Nghiên cứu về bộ điều khiển NCK trong máy phay CNC 5 trục

Máy phay CNC Máy ra đời với mục đích gia công các chi tiết khó với độ chính xác cao và rút ngắnthời gian sản xuất,bằng việc ứng dụng những thành tựu tiên tiến của ngành điều khiển tựđộng

Trang 1

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC BẢNG BIỂUDANH MỤC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ MÁY CNC 2

1.1 Giới thiệu chung 2

1.2 Lịch sử phát triển 3

1.3 Ưu nhược điểm của máy CNC 4

1.3.1 Sự khác nhau giữa máy NC,CNC và các máy công cụ thông thường 4

1.3.2 Ưu điểm 6

1.3.3 Nhược điểm 7

1.4 Ứng dụng trong thực tế của công nghệ CNC 7

Chương 2 CẤU TRÚC CHƯƠNG TRÌNH, NGÔN NGỮ VÀ CÁCH LẬP TRÌNH CHO MÁY CNC 12

2.1 cấu trúc chương trình 12

2.2 Các dạng ngôn ngữ được sử dụng trong lập trình CNC 13

2.2.1 ngôn ngữ lập trình tự động 13

2.2.2 Ngôn ngữ lập trình bằng tay (ngôn ngữ máy) 16

2.3 Một số mã lệnh cơ bản 17

2.4 Cách tạo một chương trình CNC 20

2.4.1 Những yêu cầu cần thiết trước khi đi vào lập trình 20

2.4.2 Cách thức lập trình 21

Chương 3 CẤU TRÚC HỆ ĐIỀU KHIỂN VÀ VAI TRÒ CỦA NCK 24

3.1 Tổng quan hệ điều khiển máy CNC 24

3.1.1 Điều khiển giao diện người máy MMI 24

3.1.2 Lõi điều khiển NCK 26

3.1.3 khối điều khiển logic PLC 26

1.3.4 Hệ truyền động servo 28

3.2 Nghiên cứu về NCK 31

3.2.1 Cấu trúc của NCK 31

3.2.2 Nguyên tắc hoạt động 33

3.3.3 Vai trò của NCK 34

Trang 2

3.4 Nguyên tắc thiết kế bộ NCK trong máy CNC 46

3.4.1 lõi điều khiển NCK cấu trúc theo kiểu ACDAI 46

3.4.2 Lõi điều khiển NCK cấu trúc theo kiểu ADCBI 52

Chương 4 NGHIÊN CỨU VỀ MÁY CNC DMU 50T CỦA DECKEL MAHO 54

4.1 Thông số kĩ thuật của máy 54

4.2 Hệ điều khiển ITNC 530 55

4.3 Cấu trúc hệ điều khiển trên máy phay CNC 5 trục DMU 50T 56

Trang 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh sự khác nhau giữa máy NC thông thường và máy CNC 5Bảng 2.1 Một số nhóm lệnh quan trọng 18Bảng 3.1 Nguyên tắc hoạt động của NCK 34

Trang 4

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Máy phay CNC 2

Hình 1.2 Lịch sử phát triển của CNC 3

Hình 1.3 máy NC thế hệ đầu 4

Hình 1.4 Khả năng gia công của máy tiện 8

Hình 1.5 Khả năng gia công của máy phay 9

Hình 1.6 Khả năng gia công của máy cắt laser 11

Hình 1.7 Một số sản phẩm của tạo mẫu nhanh 11

Hình 2.1 Ví dụ về ngôn ngữ APT 15

Hình 2.2 Các mặt phẳng chuẩn 16

Hình 2.3 Quá trình dịch chuyển của dao 20

Hình 2.4 Điểm gốc và điểm chuẩn trên máy 21

Hình 2.5 Hệ tọa độ trên máy CNC 22

Hình 3.1 Cấu thành hệ thống điều khiển CNC 24

Hình 3.2 Màn hình giao diện MMI của Fanuc và các phím điều khiển dùng cho máy phay 26

Hình 3.3 Kiến trúc và chức năng của hệ thống PLC 27

Hình 3.4 Cấu tạo động cơ servo 28

Hình 3.5 Kiến trúc hệ CNC xét trên phương diện cả phần cứng và phần mềm 31

Hình 3.6 Cấu trúc phần mềm của NCK 32

Hình 3.7 Cấu trúc khối biên dịch chương trình 35

Hình 3.8 Thuật toán biên dịch chương trình 36

Hình 3.9 Nội suy đường thẳng dùng phương pháp phân tích vi phân số 38

Hình 3.10 Cách xác định tâm trong phương pháp nội suy cung tròn 41

Hình 3.11 Nội suy bậc thang 42

Hình 3.12 Lưu đồ phương pháp tăng tốc giảm tốc sau nội suy 44

Hình 3.13 Lưu đồ của phương pháp tăng tốc giảm tốc trước nội suy 44

Hình 3.14 Lõi điều khiển NCK cấu trúc theo kiểu ACDAI 46

Hình 3.15 Nội suy thô trong trường hợp đường nội suy là đường thẳng 48

Hình 3.16 Nội suy thô trong trường hợp đường nội suy là đường tròn 49

Hình 3.17 Chức năng của nội suy thô 50

Hình 3.18 Thuật toán chọn chế độ điều khiển 50

Hình 3.19 Thuật toán tăng tốc giảm tốc theo dạng đường tương ứng 51

Trang 5

Hình 3.20 Lõi điều khiển NCK cấu trúc theo kiểu ADCBI 52

Hình 4.1 Máy CNC DMU 50T 54

Hình 4.2 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển ITNC530 57

Hình 4.3 Cấu trúc hệ điều khiển trên máy pháy CNC DMU 50T 58

Hình 4.4 Khối MC422E dùng trong máy DMU 50T 60

Hình 4.5 Khối CC422 được sử dụng trong máy DMU 50T 61

Hình 4.6 Cấu trúc cổng ghép nối hệ điều khiển trên máy phay 5 trục DMU 50T 62

Hình 4.7 Cơ đồ biến tần ghép nối với CC MC và động sơ servo 63

Trang 7

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật hiện nay đòi hỏi cần cónhững chi tiết cơ khí phức tạp với độ chính xác cao thì công nghệ gia công kim loại cũngđạt được một số thành tựu bằng việc áp dụng những bộ điều khiển số hiện đại vào cácmáy gia công kim loại Để đáp ứng yêu cầu đó máy CNC ra đời như một giải pháp hữuhiệu cho việc gia công các chi tiết khó có độ chính xác cao với số lượng lớn trong thờigian ngắn, Góp phần tiết kiệm chi phí và mang lại hiệu quả kinh tế cao

