Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy CNC 5 trục

Mục tiêu tổng quát của đề tài KC 03.02 là: * Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh 01 thiết bị gia công dầm thép kết cấu trên cơ sở tích hợp công nghệ gia công dầm thép kết cấu với côn

Bộ công thương

Viện máy và dụng cụ công nghiệp

46 Láng hạ đống đa hà nội

Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật đề tài

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cnc 5 trục

(Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị gia công dầm thép kết cấu )

Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Tổng Giám

đốc VMVDCCN trừ trường hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu

Bộ công thương

Viện máy và dụng cụ công nghiệp

46 Láng hạ đống đa hà nội

………

Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật đề tài

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cnc 5 trục

(Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị gia công dầm thép kết cấu)

M∙ số: kc 03.02/06-10

Pgs ts Vũ hoài ân

Hà Nội, 11 – 2008 Bản thảo viết xong 11 – 2008 Tài liệu này được viết trên cơ sở kết quả thực hiện đề tài:

Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ tự động hóa

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy CNC 5 trục

(Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị gia công dầm thép kết cấu)

Danh sách những người thực hiện

Chủ nhiệm đề tài

PGS TS Vũ Hoài Ân Chủ nhiệm đề tài Pgs.ts I, II, III

Cán bộ nghiên cứu

PGS –TS Trương Hữu Chí Viện IMI Psg.ts II, III

ThS Trần Hồng Lam Viện IMI ThS Điện II, III

Ks Trần Kim Quế Nghiên cứu viên Ks cơ khí III, V, VIII

Ks Nguyễn Thượng Chính Nghiên cứu viên Ks cơ khí III, IV, V, VI

Ks Hoàng Minh Đức Nghiên cứu viên Ks cơ khí IV, V, VI

Ks Nguyễn Tiến Hùng Nghiên cứu viên Ks điện III, VII

Ks Lê Điệp Anh Nghiên cứu viên Ks điện II, VII

Tóm tắt tình hình thực hiện đề tài

Sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá của Việt Nam không thể thiếu được việc hiện

đại hóa ngành cơ khí chế tạo máy

Chúng ta đổi mới công nghệ không có nghĩa chỉ là đem tiền đi mua công nghệ Việc mua công nghệ không phải thứ nào cứ có tiền là mua được đặc biệt là công nghệ cao Cụ thể hơn nhập khẩu máy công cụ CNC trong một số trường hợp có nhiều bất cập như: giá đắt, bảo trì, bảo hành phức tạp, không chủ động, không phát huy được kinh tế nội sinh, nhiều khi còn bị cấm vận không nhập được như một số máy CNC phục vụ quốc phòng

Ngành cơ khí chế tạo máy trong đó có ngành chế tạo máy công cụ ở Việt nam đã có truyền thống hơn 50 năm xây dựng và phát triển Đội ngũ cán bộ kỹ thuật đã hình thành cả nhiều thế hệ Tuy nhiên hầu hết các sản phẩm máy công cụ chế tạo ra đều là các máy phổ thông vạn năng và có cấu trúc truyền thống

Viện máy và Dụng cụ Công nghiệp là một trong các cơ sở nghiên cứu, chế tạo các loại máy công cụ Trong hơn 35 năm qua Viện đã cung cấp cho thị trường nhiều sản phẩm thiết kế trong đó có nhiều mẫu máy công cụ, kể cả máy công cụ CNC

Trong những sản phẩm đó có thể kể đến:

Đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy tiện T20 CNC

Dự án:Hoàn thiện công nghệ chế tạo máy phay hiện đại, điều khiển CNC đạt chất lượng DMU 60T của h∙ng DECKEL MAHO trên cơ sở hợp tác và tiếp nhận chuyển

Đề tài: Hiện đại hóa mở rộng tính năng điều khiển tự động của máy tiện T20CNC

Đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy tiện CNC băng nghiêng có thay dao tự động

Tuy nhiên vẫn chỉ dừng ở các bộ điều khiển 2 trục, 3 trục Đây là những bước chuẩn bị ban đầu cho việc thiết kế chế tạo máy CNC có nhiều trục, mà khởi đầu là đề tài KC.03.02/06-

10 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy CNC 5 trục (Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị gia công

dầm thép kết cấu)

Mục tiêu tổng quát của đề tài KC 03.02 là:

* Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh 01 thiết bị gia công dầm thép kết cấu trên cơ sở tích hợp công nghệ gia công dầm thép kết cấu với công nghệ điều khiển CNC 5 trục tọa độ

Vì thế báo cáo này đã tổng kết, đánh giá, khẳng định những khả năng làm chủ công nghệ chế tạo máy công cụ CNC ở Việt Nam Sự ra đời của đề tài KC 03.02/06-10, quá trình thực hiện và kết quả đạt được của nó đã chứng minh cho khả năng đó

Để làm rõ kết quả đề tài, trong báo cáo tổng kết này sẽ trình bày đầy đủ các nội dung cơ bản nhất, bao gồm những luận cứ về các sản phẩm, phương pháp luận khi giải quyết các vấn đề

về công nghệ, các giải pháp kỹ thuật Bản báo cáo này bao gồm 8 phần chính sau đây:

Phần1 Tình hình nghiên cứu liên quan đến chế tạo máy CNC trong nước và nước ngoài

Trong phần này chủ yếu phân tích các giải pháp đạt được trong kết cấu của các cụm chi tiết cơ bản Các giải pháp về nâng cao độ chính xác chi tiết gia công và giải pháp điều khiển CNC

Phần 2 Đánh giá khả năng công nghệ trong nước liên quan đến chế tạo máy CNC: Khảo

sát điều tra khả năng chế tạo các chi tiết chính xác của các nhà máy cơ khí trong nước về cả năng lực trang thiết bị lẫn năng lực công nghệ chế tạo

được thiết kế ra đảm bảo thuận tiện, dễ sử dụng luôn đáp ứng được sản xuất trong nước

Phần 4 Thiết kế kỹ thuật: Trong phần này chủ yếu trình bày các tính toán thiết kế liên

quan đến tính các thành phần lực theo các phương X,Y,Z,W1,W2 Tính toán thiết kế bộ truyền động cho các cụm truyền động đầu khoan, truyền động trục X, trục Y, trục Z, W1, W2 Tính toán hệ thống thuỷ lực

Phần 5 Lập quy trình công nghệ chế tạo các chi tiết điển hình: Quy trình chế tạo bệ máy,

quy trình chế tạo khung máy, quy trình chế tạo đầu khoan

Phần 7 Điều khiển CNC

Phần 8 Các định hướng phát triển thị trường và đánh giá khả năng đầu tư Đây là mục

được nhìn nhận từ góc độ kinh tế của đề tài

Phần cuối Trình bày những kết luận rút ra sau khi thực hiện xong đề tài, các kiến nghị

của các cán bộ kỹ thuật tham gia đề tài

Phần phụ lục. Trình bày tất cả các văn bản liên quan, các biên bản kiểm tra, các

bản vẽ thiết kế cơ khí, điện, điều khiển, một số đoạn chương trình gia công thử

Báo cáo tổng kết đ−ợc trình bày luôn bám sát với thực tế trong quá trình thực hiện công việc thiết kế và chế tạo máy Khi thiết kế các cụm chi tiết có phân tích,cất nhắc kỹ l−ỡng, hội

đủ tính kinh tế kỹ thuật và khả năng công nghệ Trong từng phần của báo cáo đều có bản vẽ, các hình ảnh thực tế minh họa đ−ợc trình bày trong báo cáo

