Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CẤP HỆ DẪN ĐỘNG CHẠY DAO VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC CHO MÁY TIỆN NC DFS2000 ANALYZING SOLUTIONS FOR UPGRADING FEED DRIVES AND INTEGRATING A CNC CONTROLLER FOR NC DFS2000 LATHE Bùi Tuấn Anh Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội anh.buituan@hust.edu.vn TÓM TẮT Máy tiện điều khiển số NC DFS2000 đưa vào nghiên cứu, vận hành Trường Đại học Bách khoa Hà Nội từ cuối năm 1970 Tốc độ trục thay đổi phạm vi từ 22,4 - 2000 vg/phút thông qua hộp tốc độ Các chuyển động chạy dao theo phương X Z dẫn động động thủy lực Hệ thống điều khiển máy có khả biên dịch chương trình thông qua băng giấy đục lỗ Bài viết trình bày nghiên cứu giải pháp nâng cấp hệ dẫn động chạy dao đáp ứng yêu cầu điều khiển vô cấp, có khả điều khiển điều khiển CNC đại; nghiên cứu tích hợp điều khiển CNC thay điều khiển NC Từ khóa: máy tiện NC DFS2000, dẫn động chạy dao, điều khiển số ABSTRACT The lathe NC DFS2000 was used and studied at Hanoi University of Science and Technology since the late 1970s The spindle speed is changed in a range from 22.4 to 2000 rpm through a gear box The toolpath motion in the X and Z are driven by hydraulic motors The control system of the machine has the ability to compile programs through perforated paper tape This article presents analysis of solutions of drivetrain upgrades to meet the requirements of stepless control, it is able to be controlled by a modern CNC controller; Intergrating a CNC controller as an alternative of NC controller Keywords: NC DFS2000 lathe, feed drives, numerical Control GIỚI THIỆU Máy tiện NC DFS2000 dạng máy điều khiển số cỡ lớn, hệ cũ, máy có kích thước khoảng 1,45 x 4,5 m tương ứng theo chiều cao chiều dài Khả gia công máy với chi tiết có chiều dài lên tới m, đường kính phôi lớn 400 mm Hình mô tả sơ đồ tổng thể máy tiện NC DFS2000, bao gồm phận tủ điện điều khiển (1), hộp tốc độ (2), phận điều chỉnh tốc độ (3), bảng điều khiển (6) Tốc độ trục thay đổi theo cấp thông qua hộp tốc độ máy tiện vạn thông thường Các động thủy lực đóng vai trò động dẫn động chạy dao, có khả tạo chuyển động vô cấp cho trục X Z Hệ điều khiển số NC hệ cũ với khả biên dịch chương trình điều khiển vật mang tin băng giấy đục lỗ, hệ thống tích hợp phận lập trình với giao tiếp người - máy phức tạp, lạc hậu nên viết chương trình đơn giản Ngoài ra, hệ thống chứa dao dạng đầu revolve có khả chứa dao tích hợp máy, mở rộng khả gia công máy 173 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Control panel 2000 1450 Electric Box 730 2250 1520 800 Hình Sơ đồ tổng thể máy tiện NC DFS2000 Hệ thống thủy lực tích hợp máy thực điều khiển cấu gá kẹp phôi bao gồm ụ chống tâm mâm cặp chấu động chạy dao Tốc độ trục thay đổi thông qua tay gạt điều khiển phạm vi từ 22,4 – 2000 vg/ph Bảng mô tả việc thay đổi tốc độ trục vùng gạt khác Có thể thấy số tốc độ trục bị trùng vùng gạt khác nhau, nên thực tế hộp tốc độ tạo 15 tốc độ trục khác Bảng Tốc độ trục máy tiện NC DFS2000 Vùng gạt Tốc độ (vg/ph) I 22,4 31,5 45 63 90 125 180 250 II 45 63 90 125 180 250 355 500 III 90 125 180 250 355 500 710 1000 IV 180 250 355 500 710 1000 1400 2000 Thông qua việc phân tích thực trạng máy tiện điều khiển số NC DFS2000, thấy cần thiết phải đưa số giải pháp nâng cấp, thay phận hỏng, lạc hậu, không phù hợp với máy điều khiển số đại Thật vậy, hệ thống dẫn động trục chính, dẫn động chạy dao hệ điều khiển nghiên cứu, thiết kế, chế tạo nhằm nâng cấp máy trở thành máy tiện điều khiển số CNC Ngoài ra, việc khảo sát máy cho thấy, phận hộp tốc độ, động trục chính, vít