Tuy máy CNC đã được phát triển từ khá lâu ở các nước tiên tiến trên thế giới nhưng nóvẫn là một vấn đề mới mẻ ở Việt Nam Hầu hết các máy đều được nhập nguyên chiếc từnước ngoài với giá thành cao, và khi có lỗi hỏng hóc thì bảo trì sửa chữa là rất khó khăn,nhiều trường hợp khi máy hỏng những lỗi rất nhỏ nhưng cũng không thể sửa chữa màphải ngừng hoạt động gây lãng phí rất lớn Với mục tiêu nghiên cứu để có những kiếnthức cơ bản về hệ điều khiển số trong máy CNC, để dần dần những kiến thức về hệ điều

khiển CNC không còn xa lạ với người Việt Nam nữa Em xin đề xuất đề tài “ Nghiên cứu

về bộ điều khiển NCK trong máy phay CNC 5 trục “ Đề tài của em gồm 4 chương cụ thể

như sau :

- Chương 1 : Giới thiệu về máy CNC.

- Chương 2 : Ngôn ngữ chương trình, cấu trúc và cách lập trình cho máy CNC.

- Chương 3 : Cấu trúc hệ điều khiển và vai trò của NCK

- Chương 4 : Nghiên cứu về máy CNC DMU 50T của deckel maho.

Trong quá trình là đồ án em được thầy TS Nguyễn Quang Địch trưc tiếp hướngdẫn rất chi tiết và nhiệt tình,em xin cảm ơn thấy rất nhiều

Khi viết em đã cố gắng rất nhiều để hoàn chỉnh đồ án nhưng do kiến thức và thờigian cóc hạn chắc chắn không tránh khỏi sai xót vì vậy em rất mong sự thông cảm vàgióp ý của các thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn !

Trang 8

Chương 1 Giới Thiệu Về Máy CNC

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ MÁY CNC

1.1 Giới thiệu chung

CNC là viết tắt của cụm từ tiếng Anh Computer Numerical Control, nghĩa là máy gia công được điều khiển bằng máy tính Chỉ đến những máy gia công kim loại được tích

hợp thêm bộ điều khiển số,có khả năng tự động gia công dưới sự lập trình của con người

Hình 1.1 Máy phay CNC Máy ra đời với mục đích gia công các chi tiết khó với độ chính xác cao và rút ngắnthời gian sản xuất,bằng việc ứng dụng những thành tựu tiên tiến của ngành điều khiển tựđộng hóa trong những năm gần đây.Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thayđổi việc sản xuất công nghiệp.Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng,các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác docon người thực hiện được giảm thiểu.Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuấtvới máy CNC tạo nên sự phát triển đáng kể về độ chính xác và chất lượng Kỹ thuật tựđộng của CNC giảm thiểu các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các côngviệc khác Ngoài ra còn cho phép linh hoạt trong việc lập trình thay đổi các chế độ gia

Trang 9

công để phù hợp với các chi tiết có hình dạng khác nhau Trong môi trường sản xuất, một

loạt các máy CNC kết hợp thành một tổ hợp, gọi là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên

một bộ phận Máy CNC ngày nay được điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềmCAM, vì thế một bộ phận hay lắp ráp có thể trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà khôngcần các bản vẽ in của từng chi tiết Có thể nói CNC là các phân đoạn của các hệ thốngrobot công nghiệp, tức là chúng được thiết kế để thực hiện nhiều thao tác sản xuất (trongtầm giới hạn)

1.2 Lịch sử phát triển

Lịch sử phát triển của CNC qua hơn 60 năm được tóm tắt bằng hình sau:

Năm 1949, John Parson bắt đầu nghiên cứu máy phay NC 3 trục tại

phòng thí nghiệm cơ điện tử của học viện công nghệMasachusette

Hình 1.2 Lịch sử phát triển của CNC

Năm 1954, máy NC được ứng dụng vào sản xuất Tuy nhiên, thế hệmáy NC đầu sử dụng các cáp logic trong hệ thống Phương pháp điềukhiển theo điểm và đường thẳng Việc điều khiển mang tính cứng.Không có quan hệ hàm số giữa chuyển động và tọa độ nên chỉ gia côngđược các chi tiết đơn giản

Do dó nghiên cứu để thay thế thành phần phần cứng bằng thành phần phần mềm đãđược tiến hành Sự tiến bộ của công nghệ ngành điện trong những năm 1970 – 1980.Nhất là hệ thống NC đã trở thành một hệ thống CNC có chức năng được thực hiện bởimột vi xử lý Tuy nhiên , hệ thống CNC là một hệ thống kín mà người dùng không thểthêm các chức năng tùy chỉnh vào hệ thống CNC

Trang 10

Trong những năm 1990, một nỗ lực đã được thực hiện để thay đổi hệ thống CNC kínsang một kiến trúc điều khiển mở ( OAC) , mà là một hệ thống CNC dùng theo địnhhướng người dùng và PC-based open CNC bao gồm một máy tính và VME đã được giớithiệu như là bộ điều khiển kiến trúc mở Tuy nhiên, PC-based open CNC đã không đạtđược mức độ mở hoàn hảo để đáp ứng đầy đủ các yêu cầu khác nhau ủa người dùng từcác phần cứng và phần mềm

