Hệ thống đồ gá trong máy công cụ điều khiển số cnc

Trờng ĐHBK Hà Nội Khoa khí Đồ án tốt nghiệp Phần thứ nhất: khái niệm điều khiển sè CHƯƠNG I: CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN 1.1 Khái niệm Theo thống Quốc tế (ISO), máy công cụ điều khiển theo chương trình số hệ máy công cụ điều khiển chương trình viết mã kí tự số, chữ kí tự chuyên dụng khác dạng câu lệnh Trong hệ thống điều khiển có cài đặt vi sử lí p (Microprofessor) làm việc với chu kì thời gian từ 120s có nhớ tối thiểu Kbyte, đảm nhiệm chức chương trình điều khiển số như: Tính toán toạ độ trục điều khiển theo thời gian thực, tính toán giá trị chỉnh lí dao vv 1.2 Các khái niệm khác 1.2.1 Điều khiển số NC (Numberical Control ) Là hệ thống điều khiển đặc trưng đại lượng đầu vào tín hiệu nhị phân, chúng đưa vào hệ điều khiển số dạng chương trình điều khiển có hệ thống Trong hệ điều khiển số ứng dụng cho máy công cụ , đại lượng đầu vào thông tin, liệu hay số liệu nạp vào liệu số cần để tạo chi tiết gọi chương trình chi tiết (Part Program) 1.2.2 Thông tin hình học (Geometrical Imffomation) Là hệ thống thông tin điều khiển chuyển động tương đối dao cụ chi tiết liên quan đến trình tạo hình bề mặt Còn gọi thông tin đường dịch chuyển 1.2.3 Thông tin công nghệ (Technology Imfomation) Là hệ thống thông tin cho phép máy gia công với giá trị công nghệ yêu cầu: chuẩn hoá trục toạ độ, gốc toạ độ, chọn chiều sâu lát cắt, tốc độ chạy dao, số vòng quay trục chính, chiều quay trục chính, vị trí suất phát dao, đóng ngắt mạch tưới dung dịch trơn nguội, mạch đo lường kiểm tra 1.3 Mở rộng khái niệm điều khiển số Theo định nghóa máy điều khiển theo chương trình số, trình gia công thực cách tự động Trước gia công, người ta phải đưa vào hệ thống điều khiển số chương trình gia công dạng chuỗi câu lệnh điều khiển Hệ thống điều khieồn soỏ cho khaỷ naờng thửùc Trờng ĐHBK Hà Nội Khoa khí Đồ án tốt nghiệp hieọn lệnh kiểm tra chúng nhờ hệ thống đo dịch chuyển bàn trượt máy Như vậy, điều khiển số hình thức đặc biệt tự động hoá, mà cụ thể máy công cụ tự động lập trình để thực loại hoạt động chế độ xác định trước nhằm tạo chi tiết có kích thước thông số vật lý đoán trước Các máy công cụ điều khiển theo chương trình số máy NC CNC Một máy công cụ NC gồm đơn vị điều khiển máy MCU (Machine control unit) thân máy công cụ MCU lại chia tiếp thành hai phần đơn vị xử lý liệu (DPU) đơn vị điều khiển lặp lại (CLU) DPU xử lý liệu mã hoá đọc từ băng đục lỗ hay phương tiện khác chuyển thông tin về: vị trí trục chiều chuyển động yêu cầu, tỷ số tiến dao tín hiệu điều khiển chức phụ tới CLU Còn CLU điều khiển cấu dẫn động máy nhận tín hiệu phản hồi có liên quan đến vị trí thực tế tốc độ trục gửi tín hiệu kết thúc trình, sau DPU tiếp tục đọc liệu Khi dòng liệu hoàn thành nhiệm vụ quy định CLU dòng liệu khác lại đọc 1.3 Lịch sử phát triển Người ta cho máy công cụ điều khiển số đời máy dệt dùng thép có lỗ để tự động điều khiển đường chuyển động kim dệt Joseph M Jacquard chế tạo năm 1808 Máy dệt điều khiển sở thông tin hai trạng thái, trạng thái kim vị chí có lỗ tương ứng với mức lôgic kim trạng thái lỗ tương ứng với mức lôgic Khi thay đổi quy luật vị trí lỗ thép cho kiểu áo quy luật lỗ thép chương trình điều khiển máy Và thép mang chương trình điều khiển tự