Bài Giảng Môn Học CAD/CAM/CNC

CHƯƠNG I: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ 1.1 Lịch sử phát triển của kỹ thuật điều khiển số 1.1.1 Các giai đoạn phát triển: 1952 Viện công nghệ Massachussets MIT- Mỹ chế tạo máy gi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CHẾ TẠO MÁY

BÀI GIẢNG MÔN HỌC CAD/CAM/CNC

Theo chương trình 150 TC

Số tín chỉ: 02 (Lưu hành nội bộ)

Thái Nguyên, năm 2011

Biên soạn Hoàng Vị Dương Công Định - Nguyễn Thuận - Nguyễn Thế Đoàn

Vũ Như Nguyệt - Ngô Minh Tuấn - Hoàng Trung Kiên

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 12 năm 2010

Trưởng bộ môn Trưởng khoa Cơ khí

MỤC LỤC

*Mục lục ……… 3

*Đề cương chi tiết học phần ……… 7

A Phần lý thuyết ……… 13

CHƯƠNG I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ …. 14 1.1 Lịch sử phát triển của kỹ thuật điều khiển số ……… 14

1.1.1 Các giai đoạn phát triển ……… 14

1.1.2 Sự phát triển của CNC ……… 15

1.2 Các khái niệm cơ bản ……… 18

1.2.1 Hệ trục toạ độ và trục NC ……… 18

1.2.2 Phần cứng ……… 19

1.2.3 Phần mềm ……… 19

1.2.4 Các dạng điều khiển ……… 19

1.3 Các hệ thống điều khiển số máy công cụ ……… 22

1.3.1 Hệ thống NC ……… 23

1.3.2 Hệ thống CNC ……… 23

1.3.3 Hệ thống DNC ……… 24

1.3.4 Hệ thống điều khiển thích nghi ……… 25

1.4 Nội suy (Interpolation) ……… 26

1.4.1 Nội suy đường thẳng (Linear Interpolation) ……… 26

1.4.2 Nội suy cung tròn ( Circular Interpolation) ……… 27

1.4.3 Nội suy parabol (Parabol Interpolation) ……… 28

1.4.4 Nội suy Spline ……… 29

1.5 Chương trình chi tiết ……… 29

1.5.1 Dữ liệu chương trình ……… 29

1.5.2 Dạnh chương trình ……… 29

1.5.3 Kích thước và các chức năng phụ ……… 29

1.5.4 Kích thước tuyệt đối và kích thước gia số ……… 29

1.6 Thiết bị nhập dữ liệu ……… 31

1.7 Giá thành và lựa chọn hệ thống CNC ……… 31

CHƯƠNG II KHÁI QUÁT VỀ CAD/CAM-CNC ……… 34

2.1 Một số khái niệm và định nghĩa ……… 34

2.2 Lịch sử phát triển của kỹ thuật CAD/CAM ……… 34

2.3 Các mối quan hệ của CAD/CAM 34

2.4 Mục tiêu, ý nghĩa của hệ thống CAD/CAM 37

CHƯƠNG III HỆ THỐNG ĐO CỦA MÁY CÔNG CỤ CNC 38

3.1 Các hệ thống mã hóa thông tin 38

3.1.1 Hệ mã hóa nhị phân 38

3.1.2 Hệ mã hóa thập phân 38

3.1.3 Hệ mã hóa băng đục lỗ 38

3.1.4 Hệ mã hóa mã vạch 38

3.1.5 Băng từ 39

3.2 Hệ thống đo dịch chuyển 39

3.2.1 Các đặc điểm của hệ thống đo 39

3.2.2 Hệ thống đo trực tiếp 40

3.2.3 Hệ thống đo gián tiếp 40

3.2.4 Hệ thống đo tuyệt đối 41

3.2.5 Hệ thống đo gia số 41

3.3 Cấu tạo của hệ thống đo 41

3.3.1 Hệ thống đo cảm ứng 41

3.3.2 Hệ thống đo quang điện 43

CHƯƠNG IV CÁC MÁY CÔNG CỤ CNC 45

4.1 Các khái niệm cơ bản 46

4.1.1 Máy công cụ thông thường 46

4.1.2 Máy công cụ NC 46

4.1.3 Máy công cụ CNC 46

4.1.4 Hệ tọa độ trên máy công cụ CNC 46

4.1.5 Các điểm chuẩn trên máy công cụ CNC 48

4.1.6 Điều khiển trên máy công cụ CNC 52

4.2 Các đặc tính kỹ thuật của máy công cụ CNC 55

4.2.1 Thông số hình học 55

4.2.2 Thông số gia công 55

4.2.3 Độ chính xác gia công 56

4.2.4 Năng suất máy CNC 57

4.2.5 Độ tin cậy 58

4.2.6 Tính vạn năng của máy công cụ CNC 59

4.3 Truyền dẫn chuyển động của máy công cụ CNC 59

4.3.1 Truyền dẫn chính 59

4.3.2 Truyền dẫn chuyển động chạy dao 60

4.3.3 Các chức năng phụ 61

4.4 Các máy công cụ CNC 62

4.4.1 Máy khoan 62

4.4.2 Máy tiện 62

4.4.3 Máy doa 64

4.4.4 Máy phay 64

4.4.5 Máy mài 65

4.4.6 Trung tâm gia công 65

4.4.7 Các máy khác 66

4.5 Các dụng cụ trên máy công cụ CNC 66

4.5.1 Các dụng cụ dùng để kẹp chặt chi tiết gia công 66

4.5.2 Các dụng cụ dùng để gá kẹp dao 69

4.5.3 Hệ thống cấp và kẹp dao tự động trên trung tâm gia công CNC 71

CHƯƠNG V CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MÁY CÔNG CỤ CNC 75 5.1 Chương trình NC 75

5.1.1 Đặc điểm của chương trình NC 75

5.1.2 Cấu trúc và nội dung của chương trình NC 75

5.1.3 Chương trình chính và chương trình con 80

5.2 Lập chương trình 81

5.2.1 Các chức năng trong lập trình NC 81

5.2.2 Các phương pháp lập trình 81

5.2.3 Các hình thức tổ chức lập trình 103

5.3 Lập chương trình chi tiết 105

5.3.1 Các yêu cầu cơ bản 105

5.3.2 Điểm zero và điểm qui chiếu 106

5.3.3 Bù kích thước 114

5.4 Ngôn ngữ lập trình 134

5.4.1 Các kiểu lệnh 134

5.4.2 Các lệnh quan hệ với máy 135

5.4.3 Nhập dữ liệu hình học 135

5.4.4 Nhập dữ liệu công nghệ 142

5.4.5 Xác định hành trình của máy 142

CHƯƠNG VI MỘT SỐ HỆ THỐNG CAD/CAM THÔNG DỤNG 144 6.1 MasterCAM ……… 144

6.1 Pro-Engineer ……… 144

6.2 CIMATRON ……… 144

6.3 MTS-CAM ……… 145

B Phần thảo luận, bài tập ……… 146

C NGÂN HÀNG CÂU HỎI, BÀI TẬP ……… 147

* Tài liệu tham khảo ……… 149

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT HỌC PHẦN: CAD/CAM-CNC

(Học phần tự chọn kỹ thuật 1)

1 Tên học phần: CAD/CAM-CNC ( MEC518)

2 Số tín chỉ: 2

3 Trình độ cho sinh viên năm thứ 4

4 Phân bố thời gian giảng dạy trong học kỳ: 2(2,1,4)

- Lên lớp lý thuyết: 3 tiết/tuần*8=24

- Thảo luận, bài tập: 3 tiết/tuần*4=12

- Số tiết sinh viên tự học: 4tiết/ tuần

- Khác: Để có kết quả tốt sinh viên phải được thực hành đầy đủ

5 Các học phần học trước:

Máy cụng cụ 1; Dụng cụ cắt 1; Công nghệ chế tạo máy 1

6 Học phần thay thế, học phần tương đương: Không

7 Mục tiêu của học phần: Trang bị cho sinh viên khối kiến thức cơ bản về kỹ

thuật CAD/CAM- CNC Có kỹ năng sử dụng máy công cụ CNC và công nghệ CAD/CAM-CNC trong thực tế sản xuất

8 Mô tả vắn tắt nội dung học phần: Cơ bản về điều khiển số máy công cụ; Cơ

bản về công nghệ CAD/CAM; Hệ thống đo của máy công cụ CNC; Chương trình CNC; Lập trình điều khiển máy theo cụng nghệ CAD/CAM

9 Nhiệm vụ của sinh viờn:

1 Nghe giảng với thời gian >80% tổng số thời lượng của học phần

2 Chuẩn bị thảo luận

3 Khác: Thực hành trên máy công cụ CNC với phần mềm CAD/CAM

10 Tài liệu học tập:

- Giáo trình:

[1] Hoàng Vị, Dương Công Định, Nguyễn Thuận, Nguyễn Thế Đoàn, Vũ Như

Nguyệt, Ngô Minh Tuấn, Hoàng Trung Kiên, CAD/CAM-CNC, Đại học Kỹ thuật

Công nghiệp Thái Nguyên, 2011

* Tiêu chuẩn đánh giá:

1 Chuyên cần

2 Thảo luận, bài tập

3 Kiểm tra giữa học phần

4 Thi kết thúc học phần

5 Tham quan thực hành

* Thang điểm

1 Chuyên cần: Điều kiện dự thi

2 Thảo luận, bài tập: 20%

3 Kiểm tra giữa học phần (viết): 20%

4 Thi kết thúc học phần (vấn đáp): 60%

* Điểm học phần:

{(thảo luận, bài tập)*0.2+(kiểm tra giữa học phần)*0.2+(thi kết thúc học phần)*0.6}

12 Nội dung chi tiết học phần

Biên soạn: TS.Hoàng Vị

Chương I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ

1.1 Lịch sử phát triển của kỹ thuật điều khiển số

1.1.1 Các giai đoạn phát triển

1.3.4 Hệ thống điều khiển thích nghi

1.4 Nội suy (Interpolation)

1.4.1 Nội suy đường thẳng (Linear Interpolation)

1.4.2 Nội suy cung tròn ( Circular Interpolation)

1.4.3 Nội suy parabol (Parabol Interpolation)

1.4.4 Nội suy Spline

Chương II KHÁI QUÁT VỀ CAD/CAM-CNC

2.1 Một số khái niệm, định nghĩa

2.2 Lịch sử phát triển của kỹ thuật CAD/CAM

2.3 Các mối quan hệ của CAD/CAM

2.4 Mục tiêu , ý nghĩa của hệ thống CAD/CAM

Chương III HỆ THỐNG ĐO CỦA MÁY CÔNG CỤ CNC

3.1 Các hệ thống mã hoá thông tin

3.2.3 Hệ thống đo gián tiếp

3.2.4 Hệ thống đo tuyệt đối

3.2.5 Hệ thống đo gia số

3.3 Cấu tạo của hệ thống đo

3.3.1 Hệ thống đo cảm ứng

3.3.2 Hệ thống đo quang điện

Chương IV CÁC MÁY CÔNG CỤ CNC

4.1 Các khái niệm cơ bản

4.1.1 Máy công cụ thông thường

4.1.2 Máy công cụ NC

4.1.3 Máy công cụ CNC

4.1.4 Hệ trục toạ độ trên máy công cụ CNC

4.1.5 Các điểm chuẩn trên máy công cụ CNC

4.1.6 Điều khiển trên máy công cụ CNC

4.2 Các đặc tính kỹ thuật của máy công cụ CNC

4.2.1 Thông số hình học (Không gian gia công)

4.2.2 Thông số gia công

4.2.3 Độ chính xác gia công

4.2.4 Năng suất máy CNC

4.2.5 Độ tin cậy

4.2.6 Tính vạn năng của máy công cụ CNC

4.3 Truyền dẫn chuyển động của máy công cụ CNC

4.5 Các dụng cụ trên máy công cụ CNC

4.5.1 Các dụng cụ dùng để gá kẹp chi tiết gia công

4.5.2 Các dụng cụ phụ để gá kẹp dao

4.5.3 Hệ thống cấp và kẹp dao tự động trên trung tâm gia công CNC Chương V CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MÁY CÔNG CỤ CNC 5.1 Chương trình NC

5.1.1 Đặc điểm của chương trình NC

5.1.2 Cấu trúc và nội dung của chương trình

5.1.3 Chương trình chính và chương trình con

5.2 Lập chương trình

5.2.1 Các chức năng trong lập trình NC

5.2.2 Các phương pháp lập trình

5.2.3 Các hình thức tổ chức lập trình

5.3 Lập chương trình chi tiết

5.3.1 Các yêu cầu cơ bản

5.3.2 Điểm zero và điểm qui chiếu

Hình thức dạy học

1

Giới thiệu môn học: CAD/CAM-CNC

1 Mục tiêu của môn học

2 Các nội dung của môn học

3 Phương pháp học tập và nghiên cứu

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐIỀU

KHIỂN SỐ 1.1 Lịch sử phát triển của kỹ thuật điều khiển số

1.2 Các khái niệm cơ bản

1.3 Các hệ thống điều khiển số máy công cụ

1.4 Nội suy (Interpolation)

1.5 Chương trình chi tiết

1.7 Giá thành và lựa chọn hệ thống CNC

Chương 2 KHÁI QUÁT VỀ CAD/CAM-CNC

2.5 Một số khái niệm, định nghĩa

2.6 Lịch sử phát triển của kỹ thuật CAD/CAM

2.7 Các mối quan hệ của CAD/CAM

2.8 Mục tiêu , ý nghĩa của hệ thống CAD/CAM

3

1 Điều khiển không số và điều khiển số máy công cụ

2 Các hệ thống điều khiển số: NC, CNC, DNC, Adaptive control

1 (3 t)

4

Chương 3 HỆ THỐNG ĐO CỦA MÁY CÔNG CỤ

CNC 3.1 Các hệ thống mã hoá thông tin

4.5 Các dụng cụ trên máy công cụ CNC

9

3 Các vấn đề cơ bản của truyền dẫn chuyển

động trong máy công cụ CNC

4 Cấu trúc điều khiển của máy công cụ CNC

Thảo luận các vấn đề của chương 2,3 (3 t)

10 Chương 5 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MÁY

CÔNG CỤ CNC

[1];

[2] Giảng(3 t)

Thực hành (tại trung tâm thí nghiệm):

1 Điều chỉnh động học và điều khiển máy

động, công dụng và lập trình điều khiển máy

A LÝ THUYẾT

CHƯƠNG I: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ

1.1 Lịch sử phát triển của kỹ thuật điều khiển số

1.1.1 Các giai đoạn phát triển:

1952 Viện công nghệ Massachussets (MIT)- Mỹ chế tạo máy gia công CNC đầu tiên dùng đèn điện tử và băng lỗ mã nhị phân để ghi chương trình NC, gia công kích thước theo 3 chiều (3D)

1958 Ngôn ngữ lập trình APT (Automatically Programmed Tool) dùng với

máy IBM704

1960 Hệ NC dùng đèn bán dẫn (Transistor)

1965 Thay dao tự động ATC (Automatic Tool Change)

1968 Mạch tích hợp IC (Intergrated Circuits) dùng trong hệ NC

1969 Điều khiển NC trực tiếp/ phân tán DNC (Direct NC/Distributed NC) với

máy tính IBM

1970 Thay bệ (bàn) gá phôi tự động APC (Automatic Pallet Change)

1972 Hệ NC dùng với máy tính nhỏ (Minicomputer) được chế tạo hang loạt, tạo thành hệ CNC (Computerised NC) Sau đó hệ NC dùng Vi xử lý (MicroProcessor) cũng được gọi là hệ CNC

1978 Hệ thống gia công linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System)

1979 Kết nối liên hoàn CAD/CAM đầu tiên

1984 Hệ CNC với công cụ trợ giúp đồ họa (graphics), tạo khả năng mô phỏng (simulation) trên máy tính và lập trình tại phân xưởng

1986/1987 Giao diện tiêu chuẩn hóa (Standard Interfaces) tạo khả năng tích hợp hóa và tự động hóa sản xuất theo mô hình CIM (Computer Intergrated

1994 Khép kín chuỗi quá trình CAD/CAM/CNC bằng cách dùng hệ NURBS

(Non Uniform Rational B-Spline) làm phương pháp nội suy trong các hệ NC Hệ

NURBS dùng để diễn tả toán học các bề mặt gia công bằng các điểm và các thông

số tạo thành mô hình lưới bề mặt gồm nhiều nút, diễn tả bề mặt với độ mịn (sắc nét) cao, truy cập trực tiếp từ hệ CAD Giải pháp này có tác dụng giảm dung lượng dữ

liệu lưu trữ, tăng độ chính xác và tốc độ xử lý, tạo chuyển động đều đặn của máy, tăng tuổi thọ của máy gia công và dụng cụ cắt

1996 Điều khiển bộ khởi động số (Digital Motor Control) và nội suy chính xác (Fine Interpolation) với độ phân giải nhỏ hơn 0.001 m, lượng tiến dao đạt tới

100 m/ph

1997 Kỹ thuật Hiện thực ảo VR (Virtual Reality) tạo khả năng mô phỏng

không gian hiệu quả hơn

Công nghệ tạo mẫu nhanh RPT (Rapid Prototyping Technology): dựa trên kỹ

thuật CAD và LASER cho phép tạo ra hiện vật có hình thù phức tạp một cách nhanh chóng (sau vài giờ) từ chất có khả năng kết đông dưới tác dụng của tia cực

tím UV (UltraViolet) từ đầu phát LASER

Kỹ thuật ngược RE (Reverse Engineering): quá trình tái tạo lại vật thể thực đã

tồn tại mà không sử dụng bản thiết kế cũ của chúng, gồm 2 bước chính: (1) số hóa hoặc đo kích thước vật mẫu để thu được mô hình CAD 3D, sau đó: (2) dùng thiết bị tạo mẫu nhanh để tạo ra bản sao chi tiết