Trong những năm đầu của thế kỉ 21 với sự phát triển của ngành khoa học máy tính,người ta đã tích hợp bộ điều khiển máy NC bằng một máy tính (computer), và một thế hệmáy mới ra đời lấy tên là máy điều khiển chương trình số CNC Việc điều khiển trở nênmềm hóa,có thể dễ dàng lập trình và thay đổi chương trình,tốc độ tính toán và xử lýnhanh.Gia công được trên nhiều mặt có hình dạng phức tạp Phương pháp điều khiển theođường biên được thực hiện bằng bộ nội suy Có quan hệ hàm số giữa chuyển động và tọa

độ Chương trình được soạn thảo tỉ mỉ hơn và có thể gia công được các chi tiết phứctạp.Phát triển các máy CNC 3 trục,5 trục,7 trục,9 trục có thể gia công được hầu như tất

cả các vật thể yêu cầu độ khó cao

1.3 Ưu nhược điểm của máy CNC

Trang 11

1.3.1 Sự khác nhau giữa máy NC,CNC và các máy công cụ thông thường

Hình 1.3 máy NC thế hệ đầuBảng 1.1 So sánh sự khác nhau giữa máy NC thông thường và máy CNC

Máy công cụ thông thường

Máy công cụ NC Máy công cụ

Chương trình NC đượcnhập vào hệ điều khiểnbởi băng đục lỗ

Chương trình NC cóthể được nhập vào hệđiều khiển CNC thôngqua bàn phím,đĩahoặc cổng giaotiếp(seriell,bus) Hoặctải trực tiếp dữ liệu từphần mềm CAM.Nhiều chương trình

Trang 12

Người công nhâncài đặt các thông

số công nghệ (sốvòng quay,lượngchạy dao…) vàđiều khiển việc giacông thông qua cáctay quay

Điều khiển NC :

Điều khiển NC xử lýcác thông tin về đườngdịch chuyển và cácchức năng máy trongchương trình NC trênbăng đục lỗ và đưa racác tín hiệu điều khiểntương ứng tới từng bộphận

Điều khiển CNC :

Máy tính và phầnmềm tương ứng tíchhợp trong máy CNClàm nhiệm vụ điềukhiển và điều chỉnhmáy công cụ CNC

Bộ lưu trữ chương trình,chương trình con,dữliệu máy,kích thướcdụng cụ cắt và các giátrị hiệu chỉnh cũngnhư các chu tình giacông được sử dụng

Có tích hợp cả phầnmềm phân tích lỗi vàbáo lỗi

Kiểm

tra

Người công nhân

đo và kiểm tra kíchthước bằng tay,nếucần phải lập lạitiến trình gia công

Máy NC đã đảm nhậntrong khi gia công đạtcác kích thước chi tiếtbởi sự phản hồi thườngxuyên của hệ thông đo

và của mô tô vị trí

Máy CNC đảm nhậnviệc kiểm tra bằngcách liên tục nhận tínhiệu phản hồi từ hệthống đo và các cảmbiến do đó các kíchthước gia công đượcđảm bảo chính xác

1.3.2 Ưu điểm

o Tự động hóa sản xuất,hiệu quả kinh tế cao.

Máy CNC không chỉ quan trọng trong ngành cơ khí mà còn trong nhiều ngànhkhác như may mặc, giày dép, điện tử v.v Bất cứ máy CNC nào cũng cải thiện trình độ tựđộng hóa của doanh nghiệp: người vận hành ít, thậm chỉ không còn phải can thiệp vàohoạt động của máy Sau khi nạp chương trình gia công, nhiều máy CNC có thể tự độngchạy liên tục cho tới khi kết thúc, và như vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác

Trang 13

Thứ nữa, ít xảy ra hỏng hóc do lỗi vận hành, thời gian gia công được dự báo chính xác,người vận hành không đòi hỏi phải có kỹ năng thao tác (chân tay) cao như điều khiểnmáy công cụ truyền thống

- Lập trình được trực tiếp trên máy bởi khả năng nhập bằng tay

- Việc đảm trách ở bộ phận chuẩn bị sản xuất cho việc lập trình,săn sàng vật liệucũng như dụng cụ cắt và nhập các dữ liệu được thực hiện tại chỗ làm việc

- Lưu trữ trong các trường hợp gia công lặp lại của một chương trình gia công chitiết đặcbiệt dưới dạng chương trình con

- Tối ưu hóa chương trình NC trong hệ điều khiển

o Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm

Các máy CNC thế hệ mới cho phép gia công các sản phẩm có độ chính xác và độphức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được Một khi chương trìnhgia công đã được kiểm tra và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo cho ra hàng loạt sảnphẩm phẩm với chất lượng đồng nhất Đây là yếu tố vô cùng quan trọng trong sản xuấtcông nghiệp quy mô lớn

- Chất lượng chi tiết gia công ổn định,ít phế phẩm

Làm tăng độ chính xác gia công do cấp chính xác cao của máy (1/1000mm độ chínhxác đo

Trang 14

o Linh hoạt

Chế tạo một chi tiết mới trên máy CNC đồng nghĩa với nạp cho máy một chươngtrình gia công mới Được kết nối với các phần mềm CAD/CAM giúp người lập trình dễdàng thay đổi hình dạng và chỉnh sửa các đường gia công theo ý muốn,ngoài ra còn cóthể chạy thử để giảm thiểu đến mức ít nhất những sai xót khi gia công thức tế, công nghệCNC trở nên vô cùng linh hoạt giúp các doanh nghiệp thích ứng với các thay đổi nhanhchóng và liên tục về mẫu mã và chủng loại sản phẩm của khách hàng

o Giảm diện tích mặt bằng

Có những máy CNC được tích hợp cho phép thao tác được nhiều nguyên côngkhác nhau trên một máy,điều mà các máy công cụ thông thường không làm được.Do đógiảm đáng kể diện tích mặt bằng được sử dụng.Nhiều máy CNC có hợp với nhau tạo lênmột tổ hợp sản xuất liên tục

