. Trên hình 2.2 là sơ đồ của một hệ điều khiển vị trí cho 1 trục. Nó nhận tín hiệu (lệnh chuyển động) từ bộ nội suy, so sánh với tín hiệu phản hồi từ sensor giám sát vị trí thực của dao. Chênh lệch giữa 2 tín hiệu trên đ−ợc dùng làm tín hiệu điều khiển, qua khuyếch đại điều khiển và khuyếch đại công suất, biến đổi thành đại l−ợng t−ơng tự (ví dụ điện áp), làm cho động cơ chuyển động. Sensor giám sát vị trí của dao th−ờng dùng là các Encoder (quay hoặc thẳng). Hình 2. 2: Sơ đồ điều khiển vị trí cho 1 trục 2.1.1. Các ph−ơng pháp nội suy Trong kỹ thuật, bất cứ một đ−ờng thẳng hay đ−ờng cong nào cũng đ−ợc thể hiện gần đúng d−ới dạng một chuỗi các đoạn thẳng nối tiếp nhau hình thành một đ−ờng gãy khúc. Các đoạn thẳng càng ngắn thì sai số càng nhỏ, nghĩa là đ−ờng gãy khúc càng bám sát đ−ờng thực. Đó là nền tảng của phép nội suy. Một cách trực quan, chúng ta xem xét tr−ờng hợp chuyển động đơn giản nh− trên hình 2.3. Chuyển động của dao trong mặt phẳng XY là tổng hợp các chuyển động riêng rẽ của 2 trục X và Y, do 2 động cơ thực hiện (tất nhiên là thông qua bộ truyền vít me - đai ốc). Tuỳ theo quan hệ giữa vận tốc của 2 động cơ này mà chúng ta nhận đ−ợc góc nghiêng khác nhau của đ−ờng thẳng. Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 46
Hình 2. 3: Sự hình thành chuyển động thẳng từ 2 trục Để đơn giản, chúng ta hình dung quá trình làm việc với động cơ b−ớc. Tốc độ quay của các động cơ chạy dao đ−ợc điều khiển thông qua tần số xung mà động cơ nhận đ−ợc từ bộ nội suy. Giả thiết độ phân giải (góc quay ứng với mỗi xung) của các động cơ nh− nhau thì động cơ nào nhận đ−ợc số xung trong một đơn vị thời gian lớn hơn sẽ quay nhanh hơn. Còn độ dài quãng đ−ờng cần dịch chuyển cũng đ−ợc khống chế thông qua tổng số xung phát cho mỗi động cơ. Điều đó cũng xảy ra đối với các động cơ servo. Điểm khác là trong mạch điều khiển của các động cơ này có bộ chuyển đổi số - t−ơng tự để chuyển tín hiệu số thành điện áp điều khiển động cơ, còn vị trí điểm đích là do hệ thống đo vị trí giám sát. Hình 2. 4: Mô tả quá trình nội suy Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 47
Biên dạng của phần lớn các chi tiết trong kỹ thuật đều đ−ợc biểu diễn d−ới dạng đ−ờng thẳng hoặc cung tròn. Vì vậy các máy CNC đều dùng 2 kiểu nội suy là nội suy đ−ờng thẳng và nội suy cung tròn. Với nội suy đ−ờng thẳng, tỷ lệ vận tốc giữa các trục không đổi trên suốt quãng đ−ờng. Với lệnh nội suy cung tròn, toạ độ giữa 2 trục tuân theo quan hệ X = Rcosα; Y=Rsinα (hình 2.4). 2.1.2. Các kiểu điều khiển Tuỳ theo yêu cầu công nghệ, ng−ời ta dùng các bộ điều khiển với các kiểu điều khiển khác nhau. Theo dạng đ−ờng chạy dao có thể điều khiển đ−ợc, có kiểu điều khiển điểm - điểm, điều khiển đ−ờng và điều khiển contour (hình 2.5). Điều khiển điểm - điểm Đó là kiểu điều khiển đơn giản nhất: dụng cụ đ−ợc điều khiển chạy nhanh (với tốc độ quy định tr−ớc, không điều khiển đ−ợc từ ch−ơng trình) theo đ−ờng thẳng từ điểm này tới điểm kia. Quá trình công tác chỉ thực hiện tại các điểm dừng. Kiểu điều khiển này dùng trên các máy khoan, đột lỗ, hàn điểm, Điều khiển đ−ờng Kiểu điều khiển này cho phép chạy dao có gia công (điều khiển đ−ợc tốc độ từ ch−ơng