BÀI GIẢNG ĐIỀU KHIỂN SỐ CNC

Người học phân tích được cấu trúc hệ thống điều khiển số cho máy gia công kim loại Người học phân tích được cấu trúc động học của các máy gia công kim loại.. Khái niệm & Phân loại• KHÁI

BÀI GIẢNG

ĐIỀU KHIỂN SỐ CNC

ThS Nguyễn Văn Hải

Bộ môn: Kỹ thuật điện

GIỚI THIỆU VỀ MÔN HỌC

Tên môn học: ĐIỀU KHIỂN SỐ CNC

Số tín chỉ học phần:

Người học phân tích được cấu trúc hệ

thống điều khiển số cho máy gia công kim loại

Người học phân tích được cấu trúc động học của các máy gia công kim loại.

Cung cấp cho người học các nhóm lệnh lập trình cơ bản trên máy CNC

MỤC TIÊU MÔN HỌC

các kiến thức môn học có thể tiếp cận được công nghệ gia công trên máy CNC.

Người học có khả năng lập trình trên máy CNC

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

[1] Tạ Duy Liêm - Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ

[2] Tạ Duy Liêm – Máy điều khiển theo chương trình số và Robot CN

[3] Nguyễn Mạnh Tiến, Vũ Quang Hồi – Trang bị điện, Điện tử máy gia công kim loại

[4] Nguyễn Thiện Phúc – Người máy công nghiệp

[5] Lại Khắc Lãi, Nguyễn Như Hiền – Giáo trình Điều khiển số

[6] Nguyễn Đắc Lộc – Tăng Huy – Điều Khiển Số

& Công nghệ trên máy Điều khiển số CNC

Chương 1: Khái niệm chung

1.1 Phân loại máy cắt gọt kim loại.

1.2 Các chuyển động và các dạng gia công điển hình.

1.3 Lực cắt, tốc độ cắt và công suất cắt.

1.4 Phụ tải của động cơ truyền động các cơ cấu điển hình.

1.5 Phương pháp chung chọn công suất động cơ cho máy cắt kim loại 1.6 Điều chỉnh tốc độ máy cắt kim loại.

1.1 Khái niệm & Phân loại

• KHÁI NIỆM:

Máy cắt kim loại được dùng để gia công các chi tiết kim loại bằng cách cắt hớt các lớp kim loại thừa, để sau khi gia công chi tiết có hình dáng gần đúng yêu cầu (gia công thô) hoặc thỏa mãn hoàn toàn yêu cầu đặt hàng với độ chính xác nhất định

về kích thước và độ bóng cần thiết của bề mặt gia công (gia công tinh).

1.1 Khái niệm & Phân loại

• Phân loại máy cắt gọt kim loại:Phân loại theo đặc điểm

công nghệ: máy tiện, máy phay, máy bào, máy khoan – doa, máy mài, máy gia công răng, ren, vít…

Phân loại theo đặc điểm quá trình sản xuất: máy vạn

năng, máy chuyên dùng, máy đặc biệt

Phân loại theo kích thước & trọng lượng chi tiết gia công trên máy: máy bình thường

1.2 Các chuyển động và các dạng gia công điển hình.

• Các dạng chuyển động cơ bản trên MCNKL:

Ví dụ về các dạng chuyển động và các dạng gia công điển hình:

1.3 Lực cắt, tốc độ cắt và công suất cắt

Lực cắt và tốc độ cắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố của điều kiện gia công như: chiều sâu cắt, lượng ăn dao, bề rộng của phôi, độ bền dao cắt,vật liệu chi tiết, hình dáng và vật liệu dao, điều kiện làm mát…Chúng được xác định theo công thức kinh nghiệm ứng với từng nhóm máy Tuy nhiên các công thức đó có dạng gần giống nhau.

Ghi chú: Sinh viên nghiên cứu tài liệu các mục 1.3, 1.4, 1.5, 1.6 theo tài liệu [3] Nguyễn Mạnh Tiến, Vũ Quang Hồi – Trang bị điện, Điện tử máy gia công kim loại - NXB KHKT từ trang 7 đến trang 21.