1.1.2 Sự phát triển của CNC:

Trước những năm 1950, trên thế giới xuất hiện hai loại hình sản xuất công nghiệp chính: (1) sản xuất loạt nhỏ và vừa, đặc trưng bởi các máy công cụ vạn năng thao tác bằng tay, năng suất thấp, các chi tiết (sản phẩm) có tính đa dạng cao; (2) sản xuất loạt lớn, thao tác tự động, sử dụng các máy công cụ được thiết kế chuyên dụng và được điều khiển tự động nhằm tạo ra một chủng loại chi tiết ở số lượng lớn, năng suất cao, chất lượng đồng nhất

Một sản phẩm sẽ không thể tồn tại lâu trên thị trường nếu như không có sự cải tiến về chất lượng, đặc tính và mẫu mã, hay nói cách khác, nếu như không có sự thay đổi về thiết kế của nó Nhìn chung, các máy công cụ và các hệ thống sản xuất

tự động thế hệ cũ đã không còn đáp ứng được nhu cầu

Yêu cầu cấp thiết đặt ra tại thời điểm này là phải có một hệ điều khiển máy công

cụ mới, dựa trên các nguyên lý mới và dễ dàng thích nghi được với các biến thể trong thiết kế và các tình huống sản xuất thực tế

Hệ thống điều khiển mới này còn phải có khả năng điều khiển tự động với độ chính xác cao chuyển động của dao cắt trong khi gia công biên dạng chi tiết, đặc biệt là với các chi tiết lớn, phức tạp trong công nghiệp chế tạo ôtô và máy bay những năm 1950 Muốn vậy hệ điều khiển phải xử lý nhanh các tín hiệu thu nhận được Sự xuất hiện của các máy tính điện tử số với tốc độ tính toán nhanh gấp hàng trăm lần so với trước đây đã cho phép phát triển loại hệ thống điều khiển kể trên Năm 1940, William Webster cùng các kỹ sư tại Air Material Command kết luận:

sự tích hợp giữa máy tính số và các cơ cấu sécvô hiệu năng cao (high-performance

servo-mechanism) là cần thiết cho sự ra đời của kỹ thuật gia công chính xác biên

dạng chi tiết

Tới năm 1952, máy phay đứng đầu tiên với 3 trục NC điều khiển đồng thời nhằm gia công kích thước 3D đã được MIT chế tạo thành công, có tên gọi là máy

điều khiển số- Numerical(ly) Control(led) Machine

Trong những năm 1952-1955, các nghiên cứu sâu hơn được tiến hành dựa trên

sự phối hợp giữa MIT và Cơ quan Không lực Hoa Kỳ (U.S Air Force- AF) nhằm kiểm định và đánh giá hệ thống điều khiển máy NC mới này và khảo sát các ứng dụng của nó trong các máy công cụ khác Năm 1957, AF đã quyết định tự tài trợ cho đề án sản xuất 100 máy phay NC cỡ lớn để chuyên chế tạo các thiết bị hàng không với tổng trị giá lên tới 60 triệu USD

Các máy NC kể trên đã được đưa vào hoạt động từ 1958-1960 tại một vài hãng hàng không Tuy nhiên chúng không phát huy được hiệu quả do các mạch điện tử

hệ điều khiển thời kỳ này hoạt động kém tin cậy, những sai sót trong khâu cài đặt và vận hành máy, và cả sự yếu kém về kỹ thuật lập trình của người sử dụng

Những khó khăn trên đã từng bước được khắc phục bằng việc cải tiến dần thiết

kế của hệ điều khiển NC (từ phía nhà chế tạo máy công cụ) và bằng việc đào tạo nâng cao trình độ cho các lập trình viên, người vận hành và chuyên gia bảo dưỡng (từ phía người sử dụng) Vấn đề trên hoàn toàn được giải quyết trong những năm 1961-1962 Bị thuyết phục trước những ưu thế vượt trội của kỹ thuật NC, các hãng hàng không đã bắt đầu mua hoặc tự chế tạo các máy NC mới bằng nguồn kinh phí riêng của mình

Sự phát triển của kỹ thuật máy tính kéo theo sự giảm giá thành liên tục các thiết

bị phần cứng, và đến cuối những năm 1960, bộ nhớ ROM (Read Only Memory) đã

được áp dụng cho bộ điều khiển NC Một chuỗi các chỉ dẫn thao tác được lưu trữ trong bộ nhớ ROM, và có thể được truy cập, thực hiện bằng Đơn vị điều khiển máy

MCU (Machine Control Unit)

Khi kích thước của các bộ vi xử lý và máy vi tính ngày càng trở nên nhỏ gọn, thì vào những năm 1970, một kỹ thuật mới đã xuất hiện nhằm tích hợp một máy tính chuyên dụng vào bộ điều khiển NC-mang tên Điều khiển Số Máy tính bằng CNC

(Computer Numerical Control) Ngoài băng đục lỗ hay băng từ, chương trình NC

còn có thể được lưu trữ trên đơn vị bộ nhớ của bộ điều khiển hoặc được tiếp nhận từ một máy tính riêng biệt khác Hơn nữa, chương trình này hoàn toàn có thể được chỉnh sửa và tối ưu hoá- một tiện ích không thể có tại các bộ điều khiển thế hệ cũ

Bộ điều khiển NC còn cung cấp chẩn đoán lỗi trực tuyến về tình trạng máy và truyền tin dễ dàng với nhiều thiết bị vào-ra và các máy tính khác

Hai hướng tiếp cận đã được phát triển để thực hiện truyền tin (communication)

giữa bộ điều khiển CNC và máy tính Với Điều khiển Số Phân tán DNC

(Distributed Numerical Control), một chương trình gia công chi tiết hoàn chỉnh có

thể được gửi đến từ một máy tính và lưu trữ trên bộ điều khiển CNC trước khi nó

được thực hiện Trong Điều khiển số Trực tiếp DNC (Direct Numerical Control), chương trình còn có thể được gửi tới bộ điều khiển NC từng lệnh một (statement by

statement) trong khi đang thực hiện việc gia công chi tiết (theo thời gian thực) Sự

khác biệt giữa hai hướng tiếp cận này là kích thước chương trình NC cho hệ Điều khiển Số Phân tán bị giới hạn bởi dung lượng đơn vị bộ nhớ bộ điều khiển NC Còn với hệ Điều khiển Số Trực tiếp, các thao tác trên máy NC phụ thuộc các tín hiệu gửi

đi từ máy tính Thông thường một máy tính trung tâm (central computer) được

dùng để điều khiển một vài máy NC, vì thế hoạt động của các máy NC này sẽ phụ thuộc nhiều vào mức độ hoạt động của máy tính trung tâm đó

Bên cạnh sự phát triển của hệ điều khiển NC còn phải kể đến các phần mềm trợ giúp lập trình NC Như đã trình bày ở các phần trên, dữ liệu chính xác liên quan đến các vị trí dịch chuyển dao liên tiếp trong quá trình gia công cần phải được đưa vào chương trình NC Đối với các chi tiết có hình dạng phức tạp, việc tính toán bằng tay các số liệu này là không khả thi hoặc quá tốn kém Sự khó khăn trong lập trình NC còn do nhu cầu dịch dữ liệu vào các mã yêu cầu bởi nhiều bộ điều khiển NC khác nhau

Năm 1955, một nguyên mẫu của hệ thống lập trình NC phát triển bởi MIT đã được kiểm định trên máy tính Whirlwind nhằm chỉ ra tính khả thi của việc sử dụng máy tính trợ giúp lập trình NC Năm 1958, Công cụ Lập trình Tự động APT

(Automatically Programmed Tool) dùng trên máy tính IBM ra đời dựa trên sự hợp tác giữa MIT và Hiệp hội Công nghiệp Hàng không (Aerospace Industries

Association) Là một phần mềm đóng gói lớn nhất được sử dụng trong công nghiệp

những năm 1960, APT đã được dùng phổ biến trên các máy tính lớn (mainframe

computer) được cài đặt trong các phân xưởng chế tạo máy bay APT tạo ra Dữ liệu

về Vị trí Dụng cụ cắt CLDATA (Cutter Location Data) theo định dạng tiêu chuẩn

và độc lập với các hệ điều khiển NC, do vậy nó tạo thuận lợi cho việc chuyển giao các chương trình NC giữa các hệ điều khiển Tuy trong quá trình phát triển APT đã xuất hiện nhiều phiên bản mới, nhưng hiện nay chỉ có APT và COMPACT II được

sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Riêng APT là ngôn ngữ lập trình NC duy nhất được cả thế giới chấp nhận sau khi đã tiêu chuẩn hóa tại Mỹ năm 1974

Sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật thiết kế với sự trợ giúp máy tính CAD

(Computer-Aided Design) vào những năm 1960 đã cho phép các nhà thiết kế xây

dựng các bản vẽ kỹ thuật trên màn hình CRT và tạo ra các mô hình hình học trên máy tính

Dữ liệu của mô hình CAD có thể còn được sử dụng để định nghĩa quỹ đạo cắt

NC với sự trợ giúp của các phần mềm lập trình NC xác định Vì vậy nếu một hệ CAD được cung cấp với các chức năng cần thiết cho việc biểu diễn một quỹ đạo cắt

NC dựa trên mô hình CAD đó, thì ta có thể xác định được một quá trình gia công

NC hiển thị trên màn hình CRT Một hệ thống như vậy thường được gọi là hệ thống Thiết kế có Trợ giúp Máy tính/ Sản xuất có Trợ giúp Máy tính CAD/CAM

(Computer-Aided Design/ Computer-Aided Manufacturing) Các hệ CAD/CAM

chưa được sử dụng rộng rãi cho tới trước năm 1980 do giá thành cao và độ tin cậy còn thấp của các phần mềm CAD/CAM Hiện nay các hệ CAD/CAM tổng quan

(general) và hướng NC (NC-oriented) với chất lượng tốt đã xuất hiện nhiều trên thị

Trong quá trình gia công, các điểm liên tiếp nhau mà dao cắt đi tới phải được xác định trong chương trình NC Để mô tả vị trí của các điểm này trong vùng làm việc, người ta dùng một hệ tọa độ gồm 3 trục vuông góc từng đôi một X, Y,

Z giao với nhau tại điểm gốc 0 Với hệ tọa độ trên, bất kỳ điểm nào cũng đều được xác định thông qua các tọa độ của nó Hệ tọa độ máy do nhà chế tạo máy xác định, thông thường nó không thể bị thay đổi

Để xác định nhanh chiều của các trục tọa độ, ta có thể dùng quy tắc bàn tay phải: ta đặt ngón tay giữa của bàn tay phải theo chiều của trục Z thì ngón tay cái

sẽ chỉ theo chiều trục X và ngón tay trỏ sẽ chỉ theo chiều trục Y

-X

-Z

Hình 1.1 Hệ thống các trục tọa độ theo quy tắc bàn tay phải

Phần mềm giao diện/ kết nối (interface software)

Phần mềm ứng dụng (Application software)

1.2.4 Các dạng điều khiển:

Trên các máy gia công điều khiển theo chương trình số, quãng đường chạy của các dụng cụ hoặc chi tiết đã được cho trước một cách chính xác thông qua các chỉ dẫn điều khiển trong chương trình NC Tùy theo dạng của chuyển động giữa điểm đầu và cuối của quãng đường này chạy này, người ta phân chia thành 3 dạng điều khiển: điều khiển theo điểm, điều khiển theo đường và điều khiển theo đường viền Điều khiển theo điểm

Hình 1.2 Các dạng điều khiển

a, Điều khiển theo điểm được ứng dụng khi gia công theo các tọa độ xác định đơn giản Dụng cụ cắt sẽ thực hiện chạy dao nhanh đến các điểm đã được lập trình, trong hành trình này dao không cắt vào chi tiết Chỉ khi đạt tới điểm đích, quá trình gia công mới được thực hiện theo lượng chạy dao đã lập trình

X Y

Chạy dao cắt

Hỡnh 1.3 Điều khiển theo điểm

Tuỳ theo dạng điều khiển, cỏc trục cú thể chuyển động kế tiếp nhau hoặc tất cả cỏc trục cú chuyển động đồng thời nhưng khụng cú mối quan hệ hàm số giữa cỏc trục Khi cỏc trục cú chuyển động đồng thời, hướng của chuyển động tạo thành gúc

45 Sau khi một trong hai tọa độ đó đạt được thỡ trục thứ 2 sẽ được “kộo theo” đến điểm đớch

Trờn cỏc mỏy CNC hiện đại đều cú một cụm “nội suy chạy nhanh” Điều đú cú nghĩa là việc định vị trong chuyển động chạy nhanh được thực hiện dưới một gúc bất kỳ trờn một đoạn thẳng nối trực tiếp từ điểm bắt đầu tới điểm đớch

Y

X P1

P2

Y

X P1

P2

Các trục chạy lần luợt Các trục chạy đồng thời

Hỡnh 1.4 Cỏc đường chạy trong điều khiển theo điểm

Điều khiển theo điểm được ứng dụng trong cỏc mỏy khoan tọa độ, cỏc thiết bị hàn điểm và cỏc cơ cấu cấp chi tiết tự động đơn giản

b, Điều khiển theo đường

Điều khiển theo đường bao hàm cả khả năng dịch chuyển của điều khiển điểm, nghĩa là nú cú thể đi tới một điểm bất kỳ nào trờn mặt phẳng gia cụng bằng chuyển động chạy dao nhanh Ngoài ra nú cũn cho phộp thực hiện cỏc chuyển động song song với cỏc trục mỏy với lượng chạy dao đó lập trỡnh cho dao cắt gọt liờn tục tạo nờn bề mặt gia cụng

Z

X Y

Z

X

Các đ Ư ờng chạy khi phay Các đ Ư ờng chạy khi tiện

Trong các điều khiển theo đường mở rộng, 2 trục của máy chuyển động với tốc

độ như nhau đồng thời ta có thể gia công được bề mặt côn 45

Dạng điều khiển này có ứng dụng chủ yếu trên các máy phay và máy tiện Ngoài ra còn dùng trên máy cắt bằng điện cực dây đơn giản

c, Điều khiển theo đường viền

Điều khiển theo đường viền bao gồm cả khả năng của điều khiển theo điểm và điều khiển theo đường Bằng dạng điều khiển này, ta có thể tạo ra các đường viền hoặc đường thẳng tùy ý trong một mặt phẳng hoặc không gian Điều này đạt được nhờ chuyển động đồng thời của các bàn trượt máy theo 2 hoặc nhiều trục và giữa các trục này có mối quan hệ hàm số

Các trường hợp ứng dụng điều khiển theo đường viền gồm có: các máy tiện, phay; các trung tâm gia công; và các máy vẽ hoặc máy cắt bằng sợi đốt

Tuỳ theo số lượng các trục được điều khiển đồng thời mà điều khiển theo đường viền được chia thành: điều khiển 2D, điều khiển 2 ½ D, điều khiển 3D và dạng điều khiển có nhiều hơn 3 trục điều khiển đồng thời (4D và 5D)

Điều khiển 2D cho phép thực hiện một đường viền nào đó của dụng cụ cắt trong một mặt phẳng gia công, ví dụ chạy dao trong mặt phẳng XY Còn trục thứ ba được điều khiển độc lập với 2 trục kia

Z

X Y

Z

X

TiÖn Phay

Hình 1.6 Điều khiển theo đường viền 2D

Điều khiển 2 ½ D

Dạng điều khiển này cho khả năng thực hiện các chuyển động nào đó của dụng

cụ cắt theo bề mặt gia công Chẳng hạn thông qua các chức G trong chương trình

NC ta có chuyển bề mặt gia công từ XY sang XZ Trên máy phay đứng CNC, trục Z được điều khiển từng nấc để gia công các bề mặt trên mặt phẳng XY có chiều sâu khác nhau

Z

X

Y

Gia c«ng trong mÆt ph¼ng YZ Gia c«ng trong

mÆt ph¼ng XY Hình 1.7 Điều khiển theo đường viền 2 ½ D

Điều khiển 3D

Bằng điều khiển 3D ta có thể thực hiện các chuyển động của dụng cụ cắt trong một không gian 3 kích thước Bằng việc điều khiển tất cả các trục máy chuyển động đồng thời, người ta có thể tạo ra bất cứ đường viền 3D trên máy phay

Z

X Y

Hình 1.8 Điều khiển theo đường viền 3D

Điều khiển 4D và 5D

Ở dạng điều khiển này, ngoài các trục tịnh tiến X, Y, Z thì ở đây còn có các trục quay, các bàn quay cũng được điều khiển số Nhờ điều khiển 4D và 5D người ta có thể gia công các chi tiết phức tạp như các khuôn rèn dập, các khuôn đúc áp lực hoặc cánh tuabin

X

C

Z Y

A

Hình 1.9 Điều khiển theo đường viền 4D và 5D

1.3 Các hệ thống điều khiển số máy công cụ:

Trong các hệ thống điều khiển số, mỗi dịch chuyển hành trình đều được cơ cấu chấp hành thực hiện ứng với các “giá trị xung”- nghĩa là được điều khiển theo số

- Lập trình tự động (với sự trợ giúp của máy tính) để nâng cao năng suất và độ chính xác gia công

Hệ thống điều khiển số được chia thành các loại: hệ thống điều khiển NC, hệ thống điều khiển CNC, hệ thống điều khiển DNC (trực tiếp, phân tán) và hệ thống thích nghi