1.3.3 Nhược điểm

o Giá thành cao

Hiện nay để có được một máy CNC 3 trục,5 trục 7 trục tầm trung cũng phải đầu

tư 3-5-7 tỷ đồng như vậy là một thách thức đối với các doanh nghiệp vừa và nhỏ,do tỷ lệnội địa hóa không cao,hầu hết là phải nhập nguyên chiếc từ nước ngoài

o Sửa chữa khó

Ngoài giá thành ra thì vấn đề bảo trì sửa chữa,chỉnh định trong quá trình hoạtđộng đối với các máy CNC là rất khó khăn,có những tình trạng đáng buồn là một số màyCNC bị hỏng những lỗi nhỏ thôi những cũng không thể sửa chữa mà phải dừng hoạt động

do đây là một lĩnh vực tuy đã phát triển khá lâu ở các nước tiên tiến,nhưng lại là một vấn

đề còn mới mẻ ở Việt Nam chính vì thế nên đội ngũ kĩ thuật có chuyên môn sâu rất ít hầuhết là phải mời chuyên gia từ nước ngoài.Dẫn đến chi phí sửa chữa và bảo trì cao cácdoanh nghiệp cũng vì nguyên nhân này mà còn dè dặt trong việc đầu tư vào mày CNC

o Phải chọn và huấn luyện đội ngũ NC

Đội ngũ NC có thể thiết kế chương trình gia công,lập kế hoạch sản xuất và vậnhành máy CNC không phải là những công nhân cơ khí thông thường mà phải là nhữngngười có chuyên môn,và hiểu biết sâu về máy CNC phải được đào tạo trong thời gian dài

và kết hợp với làm thực tế thì mới có thể vận hành được máy hoạt động tốt theo yêu cầucông nghệ

1.4 Ứng dụng trong thực tế của công nghệ CNC

Vì những đặc tính kĩ thuật vượt trội của mình máy CNC có rất nhiều ứng dụng trongthực tế

Trang 15

Gia công tiện,phay,mài,khoan, những chi tiết cơ khí phức tạp

 Khả năng gia công của máy tiện ( hình 1.4)

Hình 1.4 Khả năng gia công của máy tiện

 Khả năng gia công của máy phay CNC (hình 1.5)

Đặc điểm:

- Ba trục NC thẳng và một bàn trong quay được để gia công 4 mặt trên phôi

có hình khối vuông trên một lần gá

- Có thể thực hiện mọi công việc(phay,khoan,tiện,cán phẳng,cắt ren) với kếtcấu mở rộng phù hợp có thể phay biên dạng,khoan nghiêng hoặc tiện ren

- Có thêm các thiết bị thay đổi phôi để giảm thời gian đứng máy do phải thayđổi phôi gia công

o Máy cắt laser( hình 1.6)

Khả năng gia công trên máy cắt laser là một dạng cắt đốt cháy tinh bằng cáchdùng một tia ánh sáng không nhìn thấy làm cho vật liệu gia công nòng chẩy và tận

Trang 16

Hình 1.5 Khả năng gia công của máy phay

Ưu thế của phương pháp cắt đốt so với cắt bằng:

- ứng dụng thuận tiện cho tấm tôn mỏng

- không cần dụng cụ nên không có hiện tượng mòn dụng cụ

- không cần lực tác động

Trang 17

- tốc độ cắt cao ít tiếng ồn

- tạo được các khe,rãnh thủng hẹp mảnh

Trang 18

o Máy tạo mẫu nhanh

Nguyên lý chung:

- Vật liệu được đưa vào và liên kết với nhau để tạo thành mẫu không phải cắtgọt vật liệu như các phương pháp gia công truyền thống(phay,tiện,bào )

- Trực tiếp tạo ra các mẫu thực từ mô hình CAD

- Mẫu được tạo thành theo từng lớp,lớp sau được tạo nên trên nền của lớptrước

- Kích thước vật thể tạo mẫu bị hạn chế khoảng 0.125 m3

Vật liệu dùng trong công nghệ tạo mẫu nhanh bị hạn chế và phụ thuộc vào phươngpháp sử dụng

o Ngoài ra công nghệ NC còn được sử dụng trong một số lĩnh vực khác như:

- Máy đan tự động (thêu)

- Máy cắt quần áo

- Máy tán đinh tự động

Trang 19

Hình 1.6 Khả năng gia công của máy cắt laser

Một số sản phẩm của tạo mẫu nhanh ( hình 1.7)

Hình 1.7 Một số sản phẩm của tạo mẫu nhanh

Trang 20

Chương 2 Cấu trúc chương trình, ngôn ngữ và cách lập trình cho máy CNC

Chương 2 CẤU TRÚC CHƯƠNG TRÌNH, NGÔN NGỮ VÀ

CÁCH LẬP TRÌNH CHO MÁY CNC

2.1 cấu trúc chương trình

Một chương trình NC hoàn chỉnh bao gồm ba phần :

- Mở đầu chương trình : tên chương trình

- Thân chương trình : trình tự các câu lệnh NC với các thông tin gia công như

hệ tọa độ được áp dụng,dao cắt,quỹ đạo đường chạy dao,tọa độ các điểm mà dao đi qua,các chế độ làm mát…

- Kết thúc chương trình

o Bắt đầu chương trình :

Hình thành một kí hiệu hoặc một lệnh (ví dụ %) nó báo cho hệ điều khiển CNCbiết sẽ có một chương trình NC theo sau.Ngoài ra dòng đầu tiên của chương trình NCcũng cho bietes tên chương tình ví dụ TP0147.Hai đặc điểm này làm nhiệm vụ quảnlý,lưu trữ chương trình NC cũng như để gọi chúng trong hệ điều khiển NC