trình) theo từng trục. Tại một thời điểm chỉ có thể chạy dao tự động theo một trục, nên chỉ gia công tự động theo các đ−ờng song song với các trục toạ độ. Điều khiển theo contour Bộ điều khiển kiểu này có khả năng điều khiển có gia công đồng thời theo nhiều trục khác nhau. Nhờ vậy có thể gia công đ−ờng thẳng hoặc đ−ờng cong bất kỳ. Điều khiển kiểu này đắt tiền nhất trong 3 kiểu nói trên. Phần lớn các bộ điều khiển trong công nghiệp hiện nay là điều khiển contour. Cần l−u ý rằng bộ điều khiển contour có thể làm đ−ợc các việc của 2 kiểu điều khiển Hình 2. 5: Điều khiển điểm - tr−ớc. điểm, đ−ờng, contour. Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 48
Các bộ điều khiển contour lại tiếp tục đ−ợc phân loại theo số số trục có thể điều khiển đồng thời. Theo đặc điểm đó, chúng ta phân biệt kiểu điều khiển 2D, 2ẵD và 3D (hình 2.6) hoặc nhiều hơn. Điều khiển 2D Máy có khả năng điều khiển đồng thời 2 trục. Vì vậy chỉ có thể gia công đ−ờng thẳng hoặc đ−ờng cong trong một mặt phẳng. Trong ví dụ hình bên, máy có thể điều khiển đồng thời 2 trục X, Y. Chạy dao theo trục Z phải thực hiện bằng tay hoặc sau khi dừng 2 trục kia. Điều khiển 2ẵD T−ơng tự nh− điều khiển 2D, tại một thời điểm máy chỉ có thể điều khiển đồng thời 2 trục. Điểm khác là có thể thay đổi ph−ơng trục dao, nghĩa là có thể gia công trong mặt phẳng X-Y, X-Z, Y-Z. Trục thứ ba có thể đ−ợc điều khiển tự động khi dừng 2 trục kia. Điều khiển 3D Bộ điều khiển 3D có thể điều khiển đồng thời 3 trục. Nhờ vậy có thể gia công các đ−ờng, mặt không gian, ví dụ mặt cầu, mặt xoắn vít trụ. Tuy nhiên, trên một số máy chỉ có thể gia công đ−ờng thẳng 3D, đ−ờng xoắn ốc (nội suy cung tròn theo 2 trục và đ−ờng thẳng theo trục thứ ba). Chú ý rằng, số trục đ−ợc điều khiển đồng thời không nhất thiết bằng số trục của Hình 2. 6: Các kiều điều khiển contour máy. Ta có thể gặp các trung tâm gia công với số trục điều khiển đ−ợc lớn, ví dụ trung tâm tiện có 3, 4 trục hoặc trung tâm phay có 4, 5 hoặc 6 trục (xem thêm mục 1.3.5). Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 49
2.3. Đặc điểm kết cấu và điều khiển các hệ thống Sự thay đổi trong kết cấu chung của máy CNC chủ yếu do sự có mặt của bộ điều khiển. Một số đặc điểm dễ nhận thấy nh− sau: - Hệ truyền động cơ khí đ−ợc chế tạo cứng vững, chính xác, giảm thiểu ma sát. Các đ−ờng tr−ợt th−ờng đ−ợc nhiệt luyện, phủ hợp kim giảm ma sát và mài mòn hoặc dùng con lăn. Các truyền động vít me th−ờng đ−ợc dùng vít me - đai ốc bi để giảm ma sát và triệt tiêu khe hở. Hệ thống hộ số, hộp tốc độ gần nh− không còn vì các động cơ đều đ−ợc điều khiển vô cấp. - Vùng làm việc của máy CNC th−ờng đ−ợc bao kín để đảm báo an toàn tối đa cho ng−ời sử dụng. Việc thay dao, thay và kẹp phôi, tải phoi, th−ờng đ−ợc thực hiện tự động. - Máy CNC hầu nh− không còn các tay quay, cần gạt cơ khí vì các chức năng thay đổi chế độ gia công, dịch chuyển bàn máy (hoặc dao) đều đ−ợc thực hiện tự động hoặc dùng các phím điều khiển, tay quay điện tử. - Thay vì kết cấu đúc, hệ thống khung s−ờn của máy CNC th−ờng có kết cấu khung hàn, cho phép giảm khối l−ợng, ít bị biến dạng nhiệt mà vẫn cứng vững và ổn định. - Các máy và các trung tâm gia công CNC th−ờng đ−ợc