Giáo trình điều khiển máy tính vào hệ thống sản xuất

§µo V¨n HiÖp §iÒu khiÓn sè m¸y c«ng cô (Bµi gi¶ng) Hµ Néi, 8-2009 Mục lục Chơng 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 chơng 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, nhợc điểm của máy CNC 26 1.5.1. Các u điểm của máy CNC 27 1.5.2. Các nhợc điểm của CNC 32 1.6. Hớng 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 đợc 41 Chơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 45 2.1. Nguyên tắc điều khiển CNC 45 2.1.1. Các phơng 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 Chơng 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. Phơng 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 chơng trình NC 68 3.4.2. Các phơng pháp lập trình 69 3.4.3. Các loại ngôn ngữ lập trình 73 Tài liệu tham khảo 78 Chơng 1: Nhập môn điều khiển số máy công cụ Máy NC (Numerical Control Machine Tools) nếu đợc dịch một cách đầy đủ phải là máy công cụ điều khiển theo chơng trình số, nhng thờng đợc 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 trớc, 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 trớc khi đi vào những vấn đề cụ thể của máy NC. 1.1. Khái quát về điều khiển quá trình công nghệ Để đạt đợc kết quả gia công mong muốn, quá trình công nghệ (gia công trên máy công cụ) cần phải đợc 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 đợc 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 ngời thực hiện) hoặc "tự động", nghĩa là không có sự can thiệp trực tiếp của con ngời. Tơng ứng với 2 phơng pháp điều khiển là 2 loại máy: máy thông thờng và máy tự động. Máy thông thờng (Conventional Machine Tools), đôi khi còn đợc 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 đợc tự động hoá hoặc tự động hoá ở mức rất thấp. Mặc dù đã có những tiến bộ vợt 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 đợc nhiều dạng bề mặt khác nhau); các tiện ích sử dụng đợc cải thiện (ví dụ đo, hiển thị toạ độ và chu trình gia công dạng số), nhng 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 đợc ngời điều khiển trực tiếp. Ngời 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 đợc điều khiển tự động. Từ máy thông thờng thành máy tự động điều khiển số hiện đại, máy công cụ trải qua nhiều giai đoạn TĐH. Trớc hết ngời ta u tiên TĐH hệ thống chuyển động tạo hình, sau đó là TĐH các hệ thống phụ trợ. Chơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 1 H×nh 1. 1: KÕt cÊu cña m¸y tiÖn hiÖn ®¹i H×nh 1. 2: KÕt cÊu cña m¸y tiÖn cæ ®iÓn Ch−¬ng 1: NhËp m«n ®iÒu khiÕn sè m¸y c«ng cô 2 1.1.1. Điều khiển quá trình công nghệ với máy công cụ truyền thống Máy công cụ truyền thống đợc điều khiển bằng tay (hình 1.3). Quá trình công nghệ chứa đựng tơng 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 lợng chạy dao F), các thông số đầu ra Y thể hiện phản ứng của hệ thống (kích thớc, độ nhám bề mặt, lực cắt, nhiệt độ vùng cắt, rung động, mòn dao, ). Chức năng điều khiển hoàn toàn do con ngời (công nhân) thực hiện. Con ngời 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 đợc độ chính xác và độ nhạy cần thiết (do con ngời 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 thờng đợc 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 ngời thực hiện. Bộ điều khiển thay thế con ngời đa 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 chơng 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 chơng trình. Hình 1. 4: Sơ đồ điều khiển quá trình với máy tự động Chơng 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 chơng trình chứ không phải là các thông số ra (Y) của quá trình. Chất lợng 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 trớc 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 đợc 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 trờng đặc trng, có khả năng bù trừ hoặc hạn chế biến động của chúng, nhằm duy trì sự làm việc bình thờng hoặc đảm bảo hiệu quả cao nhất cho quá trình. Hệ thống điều khiển nh vậy đợc gọi là hệ điều khiển thích nghi (ĐKTN). Sơ đồ ĐKTN máy công cụ đợc thể hiện trong hình 1.5. Trong hệ thống này, con ngời chỉ phải tính chế độ gia công. Bộ điều khiển (thờng 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 trờng, 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 đợc thực hiện trong thời gian thực, khiến máy công cụ làm việc với chế độ gia công S 2 , F 2 khác với chế độ gia công tính toán S 1 , F 1 , 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 tơng tự nh sơ đồ điều khiển bằng tay trong hình 1.3, nhng ĐKTN do máy móc thực hiện nên đảm bảo đợc độ chính xác và độ nhạy cao. Khác về bản chất so với điều khiển thông thờng, ĐKTN mang tính tích cực, động và thông minh. 1.2. Các dạng điều khiển tự động máy công cụ Từ máy thông thờng 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 Chơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 4 các kỹ thuật tiên tiến nhất của mỗi thời kỳ. Trớc hết, ngời 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 tơng tự và tín hiệu số đã đợc lần lợt sử dụng. Để đảm bảo các thông số hình học và chất lợng gia công, hệ thống chuyển động tạo hình phải làm việc theo một chơng trình lập trớc. Chơng trình gia công đợc biểu hiện dới các dạng khác nhau và đợc ghi lên một phơng tiện thích hợp, đợc gọi là vật mang tin. Căn cứ vào dạng biểu diễn chơng 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 chơng trình số (IV). Hình 1. 