Nhược điểm chính của hệ thống điều khiển NC:

- Khi gia công chi tiết tiếp theo trong loạt, hệ điều khiển phải đọc lại tất cả các lệnh từ đầu, do vậy có thể gặp phải sai số của bộ tính toán dẫn đến chất lượng gia công không đạt yêu cầu

- Do có nhiều câu lệnh được chứa trong băng đục lỗ hay băng từ mà khả năng chương trình bị dừng lại (không chạy) có thể xảy ra thường xuyên

- Do làm việc trong chế độ như vây mà băng đục lỗ hay băng từ sẽ nhanh chóng bị bẩn và mòn, gây lỗi chương trình

1.3.2 Hệ thống điều khiển CNC

Các hệ thống điều khiển NC có nhược điểm là kém linh hoạt Những thay đổi về chương trình chỉ có thể tiến hành thông qua việc sửa lại các băng đục lỗ tại phòng lập trình vốn tốn nhiều thời gian và công sức Điều này tất yếu dẫn đến làm tăng thời gian dừng máy NC và giảm năng suất gia công

Ngày nay các hệ thống điều khiển NC đã được thay thế ngày càng rộng rãi bằng các hệ thống điều khiển CNC, mà đặc điểm chính của chúng là có sự can thiệp của máy vi tính Trong các hệ thống điều khiển này có 1 chương trình hệ thống CNC do chính nhà sản xuất máy CNC cài đặt vào máy tính Thông qua các phần mềm riêng

lẻ, ví dụ chương trình giải mã và hệ điều hành mà các chức năng CNC riêng lẻ được thực hiện

Chương trình gia công có thể được nạp tất cả vào bộ nhớ một lúc hoặc từng lệnh bằng tay từ bàn điều khiển Các lệnh điều khiển không chỉ viết cho từng chuyển động riêng biệt mà còn cho nhiều chuyển động cùng lúc Điều này cho phép làm giảm số câu lệnh của chương trình, nâng cao độ tin cậy làm việc của máy

Sau khi đã được đưa vào hệ thống điều khiển, chương trình gia công có thể được gọi ra bất cứ lúc nào từ bộ phận lưu giữ chương trình mà không cần phải đọc lại băng đục lỗ Việc sửa chữa, thay đổi hay làm tối ưu chương trình có thể tiến hành ngay tại máy bất cứ lúc nào Các câu lệnh có thể được bổ sung, thay thế hoặc chỉnh sửa lại

Hệ thống điều khiển CNC có kích thước nhỏ gọn hơn, giá thành thấp hơn, đồng thời lại có những đặc tính mới mà hệ thống điều khiển NC trước đó chưa có, chẳng hạn cho phép hiệu chỉnh sai số cố định của máy (là nguyên nhân gây ra sai số gia công) Ngoài ra trên các hệ thống điều khiển CNC hiện đại còn trang bị màn hình

đồ họa giúp mô phỏng động học quá trình cắt gọt trên máy công cụ CNC

1.3.3 Hệ thống điều khiển DNC

DNC (Direct Numerical Control) biểu thị một hệ thống trong đó nhiều máy NC

được nối với 1 máy vi tính gia công thông qua đường dẫn dữ liệu

Đặc điểm cơ bản của các hệ thống DNC hiện nay là cung cấp cho các máy NC riêng biệt các thông tin điều khiển (hay các chương trình) Tất cả các chương trình

NC sẽ được sử dụng được lưu giữ trên các đĩa cứng của máy vi tính gia công (bố trí trên hệ thống DNC) và có thể được gọi ra trực tiếp tùy theo nhu cầu của từng máy

Hình 1.10 Hệ thống điều khiển DNC

Trong sơ đồ trên, mỗi máy công cụ có hệ điều khiển CNC mà bộ tính toán của

nó có nhiệm vụ chọn lọc, phân phối các thông tin (chiều mũi tên 1)- nghĩa là bộ tính toán đóng vai trò là cầu nối giữa các máy công cụ và máy tính trung tâm

Đồng thời máy tính trung tâm có thể nhận được những thông tin từ các bộ điều khiển CNC (chiều mũi tên 2) để hiệu chỉnh chương trình hoặc để đọc dữ liệu từ máy công cụ

Trong các phân xưởng có hệ thống DNC, các chương trình NC do phòng lập trình làm và đưa thẳng vào trong máy tính Phần lớn các hệ điều khiển NC có các ngôn ngữ lập trình khác nhau, do vậy khi lập trình bằng tay cần phải có phần mềm tương ứng cho việc biên dịch NC Ngược lại, đối với lập trình bằng máy thì ứng với

từng kiểu điều khiển đòi hỏi phải có chương trình dịch riêng (bộ hậu xử lý-

postprocessor)

Ngoài ra, nếu phân xưởng có nhiều máy NC thì việc chuẩn bị tốt đồ gá và các dụng cụ phụ chiếm vai trò hết sức quan trọng Thông tin về các trang bị công nghệ này được lưu giữ và điều hành trong một ngân hàng dữ liệu trung tâm của máy tính, nên khi cần chúng có thể được gọi ra trên màn hình và được sử dụng để hiệu chỉnh kích thước dụng cụ cắt khi chạy chương trình

Các ưu điểm chính của hệ thống DNC:

- Có 1 ngân hàng dữ liệu trung tâm cho biết các thông tin về chương trình chi tiết gia công và dụng cụ

- Truyền dữ liệu nhanh, tin cậy và phát huy tốt hiệu quả của các máy NC

- Điều khiển và lập kế hoạch gia công

- Có khả năng ghép nối vào các hệ thống gia công linh hoạt FMS

1.3.4 Điều khiển thích nghi AC (Adaptive Control)

Điều khiển thích nghi là điều khiển tự động quá trình gia công không có sự tác động của người vận hành máy Mục đích chính của nó là nhằm tự động thay đổi các thông số gia công theo ảnh hưởng không thể dự kiến trước trong quá trình gia công

Ví dụ khi kích thước các phôi đúc, rèn thay đổi hoặc lượng dư gia công cơ không đều thì có thể gây biến dạng đàn hồi cho hệ thống công nghệ, sinh ra sai số gia công Muốn khắc phục điều này thì thiết bị điều khiển thích nghi phải thay đổi tốc

độ chạy dao cho phù hợp

Tuỳ theo mục đích sử dụng, người ta phân chia các hệ thống điều khiển thích nghi thành 2 loại:

- Điều khiển thích nghi cưỡng bức ACC (Adaptive Control Constrain):

dùng để điều khiển giới hạn của các thông số cắt gọt Ví dụ, khi tiện côn hay phay

bề mặt hình chêm thì chiều sâu cắt thay đổi, do vậy lượng chạy dao và số vòng quay của dao phải được điều khiển sao cho đảm bảo công suất cắt tối đa cho phép

- Điều khiển thích nghi tối ưu ACO (Adaptive Control Optimation): dùng

cho việc tối ưu hóa các quá trình gia công nhằm giảm thời gian gia công và giảm

chi phí gia công nhưng có chú ý đến nhiều yếu tố ảnh hưởng ngược nhau (như công suất cắt cao sẽ làm giảm tuổi bền của dụng cụ cắt)

Hệ thống điều khiển thích nghi được ứng dụng rộng rãi cho các chức năng

bổ sung thêm của hệ điều khiển CNC như tự động theo dõi dụng cụ cắt và đo chi tiết trong quá trình gia công

Hình 1.11 Ứng dụng điều khiển thích nghi

1.4 Nội suy (Interpolation)

Nội suy là việc tính toán các tọa độ trung gian dọc theo biên dạng cần gia công Các giá trị trung gian này sẽ làm đại lượng dẫn cho mạch điều khiển vị trí Vì vậy cần phải tính toán được giá trị trung gian của biên dạng gia công từ các dữ liệu cho trước như: tọa độ điểm đầu cuối, tốc độ di chuyển…

1.4.1 Nội suy đường thẳng:

Dao được di chuyển từ điểm đầu tới điểm cuối hành trình theo chuỗi đoan thẳng Khi lập trình chuỗi chuyển động thẳng, chỉ cần xác định toạ độ cuối của mỗi đoạn, bởi vì điểm cuối của đoạn trước là điểm đầu của đoạn tiếp theo

Nội suy đường thẳng theo 2 và 3 trục là phương pháp thông dụng nhất Có thể nội suy đường thẳng phối hợp đồng thời tối đa 5 trục (3 chuyển động thẳng, 2 chuyển động quay) để 5thực hiện quĩ đạo chuyển động bất kỳ Nội suy đường thẳng yêu cầu 3 thông số: toạ độ điểm đầu, toạ ssộ điểm cuối và tốc độ di chuyển trên mỗi trục