Mục lục

Danh sách những người thực hiện 1

Tóm tắt tình hình thực hiện đề tài 2

Mục lục 5

Bảng ký hiệu 9

Lời mở đầu 13

Các nội dung chính 16

I Các nghiên cứu trong và ngoài nước 17

I.1 Tình hình máy CNC trên thế giới 17

I.2 Các căn cứ lựa chọn cấu hình điều khiển CNC 24

I.2.1 Phân tích ưu nhược điểm của từng phương án 24

I.2.2 Một số bộ điều khiển CNC của một vài hãng trên thế giới 29

I.2.2.1 Bộ điều khiển CNC của Mitsubishi 29

I.2.2.2 Bộ điều khiển CNC của Fanuc 30

I.2.2.3 Bộ điều khiển CNC của Heidenhain 31

I.3 Giới thiệu tổng quan về máy CNC 5 trục 33

I.4 Nghiên cứu các loại máy CNC điều khiển 5 trục tọa độ tương tự phục 36

I.5 Khảo sát tình hình chế tạo dầm thép trong nước 41

II Đánh giá khả năng công nghệ trong nước 43

II.1 Năng lực về thiết kế sản phẩm 43

II.2 Năng lực về đầu tư trang thiết bị 43

II.3 Năng lực về tin học và tự động hóa 44

III Lựa chọn gam cỡ máy 45

III.1 Các yêu cầu khi chọn máy mẫu 45

III.2 Thông số kỹ thuật máy mẫu 45

III.3 Các thông số lựa chọn cho máy thiết kế 46

III.4 Biện pháp thực hiện 47

IV Tính toán thiết kế 50

IV.1 Sơ đồ động 51

IV.1 Xác định các thông số công nghệ khi khoan 51

IV.1.1 Xác định lực cắt và mômen cắt khi khoan 51

IV.1.2 Số vòng quay trên trục công tác 51

IV.1.3 Công suất cắt 51

IV.2 Chọn động cơ điện của đầu khoan 51

IV.2.1 Công suất động cơ điện 51

IV.2.2 Số vòng quay của động cơ điện 52

IV.3 Sơ đồ động học của bộ truyền 52

IV.3 1 Tỷ số truyền trên hộp 52

IV.3.2 Công suất, số vòng quay và mômen xoắn trên các trục 52

IV.3.2.1 Công suất trên các trục 52

IV.3.2.2 Số vòng quay trên các trục 52

IV.3.2.3 Mômen xoắn trên các trục 53

IV.4 Kiểm nghiệm các bộ truyền của hộp giảm tốc 53

IV.4.1 Tính toán và kiểm nghiệm bộ truyền bánh răng 53

IV.4.1.1 Chọn vật liệu bánh răng 53

IV.4.1.2 Xác định ứng suất cho phép 53

IV.4.1.3 Tính toán bộ truyền các cấp 54

IV.4.1.3.1 Bộ truyền bánh răng cấp 1 54

IV.4.1.3.1.1 Các thông số cơ bản của bộ truyền 54

IV.4.1.3.1.2 Kiểm nghiệm bánh răng 55

IV.4.1.3.2 Bộ truyền bánh răng cấp 2 56

IV.4.1.3.3 Bộ truyền bánh răng cấp 3 57

IV.4.2 Tính toán thiết kế trục 58

IV.4.2.1 Chọn vật liệu 58

IV.4.2.2 Sơ đồ trục, chi tiết quay và lực từ các chi tiết quay tác dụng lên 58

IV.4.2.3 Tính toán các trục 59

IV.4.2.3.1 Tính toán trục II 59

IV.4.2.3.2 Tính toán trục III 60

IV.4.2.3.3 Tính toán trục IV 61

IV.4.2.4 Kiểm nghiệm độ bền của trục IV 63

IV.4.2.4.1 Kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi 61

IV.4.2.4.1 Kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi 61

IV.4.3 Bôi trơn hộp giảm tốc 614

IV.4.4.Tưới nguội 614

IV.5 Tính động cơ trục X, Y, Z, W1, W2 66

IV.5.1 Tính động cơ trục X 66

IV.5.2 Tính động cơ trục Y 69

IV.5.1 Tính động cơ trục Z 72

IV.5.2 Tính động cơ trục W1 75

IV.6 Tính toán, thiết kế hệ thống thủy lực 78

IV.6.1 Ưu nhược điểm của hệ thống điều khiển bằng thuỷ lực 78

IV.6.1.1 Ưu điểm 78

IV.6.1.2 Nhược điểm 78

IV.6.2 Sơ đồ thuỷ lực của máy CNC 5 trục 79

IV.6.2.1 Sơ đồ nguyên lý 79

IV.6.2.2 Nguyên lý hoạt động 79

IV.6.3.1 Tính toán cho trục W1 80

IV.6.3.2 Tính toán cho trục W2 84

IV.6.4 Tính toán cho bơm 84

IV.6.5 Chọn van tràn 84

IV.6.6 Tính kiểm tra 85

IV.6.6.1 Tính kiểm tra cho hệ thống kẹp chặt 85

IV.6.2 Tính lực kẹp cho quá trình kéo phôi 89

V Quy trình công nghệ chế tạo một số chi tiết điển hình 92

V.1 Quy trình chế tạo đế máy 92

V.2 Quy trình chế tạo thân máy 94

V.3 Quy trình chế tạo đầu khoan 96

V.4 Quy trình công nghệ gia công trục chính 100

V.5 Quy trình công nghệ gia công ống trượt 102

VI Hướng dẫn quy trình lắp ráp và kiểm tra 105

VI.1 Hướng dẫn quy trình lắp ráp các cụm chi tiết điển hình 105

VI.1.1 Quy trình lắp ráp hộp số 105

VI.1.1.1 Lắp các cụm thành máy 105

VI.1.1.2 Mô phỏng bằng hình vẽ 3D 109

VI.1.2 Qui trình lắp ráp đế máy 110

VI.1.3 Qui trình lắp ráp thân máy 112

VI.1.4 Lắp ráp kẹp trái 113

VI.1.5 Lắp ráp kẹp phải 114

VI.1.6 Lắp hệ thống dẫn phôi lên đế máy 115

VI.1.7 Lắp hệ thống thuỷ lực 117

VI.1.8 Lắp ráp tổng thể 118

VI.2 Quy trình kiểm tra 119

VI.2.1 Kiểm tra các thông số cơ bản của máy 119

VI.2.2 Kiểm tra độ chính xác hình học 120

VI.2.3 Phương pháp tiến hành đo 126

VI.3 Kiểm tra chạy thử không tải các cụm, bộ phận 127

VI.4 Kiểm tra có tải 128

Kiểm tra độ chính xác gia công (có biên bản kiểm tra các chi tiết) 128

VII Điều khiển CNC 129

VII.1 Giới thiệu bộ điều khiển CNC Softservo S – 140M 129

VII.2 Phần cứng 129

VII.2.1 Máy tính 129

VII.2.2 Kết nối phần cứng Versiobus 129

VII.3 Công nghệ phần mềm ServoWork CNC 133

VII.3.1 Kiến trúc của phần mềm Servo Work 134

VII.4 Xây dựng lưu đồ thuật toán 138

VII.5 Cài đặt tham số 139

VII.5.1 Cài đặt tham số cho các trục 139

VII.5.2 Cài đặt tham số hoạt động 139

VII.5.3 Cài đặt tham số cho động cơ 140

VIII Định hướng phát triển thị trường 142

VIII.1 Thị trường máy gia công dầm thép CNC 142

VIII.2 Định hướng phát triển 143

Kết luận và kiến nghị 144

Tài liệu tham khảo 148

Phụ lục 149

i – Tỷ số truyền

JRT – Mômen quán tính phần quay của động cơ kg.m2

KH - Hệ số tải trọng khi tính về tiếp xúc

KHI β - Hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng

KHα - Hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng cho các đôi răng đồng thời ăn khớp