me - đai ốc bi dẫn động hai trục chạy dao Z X trạng thái hoạt động Do đó, phận xem xét tiếp tục sử dụng thực giải pháp thiết kế, nâng cấp máy Thật vậy, tác giả đề xuất giải pháp thiết kế, thay hệ dẫn động chạy dao vô cấp sử dụng động servo có công suất tương ứng; giữ lại thay động trục hộp tốc độ máy; tích hợp hệ thống điều khiển CNC đại thay hệ điều khiển cũ không hoạt động Tuy nhiên, việc thiết kế, nâng cấp cần phải đảm bảo nhiệm vụ điều khiển máy công cụ, khởi động, dẫn dắt kết thúc xác chuyển động máy chuyển động trục chính, chuyển động chạy dao; Biến đổi tốc độ, lực, mômen hay công suất xích động theo yêu cầu điều khiển; Định vị xác đối tượng chuyển động để đảm bảo độ xác tương quan dao phôi [1-4] 174 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP NÂNG CẤP HỆ DẪN ĐỘNG CHẠY DAO Trên thực tế, số phận khí quan trọng hệ dẫn động chạy dao bao gồm vít me - đai ốc bi máy tiện NC DFS2000 trạng thái bình thường Do đó, việc nghiên cứu thiết kế, nâng cấp hệ thống động lực chạy dao trường hợp tập trung phận khác động dẫn động phận phản hồi tín hiệu điều khiển Nguyên tắc thiết kế phải bảo đảm nhiệm vụ hệ dẫn động chạy dao, bảo đảm mối tương quan dao chi tiết theo quy luật xác định, phù hợp với chế độ cắt gọt lựa chọn Truyền động chạy dao phải đảm bảo dịch chuyển dụng cụ cắt xác theo quỹ đạo thiết kế, đảm bảo yêu cầu biên dạng chất lượng gia công Hình mô tả sơ đồ thiết kế hệ dẫn động chạy dao máy tiện NC DFS2000, 1- Động DC servo dẫn động chạy dao trục Z, 2- Bộ phận phản hồi tốc độ chạy dao trục Z, 3- Bộ phận phản hồi tốc độ chạy dao trục X, 4- Động DC servo dẫn động chạy dao trục X, 5- Bộ phận phản hồi vị trí bàn dao theo trục X, 6- Bộ phận phản hồi vị trí bàn dao theo trục Z Hệ dẫn động chạy dao máy CNC phải thỏa mãn yêu cầu đại lượng dẫn biến đổi bàn máy phải theo kịp biến đổi thời gian ngắn Hơn nữa, cần có độ ổn định tốc độ quay cao trường hợp lực cản chạy dao biến đổi hạn chế thấp ảnh hưởng đến tốc độ chạy dao Trường hợp chạy dao với tốc độ nhỏ đòi hỏi tốc độ ổn định Đây nhiệm vụ thiết kế, tính toán, lựa chọn phù hợp phận cấu thành hệ dẫn động chạy dao cho máy Hình Sơ đồ hệ dẫn động chạy dao máy tiện NC DFS2000 Hình Cấu trúc đầu revonve ụ động thủy lực máy tiện NC DFS2000 175 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Việc thiết kế hệ dẫn động chạy dao máy công cụ điều khiển số đòi hỏi phải có hệ thống điều khiển có khả điều khiển xác đồng thời tốc độ vị trí cấu chấp hành Cùng với phát triển công nghiệp điện từ, động xoay chiều điều khiển tốc độ biến tần ngày ứng dụng rộng rãi, nhiên động DC Servo lựa chọn sử dụng phổ biến máy công cụ điều khiển số Tín hiệu phản hồi tốc độ quay trục động vị trí góc trục Để đảm bảo chuyển động xác bàn máy tốc độ trục chính, giá trị cần phản hồi liên tục cho phận điều khiển Đây nhiệm vụ tính toán, thiết kế hệ thống đo máy điều khiển số Hình mô tả cấu trúc đầu revonve ụ động thủy lực máy tiện NC DFS2000 Các phận nghiên cứu, bảo dưỡng để tiếp tục sử dụng sử dụng Tuy nhiên, hệ thống thủy lực phục vụ ụ động thủy lực cần thiết kế phù hợp với phương án thiết kế Hơn nữa, động điện dẫn động đầu revonve điều khiển thông qua ly hợp điện từ phận định vị đầu dao cần nghiên cứu, cải tiến để sử dụng lại thiết kế, thay nhằm phù hợp với hệ thống điều khiển CNC PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP NÂNG CẤP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC CHO MÁY TIỆN NC DFS2000 Hệ thống điều khiển máy tiện NC DFS2000 bao gồm bảng điều khiển, tủ điều khiển tích hợp phận lập trình với giao tiếp người - máy phức tạp Bộ điều khiển thiết kế với khả biên