động xem vật lưu giữ chương trình điều khiển máy Việc phát minh máy tính số bước ngoặt quan trọng cho phát triển máy điều khiển số Và lịch sử phát triển gắn liền với việc phát triển công nghiệp máy tính Bước ngoặt quan trọng phát minh đèn bán dẫn năm 1948, đèn bán dẫn có nhiều ưu điểm kích thước nhỏ, giá thành rẻ, độ tin cậy cao, tiêu thụ lượng toả nhiệt Trên sở kó thuật bán dẫn, năm 1949 số kó sư người Mỹ tiến hành thiết kế thành công hệ thống điều khiển số dùng linh kiện bán dẫn cho máy phay ba trục, máy có khả di chuyển dụng cụ đến điểm tính toán tự động từ trước Trờng ĐHBK Hà Nội Khoa khí Đồ ¸n tèt nghiƯp Trong trình gia công khí, nhiều chi tiết yêu cầu gia công đạt độ bóng ,độ xác cao, thay đổi nhanh chóng dạng sản phẩm máy công cụ cần hoàn thiện mặt thiết kế điều khiển nhằm nâng cao độ xác gia công Vì điều khiển số nhanh chóng ứng dụng vào hệ thống điều khiển máy công cụ, đồng thời máy tính ứng dụng để tính toán, lưu giữ liệu đường dẫn dụng cụ băng đục lỗ, băng từ thiết bị khác Viện công nghệ MIT thiết kế chế tạo thành công hệ dẫn động động Secvo dùng để điều khiển trục máy công cụ Thành công thúc đẩy ngành máy công cụ điều khiển số phát triển mạnh mẽ ngày Năm 1959 mạch IC (Intergrated Circuits)ra đời nhanh chóng thay bóng bán dẫn IC chip nhỏ, người ta lắp số lớn linh kiện để thực trình điều khiển IC có kích thước nhỏ sở để hình thành vi sử lí sau Trên sở mạch IC người ta thiết kế chế tạo thành công vi sử lí (Microprocessor) cho máy tính số Năm 1968 người ta sử dụng số từ tiếng Anh làm kí tự để hình thành chương trình điều khiển máy Hệ điều khiển máy gồm chương trình điều khiển, chương trình tính toán thông số hình học, tính toán lựa chọn chế độ gia công tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt, bôi trơn làm mát Tập hợp kí tự hình thành chương trình dùng để điều khiển máy gọi ngôn ngữ APT (Automatically Programed Tool) Ưu điểm ngôn ngữ APT thuận lợi cho người viết dễ dàng chuyển đổi thành chương trình mà máy hiểu Trên sở ngôn ngữ APT, người ta phát triển nhiều dạng chương trình điều khiển khác: ADAPT AutoSPOT IBM; CINTURN Cincinati Milaron; EXAPT I, EXAPT II, EXAPT III Đức Năm 1976 máy điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình mà thông tin viết dạng số gọi máy điều khiển số NC Cũng vào năm người ta đưa máy tính nhỏ vào hệ thống điều khiển NC nhằm mở rộng đặc tính điều khiển mở rộng nhớ máy tính so với máy NC, máy gọi máy CNC, sau chức trợ giúp cho trình gia công ngày phát triển vào năm 1975 hệ thống thay dao tự động đưa vào sử dụng, năm 1979 hệ thống CAD – CAM – CNC đời năm 1984 đồ hoạ máy tính phát triển ứng dụng để mô trình gia công treõn maựy coõng cuù Trờng ĐHBK Hà Nội Khoa khí Đồ án tốt nghiệp Naờm 1994 heọ NURBS (Not Uniforme rational B Spline) giao diện phần mềm CAD cho phép mô bề mặt phức tạp hình, đồng thời cho phép tính toán đưa phương trình toán học mô bề mặt phức tạp, từ tính toán xác đường nội suy với mức độ mịn độ sắc nét cao Ngày với tiến không ngừng khoa học kó thuật vào ứng dụng cho ngành chế tạo máy công cụ điều khiển số, hứa hẹn có bước tiến vượt bậc Công nghệ NANO ứng dụng vaò công nghệ chế tạo máy CNC Năm 2001 FANUC chế tạo thành công điều khiển NANO cho máy công cụ CNC 1.4 Các hệ thống điều khiển số cho máy công cụ 1.4.1 