Tên chương trình NC có thê gồm các kí hiệu chữ hoặc số.Thông thường tên củachương trình NC có 2-6 kí tự và thường được dùng nhận biết chương trình

o Thân chương trình :

Là tập hợp các câu lệnh hợp lệ,chúng chứa các thông tin về công nghệ giacông,hình dáng hình học của chi tiết và kĩ thuật gia công.Hệ điều khiển CNC cần cácthông tin này cho từng bước gia công

o Kết thúc chương trình

Được lập trình bởi lệnh M30 hoặc M02

Tất cả những gì mô tả trước kí hiệu % để bình luận chương trình,được hệ điều khiển bỏqua

o Cấu trúc một câu lệnh :

Mỗi câu lệnh NC bao gồm số của câu lệnh,một số các từ lệnh cũng như một dấu hiệuđiều khiển riêng biệt dùng để báo cho hệ điều khiển CNC biết câu lệnh NC đã kếtthúc.Dấu hiệu điều khiển này được kí hiệu là LF.Nó được tự động tạo ra trong chươngtrình NC khi nhấn phím chấp nhận của hệ điều khiển CNC hoặc phím enter trên bàn phím

Ví dụ : N75 G01 Z -10.75 S1800 T03 M08 LF

N75 : là số của câu lệnh

Trang 21

G01,Z-10.75,S1800,T03,M08 : là từ lệnh thể hiển sự di chuyển của dao,loại dao

2.2 Các dạng ngôn ngữ được sử dụng trong lập trình CNC

Về ngôn ngữ lập trình cho máy CNC người ta chia làm hai loại: ngôn ngữ lập tìnhbằng tay và ngôn ngữ lập trình tự động

Đối với ngôn ngữ lập trình bằng tay,về cơ bản thì hiện nay đã được chuẩn hóa bởiISO.Tuy nhiên cũng có một sô quốc gia,một số hãng chế tạo máy vẫn có một số mã coderiêng khác với tiêu chuẩn mà chỉ có thể dùng thích hợp trên các thiết bị đó.Đây cũng làmột trong những vấn đề gây khó khăn và trở ngại cho cán bộ lập trình vì thói quen sửdụng ngôn ngữ đã có trước đó,đặc biệt là khi nhà máy xí nghiệp của họ có rất nhiều loạimáy của nhiều hãng sản xuất khác nhau.Vì thế,đây cũng là một vấn đề mà các nhà đầu tưcần phải tính đến khi mua sắm máy CNC

2.2.1 ngôn ngữ lập trình tự động

Với ngôn ngữ lập trình bằng máy tính hay còn gọi là ngôn ngữ lập trình tự động,thì

về cơ bản đều dựa theo chuẩn thông nhất-Đó là ngôn ngữ lập trình tự động

ATP(Automatically Programmed Tools : công cụ lập trình tự động).Ngôn ngữ này được phát triển tử viện công nghệ Illinoi của Mỹ.Hiện nay nó được sự dụng và phổ biến

nhất.Với APT,cho phép lập tình với các máy 5D với độ dài 3000 từ

APT bao gồm những nhóm cơ bản sau:

- Mô tả kích thước và hình dáng hình học của chi tiết gia công

- Mô tả trình tự và quỹ đạo chuyển động của dụng cụ cắt

- Điều khiển cơ cấy máy cũng như thay đổi các thông số cắt gọt

Trang 22

- Bổ xung các chức năng chuyên dụng như chu trình ăn dao,bù dao và cácchức năng chuyển tiếp khác

Về thức chất,ngôn ngữ APT là biểu diễn một chương trình gia công bằng cách môt

tả các hoạt động của dao cùng với các hoạt động của nó bằng các câu lệnh trên cơ sở viếttắt của các từ trong tiếng Anh

 Quỹ đạo chuyển động

Lệnh dịch chuyển : GOTO (GOTO/P 1 dịch chuyển đến điểm P1)

(FROM/TARG từ điểm xuất phát)

(GODLTA tăng tốc độ dịch chuyển dụng cụ)

Lệnh bù dao:

TLIFT (dao cắt phía bên trái chi tiết)

TLON (không bù dao)

TLRGH (dao cắt phía bên phải chi tiết)

Các mặt phẳng chuẩn:

DS (Driver surface: Mặt định hướng dao cắt)

Trang 23

PS (Part surface:mặt đáy của dao)

Hình 2.1 Ví dụ về ngôn ngữ APT

CS (Check surface : Mặt chuẩn ngừng dịch chuyển cắt gọt)

Định vị chính xác dụng cụ: TO (dụng cụ tiếp xúc phía trên mặt phẳng CS)

ON (dụng cụ nằm giữa mặt phẳng CS)

PAST (dụng cụ tiếp xúc phía dưới mặt phẳng CS)

Hướng chuyển động;

GOLFT (Dịch chuyển dụng cụ sang phải)

GORGT (Dịch chuyển dụng cụ sang trái)

GOFWP (dịch chuyển dụng cụ về phía trước)

GOBACK (Lùi dụng cụ về phia sau )

Trang 24

Hình 2.2 Các mặt phẳng chuẩn

GOUP (Dịch chuyển dụng cụ lên)

GODOWN (Dịch chuyển dụng cụ về phía dưới)

Hướng quay hoặc nội suy: CW (clockwise-theo chiều kim đồng hồ)

CCW (Cuonter-clockWise- ngược chiều kim đồng hồ)

 Cách lệnh điều khiển máy và lệnh bổ sung:

Dung dịch trơn nguội : COOLNT (coolant)

2.2.2 Ngôn ngữ lập trình bằng tay (ngôn ngữ máy)

Là ngôn ngữ là mỗi kí tự của nó được xác định theo mã nhị phân 8 bit ASCII Bit thứ 8 là bit kiểm tra,với mã ISO tất cả các hãng phải có bit 1 là chẵn.Bit thứ 7 có các bit 1 là dùng cho các chữ cái