KHV - Hệ số kể đến tải trọng động xuất hiện trong vùng ăn khớp

KF - Hệ số tải trọng khi tính về uốn

KF β - Hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng

KFV - Hệ số kể đến tải trọng động xuất hiện trong vùng ăn khớp

Kσ d2, Kτ d2 - Hệ số

KF α - 1 hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng cho cặp bánh răng đồng thời ăn khớp khi tính về uốn

Kx - Hệ số tập trung ứng suất do trạng thái bề mặt

Ky - Hệ số tăng bền bề mặt trục

Kσ,Kτ - Hệ số tập trung ứng suất thực tế khi uốn và xoắn

uch – Tỷ số truyền chung trên hộp

u1, u2, u3 – Tỷ số truyền trên từng cấp

PI, PII, PIII, PIV– Công suất trên các trục kW

TI, TII, TIII, TIV – Mômen xoắn trên các trục N.m

Fr1 ữ Fr6 – Lực tác dụng hướng tâm lên các đoạn trục N

Ft1 ữ Ft6 – Lực tác dụng tiếp tuyến lên các đoạn trục N

sσ i – Hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất pháp tại tiết diện

sτ i - Hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất tiếp tại tiết diện

σ - ứng suất uốn cho phép với chu kỳ cơ sở Mpa

σa2, τa2, σmi2, τm2 - Biên độ và trị số trung bình của ứng suất pháp và ứng suất tiếp tại tiết diện

MPa

ψσ, ψτ - Hệ số kể đến ảnh hưởng của trị số ứng suất trung bình đến độ bền mỏi

εσ, ετ - Hệ số kích thước kể đến ảnh hưởng của kích thước tiết diện trục đến giới hạn mỏi

ηbr – Hiệu suất của cặp bánh răng ăn khớp

ηol – Hiệu suất của cặp ổ lăn trên trục

λ - Góc nâng của trục vít me

lời mở đầu

Đây là đề tài thuộc chương trình khoa học công nghệ trọng điểm cấp nhà nước KC03/

06-10 Thông qua đấu thầu khoa học công nghệ năm 2006, kinh phí sử dụng nguồn vốn ngân sách Nhà nước và nguồn vốn đối ứng từ đơn vị thực hiện đề tài là Viện IMI

Các thông tin chính liên quan đến đề tài như sau:

1 Tên đề tài Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy CNC 5 trục

(Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị gia công dầm thép kết cấu)

Địa chỉ cơ quan: 46 Láng Hạ-Đống Đa-Hà Nội

Địa chỉ nhà riêng: 33 K121 Trung Kính-Cầu Giấy-Hà Nội

8 Cơ quan chủ trì đề tài

Tên tổ chức KH&CN: Viện máy và Dụng cụ Công nghiệp

Điện thoại:3 8351009/8351010 Fax: 38344975

E-mail: imi@hn.vnn.vn

Địa chỉ: 46 Láng Hạ-Đống Đa-Hà Nội

Căn cứ theo hợp đồng số 02/2006/HĐ-ĐTCT-KC.03/ 06-10 giữa bên A là ban Chủ nhiệm

chương trình KC 03/ 06-10 và bên B là Viện máy và Dụng cụ Công nghiệp Theo nội dung của

hợp đồng thì bên B sẽ phải hoàn thành các sản phẩm khoa học công nghệ sau:

Thiết bị máy móc: Hoàn thành việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một máy khoan dầm

Bộ điều khiển: Heidenhain hoặc tương đương Điều khiển 5 trục

thống dẫn phôi

Tài liệu:

Hoàn thành đầy đủ toàn bộ các bản vẽ thiết kế kỹ thuật máy CNC 5 trục

Bộ bản vẽ về quy trình công nghệ chế tạo các chi tiết máy điển hình như thân, bệ máy,đầu khoan

Quy trình công nghệ lắp ráp các cụm chi tiết và qui trình lắp ráp tổng thành

Chương trình cài đặt và điều khiển CNC

Lý lịch máy, hướng dẫn sử dụng máy, hướng dẫn lập trình CAD/CAM

Báo cáo định kỳ, báo cáo tóm tắt, báo cáo tổng kết đề tài

Toàn bộ báo cáo tổng kết này sẽ lần lượt trình bày chi tiết các nội dung đã thực hiện được trong quá trình hoàn thành đề tài Nhóm đề tài luôn mong có sự đóng góp của Ban chủ nhiệm chương trình các nhà khoa học, các nhà quản lý, các bạn đồng nghiệp sau khi đọc bản tổng kết này

C¸c néi dung chÝnh

I Các nghiên cứu trong và ngoài nước

I.1 Tình hình máy CNC trên thế giới

Máy công cụ điều khiển CNC và những xu hướng phát triển máy công cụ CNC trên thế giới

Máy công cụ CNC hiện nay liên tục được cải tiến và hoàn thiện, đáp ứng ngày càng sát với những đòi hỏi khắt khe của công nghệ gia công chi tiết máy Việc nghiên cứu, tìm hiểu các công nghệ chế tạo máy CNC, các bộ điều khiển CNC, các loại máy công cụ CNC của các hãng nổi tiếng trên thế giới, tạo ra những cơ sở vững chắc, và những kinh nghiệm quý báu khi nghiên cứu những vấn đề tương tự

Để có được các kinh nghiệm cần thiết phục vụ cho đề tài, cần phải nghiên cứu những xu thế chung của các nhà nghiên cứu, các nhà điều khiển, các lập trình viên, các hãng chế tạo máy CNC ngoài nước đã tập trung giải quyết tốt các vấn đề xoay quanh như

giữa các thiết bị đo điện tử, thiết bị dẫn động cơ khí như vít me đai ốc bi kết hợp với tốc độ tính toán nhanh của CPU cùng SENSOR cảm ứng và thước quang học, cùng với độ tin cậy rất cao của các bộ điều khiển CNC từ Nhật Bản và Đức Vì vậy độ chính xác, phương pháp đo và xử lý khi đo trong máy CNC không còn là vấn đề khó đối với các hãng chế tạo máy CNC trên thế giới

Ví dụ : độ chính xác của thước quang học do một số hãng chế tạo như: Heidenhain của Cộng hòa Liên bang Đức, Newall của Anh quốc, Mitutoyo-Nhật bản đạt được ± 1àm, chiều dài đo có thể lên đến 10m Độ chính xác gia công của máy CNC không những luôn được cải thiện mà còn được tiêu chuẩn hóa Cụ thể đối với các loại máy tiện CNC của các nước G7 độ chính xác gia công theo tiêu chuẩn bắt buộc phải đạt được là: độ chính xác định vị: ± 0,01mm,

độ chính xác lặp lại: ± 0,025mm Đối với máy phay và trung tâm gia công CNC tiêu chuẩn bắt buộc ở Mỹ là: sai số lặp lại không lớn hơn (± 0.0002 inch trên dịch chuyển 24 inch) tương

đương ± 0,0051 mm trên hành trình 610 mm

Ví dụ như trung tâm gia công ngang (Horizontal Machine Center - HS -15AXT) 5 trục do hãng Haas of USA chế tạo có hành trình X,Y,Z 24’’x 20’’x 22’’ có độ chính xác định vị 0.0001’’/ 24’’hành trình