Giả sử dao cần chuyển động từ điểm đầu PA đến điểm cuối PB theo một đường thẳng với tốc độ chạy dao u xác định Trong thời gian

u

L

T  , các đoạn đường thành phần là x E x A và y E y A phải được thực hiện Tọa độ vị trí của các điểm trung gian cần được tính như một hàm số theo thời gian:

dt T

y y y dt V y y

dt T

x x x dt V x x

t

A E A t

y A t

t

A E A t

X A t

0 0

Py

Chi tiÕt

Dao c¾t

Chia thời gian T thành các khoảng

y y y y

n N

x x x x

A E A t

A E A t

Hình 1.12 Nội đường thẳng (A là điểm xuất phát, E là điểm đích)

N càng lớn thì độ chính xác của phép nội suy càng cao

Về lý thuyết, sử dụng nội suy đường thẳng có thể lập trình quĩ đạo chuyển động cong bất kỳ nhưng lượng dữ liệu cần xử lý rất lớn So với nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn, parabôn, đường xoắn hoặc đường cong bậc ba làm giảm đáng kể lượng dữ liệu cần lập trình cho cùng quĩ đạo chuyển động

Phần lớn các hệ CAD/CAM đều sử dụng phương pháp nội suy đường thẳng cho các mặt cong phức tạp

Hình 1.13 Các phương pháp nội suy trong hệ CAD/CAM

(a, Nội suy đường thẳng cho đoạn thẳng; b, Xấp xỉ đường tròn bằng đa giác

c, Xấp xỉ đường cong bởi nội suy đường thẳng)

1.4.2 Nội suy cung tròn:

Giả sử phương trình đường cong được biểu diễn theo theo tham số:

Cos R x

R: Bán kính đường cong (Hình 1.14)

V Sin R y

t R

V Cos R x

Vi phân phương trình trên:

V R

R

V dt dy

y R

V R

R

V dt dx

.cos

.sin

xdt R

V y y

ydt R

V x x

0 0

0 0

Chuyển qua tích phân số (thay các lượng vi phân bởi các gia số)

1

1 0

V y

y

t y R

V x

x R

V t x R V

x f

y R

V t y R V

T

T

1

1

là các gia số thực hiện được của các đoạn đường

thành phần trong 1đơn vị thời gian ∆t và chúng phải nhỏ

hơn 1 đơn vị dịch chuyển

Phép nội suy vòng sử dụng bộ tích phân số nên có xuất hiện sai lệch, nghĩa

là mỗi điểm tính toán thông qua nội suy không nằm chính xác trên đường cong

mà có thể ở lân cận Điều kiện để giới hạn sai lệch là các điểm nội suy không được vượt quá giá trị cho phép thể hiện bởi góc [] ( H1.14 )

1.4.3 Nội suy parabol

Một đường parabol không gian được tạo bởi 3 điểm (hình 1.8) Điểm P2 là trung điểm của P4 và P5, còn P5 lại là trung điểm của P1 và P3 P1 được biết từ

Việc chuyển giữa hai hình parabol liên tục sẽ phối hợp tốt nếu biết rõ được tiếp tuyến tại P3 của chung

Hình 1.15 Nội suy parabol

Nội suy parabol cơ bản chỉ được sử dụng khi gia công trên máy có 4, 5 trục tọa

độ, bởi vì dữ liệu dùng cho các chuyển động theo nhiều trục tọa độ này sẽ giảm

đi một cách đáng kể so với nội suy đường thẳng khi các bề mặt có độ phức tạp cao

1.4.4 Nội suy Spline

Phương pháp nội suy này không chỉ có khả năng xấp xỉ đường cong mà còn có khả năng kết nối trơn láng các đường cong kế cận Chương trình nội suy Spline rất phức tạp, đòi hỏi khả năng xử lý cũng như yêu cầu về dung lượng bộ nhớ cao hơn các phương pháp nội suy khác Với công nghệ máy tính hiện đại có khả năng tính toán và xử lý dữ liệu mạnh và giá thành không cao, sử dụng nội suy Spline hoàn toàn không có trở ngại

1.5 Chương trình chi tiết:

Những thông tin cần thiết để gia công một chi tiết được tập hợp một cách hệ thống được gọi là chương trình gia công chi tiết

tiết gia công trên máy NC Quy chuẩn này sẽ giúp cho người lập trình dễ dàng biến đổi các kích thước trên bản vẽ thành các thông tin dịch chuyển trong chương trình NC

Các thông tin về kích thước chi tiết gia công được thể hiện trên bản vẽ theo

hệ thống ghi kích thước tuyệt đối hoặc ghi kích thước theo gia số (hay tương đối)

1.5.4 Kích thước tuyệt đối và kích thước gia số

Các bản vẽ gia công thường dùng trong các phân xưởng trước đây phần lớn không thích hợp cho việc lập trình NC Do vậy trong các quy chuẩn về ghi kích thước đã xác định rõ cần phải ghi kích thước theo tọa độ Đề-các đối với các chi tiết gia công trên máy NC Quy chuẩn này sẽ giúp cho người lập trình dễ dàng biến đổi các kích thước trên bản vẽ thành các thông tin dịch chuyển trong chương trình NC

Các thông tin về kích thước chi tiết gia công được thể hiện trên bản vẽ theo

hệ thống ghi kích thước tuyệt đối hoặc ghi kích thước theo gia số (hay tương đối)

a, Ghi kích thước tuyệt đối

Kích thước tuyệt đối được so sánh với một điểm gốc cố định (thường là điểm 0 của chi tiết W) Nghĩa là tọa độ của một điểm bất kỳ có thể được xác định thông

qua các khoảng cách có dấu (signed distance) tính từ W

17.677 25

Hình 1.16 Ghi kích thước tuyệt đối

b, Ghi kích thước theo gia số (tương đối)

Kích thước tương đối được so sánh với điểm ngay trước nó Nghĩa là giá trị tọa

độ của một điểm được xác định thông qua các khoảng dịch chuyển tương đối tính từ vị trí hiện tại

Hình 1.17 Ghi kích thước tương đối

Trên quan điểm gia công, việc lựa chọn hệ thống ghi kích thước nào phụ thuộc vào dung sai kích thước yêu cầu cũng như mức độ dễ dàng khi tính toán hình học phụ để viết ra chương trình NC Vì vậy, người thiết kế khi ghi chuỗi kích thước trên bản vẽ cần phải có quan điểm về gia công và kỹ thuật lập trình Chẳng hạn khi gia công các bộ giảm tốc, kích thước quan trọng thường là khoảng cách giữa các trục truyền động (kèm dung sai chế tạo) Khi này người thiết kế cần ghi kích thước theo hệ thống tương đối nhằm đảm bảo độ chính xác kích thước yêu cầu Tuy vậy, nếu ghi liên tiếp các kích thước trong chuỗi bằng cách ghi tương đối thì lại có thể ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác gia công (do

có sai số tích lũy liên tiếp)

Ngoài hai cách ghi kích thước tuyệt đối và tương đối, người ta có thể sử dụng cách ghi kích thước nhờ bảng trong trường hợp có quá nhiều các kích thước gia công trên bản vẽ nhằm giúp việc biểu diễn chi tiết được rõ ràng, dễ hiểu hơn Khi này người ta thay thế các kích thước trên bản vẽ bằng các số thứ tự vị trí Những giá trị riêng của các điểm tọa độ được điền vào trong bảng tọa độ như là các số liệu bổ sung, chẳng hạn: đường kính lỗ hoặc dung sai kích thước

1.6 Thiết bị nhập dữ liệu

Thiết bị nạp chương trình trên máy CNC có thể là:

- Bộ đọc băng đục lỗ gắn với hệ CNC (perforated paper tape reader)

- Bộ đọc băng từ (magnetic tape reader)

- Mức độ tự động hóa cao

- Tốc độ dịch chuyển thẳng và góc lớn (tương ứng 102 mm/phút và 103 vòng/phút), do vậy năng suất gia công trên các máy CNC cao và có thể gấp đến 3 lần máy thường

- Độ chính xác gia công cao, sai lệch giới hạn cỡ 10-3 mm, với máy thường sai lệch này là 10-2

mm

- Chất lượng gia công ổn định, độ chính xác lặp lại cao

- Giảm thời gian gia công so với máy thường

- Nhờ cấu trúc cơ khí cứng vững của máy, những vật liệu cắt hiện đại và năng suất như hợp kim cứng hay gốm ôxit có thể được sử dụng trên máy CNC

- Có khả năng thích nghi cao khi điều kiện sản xuất thay đổi, ví dụ khi chuyển

từ sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ sang sản xuất loạt vừa, loạt lớn hoặc hàng khối, việc gia công trên máy CNC vẫn đảm bảo năng suất và hiệu quả kinh

tế

Ngoài ra còn phải kể đến các ưu điểm khác như:

- Ít phải dừng máy vì lý do kỹ thuật, do vậy giảm đáng kể được chi phí tương ứng

- Chi phí kiểm tra máy nhỏ, giá thành đo kiểm giảm

- Thời gian hiệu chỉnh máy ngắn

- Không cần dùng các đồ gá và dưỡng (ví dụ đồ gá khoan)