Bit thứ 5 và 6 dùng cho các ký tự số thập phân

Bit 1,2,3,4 dùng cho các giá trị số trong hệ nhị phân

Ví dụ: G= 01000111

X= 11011000…

Trang 25

Trên cơ sở của các kí tự,chương trình hình thành từ các block và mỗi block gồm các

từ chương trình hay gọi là từ lệnh và mỗi từ lệnh được hình thành từ các kí tự và các con

số đứng sau nó

Ví dụ: N15 G01 X40 Y50 Z75 F30 S1200 là một block

Trong đó : N15 : số câu lệnh theo thứ tự của chương trình

G01 : Từ lệnh điều khiển sự dịch chuyển thẳng của dụng cụ có cắt gọt

X40 ;Y50 ;Z75 : Tọa độ các điểm đến tron hệ tọa độ X,Y,Z)

F30 : lượng chạy dao 30mm/ph hoặc ich/ph

S1200 : Số vòng quay trục chính 1200 v/ph hoặc tốc độ cắt m/ph,ich/ph

o Chức năng chuẩn bị G

Chức năng chuẩn bị G thông thường được ghép thêm 2 chữ số từ G00-G99 dùng

để điều chỉnh sự dịch chuyển của các dụng cụ (chức năng dịch chuyển).Trong một số

hệ điều khiển có thể co đến 3 chữ số và chữ số thứ 3 được quy định riêng theo mãcode của hãng chế tạo máy đó

Trang 26

Thì G,Z,F ở đây là từ lệnh còn 01,0,1000 ở đây là dữ liệu

Một số lệnh thường sử dụng:

 G00 di chuyển nhanh không cắt gọt

Lượng chạy dao khi dịch chuyển là lớn nhất (giá trị này tùy từng loại máy vàtưng nhà sản xuất quy định và đã được mặc định sẵn trong máy).Thông thườngchức năng này tương ứng với khi định vị nhanh dụng cụ nhằm giảm đáng kể thờigian phụ

(1) Movement: Lệnh liên quan đến sự di chuyển giữa công cụ và cácmẫu chi tiết

(2) Cài đặt hệ tọa độ máy: chỉ rõ điểm gốc và hệ tọa độ gốc bao gồm hệtọa độ trực giao, hệ tọa độ cực,hệ tọa độ quay

(3) Phép nội suy: bao gồm nhiều lệnh nội suy như nội suy đường thẳng,đường cong, xoắn ốc…

(4) Lệnh khác : Gồm các lệnh liên quan đến thu hồi công cụ, kiểm tratính an toàn , skip…

Mã M

Gọi là chức năng phụ làm việc như một chức năng hỗ trợ cho chức năngG

Ví dụ: M08;……….bật dung dịch làm nguội M09;……….tắt dung dịch làm nguộiNhóm lệnh chức năng cho việc điều khiển đơn giản công cụ máy baogồm việc làm chễ, đóng ngắt cũng như việc điều khiển trục

1 Coolant: Lệnh on/off

2 Bắt đầu hoặc kết thúc một chương trình chính cho biết việc bắt đầuhoặc kết thúc một phần chương trình

3 Trục quay : Nhóm lệnh liên quan đến trục quay để theo CCW or CW

và định rõ tốc độ quay của trục, giới hạn tốc độ,

4 Miscellaneous: Nhóm lệnh liên quant hay đổi công cụ, chi tiết gia

Trang 27

công, bàn kê và góc quay của gá hoặc tải

 G01 Nội suy tuyến tính

Trong quá trình dịch chuyển,dụng cụ cắt sẽ thực hiện quá trình cắt gọt.Lượng chạydao và tốc độ cắt có thể được chọn và tính toán theo yêu cầu của quá trình gia công là thôhoặc tinh và phải được gọi vào trong câu lệnh

Dạng câu lệnh : N_G01 X_Y_Z_F_S_

G02 nội suy cung trong theo chiều kim đồng hồ

Trong đó: X,Y,Z là tọa độ điểm đến,F là lượng chạy dao,S là tốc độ cắt.Chức năngnày sẽ chi phối các lệnh tiếp theo nếu như chưa có một chức năng G00,G02,G03 hủy bỏnó

Trong quá trình dụng cụ dịch chuyển theo vòng tròn thuận chiều kim đồng hồ,dụng

cụ sẽ thực hiện quá trình cắt gọt.Lượng chạy dao và tốc độ cắt khi gia công được chọntùy thuộc vào vật liệu chế tạo dao,vật liệu gia công và yêu cầu về chất lượng của quátrình gia công và phải được đưa vào câu lệnh

Trong đó: X30,Y50 là toạc độ điểm đầu A và X40,Y10 là tọa độ điểm cuối B

I là tọa độ của tâm Oi so với tọa độ điểm đầu theo phương X,J là tọa độ của tâm

Oi so với tọa độ điểm đầu theo phương Y có tính đến dấu trừ J=-20

Trang 28

Tương tự như lệnh G02 nhưng ngược chiều

Chức năng của các nhóm lệnh được tóm tắt trong bảng 2.1

2.4 Cách tạo một chương trình CNC

2.4.1 Những yêu cầu cần thiết trước khi đi vào lập trình

Trước khi lập chương trình gia công chi tiết,người lập trình cần phải có đầy đủ cáctài liệu cần thiết cũng như cần lắm vững các kĩ thuật lập trình

Gồm có:

- Bản vẽ chi tiết và các yêu cầu kĩ thuật kèm theo như độ nhám bề mặt,độ chínhxác của kích thước,độ chính xác về vị trí tương quan,vật liệu chi tiết gia công và các yêucầu về gia công nhiệt

- Quy trình công nghệ và trình tự các nguyên công hay bước công nghệ trên cơ sởphân tích các chuyển động có thể thức hiện được trên mỗi trục may Nc và các khả năngđạt độ chính xác và các yêu cầu kĩ thuật khác

- Các thông số của máy NC: Như công suất có thể lớn nhất của trục chính,của bànchạy phôi hay dao,các thông số và khoảng tốc độ cắt hay tốc độ dịch chuyển có thể củamáy