Hình 1: Vít me đai ốc bi

năng suất gia công nhờ tốc độ cắt gọt Tốc độ cắt gọt trên máy được giải quyết ở các khâu:

- Tốc độ trục chính: Do trục động cơ được kết hợp với trục chính nên đã đạt tốc độ 20.000 v/phút đối với máy tiện, 40.000 v/phút đối với máy phay mà vẫn giữ được mômen cắt gọt 100 ữ

250 Nm ở tốc độ lớn, không cần dây đai, khớp … Lực quán tính nhỏ, khả năng cân bằng tốt, vì thế kết cấu máy gọn đơn giản

- Tốc độ di chuyển của bàn trượt: Nhờ hàng loạt các biện pháp nâng cao tốc độ di chuyển của các đường trượt (tốc độ chạy bàn) như: Trong kết cấu cơ khí đã thay thế dần các băng cứng kiểu V bằng các băng trượt bi Chúng được chế tạo tiêu chuẩn, nối ghép cứng vào các thân đúc,

đó là giải pháp tốt nhất giảm hẳn hiện tượng kẹt, cháy bề mặt do ma sát lớn khi có sự di trượt nhanh

Trong truyền động điện sử dụng các bộ điều khiển động cơ AC – Servo có mômen lớn

Do vậy tốc độ chạy nhanh đối với các máy CNC thông thường đạt từ 20 đến 35 m/phút, máy cắt Laser 40 m/phút, đặc biệt máy phay siêu tốc 120 m/phút (máy phay MAZAK do nhà máy chế tạo máy công cụ Yamazaki Mazak - Nhật bản chế tạo)

- Khả năng cắt gọt của các loại dụng cụ: Cùng với sự phát triển của ngành dụng cụ cắt, phương pháp cắt gọt với các mảnh hợp kim cứng của dao cho tốc độ tiến dao khi phay có thể lên đến 10m/phút Với các biện pháp gá lắp phôi tự động, sử dụng nhiều Pallet đối với máy phay, sử dụng nhiều mâm cặp đối với máy tiện, đầu rơvonve, tool magazine chứa nhiều dao đã tạo nên năng suất gia công rất cao

c Máy có tuổi thọ kỹ thuật và độ ổn định cao: Máy CNC theo tiêu chuẩn của các nước

G7, châu Âu như các hãng Haas của Mỹ, Deckel Maho của Đức, hãng Mzak, Makino, Hitachiseiki, Yasada của Nhật, Emco của áo có tuổi bền rất cao, các loại máy CNC của các hãng này có thể sản xuất 3 ca liên tục nhiều năm mà không có lỗi nào từ nhà sản xuất

Các biện pháp nâng cao tuổi bền của máy được chú trọng ở các khâu như chế tạo tốt các

đường trượt bằng các loại vật liệu đặc biệt hoặc kết cấu đặc biệt như đường trượt bi, đường

tr-ượt động cơ tuyến tính

Các loại vòng bi đặc biệt (hãng SKF, NSK, TNT, FAG) tự động bôi trơn, tự động kiểm tra tích cực quá trình làm việc tránh được các sự cố khi máy vận hành Sử dụng các phần mềm thông minh do vậy tránh được nhiều lỗi do người sử dụng gây ra vì thế mà tăng được tuổi bền của máy

Hình 2: Cơ cấu đường trượt băng bi

d Máy có số lượng và chủng loại đa dạng: Từ thực tế của công việc gia công cơ khí đã

thúc đẩy ngành chế tạo máy công cụ CNC phát triển nhanh và rất đa dạng về chủng loại và gam

cỡ máy

Ví dụ, chỉ tính riêng cho một loại máy phay CNC của hãng Haas đã có tới hàng trăm sản phẩm có gam cỡ và kiểu dáng khác nhau: máy phay CNC của hãng này loại nhỏ như loại Toolroom Mill có hành trình bàn xyz: 760x300x400 mm, loại lớn như VS - 3 hành trình bàn xyz: 3800x1270x1270 mm, côn trục chính sử dụng loại ISO - 50, điều khiển 5 trục, có thay dao tự động

công, nhiều hãng chế tạo máy CNC đã chế tạo các loại máy CNC có nhiều chức năng trên cùng một máy

Ví dụ 1 - máy 4 trục: Hãng Mazak chế tạo trung tâm tiện - phay- khoan CNC kiểu Mazak Slant Turn 25 - ATC máy này được thiết kế điều khiển 4+2 trục bao gồm X Y Z C+S, S2 Phần tiện sử dụng mâm cặp tự định tâm kẹp nhanh bằng thủy lực ỉ250 mm, khoảng cách chống tâm

1200 mm, công suất trục S1 là 22kw, đường kính tiện vượt bàn xe dao tới 300 mm Chức năng phay điều khiển 3+1 trục XZC + S2 Máy được sử dụng cơ cấu thay dao tự động kiểu xích với

25 ổ chứa dao

Ví dụ 2 - máy 5 trục: Hãng Yaskada của Nhật bản chế tạo trung tâm gia công ngang (horizontal Machining Center - H30I) máy được điều khiển 5 trục đồng thời X, Y, Z,A,B với hành trình các trục (XxYxZ) 650x560x560 mm, trục A/360˚ độ chính xác phân độ 0,001˚, trục B/

( - 120˚ đến + 45˚) độ chính xác 0,001˚ Tốc độ trục chính 120 đến 12 000 v/ phút, tốc độ chạy nhanh X/Y/Z: 40.000/20.000/5.000 mm/phút, trục A/B:15/10v/phút Tự động thay dao (Automantic tool change) số dao chứa trong ổ chứa dao 60, tốc độ thay dao 5s/1 chu trình

g Bộ điều khiển CNC có nhiều chức năng: Nhờ sự phát triển đồng bộ của ngành công

nghiệp điện tử và công nghệ thông tin kết hợp với đòi hỏi thực tế của công nghệ chế tạo máy Hiện nay, các bộ điều khiển CNC ngày càng tin cậy hơn, hiện đại hơn, các chức năng

điều khiển ngày càng sát với công nghệ gia công chi tiết và luôn bám sát với tốc độ phát triển của ngành chế tạo dụng cụ cắt gọt

Có thể thấy rất rõ các chức năng cơ bản (feature) của các bộ điều khiển: Dễ sử dụng bộ vi

xử lý 32 bít, có khả năng thực hiện 1000 blocks/s Thích ứng với bộ mã G - code chuẩn ISO, bộ nhớ chương trình 256 kb, thư viện dao cụ tới 200 dao, 26 tọa độ làm việc, nội suy đường xoắn Helical

Dễ dàng nối ghép với máy tính và trung tâm điều khiển thông qua cổng RS 232/DNClink, có trang thông báo và lựa chọn ngôn ngữ, tự chuẩn đoán các lỗi nội tại

Có thể lập trình hình ảnh đối xứng, có chu trình con cho: tiện, phay, khoan, có chạy mô phỏng đồ họa, điều khiển contour một cách chính xác…

Ví dụ một số các bộ điều khiển CNC: Siemens có Sinumerik 802 - C, 802D, 810T, 840D Heidenhain có TNC-310, TNC - 426, TNC - 30 Fanuc có 16i, 18i, 21i các bộ điều khiển kể trên có thể điều khiển 5 trục như: SIEMENS Sinumerik 810, 840; HEIDENHAIN TNC426, 430; FANUC 18i, 21i

h Cơ cấu thay dao tự động đa dạng: Việc bố trí các sensor theo nhiều cách tạo cho mỗi

một vị trí dao cụ được mã hóa bằng các bit khác nhau do vậy việc nhận biết và kiểm soát dụng

cụ trở nên đơn giản

i Số trục và các trục điều khiển trong máy CNC: Những quy định về trục điều khiển của

máy công cụ CNC như sau: trục chuyển động thẳng thể hiện việc dịch chuyển của dao hoặc phôi dọc theo 3 phương tọa độ Đề các được định nghĩa là các trục: X,Y,Z