Ý tưởng

về điều khiển số

Đánh giá hiệu quả:

• Gia công thô sơ : chất lượng, năng xuất thấp, hình thức xấu, giá thành cao…

• Sử dụng máy chép hình : Độ chính xác không cao (do quán tính, sai số của mẫu ); Năng suất thấp (do phải hạn chế tốc

độ trượt của đầu dò trên mẫu); đắt và kém linh hoạt (vì dưỡng mẫu là các chi tiết cơ khí chính xác, vật liệu đặc biệt)

Một số hình ảnh về gia công thô sơ

Phương pháp cổ điển: Sử dụng máy chép hình:

1.7.2 Ý tưởng và lịch sử phát triển máy NC

(Nummerical Control)

Ý tưởng về điều khiển số NC:

 Có thể hình dung máy công cụ

điều khiển số là một máy chép

hình, nhưng các dưỡng mẫu, cam

cơ khí…được thay băng chương

trình máy tính.

 Chương trình máy tính không bị

mòn như các dưỡng mẫu, dễ

mang đi, mang lại

 Việc viết lại chương trình máy

• Dùng thiết bị đọc tại máy để đọc dữ liệu từ bộ nhớ.

• Hệ thống điều khiển có nhiệm

vụ xử lý và liên tục đưa ra thông tin điều khiển các động

cơ được gắn trên trục vít me

Lịch sử phát triển máy NC

 Năm 1949: Mẫu đầu tiên của máy NC do MIT (Viện công nghệ Massachusetts) thiết kế và chế tạo thành công theo đặt hàng của Không lực Hoa Kỳ để chế tạo các chi tiết máy bay.

 Năm 1952: Chiếc máy phay đứng 3 trục điều khiển số đầu tiên được sản xuất do hãng Cincinnati Hydrotel được trưng bày tại MIT.

 Năm 1960: máy NC được sản xuất để dùng cho công nghiệp Các bộ điều khiển số đầu tiên dùng đèn điện tử nên tốc độ xử lý chậm, cồng kềnh và tiêu tốn năng lượng Chương trình được chứa trong các băng và bìa đục lỗ nên khó hiểu và không sửa chữa được Chưa có giao tiếp người máy.

 Năm 1970: Các linh kiện bán dẫn được sử dụng phổ biến trong công nghiệp, tốc độ xử lý nhanh hơn, kích thước nhỏ gọn hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn,các băng và bìa đục lỗ được thay bằng các đĩa từ Tuy nhiên máy NC vẫn chưa được cải thiện cho đến khi máy tính được ứng dụng.

1.7.3 MỘT SỐ MÁY NC ĐIỂN HÌNH 1.7.3.1 Máy tiện:

a Một số dạng dao tiện

b Một số dạng gia công

c Máy tiện hiện đại

1.7.3.2 Máy khoan

1.7.3.3 Máy bào

1.7.3.4 Máy mài

a Một số kiểu mài

b Máy mài (bào) ngang

c Máy mài (bào) đứng

1.7.3.5 CẤU TRÚC TỔNG QUAN CỦA HỆ ĐK MÁY NC

~

Servo Controller Counter Comparator

Input (converted from analog to digital value)

Table Leadscrew

1.7.4 Máy CNC và các khái niệm: CAD; CAD/ CAM; FMS; CIM

 CNC = Computer Numerical Control

 Khoảng giữa năm 1970 thuật ngữ CNC xuất hiện Bằng sự kết hợp giữa các bộ điều khiển số máy công cụ với máy tính

Máy CNC có nhiều ưu việt hơn máy NC: kết cấu nhỏ gọn, tốc độ xử lý nhanh hơn…đặc biệt là khả năng sử dụng, giao giữa người và máy và kết nối với các thiết bị ngoại vi khác

Có khả năng kiểm tra lỗi, giám sát quá trình sản xuất liên tục, có thể mô phỏng, kiểm tra trước quá trình gia công Có thể đồng bộ với các thiết bị khác như robot, băng tải…Có khả năng trao đổi thông tin trong mạng máy tính các loại: mạng cục bộ (Lan), mạng diện rộng (WAN) hay mạng Internet

CAD = Cumputer Aided Design (Thiết kế có trợ giúp của máy tính)

 Trợ giúp cho nhà thiết

kế trong việc mô hình

hóa, lập và xuất các tài

liệu thiết kế dựa trên kỹ

thuật đồ họa.