dịch chương trình điều khiển vật mang tin băng giấy đục lỗ Các phận không khả hoạt động không phù hợp với hệ thống điều khiển CNC đại Vì vậy, tác giả đề xuất nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển CNC thay điều khiển lạc hậu Hình mô tả hệ thống điều khiển nguyên mẫu máy tiện NC DFS2000 Hình Hệ thống điều khiển máy tiện NC DFS200 Hệ thống điều khiển thiết kế để điều khiển cấu chấp hành theo quy luật quy định chương trình điều khiển Bộ điều khiển có nhiệm vụ biên dịch, giải mã phát tín hiệu điều khiển động tương ứng Bộ điều khiển máy CNC xây dựng bao gồm phần cứng phần mềm điều khiển Bộ phận phần cứng quan trọng phải kể đến Card điều khiển, thiết kế để điều khiển động cơ, tiếp nhận tín hiệu phản hồi,… Ngoài ra, có nhiều phần mềm phục vụ cho việc thiết kế tích hợp vào hệ thống điều khiển máy CNC Các phần mềm chia theo hai hướng phần mềm thương mại phần mềm mã nguồn mở Phần mềm thương mại cung cấp cho người dùng đầy đủ tính phần mềm, với hướng dẫn hỗ trợ kỹ thuật tin cậy từ hãng sản xuất, nhiên 176 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV người dùng sửa đổi, cải tiến phát triển phần mềm Phần mềm mã nguồn mở cung cấp dạng mã nguồn, người sử dụng phát triển, sửa đổi, cải tiến nâng cấp theo nguyên tắc chung Các phần mềm điều khiển máy điều khiển số đại xây dựng môi trường Windows ngày ứng dụng rộng rãi thiết kế điều khiển máy phay máy tiện CNC, bao gồm Mill Master For Windows, Kcam, NC Studio, Mach 3,… Mỗi phần mềm điều khiển có đặc trưng riêng, thể điểm mạnh hạn chế Mach3Turn phần mềm điều khiển số hãng ArcSoft, xây dựng hệ điều hành Windows phục vụ cho việc điều khiển hoạt động máy tiện điều khiển số Phần mềm có giao diện trực quan, tùy biến hoàn toàn theo ý người sử dụng, dễ dàng sử dụng với thao tác chuột đơn giản Có thể dùng với hình cảm ứng Ngoài chức bản, phần mềm Mach3Turn cung cấp nhiều chức phụ khác tương tự phần mền điều khiển hoàn thiện chuyên nghiệp cho máy công cụ công nghiệp, thiết lập đơn vị điều khiển (mm/inch), lựa chọn dụng cụ, lựa chọn chế độ cắt, lập chương trình, mô trình cắt gọt trước gia công, thiết lập điểm gốc tính toàn, lựa chọn thông số cắt ren Mach cho phép nhập mã lệnh G-code trực tiếp chương trình hay nhập tệp liệu G-code tạo từ phần mềm CAM thông dụng [5] Do đó, Mach phần mềm điều khiển tác giả đề xuất cho giải pháp phần mềm điều khiển CNC, nâng cấp máy tiện NC DFS2000 Hình mô tả giao diện phần mềm điều khiển Mach3turn thực chương trình gia công, thể trực quan thông số mô tả trình cắt gọt, giúp người vận hành dễ dàng can thiệp xử lý cố hay điều chỉnh thông số cắt gọt phù hợp Hình Giao diện Mach3turn thực chương trình gia công [6] Trên sở phân tích hệ thống động lực chạy dao dẫn động trục chính, thấy hệ thống điều khiển thiết kế theo hai phương án: (1) trục dẫn động xoay chiều pha tích hợp sẵn thông qua hộp tốc độ, chuyển động chạy dao dẫn động động servo độc lập, có tích hợp hệ thống đo; (2) sử dụng động servo để dẫn động trục chuyển động chạy dao Khi áp dụng phương án (1), tận dụng tối đa phận khí tích hợp sẵn máy nghiên cứu nâng cấp, nhiên phương án gặp khó khăn định Thực vậy, số cấp tốc độ trục hữu hạn yếu tố gây khó khăn chọn chế độ gia công phù hợp với yêu cầu khác nhau, đặc biệt tiện ren người vận hành cần phải có kỹ lựa chọn thông số điều khiển phù hợp Trường hợp sử dụng phương án (2) làm phương án nâng cấp máy, hệ điều khiển có nhiệm vụ điều khiển đồng thời động chạy dao trục với tốc độ 177 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV vô cấp Việc điều khiển máy lựa chọn thông số phần mềm điều khiển Mach3Turn dễ dàng thực hiện, đặc