Các trục chuyển động song song tương ứng được định nghĩa là: U,V,W Trục thực hiện chuyển động quay quanh X được định nghĩa là trục A, tương tự trục quay quanh Y là B, quay quanh Z là C Với các định nghĩa trên số trục của máy CNC thông thường được thiết kế: máy tiện có trục X, Z; X, Z, C hoặc nếu có 2 bàn dao X, Z, U, W, C Trong máy phay và trung tâm gia công, máy có số trục đơn giản nhất là X,Y,Z hoặc thông dụng hơn X,Y,Z,C Để giải các bài toán gia công trên mặt trụ, mặt cầu, các mặt cong nhiều bậc phức tạp trong thiết kế máy cần phải thêm các trục quay phối hợp như A, B, C

k Máy công cụ cắt cao tốc HSC (Hight Speed Cutting) Trong những năm cuối thế kỷ

20, các nước công nghiệp trên thế giới có một hướng nghiên cứu phát triển máy công cụ CNC cắt cao tốc HSC Hướng này đã đạt được nhiều thành công và đã có nhiều máy HSC được đưa vào sản xuất để giải quyết các nhiệm vụ gia công rất đặc biệt

Ví dụ: Hãng chế tạo ô tô Volkswagen AG đã áp dụng các máy HSC để:

- Chế tạo các điện cực Graphít và đồng cho gia công EDM

- Gia công lòng khuôn trực tiếp từ thép đã tôi

- Chế tạo mẫu thử bằng nhôm

- Gia công các vật mẫu bằng chất dẻo

CHLB Đức là một nước công nghiệp phát triển cao nhưng đã phải bỏ ra tới 60 năm để có

được thành công trong hướng phát triển máy công cụ HSC vào cuối thế kỷ 20 Đó là vì máy gia công HSC không chỉ được hiểu là máy có tốc độ cắt cao mà người ta đã phải giải quyết thành công cả 3 yếu tố sau đây đồng thời:

- Tốc độ cắt cực lớn: từ 1000 đến 5000m/phút tùy thuộc vật liệu gia công (số vòng quay trục chính đạt 50.000 đến 160.000 vòng/phút)

- Lượng tiến dao cực lớn: từ 10.000 đến 40.000 mm/phút

- Tốc độ xử lý lệnh điều khiển cực nhanh tương ứng

Ngoài ra người ta còn phải phát triển được loại vật liệu dụng cụ cắt chịu đựng được chế độ cắt kinh khủng nói trên

Chừng nào mà chưa đạt được đồng thời cả 3 yếu tố trên thì vẫn chưa thể có thành công của máy gia công HSC Đó là lý do để CHLB Đức phải chờ tới 60 năm để có được thành quả trong hướng nghiên cứu này

ở các máy tiện hoặc phay HSC, do trục chính quay với tốc độ cực cao nên người ta đã tạo

ra một loại trục chính đặc biệt gọi là trục chính động cơ (Motorspindles), đó là động cơ AC không đồng bộ xoay chiều có Rotor ngắn mạch đặt ngay trên trục chính và được làm nguội bằng chất lỏng Trục chính được quay trên các ổ thủy tĩnh và không qua bất cứ một hộp giảm tốc nào

Hãng DECKEL- MAHO (CHLB Đức) chế tạo các trục chính động cơ sau đây:

- Loại < 1kW: số vòng quay đạt 160.000 vòng/phút

- Loại > 60 kW: số vòng quay đạt 24.000 vòng/phút

Còn với lượng tiến dao 10.000 đến 40.000 mm/phút thì cơ cấu vít me- đai ốc lăn không

đáp ứng được vì chúng tạo ra tốc độ tiến dao quá chậm Vì vậy người ta đã phát triển động cơ tuyến tính (Linear Motors) để làm nhiệm vụ này Động cơ tuyến tính với Rotor và Stator phẳng

sẽ tạo ra chuyển động tịnh tiến thẳng với tốc độ cao đáp ứng chuyển động tiến dao của máy công cụ HSC – Hình 3 dưới đây cho sơ đồ nguyên lý của động cơ tuyến tính

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý động cơ tuyến tính

* Máy có động học song song PKM (Parallel Kinematic Machines)

Một xu hướng mới nữa để phát triển máy công cụ thế hệ mới là tạo ra các máy có động học song song PKM ở thế hệ máy này người ta thay hệ toạ độ đề các vuông góc với 3 trục X,

Y, Z quen thuộc bằng một hệ tọa độ mới sử dụng từ 3 đến 6 thanh thẳng có gắn động cơ để

điều khiển cho các thanh này có chuyển động tịnh tiến dọc trục của chúng, nhờ đó có thể thay

đổi vị trí tương đối trong không gian giữa dụng cụ và phôi theo kiểu mô phỏng buồng tập lái máy bay Máy sử dụng 3 thanh điều khiển gọi là Tripod Máy sử dụng 6 thanh điều khiển gọi là HEXAPOD

Sơ đồ nguyên lý của một máy HEXAPOD cho ở hình 4

Hình 4: Máy HEXAPOD với 6 thanh điều khiển

Đặc điểm của loại máy HEXAPOD là điều khiển được 5 bậc tự do của trục dụng cụ, có thể gia công trong một lần gá cả 5 bề mặt trong không gian của phôi

Nhược điểm của máy HEXAPOD là tỷ lệ giữa không gian làm việc có ích và không gian chung toàn máy tương đối thấp

Hình 5 là máy phay HEXAPOD model INQERSOLL của CHLB Đức với

Máy được trang bị trục chính động cơ đảm bảo cắt cao tốc HSC

Hình 5: Máy phay HEXAPOD Model INQERSOLL

được thiết kế để gia công với HSC

ở các máy có động học song song PKM người ta phải phát triển một phần mềm chuyển

đổi từ hệ tọa độ dạng động học song song 6 thanh sang hệ tọa độ đề các vuông góc X, Y, Z Có như vậy mới cụ thể hóa được việc lập trình gia công các phôi mà kích thước của chúng được cho ở dạng 3 trục tọa độ X, Y, Z vuông góc trong không gian

Hiện nay, ở các nước công nghiệp phát triển cao, các máy tripod và hexapod đã được chế tạo và đưa vào sử dụng trong công nghiệp ngày càng nhiều

I.2 Các căn cứ lựa chọn cấu hình điều khiển CNC

- Căn cứ vào chất lượng và tính kinh tế của bộ điều khiển

- Căn cứ vào yêu cầu của khách hàng Vì là sản phẩm mở tuỳ theo sở thích và thói quen của người sử dụng Do vậy, Viện IMI đã đưa ra nhiều kiểu cấu hình điều khiển CNC Các hãng chế tạo máy khác cũng đều làm như vậy

- Căn cứ vào khả năng cung cấp và sự hỗ trợ kỹ thuật của các hãng cung cấp điều khiển Chọn 2 nhà cung cấp bộ điều khiển là Siemens, Heidenhain, vì các hãng này đã trở thành các

đối tác truyền thống, quan trọng thường xuyên hỗ trợ kỹ thuật cho Viện IMI về lĩnh vực điều khiển CNC