trang bị các hệ thống thay dao tự động, cấp phôi tự động, tải phoi tự động. Vị trí của đài dao th−ờng đ−ợc chuyển về phía sau máy để thuận tiện cho điều khiển và không cản trở quan sát của công nhân. Băng máy tiện th−ờng đ−ợc đặt nghiêng để tăng độ ổn định, giảm kích th−ớc chiều ngang và dễ thoát phoi. 2.3.1. Hệ thống điều khiển trục chính Cũng nh− trên các máy thông th−ờng, trục chính trên máy CNC đảm bảo chuyển động cắt chính. Trên máy phay, đó là trục mang dao phay, còn trên máy tiện là trục mang phôi. Trên máy mài, trục chính mang đá mài. Trục chính là bộ phận tiêu tốn năng l−ợng nhiều nhất trên máy. Vì vậy công suất trục chính th−ờng đ−ợc dùng làm chỉ tiêu đánh giá công suất gia công của máy. Yêu cầu cơ bản đối với trục chính là có khoảng thay đổi số vòng quay rộng, với momen lớn, ổn định và khả năng quá tải cao. Để đảm bảo điều đó, trên các máy thông th−ờng ng−ời ta hay dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ hoặc đồng bộ kèm hộp số cơ khí có cấp và vô cấp. Trên máy CNC, tốc độ trục chính cần đ−ợc điều khiển vô cấp, tự động theo ch−ơng trình, trong phạm vi rộng. Điều đó rất cần thiết, nhất là khi thay đổi đ−ờng kính dao phay hoặc đ−ờng 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 Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 50
vị chính xác góc trục chính. Từ các yêu cầu trên, ng−ời ta sử dụng các loại động cơ dễ điều khiển tự động tốc độ, nh− 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 đ−ợc sử dụng rộng rãi. Khi cần định vị góc trục chính, ng−ời ta gắn encoder lên trục động cơ. So với trục chính của máy thông th−ờng, trục chính của máy CNC làm việc với tốc độ cao hơn (tới hàng vạn v/ph), th−ờng 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 th−ờng. Cơ cấu kẹp dao, phôi trên các máy CNC th−ờng đ−ợc điều khiển tự động bằng khí nén hoặc thuỷ lực. 2.3.2. Hệ thống điều khiển chạy dao Hệ thống chạy dao đảm bảo chuyển động tạo hình, nên nó quyết định khả năng công nghệ (tức là kích th−ớc, hình dạng, độ chính xác của bề mặt gia công) của máy. Trên thực tế, chuyển động tạo hình có thể do dao hoặc phôi thực hiện, nh−ng ng−ời ta quy −ớc trong mọi tr−ờng hợp coi phôi đứng yên, còn dao chuyển động. So với các hệ thống khác, hệ thống chạy dao của máy CNC có nhiều thay đổi nhất so với máy thông th−ờng. - Sự thay đổi rõ nhất là mỗi trục chạy dao đ−ợc điều khiển bằng một động cơ riêng. Sự phối hợp giữa các chuyển động tạo hình theo các ph−ơng là do bộ điều khiển đảm nhiệm. Hệ thống truyền động cơ khí liên kết động học giữa các trục, kể cả các tay quay là không cần thiết. Trên máy phay th−ờng có 3 trục đ−ợc điều khiển là X, Y, Z (hình 2.7). Tuy nhiên, số trục điều khiển có thể nhiều hơn (4, 5, 6 trục hoặc hơn) để tạo ra các bề mặt phức tạp hoặc để cải thiện chất l−ợng gia công. Trên máy tiện, số trục điều khiển th−ờng là 2 - trục X và Z (hình 2.8). Hình 2. 7: Điều khiển trục trên máy phay Hình 2. 8: Điều khiển trục trên máy tiện Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 51