- Gia công được các bề mặt phức tạp (cong, lồi, lõm 3D), các chi tiết rất lớn (cánh máy bay) trên các trung tâm gia công mà không cần thiết phải thay đổi

đồ gá (cũng góp phần giảm chi phí gá đặt chi tiết và nâng cao độ chính xác gia công)

- Có thể lặp lại chương trình gia công tùy ý

Tuy nhiên ta cần phải chú ý một số các đặc điểm sau trên máy CNC:

- Việc chuẩn bị công nghệ gia công trên máy CNC khác với máy công cụ thông thường, do phải lập trình NC theo ngôn ngữ máy

- Máy rất đắt tiền- 1 chiếc máy CNC 3 trục NC (3D) nhập từ các nước Âu- Mỹ

có thể giá hàng trăm nghìn USD

- Môi trường làm việc và chế độ bảo quản máy tương đối khắt khe Các giá trị cho phép về độ ẩm < 75%, nhiệt độ < 45C

- Vận hành máy tuy đơn giản (học các sử dụng nhanh), nhưng việc bảo dưỡng, sửa chữa máy CNC lại khá phức tạp và tốn kém

Do vậy khi khai thác vận hành máy CNC chúng ta phải đảm bảo được hiệu quả kinh tế của chúng trong sản xuất Cụ thể là:

- Cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các khâu thiết kế, chuẩn bị sản xuất và thực hiện gia công chế tạo

- Cần đào tạo nâng cao cho thợ chuyên môn Các khoá đào tạo về kỹ thuật CNC là hết sức cần thiết, vì máy móc chỉ hoạt động tốt nếu người sử dụng nó

có kiến thức đầy đủ và kỹ năng vận hành thành thục

Ưu điểm chính của máy CNC chính là tính linh hoạt- thay đổi nhanh các chương

trình gia công với sự can thiệp tối thiểu bằng tay của con người, do các nguyên nhân chính sau:

- Khả năng lặp lại các chương trình gia công thực hiện

- Khả năng đưa vào trực tiếp các kích thước chi tiết và các số liệu hành trình dao trên máy công cụ khi yêu cầu

- Không còn các yếu tố hạn chế hành trình cơ khí như cam rãnh, chốt dừng hay tấm mẫu, nghĩa là không cần mọi sự điều chỉnh cơ khí

- Khả năng đưa vào các giá trị công nghệ tối ưu như tỷ số tiến dao, tốc độ trục chính và tắt/mở dung dich trơn nguội mà thường bắt buộc do con người vận hành

- Việc điều khiển được máy tính hóa tất cả các chức năng phụ của máy chẳng hạn như việc thay dao và cấp phôi tự động

- Có khả năng lập trình các giá trị bù cho cả dụng cụ cắt và phôi khi chúng được gắn trên miếng đỡ tiêu chuẩn

Chương II: KHÁI QUÁT VỀ CAD/CAM-CNC

2.1 Một số khái niệm, định nghĩa:

Những năm cuối thể kỷ 20, công nghệ CAD/CAM-CNC đã trở thành một lĩnh vực đột phá trong thiết kế, chế tạo và sản xuất công nghiệp CAD (Computer Aided Design- thiết kế với sự trợ giúp của máy tính) và CAM (Computer Aided Manufacturing – Sản xuất với sự trợ giúp của máy tính) được ghép nối với nhau thành một loại hình công nghệ cao, một lĩnh vực khoa học tổng hợp của liên nghành vật liệu – cơ khí – điện tử - tự động hóa

CNC (Computer Numberical Control): gia công có sử dụng điều khiển số với sự trợ giúp của máy tính Chu trình hình thành sản phẩm công nghiệp theo phương thức hiện đại là ứng dụng kỹ thuật CAD/CAM-CNC để thiết kế gia công và lắp ráp sản phẩm đang trở thành trọng tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia trên thế giới

2.2 Lịch sử phát triển của kỹ thuật CAD/CAM

Lịch sử phát triển của CAD/CAM gắn liền với sự phát triển của công nghệ máy tính và kỹ thuật đồ họa tương tác Cuối năm 1950 CAD/CAM đã có những bước phát triển đáng kể, khởi đầu có thể nói là tại viện công nghệ Massachusetts (MIT) với ngôn ngữ lập trình cho máy tính APT (Automatically Programmed Tools) Mục đích của APT là để lập trình cho máy điều khiển số, nó được coi như là một bước đột phá để tự động hóa quá trình sản xuất

Những năm 1960 đến 1970 CAD tiếp tục phát triển mạnh, hệ thống CAD có tên là TURNKEY được thương mại hóa, đây là một hệ thống hoàn chỉnh bao gồm phần cứng, phần mềm, bảo trì và đào tạo, hệ thống này được thiết kế chạy trên máy tính có bộ nhớ khổng lồ và máy tính loại nhỏ.Tuy nhiên khả năng xủ lý thông tin,

bộ nhớ của chúng còn hạn chế nên các hệ thống CAD/CAM thời kỳ náy kém hiệu quả, giá thành cao và chỉ được sử dụng trong một số ít lĩnh vực

Năm 1983 máy IBM-PC ra đời, đây là thế hệ máy tính lý tưởng về khả năng xử lý thông tin, bộ nhớ, đồ họa cho CAD/CAM Điều này tạo điều kiện cho các hệ CAD/CAM phát triển rất nhanh

Cuối những năm 1990 là thời kỳ CAD/CAM đạt những thành tựu đáng kể, rất nhiều phần mềm đồ sộ được tung ra thị trường và ứng dụng rộng rãi trong thiết kế

và sản xuất của nhiều nghành công nghiệp

Hiện nay các phần mềm CAD/CAM nổi tiếng đang có mặt trên thị trường như: CIMATRON, PRO-ENGINEER, CATIA, MASTERCAM…

2.3 Các mối quan hệ của CAD/CAM

Trong công nghệ truyền thống, các mặt cong 3D phức tạp được gia công trên máy vạn năng theo phương pháp chép hình sử dụng mẫu hoặc dưỡng Do vậy qui trình thiết kế và gia công bao gồm có 4 giai đoan phân biệt :

Hình 2.1 Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống

- Khó đạt được độ chính xác gia công, chủ yếu do quá trình chép hình,

- Dễ dàng làm sai do nhầm lẫn hay hiểu sai vì phải xử lý một số lớn dữ liệu,

- Năng suất thấp do mẫu được thiết kế theo phương pháp thủ công và qui trình được thực hiện tuần tự: tạo mẫu sản phẩm - lập bản vẽ chi tiết

- tạo mẫu chép hình - phay chép hình

b, Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM

Sự phát triển của phương pháp mô hình hoá hình học cùng với thành tựu của công nghệ thông tin, công nghệ điện tử, kỹ thuật điều khiển số đã có những ảnh hưởng trực tiếp đến công nghệ thiết kế và gia công tạo hình:

Hình 2.2 Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM

- Bản vẽ kỹ thuật được tạo từ hệ thống vẽ và tạo bản vẽ với sự trợ giúp của máy vi tính

- Tạo mẫu thủ công được thay thế bằng mô hình hoá hình học trực tiếp từ giá trị lấy mẫu 3D

- Mẫu chép hình được thay thế bằng mô hình toán học - mô hình hình học lưu trữ trong bộ nhớ máy vi tính và ánh xạ trên màn hình dưới dạng mô hình khung lưới

- Gia công chép hình được thay thế bằng gia công điều khiển số (CAM) Về công nghệ, khác biệt cơ bản giữa gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống và công nghệ CAD/CAM là thay thế tạo hình theo mẫu bằng mô hình hoá hình học Kết quả

là mẫu chép hình và công nghệ gia công chép hình được thay thế bằng mô hình hình

học số (Computational Geometric Model - CGM) và gia công điều khiển số Mặt

khác khả năng kiểm tra kích thước trực tiếp và khả năng lựa chọn chế độ gia công thích hợp (gia công thô, bán tinh và tinh) Theo công nghệ CAD/CAM phần lớn các khó khăn của quá trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống được khắc phục vì rằng:

• Bề mặt gia công đạt được chính xác và tinh xảo hơn

• Khả năng nhầm lẫn do chủ quan bị hạn chế đáng kể

• Giảm được nhiều tổng thời gian thực hiện qui trình thiết kế và gia công tạo hình

c, Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ tích hợp (CIM)

Từ công nghệ CAD/CAM ta dễ dàng thực hiện ý tưởng liên kết mọi thành phần trong một hệ thống tích hợp (Hình 1.6) Theo công nghệ tích hợp, công việc

mô hình hoá hình học - vẽ - tạo bản vẽ được tích hợp trong CAD; kết quả mọi thông tin về hình dáng được lưu lại dưới dạng CGM, lưu trữ trong cơ sở dữ liệu trung tâm Công nghệ tiên tiến nhất có khả năng hỗ trợ thực hiện toàn bộ qui trình thiết kế và chế tạo theo công nghệ tích hợp:

Hình 2.3 Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CIM

- Cho phép thiết lập mô hình hình học số CGM trực tiếp từ ý tưởng về hình dáng

- Được trợ giúp bởi thiết bị đồ hoạ mạnh và công nghệ tô màu, tạo bóng hiện đại

- Có khả năng thực hiện các chức năng phân tích kỹ thuật; liên kết với các thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ tạo hình lập thể; lập trình chế tạo; điều khiển quá trình gia công điều khiển số; lập qui trình lắp ráp; tạo phôi,

2.4 Mục tiêu, ý nghĩa của hệ thống CAD/CAM

Xuất phát từ nhu cầu cho trước, việc nghiên cứu đảm nhận thiết kế một mô hình mẫu cho đến khi thể hiện trên bản vẽ biễu diễn chi tiết Từ bản vẽ chi tiết, việc

triển khai chế tạo đảm nhận lập ra quá trình chế tạo các chi tiết cùng các vấn đề liên

quan đến dụng cụ và phương pháp thực hiện

Hai lĩnh vực hoạt động lớn này trong ngành chế tạo máy được thực hiện liên tiếp nhau và được phân biệt bởi kết quả của nó

* Kết quả của CAD là một bản vẽ xác định, một sự biểu diễn nhiều hình chiếu khác nhau của một chi tiết cơ khí với các đặc trưng hình học và chức năng Các phần mềm CAD là các dụng cụ tin học đặc thù cho việc nghiên cứu và được chia thành hai loại: Các phần mềm thiết kế và các phần mềm vẽ

* Kết quả của CAM là cụ thể, đó là chi tiết cơ khí Trong CAM không truyền đạt một sự biểu diễn của thực thể mà thực hiện một cách cụ thể công việc Việc chế tạo bao gồm các vấn đề liên quan đến vật thể, cắt gọt vật liệu, công suất của trang thiết

bị, các điều kiện sản xuất khác nhau có giá thành nhỏ nhất, với việc tối ưu hoá đồ gá

và dụng cụ cắt nhằm đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết cơ khí

Chương III: HỆ THỐNG ĐO CỦA MÁY CÔNG CỤ CNC

3.1 Các hệ thống mã hóa thông tin

Thông tin được mã hóa bằng các giá trị hoặc những diễn biến giá trị của các thông số tín hiệu Một hệ thống tín hiệu chỉ chấp nhận những giá trị số- rời rạc-xác định gọi là các tín hiệu số Hệ điều khiển làm việc với các tín hiệu số mà ta đang nghiên cứu chính là hệ thống điều khiển số Thông thường thông tin được mã hóa bằng các hệ mã hóa như nhị phân, thập phân…

3.1.1 Hệ mã hóa nhị phân

Hệ nhị phân có cơ số hệ thống là 2, nó có một ý nghĩa đặc biệt trong kỹ thuật

xử lý tin Giá trị con số 100 được biểu thị trong hệ thống này như sau:

1100100 2

0 2 0 2 1 2 0 2 0 2 1 2

3.1.2 Hệ mã hóa thập phân – nhi phân

Hệ thập phân có cơ số là 10, ví dụ 2 1 0

chứa được nhiều dung lượng nhưng lại phức tạp trong tính toán

Do vậy hiện nay hay dùng hệ thập – nhị phân (BCD-Binảy Code Decimal), tức là cho các số hệ thập phân được mã hóa bằng hệ nhị phân đơn giản là: các số hàng đơn vị, chục, trăm, nghìn, được viết thành dạng giống số nhị phân với các cơ số 8,

4, 2, 1 (với mã 8421) và hệ số là 1

VD: Số 34 trong hệ thập phân viết thành mã BCD 8421 là:

3 = 0011; 4 = 0100; như vậy 34(decimal) = 0011 0100 (BCD)

Ở đây dùng bốn số hệ nhị phân (bốn bit) để mã hoá một số hệ thập phân có giá trị nằm trong khoảng từ 0 9 Như vậy ở đây ta không dùng hết các tổ hợp có thể có của 4 bit

3.1.3 Hệ mã hóa băng đục lỗ

Băng đục lỗ là các băng giấy hay băng vật liệu nhân tạo, chiều rộng 1inch (1 inch = 1” = 25.4 mm), được dùng để ghi và khai thác dữ liệu Các dữ liệu được ghi vào hoặc đọc ra trên băng đục lỗ một cách tuần tự (không thể truy cập ngẫu nhiên tới vị trí tùy ý) Dung lượng tin ghi vào khoảng 15 bit/cm2

, tuy nhiên thông tin khi đã ghi vào thì ta không thể chỉnh sửa được Tốc độ đọc dữ liệu ra

có thể đạt 120 ký tự/giây

3.1.4 Hệ mã hóa mã vạch

Mã vạch là sự thể hiện thông tin trong các dạng nhìn thấy trên các bề mặt mà máy móc có thể đọc được Nguyên thủy thì mã vạch lưu trữ dữ liệu theo bề rộng của các vạch được in song song cũng như của khoảng trống giữa chúng, nhưng ngày nay chúng còn được in theo các mẫu của các điểm, theo các vòng tròn đồng tâm hay chúng ẩn trong các hình ảnh Thay vì việc phải đánh một chuỗi dữ liệu vào phần nhập liệu của máy tính thì người thao tác chỉ cần quét mã vạch cho thiết bị đọc mã vạch

3.1.5 Băng từ

Băng từ là các dải băng nhiễm từ được quấn trong một casset, cũng được dùng

để ghi và khai thác dữ liệu Việc ghi dữ liệu vào hoặc đọc dữ liệu ra cũng được tiến hành theo một trình tự xác định chặt chẽ (truy cập tuần tự) Dung lượng tin ghi 1250 bit/cm2 Tốc độ đọc 400-3000 ký tự/giây Đặc tính: tuy dễ chỉnh sửa hoặc xoá thông tin nhưng lại dễ bị nhiễm bẩn gây mất dữ liệu

3.2 Hệ thống đo dịch chuyển

3.2.1 Các đặc điểm của hệ thống đo

Mỗi một trục chuyển động được điều chỉnh của một máy cnc cần một thiết bị

đo, chúng thông báo cho mach điều khiển từng vị trí thật – tức thời của bàn máy hoặc hộp xe dao khi tiện Các đại lượng phải đo ở đây là những đoạn đường trong chuyển động thẳng và các góc trong chuyển động quay có điều chỉnh

Các phương pháp đo vị trí được ứng dụng trên máy CNC:

- Phương pháp đo vị trí bằng đại lượng tương tự: đoạn đường hay góc cần đo được chuyển liên tục thành một đại lượng vật lí tương thích, ví dụ chuyển đổi thành điện

áp hay cường độ dòng điện

- Phương pháp đo vị trí bằng đại lượng số: Đoạn đường hay góc cần đo được chia thành các yếu tố đơn vị có độ lớn như nhau Quá trình đo chính là việc đếm hay

- Phương pháp đo vị trí trực tiếp

- Phương pháp đo gián tiếp

- Phương pháp đo vị trí tuyệt đối

- Phương pháp đo vị trí tuyệt đối

theo chu kì

- Phương pháp đo gia số

3.2.2 Hệ thống đo trực tiếp

Hệ thống đo trực tiếp là phương pháp đo bám sát các vị trí cần đo hay các biến đổi

vị trí, không cần đến các dẫn động cơ khí trung gian

Hệ thống đo được ghép trực tiếp với chuyển động cần đo Phương pháp đo vị trí trực tiếp có độ chính xác cao vì giữa đại lượng cần đo và dụng cụ đo không có khe

hở hay các biến dạng dẻo

Hình 3.1 Hệ thống đo trực tiếp

Về cấu trúc, nguyên tắc đo so sánh Abbe`she comparatorprinzip ( Phần kiểm và thước đo gá lắp trên một trục) trong nhiều trường hợp khó thực hiện được Để đàm bảo các lỗi (do sự bố trí các phần tử đo tạo ra) đủ nhỏ, các khe hỏ dẫn động của đường hướng bàn máy phải nằm trong giới hạn cho phép

3.2.3 Hệ thống đo gian tiếp

Trong phương pháp đo này, thay cho các biến đổi vị trí tịnh tiến cần đo, một vị trí tịnh tiến cần đo, một chuyển động quay quay tương ứng sẽ được đo Chuyển động quay gắn liền với chuyển động tịnh tiến chẳng hạn như chuyển động quay của vít me chạy dao Hay là một chuyển động chạy dao thẳng được biến thành chuyển động quay nhờ bộ truyền bánh răng-thanh răng

Các lỗi thường mắc phải là đo sai lệch bước vít me, độ ăn khớp khi đảo chiều hay khe hở ăn khớp giữa 2 má răng trong bộ truyền TB-BR bị đưa trực tiếp vào lỗi của phép đo Lỗi của phép đo phải nằm trong giới hạn cho phép, thông qua việc chế