- Căn cứ vào sự thành thạo của các kỹ sư điều khiển CNC ở Viện về các bộ điều khiển kể trên Viện IMI đã sử dụng và cung cấp nhiều loại máy công cụ được lắp các bộ điều khiển này

I.2.1 Phân tích ưu nhược điểm của từng phương án

Đây là hệ đa vi xử lí, làm việc song song Trong hệ thống này, vi xử lí sẽ chịu trách nhiệm

điều khiển, nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi, điều khiển giao diện người - máy…DSP chỉ chịu trách nhiệm giao tiếp với các bộ điều khiển động cơ để thực hiện bài toán điều khiển vị trí

Mô hình chung:

Hình 6: Hệ thống điều khiển vị trí DSP

Ngày nay máy tính công nghiệp chuyên dụng được sử dụng rất phổ biến và có hiệu quả trong công nghiệp Dựa trên hệ điều hành sẵn có, các cổng vào ra và các module sẵn có, các

đường bus sẵn có ta có thể gắn thêm card mở rộng cho máy tính công nghiệp để có được bộ

điều khiển đáp ứng được các yêu cầu kĩ thuật đặt ra cho bài toán điều khiển vị trí của máy công nghiệp 5 trục toạ độ Một giải pháp của Advantech:

Hình 7: Hệ thống điều khiển vị trí dựa trên điều khiển card vị trí

Sơ đồ khối của card điều khiển vị trí:

Hình 8: Nguyên lý điều khiển card vị trí

Phương án ba: Giải quyết bài toán điều khiển vị trí dựa trên module điều khiển vị trí

Ngày nay PLC xuất hiện phổ biến trong các thiết bị công nghiệp, thay thế có hiệu quả các mạch logic cứng, giúp làm giảm đáng kể số lượng dây nối và các phần tử logic trong mạch điện Với việc tích hợp thêm các module chức năng, PLC có khả năng giải quyết nhiều bài toán công nghiệp như : bài toán điều khiển vị trí, điều khiển nhiệt độ, lưu lượng, áp suất…

Như vậy một hệ PLC có tích hợp thêm module điều khiển vị trí và các module vào ra tương tự và số cũng giải quyết được bài toán điều khiển vị trí đặt ra cho máy công nghiệp 5 trục toạ độ

Mô hình chung của hệ thống PLC đó là:

Hình 9: Hệ thống điều khiển vị trí dựa trên PLC

Giới thiệu một số hệ thống PLC có tích hợp module điều khiển vị trí

a PLC S7 - 200 tích hợp EM 253 của Siemens:

Hình 10: Điều khiển vị trí dựa trên S7-200

Một module điều khiển vị trí chỉ điều khiển đ−ợc một trục toạ độ, để giải quyết đ−ợc bài toán

điều khiển vị trí đặt ra cho máy công nghiệp 5 trục toạ độ thì cần có 5 module EM 253

b PLC JW300 cña SHARP:

H×nh 11: §iÒu khiÓn vÞ trÝ dùa trªn JW300

Ph−¬ng ¸n bèn: Gi¶i quyÕt bµi to¸n ®iÒu khiÓn vÞ trÝ dùa trªn bé ®iÒu khiÓn CNC

M« h×nh chung cña 1 hÖ thèng CNC:

H×nh12: §iÒu khiÓn vÞ trÝ dùa trªn CNC

HÖ thèng CNC lu«n bao gåm 3 khèi chøc n¨ng: khèi giao tiÕp víi ng−êi sö dông, khèi xö

lÝ trung t©m, khèi ngo¹i vi

Khèi giao diÖn ng−êi - m¸y: Bao gåm mµn h×nh, bµn phÝm, c¸c nót Ên ®iÒu khiÓn Khèi nµy nhËn c¸c lÖnh ®iÒu khiÓn tõ ng−êi sö dông th«ng qua bµn phÝm vµ c¸c nót ®iÒu khiÓn, hiÓn

Khối xử lí trung tâm: chứa các thuật toán được cài đặt sẵn, điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống

Khối ngoại vi: Bao gồm toàn bộ các thiết bị điện còn lại

Các yêu cầu kĩ thuật đối với bộ điều khiển CNC:

+ Độ phân giải định vị: <= 20 àm để đảm bảo độ chính xác gia công

+ Chu kì quét: <= 30 ms để đáp ứng đủ nhanh đối với yêu cầu của ngoại vi

+ Bộ nhớ chương trình: >= 4KB để lưu số lượng chương trình đủ lớn

+ Có tính mở: Ghép nối được với truyền dẫn của nhiều hãng khác nhau

Bộ điều khiển CNC điều khiển toàn bộ hoạt động của máy công cụ bao gồm việc điều khiển các bộ truyền dẫn của các trục, điều khiển thay dao tự động, điều khiển bôi trơn, điều khiển tưới nguội…

Bộ điều khiển CNC còn có khả năng điều khiển phối hợp chuyển động của các trục (điều khiển nội suy) cho phép gia công các biên dạng phức tạp mà không tốn nhiều công sức, thời gian Khả năng bù của bộ điều khiển CNC cũng là điều rất đáng kể, nó cho phép bù dao, bù độ dơ của vít me…

Trong một giới hạn nào đó điều này làm tăng độ chính xác gia công của máy công cụ CNC Giao diện người - máy thân thiện, khả năng hoạt động theo chương trình làm đơn giản hoá việc vận hành và gia công trên máy công cụ CNC

I.2.2 Một số bộ điều khiển CNC của một vài hãng trên thế giới

I.2.2.1 Bộ điều khiển CNC của Mitsubishi

Các bộ điều khiển CNC của Misubishi chủ yếu được sản xuất để cung cấp cho thị trường Nhật Bản, châu Âu và Đài Loan Với chất lượng và giá thành phù hợp, bộ điều khiển CNC của Mitsubishi chiếm một thị phần đáng kể ở các thị trường này Một điểm đặc biệt là CNC của Mitsubishi thường chỉ ghép nối với truyền dẫn do Mitsubishi sản xuất chứ ít làm việc với truyền

dẫn của các hãng khác

* 700 CNC

Hình 13: Mitsubishi 700 CNC

Số trục tọa độ tối đa 16

Khả năng nội suy Đường tròn, xoắn ốc

Bù sai số Bù khe hở, bù sai số vít me, bù nhiệt độ

Khả năng mô phỏng Độ họa 3D

Ngôn ngữ lập trình ISO

Khả năng bù dao Bù bán kính, chiều dài dao, độ mòn của dao

Là loạt sản phẩm cao cấp mới nhất của Mitsubishi, được tích hợp công nghệ điều nano cho phép đạt độ chính xác gia công rất cao cho các sản phẩm sản xuất hàng loạt Các thông số kĩ thuật chủ yếu:

khiển-Khả năng định vị rất tốt cho phép đạt độ chính xác gia công rất cao

Giao diện thân thiện, đồ hoạ đẹp

Số trục điều khiển nội suy rất lớn cho phép gia công những biên dạng phức tạp nhất

I.2.2.2 Bộ điều khiển CNC của Fanuc

Fanuc là một trong những hãng đứng hàng đầu thế giới trong lĩnh vực nghiên cứu, chế tạo, phát triển bộ điều khiển CNC Fanuc chiếm tới 60% thị phần thế giới về bộ điều khiển CNC Truyền dẫn và CNC của Fanuc từ lâu đã nổi tiếng về độ bền, độ tin cậy, khả năng làm việc ổn định trong thời gian dài Bộ điều khiển CNC của Fanuc thường được trang bị cho dòng máy công cụ CNC cao cấp với những yêu cầu khắt khe Do ưu thế về công nghệ, chất lượng, thị phần…Fanuc chỉ sản xuất bộ điều khiển CNC làm việc với truyền dẫn của Fanuc không làm việc với truyền dẫn của hãng khác