Hệ thống điều khiển NC Các hệ thống NC đời cần thiết chế tạo chi tiết phức tạp máy bay với số lượng Trong hệ thống NC thông số hình học chi tiết lệnh điều khiển máy cho dạng số Điều khiển NC gồm trình sau: a Đưa liệu vào hêï thống Toàn dẫn in vào băng đục lỗ dạng câu lệnh chương trình câu lệnh đọc hệ thống điều khiển NC, đồng thời đưa vào phận hiệu chỉnh dụng cụ cần thiết xê dịch điểm zêro b Sử lí liệu đưa liệu Các thông tin đưa vào hệ thống điều khiển tách thành thông tin hình học thông tin công nghệ Để làm chuyển động dụng cụ chi tiết gia công, hệ thống điều khiển phát tín hiệu qua cụm khuếch đại đến động chạy dao máy NC Mỗi bàn trượt máy có trang bị hệ thống dò dịch chuyển để xác định vị chí bàn trượt Khi giá trị thực khác với gía trị cho hệ thống điều khiển sai lệch biến đổi thành tác động điều khiển cụm chạy dao Khi sai lệch điều khiển không, nghóa đạt vị chí cho, động chạy dao dừng Chu trình điều khiển tốc độ dựa sở chu trình điều khiển vị trí số vòng quay xác định nhờ máy phát đo tốc độ lắp động chaùy dao c-Boọ thớch nghi Trờng ĐHBK Hà Nội Khoa khí Đồ án tốt nghiệp Caực thoõng tin hình học thông tin công nghệ chạy qua thích nghi Bộ thích nghi có chức xích nối máy NC hệ thống điều khiển Bộ thích nghi chắp nối lệnh điều khiển NC với thông báo từ máy trở lại chúng có chức chuyển đổi liên động khả tránh việc thực lệnh không hợp lí Ví dụ như: mâm cặp máy tiện chưa kẹp chặt hay máy vị chí tới hạn hệ điều khiển có lệnh phát dịch chuyển thích nghi không phát lệnh chạy dao Trang bị điều khiển So sánh trị số thực cho trước Quãng đường dịch chuyển Bộ điều khiển Động Bàn trượt Hệ thống đo Hệthống Đo dịch chuyển Hình 1-1: Chu trình điều khiển hệ điều khiển NC 3.2 Hệ thống điều khiển CNC Điều khiển NC có nhược điểm linh hoạt Những thay đổi chương trình thông qua việc sửa lại băng đục lỗ, tốn thời gian phòng lập trình Điều dẫn đến tăng thời gian dừng máy NC Hiện hệ thống điều khiển thay rộng rãi hệ thống điều khiển CNC (hình vẽ) Đặc điểm hệ điều khiển CNC có can thiệp máy vi tính Trong hệ điều khiển có chương trình CNC hệ thống nơi chế tạo máy cài đặt vào máy tính Thông qua phần mềm riêng lẻ, ví dụ chương trình giải mã hệ điều hành chương trình mà chức CNC riêng lẻ thực Trờng ĐHBK Hà Nội Khoa khí §å ¸n tèt nghiƯp a Đưa liệu vào hêï thống: Trong hêï thống điều khiển NC thông thường chương trình gia công làm lần băng đục lỗ nằm phận lưu trữ chương trình hệ thống điều khiêûn CNC gia công đưa vào hệ thống điều khiển thông qua bảng điều khiển hệ thống điều khiển số lập trình phân xưởng b Xử lí liệu đưa liệu ra: Chương trình gia công đưa vào gọi lúc từ phận lưu giữ chương trình gia công mà không cần phải đọc lại băng đục lỗ Việc sửa chữa tối ưu hoá chương trình tiến hành lúc máy Các câu lệnh bổ xung thay hay đổi lại Đưa liệu vào cho liêïu hoàn thành chương trình vào Việc kiểm tra tính toán nhận biết mã tách thành liệu hình học liệu công nghệ chương trình giải mã thực Chương trình điều hành phận lưu giữ chương trình điều khiển dẫn câu lệnh, dẫn chương trình chương trình gia công có lưu giữ chương trình Việc nội suy liệu quỹ đạo gia công thiết bị nội suy phần cứng đảm nhiệm, giải pháp phần mềm cho mục đích chậm Các điều kiển CNC đại có hình đồ hoạ Trên hình trình cắt gọt mô động đồ họa Nhờ phím