6: Các dạng điều khiển máy công cụ Chơng 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 đợc điều khiển nhờ biên dạng của cam. Sự phối hợp giữa các cơ cấu đợc thực hiện nhờ vị trí tơng 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 tơng 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, chơng trình gia công đợc thể hiện qua hình học vị trí của các cam, có dạng tơng 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 đợc gọi là hệ thống chép hình, trong đó quỹ đạo của dao (tạo nên biên dạng của chi tiết gia công) đợc 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 trợt, đòn bẩy cơ khí) hoặc hệ thống bám (thuỷ lực, điện hoặc điện - thuỷ lực). Trong hệ thống chép hình, chơng trình gia công có dạng tơng tự và mẫu chép hình là vật mang tin. Hình 1. 8: Hệ thống chép hình thuỷ lực Chơng 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 trờng hợp này, bảng cắm chính là vật mang tin. Mỗi hàng trong bảng tơng ứng với một lệnh trong chơng trình, nên số hàng trên bảng cắm (thờng là 24) giới hạn số lệnh điều khiển. Trên mỗi hàng có các lỗ (thờng là 34) cách đều nhau. Khi mỗi lỗ đợc cắm thì một chức năng đợc kích hoạt (ví dụ dịch chuyển theo chiều +X). Khi mỗi lệnh (hàng) đợc hoàn thành thì các công tắc hành trình sẽ tác động, cho phép chuyển sang lệnh ghi trong hàng kế tiếp. Khi một lỗ đợc cắm thì chức năng tơng ứng đợc 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 chơng trình theo chức năng nhất định. Trên một số máy công cụ còn dùng 2 loại bảng cắm: bảng cắm cơ khí chứa các dỡng, 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, tới dung dịch, ). Tín hiệu điều khiển dùng với bảng cắm có thể là liên tục hoặc rời rạc, tuỳ theo phần tử đợc dùng. Có thể nói, điều khiển bằng bảng cắm cha phải là điều khiển theo chơng trình số, nhng nó gợi ra ý tởng mang tính cách mạng trong lĩnh vực điều khiển máy công cụ: điều khiển theo chơng trình số. Chơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 7 [...]... 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 thờng đợc đặt ở xa các máy công cụ Máy tính ở điều khiển CNC đợc đặt liền máy công cụ - Phần mềm DNC đợc 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 Chơng 1: Nhập môn điều khiến số máy. .. sản sinh chơng trình phòng thiết kế phòng thiết kế tại máy phòng công nghệ phòng công nghệ hoặc tại 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 chơng 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 đợc điều khiển bằng dữ liệu số Hệ. .. 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 tợng sản xuất đợc 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 lờng, làm việc dới sự điều khiển của một mạng máy tính Sự tích hợp mọi hệ thống. .. Điều khiển theo chơng trình số Điều khiển theo chơng trình số là dạng điều khiển theo chơng trình cho trớc, đợc sản sinh và lu trữ dới dạng các ký tự (chữ số, chữ cái hoặc các ký tự khác) Nhờ sử dụng chơng trình dạng ký tự mà việc sản sinh, sửa đổi chơng trình dễ dàng hơn; thiết bị lu trữ và đọc chơng trình đa dạng và đơn giản hơn, nhất là khi máy tính đợc sử dụng với t cách bộ điều khiển Vì điều khiển. .. một cách đơn giản rằng máy CNC là máy NC đợc 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, nhng cha 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... cứng Chơng 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 năng điều khiển Mạch phần cứng điện tử Máy tính với các chơng trình điều khiển máy công cụ Dạng tín hiệu điều khiển Xung điện áp Mỗi xung... 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),... Các chơng trình lớn đợc truyền trực tiếp từng block từ máy tính DNC tới máy CNC để thực hiện, hoặc các chơng trình đợc 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 Chơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 20 1 Máy tính trung tâm (DNC Computer) Máy tính DNC có nhiệm vụ đọc chơng trình, lu trữ và phân phối cho các máy CNC... tạo máy NC công nghiệp đợc đề nghị với 3 nguyên tắc sau: Chơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 22 - Sử dụng máy tính( *) để tính toán quỹ đạo chạy dao và lu 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 đa ra thông tin điều khiển các động cơ đợc gắn lên trục vít me Năm 1952, chiếc máy phay đứng 3 trục điều. .. này, trừ những chỗ có ghi chú, thuật ngữ "điều khiển số" cần đợc hiểu một cách chính xác là "điều khiển theo chơng trình số" (nh trong tiếng Nga: " ") Chơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 8 Theo 20523-80 [7], điều khiển theo chơng trình số máy công cụ là điều khiển quá trình gia công theo chơng trình, trong đó các dữ liệu đợc cho dới dạng chữ số Chơng trình gia công (Part Program) là bản hớng . 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. 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