biệt gia công ren với hỗ trợ lựa chọn thông số ren cách trực quan Tuy nhiên, phương án làm tăng chi phí nâng cấp bao gồm việc thay động pha công suất lớn hộp tốc độ máy Hình sơ đồ điều khiển máy theo phương án Sơ đồ điều khiển bao gồm phận máy tính tích hợp card Mach phần mềm điều khiển Mach3Turn, phận điều khiển động servo chạy dao, phận phản hồi tốc độ trục vị trí dịch chuyển dụng cụ cắt gọt Mạch phản hồi Máy tính tích hợp Card phần mềm điều khiển Mach3 Mạch phản hồi Điều khiển Đ/C Servo X Điều khiển Đ/C Servo Z Hộp tốc độ Động trục X Động trục Z Trục Điều chỉnh tốc độ Hình Sơ đồ điều khiển máy tiện NC DFS2000 theo phương án dùng hộp tốc độ (PA1) Mạch phản hồi Máy tính tích hợp Card phần mềm điều khiển Mach3 Mạch phản hồi Điều khiển Đ/C Servo X Điều khiển Đ/C Servo Z Điều khiển Đ/C trục Động trục X Động trục Z Động trục Hình Sơ đồ điều khiển máy tiện NC DFS2000 theo phương án dùng động trục vô cấp (PA2) Hệ thống điều khiển theo phương án với sơ đồ điều khiển mô tả Hình Theo đó, phận khác với phương án dùng hộp tốc độ phận điều khiển động servo trục Các phận khác bao gồm máy tính tích hợp phần mềm card điều khiển, phận phản hồi,… tương tự phương án thiết kế 178 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hai phương án thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển CNC thay hệ thống điều khiển NC cũ tác giả nghiên cứu đề xuất Giai đoạn đầu, tác giả triển khai phương án thiết kế đánh giá hiệu việc thiết kế, nâng cấp phận Phương án triển khai giai đoạn hoàn thiện việc nâng cấp hoàn toàn máy tiện NC thành máy tiện CNC KẾT LUẬN Máy tiện NC DFS2000 máy tiện điều khiển số hệ cũ, phận dẫn động chạy dao, trục hệ thống điều khiển cần thiết kế, nâng cấp, thay Bài viết tập trung phân tích thực trạng máy, đưa giải pháp nâng cấp hệ dẫn động chạy dao tích hợp hệ thống điều khiển CNC cho máy theo hai phương án: (1) giữ nguyên động trục hộp tốc độ, thiết kế, nâng cấp hệ dẫn động chạy dao hệ thống điều khiển CNC; (2) thiết kế, nâng cấp thay động trục vô cấp, hệ thống dẫn động chạy dao vô cấp tích hợp hệ thống điều khiển CNC phù hợp với trình độ khoa học, công nghệ đương đại nước ta Các phân tích sở triển khai việc phục hồi hoạt động nâng cấp toàn diện máy tiện NC DFS2000 thành máy tiện CNC thời gian tới TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tạ Duy Liêm, Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ, NXB KH&KT, 2001 [2] Bùi Quý Lực, Hệ thống điều khiển số công nghiệp, NXB KH&KT, 2003 [3] Đặng Xuân Phương, Máy công cụ phương pháp lập trình gia công, NXB Đại học Nha Trang, 2011 [4] Suk-Hwan Suh, Seong Kyoon Kang, Dae-Hyuk Chung, and Ian Stroud, Theory and Design of CNC Systems: Springer-Verlag London, 2008 [5] http://www.machsupport.com/software/mach3/ Available: http://www.machsupport.com/software/mach3/ [6] Mach3Turn Available: http://www.micro-machine-shop.com/ THÔNG TIN TÁC GIẢ Bùi Tuấn Anh Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Điện thoại: 0977.535.066 179 ... xuất nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển CNC thay điều khiển lạc hậu Hình mô tả hệ thống điều khiển nguyên mẫu máy tiện NC DFS2000 Hình Hệ thống điều khiển máy tiện NC DFS200 Hệ thống điều khiển. .. động chạy dao hệ thống điều khiển CNC; (2) thiết kế, nâng cấp thay động trục vô cấp, hệ thống dẫn động chạy dao vô cấp tích hợp hệ thống điều khiển CNC phù hợp với trình độ khoa học, công nghệ... thiện việc nâng cấp hoàn toàn máy tiện NC thành máy tiện CNC KẾT LUẬN Máy tiện NC DFS2000 máy tiện điều khiển số hệ cũ, phận dẫn động chạy dao, trục hệ thống điều khiển cần thiết kế, nâng cấp, thay