CAM = Computer Aided Manufacturing (Sản xuất có sự trợ giúp của Máy tính)

 CAD/CAM:

 Bản chất là độc lập nhau, nhưng càng ngày càng xích lại gần nhau, là thuật ngữ ghép dùng để chỉ quá trình thiết kế - sản xuất có sự trợ giúp của máy tính.

 Sự phát triển của công nghệ CNC dựa trên sự phát triển của Kỹ thuật điều khiển tự động và công nghệ CAD/CAM.

 FMS = Flexible Manufacturing System:

 Một hệ thống sản xuất tự động, có khả năng tự thích ứng với sự thay đổi của đối tượng sản xuất được gọi là

hệ thống sản xuất linh hoạt.

 FMS gồm các máy CNC, Robot, các thiết bị giám sát đo lường…làm việc dưới sự điều khiển của mạng máy tính.

 CIM = Computer Integrated Manufacturing:

Sự tích hợp mọi hệ thống thiết bị, 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.

CNC

FMS & CIM

Chương 2: Điều khiển số máy gia công kim loại

2.1 Các loại điều khiển số máy GCKL

Điều khiển số thông thường

Điều khiển số trực tiếp

Điều khiển số bằng máy tính

2.2 Phân loại máy CNC

a Phân loại:

Phân loại theo kiểu chuyển động

Phân loại theo vòng điều khiển

Phân loại theo nguồn cấp

Phân loại theo hệ điều chỉnh

b Một số loại máy CNC hiện nay

CNC PLASMA MACHINES

CNC SPRING-FORMING MACHINES

CNC LASER CUTTING MACHINES

VERTICAL MACHINING CENTERS

HORIZONTAL MACHINING CENTERS

CNC PRESS BRAKES

CNC PUNCH PRESS

2.3 Cấu trúc hệ ĐKS máy CNC

2.3.1 Điều khiển kiểu vòng hở, vòng kín:

2.3.2 Cấu trúc hệ ĐKS máy CNC

A Khối MCU (Machine Control Unit)

• Đảm nhiệm việc điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống:

- Đọc, giải mã các lệnh trong chương trình NC.

- Lọc và xử lý các thông tin hình học, thông tin công nghệ và tính toán các thông số điều khiển.

- Xuất các tín hiệu điều khiển cho các cơ cấu tương 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 thường được thực hiện thông qua PLC.

- Giao tiếp với bộ xử lý

và bộ lưu trữ bên ngoài

thông qua các chuẩn

truyền thông CN:

RS232, RS 485…

- Tính toán công nghệ (2)

Các thông tin công nghệ như: chọn dao, chiều

và tốc độ quay trục chính, tưới dung dịch hoặc dừng…được chuyển tới hệ thống tương ứng qua bộ điều chỉnh (4)- thường là PLC.

- Tính toán hình học (3)

Thông tin hình học của đường chạy dao (dạng, hướng, tốc độ) được phân tích thành chuyển động độc lập của các trục Bộ phận thực hiện việc đó gọi là nội suy (3).

D Khối điều khiển trục (ĐK Vị trí)

2.3.4: VD Sơ đồ điều khiển vị trí cho 1 trục

2.4 Các dạng điều khiển

Điều khiển điểm-điểm

Điều khiển đường, tuyến tính (Continuous path)

Điều khiển biên dạng, phi tuyến

2.4.1 Điều khiển điểm-điểm (Point-to-Point)

- Là kiểu điều khiển đơn giản

nhất, dao được điều khiển

với độ đặt trước (không cắt),

từ điểm này tới điểm kia

CÁC KIỂU ĐIỀU KHIỂN ĐIỂM-ĐIỂM

Điều khiển đồng thời theo 2 trục

Điều khiển độc lập theo từng trục

2.4.2 Điều khiển đường, tuyến tính

(Continuous path)

• Kiểu điều khiển này cho phép chạy dao có gia công (điều khiển được tốc độ từ chương trình theo từng trục).

• Tại một thời điểm chỉ có thể chạy dao tự động theo từng trục, nên chỉ gia công tự động theo các đường song song với các trục tọa độ.