* Fanuc 16i - MB:

Hình 14: Fanuc 16i – MB

Fanuc 16i được thiết kế nhỏ gọn với màn hình tinh thể lỏng và khả năng giao tiếp mạng Fanuc 16i là loại CNC “mở”, là sự kết hợp của CNC truyền thông với máy tính cá nhân

Với khả năng định vị tới 1 àm, Fanuc 16i cho phép đạt độ chính xác gia công rất cao Với

hệ thống chẩn đoán lỗi thông minh, Fanuc 16i giúp làm giảm đáng kể thời gian khắc phục sự

cố để đảm bảo thời gian làm việc liên tục là lớn nhất Các thông số kĩ thuật chủ yếu:

Số trục tọa độ tối đa 8

Khả năng nội suy đường tròn, xoắn ốc, ellipse

Khả năng bù dao Bù bán kính, chiều dài dao, độ mòn của dao

Bù sai số Bù khe hở, bù sai số vitme, bù nhiệt độ

Khả năng mô phỏng Đồ hoạ 3D

Ngôn ngữ lập trình G code

* ưu điểm:

Hoạt động rất tin cậy, ổn định trong thời gian dài

Khả năng định vị rất tốt cho phép đạt độ chính xác gia công rất cao

Giao diện thân thiện, đồ hoạ đẹp

Số trục điều khiển nội suy rất lớn cho phép gia công những biên dạng phức tạp

I.2.2.3 Bộ điều khiển CNC của Heidenhain

Heidenhain là tập đoàn lớn của Đức chuyên nghiên cứu, phát triển, sản xuất các loại encoder, resolver, tay quay điện tử, CNC Bộ điều khiển CNC của Heidenhain nổi tiếng bởi khả năng làm việc ổn định, giao diện thân thiện, dễ sử dụng Công cụ hỗ trợ lập trình cho phép người dùng chỉ việc gọi câu lệnh và điền tham số Bộ điều khiển CNC của Heidenhain đang dần trở nên thông dụng tại thị trường Việt Nam ở đây giới thiệu bộ điều khiển TNC 426

Hình15: Heidenhain TNC 426

Miêu tả Điều khiển biên dạng kết hợp điều khiển động cơ

Hiển thị Màn hình màu, phẳng 10,4 inch với công nghệ TFT

Các hình vẽ đồ hoạ chi tiết trợ giúp cho việc nạp dữ liệu Ngôn ngữ thông báo lỗi dễ hiểu

Số trục tọa độ tối đa 8

I.2.2.4 Bộ điều khiển ServoWorks - USA

ServoWorks S -140M là bộ điều khiển CNC tiên tiến của hãng Softservo dựa trên công nghệ PC base

S -140M có thể điều khiển 7 trục cộng thêm một trục chính trong đó có 5 trục CNC và 2 trục có thể sử dụng cho PLC hoặc điều khiển đồng trục ServoWorks S -140M sử dụng mã nguồn mở nên có khả năng phát triển cho người sử dụng

ServoWorks S -140M rất thích hợp để sử dụng cho các loại máy phay và máy gia công, máy cắt laser, plasma, và máy cắt tia nước áp suất cao

I.3 Giới thiệu tổng quan về máy CNC 5 trục

Trong quá khứ, để gia công các bề mặt cong người ta thường dùng phương pháp phay chép hình cơ khí hoặc thuỷ lực theo một dưỡng chuẩn bị từ trước.Từ khi xuất hiện công nghệ CAD/CAM/CNC, người ta chuyển sang dùng máy phay CNC điều khiển 3 trục cho mục đích sản xuất khuôn mẫu và các chi tiết có hình dáng không gian phức tạp

Tuy nhiên, máy phay 3 trục có nhược điểm là:

- Do phương trục dụng cụ là cố định nên điều kiện cắt không như nhau ở các vị trí khác nhau của contour được gia công

- Không gia công được một số vùng của công tua nếu vùng đó bi hõm vào, tạo nên hiện tượng "cắt sau" (under cut)

- Phải tháo kẹp chi tiết khi gia công các bề mặt khác nhau của phôi, tạo nên sai số gia công Hiện nay có xu hướng mới trên thế giới là chế tạo máy CNC điều khiển 5 trục Bên cạnh 3 trục Đề các vuông góc X, Y, Z, máy được bổ xung thêm 2 trục nữa mà thường là 2 trục quay, tạo nên một máy CNC có cấu hình các trục có thể là

X, Y, Z, A, B

X, Y, Z, B, C

X, Y, Z, A, C

Hình 16 : Máy phay 5 trục có cấu hình các trục là X, Y, Z, B, C

Với A là trục quay quanh X, B là trục quay quanh Y và C là trục quay quanh Z Nhờ đó phôi có thể được gia công tất cả các bề mặt của nó trong một lần gá, đảm bảo năng suất và độ

chính xác gia công cao Thay vì bổ xung hai trục quay như trên, người ta cũng có thể, trong một số trường hợp ứng dụng nhất định, bổ sung hai trục thẳng tịnh tiến để có máy công cụ CNC điều khiển 5 trục

Đó trường hợp của máy gia công tia lửa điện CNC: Bàn máy mang phôi dịch chuyển theo

3 trục Đề các vuông góc X, Y, Z, còn bàn trượt phía trên mang đầu dẫn dây điện cực được dịch chuyển theo 2 trục thẳng U và V với các trục U song song X, trục V song song Y Nhờ đó có thể gia công cắt được các chi tiết có hình dạng không gian rất phức tạp trên máy gia công tia lửa điện cắt dây

Hình 17: 5 trục điều khiển X, Y, Z, U, V của máy gia công tia lửa điện cắt dây CNC

Trên hình 17 là sơ đồ một máy gia công tia lửa điện điều khiển CNC 5 trục với cấu hình 5 trục đều là các trục thẳng: X, Y, Z, U, V

Trên hình 16 là sơ đồ một máy phay CNC điều khiển 5 trục với cấu hình trục là X, Y, Z, B, C

ở trường hợp của máy CNC 5 trục của đề tài KC.03 - 02/06 - 10 (thiết bị gia công dầm thép kết cấu) thì là một trường hợp khá đặc biệt: ngoài 3 trục Đề các vuông góc X, Y, Z, máy

được bổ xung 2 trục thẳng W1 và W2 mà cả hai trục này đều song song với trục Z Trục W1 để

điều khiển đầu khoan ngang bên trái, trục W2 để điều khiển đầu khoan ngang bên phải, còn trục Z để điều khiển đầu khoan đứng ở giữa và chuyển dịch theo phương thẳng đứng của hai

đầu khoan ngang

Vậy cấu hình trục của máy gia công khoan dầm thép kết cấu có thiết diện chữ H sẽ là X,

Y, Z, W1, W2

Bản thiết kế chung máy gia công dầm thép kết cấu điều khiển 5 trục X, Y, Z, W1, W2

Trở lại với máy phay CNC điều khiển 5 trục, loại máy này có 2 công dụng chính:

1- Máy dùng để định vị gia công điều khiển 5 trục

2- Máy dùng để nội suy liên tục gia công, contour điều khiển 5 trục ở trường hợp thứ nhất, máy 5 trục sẽ định vị trục dụng cụ theo một phương bất kỳ trong không gian để gia công các lỗ

hoặc khoả mặt các mặt phẳng có vị trí bất kỳ trong không gian Chi tiết điển hình loại này được cho ở hình 17