Các máy hiện đại và các trung tâm gia công th−ờng có tới 4, 5, 6 trục điều khiển hoặc hơn. Chúng có thể là trục quay hoặc tịnh tiến. Theo tiêu chuẩn quốc tế, ng−ời ta đặt tên 3 trục quay quanh các trục X, Y, Z là A, B, C. Nếu có các trục tịnh tiến song song với X, Y, Z thì ng−ời ta gọi chúng là U, V, W (hình 2.9). - 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 2.10). Hình 2. 9: Trục toạ độ trên máy Hình 2. 10: Vị trí của cơ cấu vít me - đai ốc bi trong CNC cơ cấu chạy dao Một đầu của trục vít me có lắp động cơ truyền động 1. Động cơ th−ờng đ−ợc lắp trực tiếp lên trục vít me hoặc qua bộ truyền đai răng, có khả năng truyền động êm và chống tr−ợt. Một đầu của trục có thể (nếu không dùng th−ớc thẳng) đ−ợc gắn thiết bị đo vị trí, encoder quay 3. Bàn máy 2 đ−ợc gắn trên đai ốc 5. Với mục đích khử khe hở, đảm bảo độ êm dịu chuyển động khi đảo chiều và tăng độ cứng vững của hệ thống, ng−ời ta th−ờng tạo sức căng giữa vít me và đai ốc nhờ lực kẹp giữa 2 nửa của đai ốc bi 1 (hình 2.11). Lực căng và khe hở đ−ợc hiệu chỉnh nhờ thay đổi chiều dày của vòng cách 2. Hình 2. 11: Cơ cấu tạo lực căng trong đai ốc bi Kể cả sau khi đã áp dụng các biện pháp trên thì vẫn còn sai số chế tạo cơ khí, ví dụ sai số b−ớc 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 tỷ mỷ và tốn công. Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 52
- Chuyển động của các trục đ−ợc điều khiển tự động từ ch−ơng trình. Trên các máy không đòi hỏi độ chính xác cao th−ờng dùng động cơ b−ớc. Hệ điều khiển dùng động cơ b−ớc đ−ợc gọi là hệ điều khiển hở, vì không có mạch phản hồi vị trí. Góc quay của động cơ phụ thuộc số xung và tần số phát xung của bộ điều khiển. Ưu điểm của hệ điều khiển dùng động cơ b−ớc là đơn giản và rẻ tiền. Nh−ợc điểm chính của nó là độ chính xác thấp và công suất nhỏ. Công suất truyền động có thể tăng nếu dùng động cơ b−ớc kết hợp với hệ thống thuỷ lực, nh−ng độ chính xác thì không thể tăng đ−ợc. Trên các máy CNC công nghiệp th−ờng dùng hệ thống điều khiển kín, nghĩa là phải có hệ thống đo và phản hồi vị trí. Có 2 ph−ơng pháp đo, là đo trực tiếp và đo gián tiếp. Hình 2.12 là sơ đồ đo trực tiếp dịch chuyển của bàn máy. Th−ớc quang 2 đ−ợc gắn trực tiếp lên bàn máy và chuyển động theo bàn máy. Khi bàn máy chuyển động, th−ớc th−ờng xuyên phát ra tín hiệu về toạ độ thực của bàn máy d−ới dạng xung. Đầu thu 1 tiếp nhận tín hiệu và chuyển về bộ điều khiển để so sánh với giá trị vào. Bộ điều khiển sẽ đ−a ra lệnh điều khiển cơ cấu chạy dao theo xu h−ớng giảm sai lệch giữa giá trị thực và giá trị đặt, cho đến khi giá trị sai lệch nằm trong giới hạn cho phép. Ph−ơng pháp đo trực tiếp đạt độ chính xác cao vì khử đ−ợc sai số của xích truyền động cơ khí. Hình 2. 12: Hệ thống đo l−ờng trực tiếp Hình 2. 13: Hệ thống đo gián tiếp Nếu thiết bị đo không gắn trực tiếp lên đối t−ợng đo mà qua một khâu truyền động trung gian nào đó thì chúng ta có hệ thống đo gián tiếp. Ví dụ, cùng để đo dịch chuyển của bàn máy có thể dùng một encoder quay gắn lên đầu trục vít me nh− trong hình 2.13. Chuyển động tịnh tiến của bàn máy 1 đ−ợc biến thành chuyển động quay của trục vít me 3 (và của đĩa quang 2) qua bộ truyền vít me - đai ốc. Góc quay của đĩa 2, đại diện cho chuyển động của bàn máy, đ−ợc dùng làm tín hiệu phản hồi. Phép đo gián tiếp nói trên phạm phải sai số trên khâu trung gian là vít me - đai ốc. Tuỳ theo ph−ơng pháp khắc vạch trên đĩa quang, chúng ta phân biệt ph−ơng pháp đo tuyệt đối và ph−ơng pháp đo theo gia số. Th−ớc đo tuyệt đối (hình 2.14) đ−ợc khắc theo mã nhị phân. Mỗi điểm trên th−ớc mang một mã riêng, t−ơng ứng với khoảng cách từ điểm đó đến gốc M. Sensor thu chỉ cần nhận đ−ợc mã tại vị trí của bàn máy là biết ngay toạ độ thực của nó. Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 53