phần mềm đối thoại trực tiếp với hệ thống điềukhiển Hình1-2: Mô động học đồ họa cho phép đưa chương trình vào cách nhanh chóng tránh sai sót lập trình c Bôï thích nghi Trong hệ điều khiển NC thông thường chuyển đổi liên động hệ điều khiển CNC chuyển đổi liên động thay điều khiển chương trình lưu giữ, bị điều khiển nối với máy tính Một chương trình có ổ chứa điều khiển chương trình lưu giữ theo dõi ghép nối tất chức vận hành máy đêán từ hệ NC CNC Trờng ĐHBK Hà Nội Khoa khí §å ¸n tèt nghiƯp d Sơ đồ hệ điều khiển CNC Các hệ điều khiển CNC thiết kế để mở rộng hệ điều khiển, bổ xung thêm cho chức có mô đun mở rộng Vì hệ điều khiển thiết kế linh kiện điện tử đại thích hợp Trong hêï điều khiển nhiều vi sử lí thường sử dụng phần cứng lẫn phần mềm Điều hành lưu giữ hệ thống Nội suy Bộ vi sử lí Bộ vi sử lí Bộ lưu giữ hệ thống Bộ lưu giữ Bộ lưu giữ chương trình Bộ điều khiển bên Điều khiển bên Điều khiển vị trí Điều khiển thích nghi Bộ vi sử lí Bộ vi sử lí Bộ lưu giữ Bộ lưu giữ Điều khiển bên Bộ điều khiển bên Máy công cụ Hình 1.3: phương án nhiều vi sử lí 1.3.3 Các hệ thống DNC (Direct Numberical Control ) DNC để biểu thị hệ thống nhiều máy NC nối với máy vi tính gia công theo đường dẫn liệu Đặc điểm hệ thống DNC cung cấp cho máy NC riêng lẻ thông tin điều khiển Tất chương trình sử dụng lưu trữ đóa cứng máy tính gia công bố trí hệ thống DNC gọi trực tiếp từ nhu cầu cuỷa tửứng maựy NC Trờng ĐHBK Hà Nội Khoa khí Đồ án tốt nghiệp Trong phaõn xửụỷng có hệ thống DNC, chương trình NC phòng lập trình làm đưa thẳng vào máy tính phần lớn hệ điều khiển CNC có ngôn ngữ lập trình riêng khác nhau, lập trình tay cần có phần mềm tương ứng cho việc biên dịch NC Ngược lại với việc lập trình máy đòi hỏi với kiểu điều khiển chương trình dịch riêng (Posprocessor) Trong phân xưởng có nhiều máy NC, việc chuẩn bị tốt đồ gá điều quan trọng Các trang bị công nghệ lưu giữ điều hành ngân hàng liệu trung tâm máy tính Nhờ ngân hàng liệu liệu dụng cụ trang bị công nghệ gọi hình, đồng thời liệu sử dụng để bù kích thước dụng cụ cắt chạy chương trình Tóm lại hệ thống DNC có ưu điểm sau : - Có ngân hàng liệu trung tâm cho biết thông tin chường trình gia công chi tiết dụng cụ - Truyền liệu nhanh, tin cậy, phát huy tốt hiêïu máy NC - Điều khiển lập kế hoạch gia công - Có khả ghép nối vào hệ thống gia công linh hoạt 1.3.4 Hệ điều khiển thích nghi AC (Adaptive Control) Điều khiển thích nghi điều khiển tự động trình gia công tác động người vận hành máy Mục tiêu điều khiển thích nghi tự động thay đổi thông số gia công theo ảnh hưởng dự kiến trước trình gia công ví dụ: kích thước phôi đúc, phôi rèn thay đổi trang thiết bị điều khiển thích nghi thay đổi tốc độ chạy dao cho phù hợp Tuỳ theo mục tiêu sử dụng người ta chia hệ điều khiển thích nghi thành : - Điều khiển thích nghi cưỡng ACC (Adaptive Control Constrain) - Điều khiển thích nghi tối ưu ACO (Adaptive Control) Hệ thống ACC chủ yếu điều khiển giới hạn thông số cắt gọt Ví dụ tiện côn hay phay bề mặt hình chêm, chiều sâu cắt thay đổi lượng chạy dao số vòng quay dao phải thay đổi cho đảm bảo công suất tối đa cho phép Các hệ thống ACO dùng cho viêïc tối ưu hoá trình gia công nhằm giảm thời gian gia công giảm giá thành gia công có ý đến nhiều yếu tố ảnh hưởng ngược (Công suất cắt