• Ứng dụng trên các máy phay, máy tiện đơn giản.

• Ví dụ: Máy phay (b), máy tiện (a)

2.4.3 Điều khiển biên dạng, phi tuyến (Contour)

• Điều khiển có gia công đồng thời theo nhiều trục khác nhau Nhờ vậy có thể gia công theo đường thẳng hoặc đường cong bất kỳ.

• Phần lớn các máy CNC hiện nay

là điều khiển dạng contour Bộ điều khiển contour có thể làm được việc của 2 bộ điều khiển trước.

• Các bộ điều khiển contour được phân loại theo số trục, có thể điều khiển đồng thời: 2D, 2½D, 3D hoặc nhiều hơn.

2.4.3.1 Điều khiển 2D

• Máy có khả năng điều khiển đồng thời 2 trục Vì vậy chỉ có khả năng gia công một đường thẳng hay một đường cong trong một mặt phẳng.

• VD: 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.

2.4.3.2 Điều khiển 2½D

• Tại một thời điểm máy chỉ

có thể điều khiển đồng thời theo 2 trục.

• Điểm khác là có thể thay đổi phương trục dao, nghĩa là có thể gia công trong mặt X-Y, Y-Z, X-Z.

• Trục thứ 3 có thể điều khiển

tự động khi dừng 2 trục kia.

• Tuy nhiên trên một số máy, chỉ có thể gia công trên đường thẳng 3D, đường xoắn ốc (nội suy cung tròn theo 2 trục và đường thẳng theo trục thứ 3).

• Chú ý: Số trục điều khiển đồng thời, không nhất thiết bằng số trục của máy

2.4.3.3 Điều khiển 4D, 5D

• Điều khiển chuyển dịch theo

3 trục (3D).

• Có thêm 1 – 2 chuyển động

quay của dao (hoặc chi tiết)

xung quanh 1 trục nào đó.

2.5 Vật mang tin và cốt mã hóa

2.6 Kết cấu máy CNC

• Các máy thông thường,

máy NC và máy CNC đều

mát, bôi trơn, chiếu sáng)

• Tuy nhiên kết cấu của từng

bộ phận cụ thể trên máy CNC lại có nhiều điểm khác biệt với các máy thông thường:

- Hệ thống điều khiển trục chính

- Hệ thống điều khiển chạy dao

- Hệ thống gá kẹp chi tiết

- Hệ thống thay dao

► Đặc điểm cấu trúc chung của các bộ phận trên máy CNC

• Hệ truyền động cơ khí được chế tạo cứng vững, chính xác, giảm thiểu ma sát Các đường trượt thường được nhiệt luyện, phủ hợp kim giảm ma sát và mài mòn hoặc dùng con lăn

• Các truyền động vít me thường dùng vít me-đai ốc bi để giảm ma sát và triệt tiêu khe hở

• Hệ thống hộp số, hộp tốc độ gần như không còn vì các động

cơ hầu hết được điều khiển vô cấp

• Vùng làm việc của máy CNC thường được bao kín để đảm bảo an toàn tối đa cho người sử dụng

• Việc thay dao, thay kẹp phoi, tải phoi,…thường được thực hiện tự động

► Đặc điểm cấu trúc chung của các bộ phận trên máy CNC

• Máy CNC hầu như không còn tay quay, cần gạt cơ khí, vì các chức năng thay đổi chế độ gia công, dịch chuyển bàn máy (hoặc dao) đều được thực hiện tự động dùng các phím điều khiển, tay quay điện tử.

• Thay vì kết cấu đúc, hệ thống khung sườn máy CNC thường có kết cấu khung hàn, cho phép giảm khối lượng, ít biến dạng nhiệt mà vẫn đảm bảo độ ổn định.

• Các máy và trung tâm gia công CNC thường được trang bị các hệ thống thay dao tự động, cấp phôi tự động, tải phoi tự động.

• Vị trí của đài dao thường được chuyển về phía sau để thuận tiện cho điều khiển và không cản trở quan sát của công nhân.

• Băng máy tiện thường được đặt nghiêng để tăng độ ổn định, giảm kích thước chiều ngang và dễ thoát phoi.