Hình 2. 14: Sơ đồ khắc vạch trên th−ớc Hình 2. 15: Sơ đồ khắc vạch trên th−ớc đo đo tuyệt đối theo gia số Trên th−ớc đo theo gia số (hình 2.15) chỉ khắc các vạch đơn giản, tạo thành các vùng sáng và tối xen kẽ nhau. Khoảng dịch chuyển của bàn máy từ điểm xuất phát 2 đến điểm đích 3 đ−ợc đánh giá bằng số khoảng sáng - tối trong đó. Vị trí của điểm 2 lại đ−ợc xác định bằng khoảng cách đến một điểm do nhà chế tạo máy công cụ quy định, gọi là điểm gốc (Reference Point). Nh− vậy, trong tr−ờng hợp đo tuyệt đối bộ điều khiển luôn luôn nhận đ−ợc mã vị trí của bàn máy, còn khi đo theo gia số thì nó nhận đ−ợc số xung phát ra khi bàn máy dịch chuyển khỏi điểm xuất phát. Điểm Reference đóng vai trò nh− cột cây số trên đ−ờng, nếu không có nó thì bộ điều khiển không thể biết đ−ợc bàn máy đang ở đâu. Chính vì vậy mà tr−ớc khi điều khiển máy, bộ điều khiển luôn luôn nhắc ng−ời dùng chạy bàn máy về điểm Reference. Đó cũng là động tác bắt buộc sau khi bộ điều khiển bị tắt do mất điện hoặc dừng máy sự cố. Trên các th−ớc đo theo gia số hiện nay không chỉ có 1 mà nhiều điểm Reference. Ví dụ, trên th−ớc do hãng Heidenhain (Đức) sản xuất, cứ khoảng 20 mm là có một vạch Reference. Điều đó giảm đ−ợc quãng đ−ờng và thời gian chờ quy không vị trí bàn máy. Toàn bộ những điều nói trên về th−ớc thẳng cũng đúng cho th−ớc quay. 2.3.3. Thiết bị gá kẹp chi tiết Về cơ bản, cơ cấu kẹp chi tiết trên máy CNC không khác với trên máy thông th−ờng. Một số điểm khác có thể có do các nguyên nhân: - Máy CNC làm việc ở tốc độ cao, gia tốc góc lớn. Vì vậy độ cân bằng động phải rất cao để giảm lực ly tâm cũng nh− rung động. Hệ thống ổ và bôi trơn cũng phải có khả năng làm việc ở tốc độ cao. - Hệ thống kẹp phải có khả năng đ−ợc điều khiển tự động. Ví dụ, trên các máy CNC, hệ thống kẹp tự động dùng điện cơ, thuỷ lực, khí nén tác động nhanh từ ch−ơng trình hoặc từ robot hay đ−ợc dùng. Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 54
- Th−ờng cơ cấu kẹp phôi đ−ợc nối ghép và làm việc với cơ cấu cấp phôi tự động. 2.3.4. Hệ thống thay dao tự động Cắt gọt là kết quả của quá trình t−ơng tác giữa dao và phôi. Vì vậy tình trạng của dao: vật liệu, hình học l−ỡi cắt, tình trạng mòn, độ cứng vững của dao ảnh h−ởng trực tiếp đến năng suất và chất l−ợng gia công. Nhiệm vụ của hệ thống thay dao là cất trữ đ−ợc một số l−ợng dao cần thiết và đ−a nhanh mỗi dao vào vị trí làm việc khi có yêu cầu. Các máy CNC hiện đại th−ờng đ−ợc trang bị hệ thống thay dao tự động theo ch−ơng trình (Automatic Tool Changer - ATC). Yêu cầu cơ bản đối với hệ thống thay dao tự động là: - Quản lý và thay đổi chính xác dụng cụ theo ch−ơng trình. Mỗi dụng cụ đều có các đặc tr−ng hình học và cơ học riêng. Nếu hệ thống lắp nhầm dụng cụ thì không chỉ ảnh h−ởng đến năng suất, chất l−ợng