- Nắm vững hệ điều khiển của máy là 2D,3D,2D1/2,4D… và khả năng xử lý với

Trang 29

 Điểm gốc máy M

Điểm này được quy định bởi nhà sản xuất,tất cả các kích thước trên máy được đodựa trên điểm gốc này,điểm gốc M đồng thời là điểm gốc của hệ tọa độ

 Điểm tham chiếu R

Là điểm nằm trong vùng làm việc của máy được xác định bởi các công tắc giới hạnhành trình.Vị triscuar bàn trượt được báo tói bộ điều khiển khi nó tiếp cận điểmtham chiếu.Phải được thực hiện sau tất cả các lần tắt nguồn

 Hệ tọa độ lập trình tuyệt đối

Gốc hệ tọa độ nằm tại điểm gốc mày M hoặc tại điểm gốc phôi sau phép dịchđiểm gốc

 Hệ tọa độ lập trình tương đối

Gốc hệ tọa độ này nằm tại điểm tham chiếu gá dao N hoặc tại mũi dao sau khigọi dao

Trang 30

Có các hình thức lập trình sau:

a Lập trình bằng tay trực tiếp trên máy

Với các máy có cụm điều khiển số CNC được trang bị các bàn phím chức năng vàmàn hình đồ họa cho phép nhập trực tiếp các câu lệnh vào cụm CNC.Để giảm thời gianchi phí cho việc tính toán các điểm trung gian,các chiều dài lát cắt và thời gian dừng cầnthiết tại mỗi thời điểm của mũi khoan thường tì ta bố trí vào máy CNC các chương trìnhcon,các số liệu về tọa độ các điểm cần thiết để người lập trình có thể lấy ra bất kì lúc nào

Để lập trình trực tiếp trên máy CNC,người lập trình phải biết sử dụng các kỹ thuậtmenu và Soft-key trên máy CNC

Sau khi đã lập xong chương trình,muốn kiểm tra lại liệu chương tình được lập có đúnghay không,có nguy cơ mất an toàn hay gây ra va chạm với máy,đồ gá hay không…Người

ta sẽ chạy chương trình mô phỏng quỹ đạo chuyển động cắt của dụng cụ trên màn hình đãđược thiết lập.Nếu còn sai xót nào thì có thể sửa chữa lại và kiểm tra cho đến lúc chắcchắn đúng thì mới tiến hành gia công,vì một sai xót nhỏ có thể phải trả giá đắt trong giacông

Trang 31

b Lập trình bằng tay tại trung tâm chuẩn bị chương trình

Kiểu lập trình này thích hợp với các cơ sở sản xuất của các nhà máy có năng lực sảnxuất lớn hay thực hiện một hợp đồng bao gồm nhiều chi tiết lắp ghép mà cần phải thựchiện trên nhiều mày CNC.Khi đó yêu cẩu phải có phòng lập trình và có các kĩ sư lập trình

đủ trình độ về chuyên môn và kinh nghiệm về nghề nghiệp,đặc biệt là các máy3D,4D,5D.Các kĩ sư lập trình này trước hết phải được trải qua quá trình lập trình trực tiếptrong phân xưởng và đạt đến trình độ thành thạo và có kinh nghiệm thì mới đảm nhiệmđược công việc

c Lập trình với sự hỗ trợ của máy tính

Tương tự như lập trình bằng tay nhưng các tính toán trong quá trình lập trình đượcgiảm xuống một cách đáng kể và thực hiện nhanh hơn nhờ các máy tính đã được trang bịcác bộ xử lý,bộ nội suy và chứa các dữ liệu cần thiết mà người lập trình có thể thực hiệnbất kì lúc nào muốn

d Lập trình bằng máy

Từ cơ sở CAD: Vẽ và thiết kế trên máy tính,người ta đã đưa ra một hệ thống biêndịch trợ giúp cho quá trình lập trình,sau khi đã thiết kế xong chi tiết,ta có thể lựa chọnquy trình công nghệ gia công và cách thức gia công(như cắt thô,cắt bán tính hay cắt tinh

và cắt rất tinh,các kiểu tiến hành ăn dao…) và từ kiểu lựa chọn đó máy tính sẽ xác địnhmột chương trình gia công thích hợp dưới dạng mô tả các quá trình dịch chuyển dụng cụ

và chế độ công nghệ tương ứng.Công việc tiếp theo là mã hóa chương trình gia công trên

do bộ hậu xử lý theo code của hệ thông điều khiển số tương thích được lắp trên máy đểcho ra chương trình gia công thích hợp với ngôn ngữ máy.Kĩ thuật đó gọi là CAM.Ngàynay các phần mêm CAD/CAM ngày càng mạnh hơn và có nhiều chức năng thuận lợicũng như giá thành rẻ hơn đã cho phép người sử dụng thuận lợi hơn trong quá trình lậpchương trình gia công đặc biệt là với các máy 3D 4D 5D

Trang 32

Chương 3 Cấu trúc hệ điều khiển và vai trò của NCK

Chương 3 CẤU TRÚC HỆ ĐIỀU KHIỂN VÀ VAI TRÒ CỦA NCK

Hệ thống điều khiển trong máy CNC có vai trò rất quan trọng,nó là điểm khác biệtlớn nhất giữa các máy CNC và máy công cụ thông thường.Nhờ có hệ điều khiển mà máyCNC làm việc chính xác và đảm bảo tốt các yêu cầu công nghệ đặt ra.Nó nhận chươngtrình từ người sử dụng và xử lý tính toán rồi đưa ra các tín hiệu điều khiển vị trí và tốc độcho động cơ servo,ngoài ra còn điều khiển một số chức năng phụ trợ khác