gọt cao làm giảm tuổi bền dụng cụ cắt) Hiện hệ thống ACO ứng dụng nhiều gia công baống tia lửỷa ủieọn Trờng ĐHBK Hà Nội Khoa khí Đồ án tốt nghiệp Heọ thoỏng ủieu khiển thích nghi ứng dụng rộng rãi cho chức bổ xung thêm điều khiển CNC tự động theo dõi dụng cụ cắt đo chi tiêùt trình gia công 1.3.5 Hệ thống gia công linh hoạt Ngày đa dạng ngày mạnh mẽ sản phẩm, dẫn đến giảm số lượng chi tiết gia công loạt làm tăng giá thành chế tạo Khi mà số lượng sản phẩm yêu cầu đa dạng mẫu mã, kiểu dáng Các dây truyền thống không hiệu kinh tế chủng loại chi tiết lớn Các hệ thống gia công linh hoạt có khả gia công cá chi tiết khác họ chi tiết với số lượng chi tiết thứ tự gia công tuỳ ý Giá chi tiết điều kiện hàng loạt nhỏ đạt hiệu Tuỳ theo tính linh hoạt suất mà người ta chia hệ thống gia công linh hoạt : - Các tế bào gia công linh hoạt - Các cụm gia công linh hoạt - Các dây chuyền gia công linh hoạt Một hệ thống gia công linh hoạt gồm ba phần chính: - Một hoăïc nhiều máy gia công - Các hệ thống vận chuyển chi tiết dụng cụ - Máy tính hệ thống DNC đóng vai trò chủ đạo Hệ thống gia công linh hoạt FMS (flexible Manufactoring System) ứng dụng để gia công chi tiết khác họ sản phẩm theo thứ tự không lựa chọn với giá thành hợp lí Người ta gọi trình tự gia công hỗn độn Hạt nhân tếù bào gia công máy NC Ví dụ, trung tâm gia công có trang bị thêm ổ chứa dụng cụ cắt, trang thiết bị thay đổi gá lắp hệ thống thay đổi dung cụ chi tiết tạo thành tế bào gia công linh hoạt Để hệ thống gia công linh hoạt làm việc cách tự đôïng không cần người vận hành đòi hỏi thêm thiêùt bị theo dõi đo lường tự động sau: - Đo kích thước dụng cụ máy - Theo dõi tự động tuổi bền dao vỡ dao - Các thiết bị đo lường chi tieỏt tửù ủoọng Trờng ĐHBK Hà Nội Khoa khí Đồ án tốt nghiệp 1.4 Caực ủaởc điểm đặc trưng máy NC CNC 1.4.1 Đặc điểm chung Nguyên lí viêïc điều khiển máy công cụ thông qua việc điều khiển số trì không đổi từ bắt đầu xuất Tuy nhiên số chức công viêïc tăng lên liên tục cho phép sử dụng mức tương đối cao Máy công cụ NC khác máu công cụ thường cách đáng kể máy thông thường môït công nhân có tay nghề điều khiển tay Anh ta đọc vẽ chi tiết dựa thông số máy kinh nghiệm thân, chất lượng suất phụ thuộc lớn vào kó người vận hành Các máy công cụ điều khiển số NC khắc phục khó khăn việc lập điềøu khiển chức máy định độc lập với người vận hành Các máy công cụ NC thiết bị gia công lập trình tự phù hợp với việc sản xuất tự động hàng loạt nhỏ trung bình Ưu điểm chúng tính linh hoạt tốc độ thay đổi nhanh chương trình gia công với can thiệp tối thiểu băng tay Tính linh hoạt máy có do: - Khả lặp lại chương trình thực - Khả đưa vào trực tiếp kích thước chi tiết số liệu hành trình dao máy công cụ yêu cầu - Không yếu tố hạn chế hành trình khí cam rãnh, chốt đừng hay mẫu, nghóa không cần điều chỉnh khí - Khả đưa vào gía trị công nghệ tối ưu vào tỉ số tiến dao, tốc độ trục tắt mở dung dịch trơn nguội mà thường bắt buộc người vận hành - Việc điều khiển máy tính hoá tất chức phụ máy chẳng hạn việc thay dao cấp phôi tự động - Có khả lập trình giá trị bù cho dụng cụ cắt phôi chúng gắn miếng đỡ tiêu chuẩn Từ máy NC tới CNC thường giải thích là: CNC = NC + Computer Thực điều không hoàn toàn xác có lẽ với hệ thống CNC phát triển từ hệ thống NC, có nối với máy