gia công mà còn gây nguy hiểm. Trên máy CNC, mỗi dụng cụ đ−ợc đặc tr−ng bởi một mã riêng. Mã đó cùng với các thông số bù dao đ−ợc l−u trữ trong một CSDL đặc biệt. Bình th−ờng các dao đ−ợc lắp sẵn trên đài dao, tại một vị trí xác định. Khi dao đ−ợc đ−a vào vị trí làm việc thì bộ điều khiển phải tham chiếu đến dữ liệu của nó để tính toán l−ợng bù. Trên hình 2.16 là dạng và các thông số hình học chính của dao phay. Vị trí của dao đ−ợc bộ điều khiển xác định qua toạ độ điểm B, nằm trên mặt đầu của trục gá dao và đ−ờng tâm lỗ gá. Chiều dài dao L và bán kính dao R xác định vị trí của các l−ỡi cắt, đ−ợc gọi là thông số bù dao. Tuỳ theo dao to hay nhỏ, dài hay ngắn mà bộ điều khiển tính toán để đảm bảo kích th−ớc gia công. T−ơng tự nh− vậy, kết cấu và các thông số bù dao tiện đ−ợc biểu diễn trong hình 2.17. Chúng gồm khoảng cách từ mũi dao đến điểm gốc tính theo hai ph−ơng X, Z và bán kính mũi dao. Chi tiết về nguyên tắc bù dao sẽ đ−ợc trình bày ở ch−ơng sau. Hình 2. 16: Thông số bù của dao phay Hình 2. 17: Thông số bù của dao tiện Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 55
- Yêu cầu thứ hai của hệ thống thay dao là thay nhanh để giảm thời gian chờ. Th−ờng dao đ−ợc cất giữ d−ới 2 dạng: đầu quay dạng đĩa (nh− đài Revolver) và kho chứa (gọi là Tool Magazine). Đài revolver có dạng đĩa (hình 2.18) hay đ−ợc dùng trên máy tiện, nh−ng đôi khi cũng dùng cho máy phay. Các dao đ−ợc lắp trên mặt ngoài hoặc trên mặt đầu của đĩa quay. Đĩa có động cơ truyền động riêng, đ−ợc điều khiển theo ch−ơng trình. Khi một dao nào đó đ−ợc gọi theo lệnh trong ch−ơng trình thì đài sẽ quay cho đến khi dao đó ở vị trí chờ gia công. Th−ờng thời gian thay dao chỉ tính bằng phần m−ời giây. Trên một số máy, bộ điều khiển có khả năng xác định chiều quay sao Hình 2. 18: Đài revolver cho góc quay của đài nhỏ hơn 180o. Th−ờng mỗi đài dao có thể chứa 8 đến 16 dao. Máy lớn có thể có 2 - 3 đài dao. Khi có trên 48 dao thì th−ờng dùng kho chứa (hình 2.19). Hình 2. 19: Kho chứa dụng cụ kiểu xích Có nhiều dạng kho chứa: dạng thẳng với các dao xếp theo hàng; dạng vòng với các dao xếp theo các vòng tròn đồng tâm; dạng đĩa với các dao xếp trên mặt đầu của đĩa; dạng xích với các dao bố trí trên từng mắt xích. Khi dùng kho chứa, để thay dao cần có tay gắp có 2 càng gắp (hình 2.20). Khi có lệnh thay dao, hệ thống làm việc theo trình tự sau: Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 56
- Chuyển dao cần lắp trên kho đến vị trí thay; - Di chuyển trục chính đến vị trí t−ơng ứng, chờ thay dao; - Quay tay gắp đối diện với dao cũ trên trục chính và dao mới trên kho; - Chuyển động dọc trục để rút dao cũ khỏi trục chính và dao mới khỏi kho chứa; - Quay 180o để đổi chỗ 2 dao; - Đặt các dao vào vị trí mới trên trục và trên kho chứa; - Chuyển động về vị trí chờ. Hình 2. 20: Cơ cấu thay dao Th−ờng thời gia thay dao kéo dài khoảng vài giây. Trên các máy hiện đại và số dao ít, thời gian thay dao chỉ cỡ 0,1 giây. Trên các hình 2.21 và 2.22 là các trung tâm gia công với hệ thống thay dao tự động có kho chứa dạng đĩa và dạng xích. Hình 2. 21: Trung tâm gia công 5 trục với kho chứa dao dạng đĩa Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 57