Hình 18: Chi tiết điển hình được gia công định vị 5 trục

Chi tiết ở hình 18 có rất nhiều lỗ và các mặt bích có các góc độ rất khác nhau Nếu gia công chi tiết này trên máy phay CNC điều khiển 3 trục thì phải gá lại chi tiết nhiều lần trên các

đồ gá khác nhau Khi đó năng suất rất thấp và độ chính xác gia công không cao

Trên máy phay 5 trục, chi tiết trên chỉ được gá một lần Việc gia công được thực hiện chính xác nhờ các lệnh định vị dụng cụ tương đối so với phôi Dụng cụ sẽ chuyển từ lỗ này sang lỗ khác, từ mặt bích này sang mặt bích khác tuần tự theo một chương trình gia công có trước Nhờ đó, độ chính xác đạt được rất cao, năng suất gia công cao mà không phải gá đặt lại phôi

Trong trường hợp thứ 2, máy phay 5 trục được điều khiển nội suy liên tục để gia công các

bề mặt cong phức tạp trong không gian như cánh tua bin của máy phát điện, các cánh chân vịt tầu thuỷ

Hình 19: Chi tiết điển hình được gia công công tua 5 trục

Hình trên là ví dụ của chi tiết được phay điều khiển nội suy 5 trục liên tục, người ta gọi là gia công công tua điều khiển 5 trục Chi tiết được gia công công tua 5 trục

Trở lại máy 5 trục của đề tài KC 03-02/06 - 10 Máy này có phần đơn giản hơn trong thiết kế và chế tạo vì nó chỉ thực hiện nguyên công khoan chứ không thực hiện nguyên công

phay Nó chỉ cần định vị mũi khoan đúng tọa độ các lỗ khoan trên hai bề mặt phẳng thẳng

đứng và một mặt phẳng nằm ngang của tiết diện dầm thép chữ H, chữ I

Mũi khoan của đầu khoan thẳng đứng chỉ cần được định vị chính xác theo các tọa độ X và

Y trên mặt nằm ngang của thiết diện dầm chữ H, chữ I Còn trục Z chỉ cần để tạo chiều sâu lỗ khoan

Mũi khoan của đầu khoan nằm ngang bên trái chỉ cần được định vị chính xác theo các tọa

độ Y và W1 trên mặt phẳng thẳng đứng bên trái của tiết diện dầm chữ H Còn trục X chỉ cần để tạo chiều sâu lỗ khoan

Mũi khoan của đầu khoan ngang bên phải chỉ cần được định vị chính xác theo các trục toạ độ Y, W2 trên mặt phẳng thẳng đứng bên phải của tiết diện dầm chữ H, chữ I Còn trục X chỉ cần để tạo chiều sâu lỗ khoan ở cả hai đầu khoan ngang bên trái và bên phải, chuyển động của dao cụ theo phương X được thực hiện bằng thuỷ lực để tạo nên lực tiến dao của mũi khoan

ở đầu khoan thẳng đứng thì không dùng thuỷ lực để tiến dao xuống vì có ảnh hưởng của trọng lực tác động lên đầu khoan Do đó phải dùng điều khiển CNC theo trục Z để tiến dao

Do 3 đầu khoan được điều khiển cùng một lúc nên máy khoan dầm này được điều khiển CNC 5 trục đồng thời đó là các trục: X, Y, Z, W1 và W2 Vì vậy thiết bị gia công dầm thép kết cấu tiết diện chữ H, chữ I được xếp vào loại máy CNC điều khiển 5 trục

Đề tài KC.03-02/06-10 tạm đặt tên cho máy này là máy KD5-CNC (máy khoan dầm điều

Ngành chế tạo dầm thép cũng khá phức tạp, do đặc thù của dầm (có thể gọi là phần tử của dầm) được ghép vào nhau sau khi gia công xong nhờ hệ thống đinh tán (phương pháp thi công cũ) hoặc bu lông cường độ cao (Phương pháp thi công tiên tiến nhất hiện nay) Mỗi mối ghép có thể lên tới hàng vài trăm lỗ khoan, gia công mộng ghép, v.v…

Hệ thống lỗ khoan này đòi hỏi độ chính xác kích thước tương đối cao, đặc biệt trong phương pháp lắp bu lông cường độ cao sai số khoảng cách tâm giữa các lỗ là 0,05mm (khi lắp bu lông cường độ cao thì khe hở giữa bu lông và lỗ lắp bu lông được khống chế theo kiểu lắp không khe hở

để tăng khả năng chống cắt dập khi chịu lực)

Có thể hiểu được tại sao trước kia khi thi công cầu chỉ sử dụng phương pháp lắp ghép đinh

tán, có thể giải thích điều này là: mối ghép đinh tán nóng không đòi hỏi độ chính xác cao của

hông trái

+ Trục X cũng được ghép hệ thống đường trượt bi ốp sát khung ngang có mài chuẩn, tạo

độ vuông góc với hai trụcW1,W2

+ Trục Y được thiết kế đặc biệt với hành trình 1000 mm nhưng vẫn đảm bảo di chuyển hết chiều dài gia công của dầm Đây là điểm mấu chốt của việc gia công dầm có kích thước theo chiều dài lớn (Chiều dài của dầm có thể từ 12 đến 24 mét) mà vẫn đảm bảo độ chính xác

Điều này có thể được là do sự phối hợp thông minh giữa chuẩn và kẹp, kẹp và chuẩn thông thường trong nguyên lý chuẩn công nghệ Để phối hợp một cách nhịp nhàng và chính xác này đã được bộ điều khiển CNC kiểm soát liên tục bằng hệ thống đo trực tiếp cộng với phần mềm xử lý sai số tích lũy

+ Máy có thể gia công dầm có kích thước tính theo chiều rộng từ 150 đến 1000mm mà trong khi đó không cần hành trình vươn nòng của hai trục chính bên hông S1, S2 lớn nhờ thiết

kế hết sức hợp lý, đó là một trong hai cụm trục chính bên hông S1,S2 được thiết kế di trượt tự

động kẹp sau khi đã xác định rõ kích thước phôi nhờ hệ thống cảm biến điện tử

+ Máy được thiết kế có hệ thống cấp phôi tự động và tự động kiểm soát mặt cắt chuẩn của dầm nhờ hệ thống đèn Laze có điều khiển kiểm soát qua bộ CNC Do vậy, tuy mặt cắt đầu dầm

có sai số do tạo phôi nhưng việc gia công vẫn đảm bảo độ chính xác mong muốn

+ Máy chỉ cần điều khiển 5 trục tọa độ, thậm chí chỉ cần điều khiển 4 trục tọa độ (trục có

điều khiển CNC) Trong khi đó để gia công đồng thời cả ba mặt của dầm cùng một lúc cần tới 7 trục có điều khiển CNC, riêng cho việc di chuyển dụng cụ cắt chưa kể chuyển động quay Nhờ phối hợp hệ thống thủy lực điều khiển servo vall nên chỉ dùng 5 trục

+ Các trục chính (ba trục) chỉ sử dụng một cấp tốc độ một lần giảm tốc để đảm bảo mômen, nhưng vẫn đảm bảo tốc độ cắt gọt là do nhờ phối hợp giữa sử dụng động cơ có mômen

định mức lớn Đặc tính quá độ ngắn và bộ biến đổi tần số có phản hồi tốc độ

Hình 22: Sử dụng 3 đầu trục chính