3.1 Tổng quan hệ điều khiển máy CNC

Xét về mặt chức năng hệ CNC gồm ba thành phần chính là: bộ giao tiếp giữa người vàmáy (MMI-Man Machine Interface),phần lõi điều khiển số (NKC- Numerical ControlKernel) và bộ điều khiển loigic khả lập tình PLC (Programmable Logic Control)

Hình 3.1 Cấu thành hệ thống điều khiển CNC

3.1.1 Điều khiển giao diện người máy MMI

MMI chịu trách nhiệm giao tiếp giữa NC và người vận hành máy,thi hành các lệnhcủa máy,hiển thị thông tin,trạng thái làm việc và thực hiện các chức năng soạn thảochương trình gia công.Lưu trữ các kho ứng dụng và lưu các dữ liệu cần thiết cho ngườivận hành tiện sử dụng

Trang 33

o Các chức năng tiện sử liên quan đến hoạt động của máy:

Bao gồm hiểm thị trạng thái của máy khi máy hoạt động ví dụ như khoảng cách

đã đi được,tốc độ dịch chuyển dao,tốc độ quay trục chính,dòng lệnh nào đang đượcthi hành…Ngoài ra nó còn hỗ trợ các chức năng dịch chuyển bàn máy bằngtay,nhập dữ liệu bằng tày,tím chương trình,soạn thảo chương trình,quản lý dụng cụcắt

o Chức năng thiết lập các tham số:

- Tham số máy dùng để thiết lập các chế độ thông thường của máy,hệ dẫn động cácđộng cơ servo và trục chính,hiệu chỉnh dao,hệ tọa độ máy,các điều kiện biên antoàn

- Tham số chương trình thiết lập trong quá trình soạn thảo chương trình

- Tham số người dùng để thích nghi với yêu cầu của người sử dụng máy

o Chức năng soạn thảo chương trình gia công:

Chức năng này cho phép nhập và chỉnh sửa chương trình gia công Ở một số hệ điềukhiển CNC,chức năng lập trình gia công sử dụng chế độ đối thoại giữa người và máy đểgiúp cho việc soạn thảo chương trình được dễ dàng hơn.Ví dụ để soạn thảo chương trìnhgia công khoan lỗ,người

o Chức năng giám sát cảnh bảo:

Hệ CNC luôn thông báo cho người dùng trạng thái và tình trạng của máy.Chức năngnày rất cần thiết khi máy hoạt động ở tốc độ cao

o Các dịch vụ tiện ích khác:

Ngoài 4 chức năng thiết yếu bên trên,nhiều chức năng tiện ích khác rất hữu dụng vớingười vận hành máy.Ví dụ như chức năng DNC có nhiệm vụ truyền chương tình gia côngsoạn thảo bên ngoài máy CNC xuống máy để tiến hành gia công,hoặc copy các tham sốtrong máy ra bên ngoài và lưu lại dụng cho lần sau

Trang 34

Hình 3.2 Màn hình giao diện MMI của Fanuc và các phím điều khiển dùng

cho máy phay

3.1.2 Lõi điều khiển NCK

NCK là lõi điều khiển của hệ thông CNC,nó thông dịch chương trình gia công vàtiến hành nội suy,điều khiển vị trí và bù trừ sai số trên chương trình đã được thôngdịch.Và phát tín hiệu điều khiển vị trí cũng như tốc độ cho động cơ servo để gia công chitiết

o Tăng tốc giảm tốc:

Nếu sử dụng trực tiếp dữ liệu chuyển động tạo ra từ bộ nội suy,máy sẽ bị rung doquán tính khi chi tiết bắt đầu chuyển động và dừng,để khắc phục hiện tượng đó phải điềukhiển tăng tốc giảm tốc để quá trình chuyển động êm hơn

Các chức năng của NCK sẽ được nói rõ hơn trong mục 3.3

3.1.3 khối điều khiển logic PLC

Bộ điều khiển PLC điều khiển việc thay dao,thay phôi,các tín hiệu vào ra,các quátrình điều khiển tuần tự như mở đóng cửa,bật tắt dung dịch làm mát,bật tắt đèn,phát tínhiệu cảnh báo…Sơ đồ cấu trúc chức năng được chia làm 2 phần sau:

Trang 35

Hình 3.3 Kiến trúc và chức năng của hệ thống PLC Ngày khi bộ điều khiên máy CNC được cấp điện hệ thống điều khiển PLC sẽ kiểmtra toàn bộ đầu vào ra,điều chỉnh thời gian,bộ đếm và bộ nhớ chương trình…Khi tất cảcác điều kiện được thỏa mãn,bộ PLC sẽ cho phép tải chương trình gia công,để bộ điềukhiển trung tâm biên dịch

Chức năng của các khối:

o Khối lập trình: 3 nhiệm vụ cơ bản

- Biên soạn chương trình

- Biên dịch chương trình:bộ phận chuyển chương trình người sử dụng sangngôn ngữ máy

- Giám sát: kiểm tra chương trình đang chạy

o Khối CPU

- Hệ điều hành:

Có nhiệm vụ đọc và thực hiện chương trình điều khiển,đây là bộ phận chính của

1 bộ PLC,khối điều hành sẽ thực hiện liên tục các khối lệnh:đọc giá trị đầu vào,thực hiệnthuật toán logic,đưa kết quả tới đầu ra

- Bộ nhớ: để lưu trữ chương trình hệ thống và chương trình người sử dụng Cấu trúc của hệ điều khiển PLC của bộ điều khiển CNC là tương tự với các bộ điềukhiển CNC công nghiệp,tuy nhiên chúng thường được trang bị thêm bộ điều khiển phụ để

hỗ trợ một phần chức năng cho khối NCK.Vì vậy ngoài chức năng cơ bản của một PLCcông nghiệp thì bộ điều khiển CNC thường yêu cầu thêm một số chức năng:

- Mạch chuyên dụng để giao tiếp với NCK

- Thường sử dụng DPR để hỗ trợ giao tiếp tốc độ cao,có bộ nhớ đệm để traođổi dữ liệu chung gian trong giao tiếp tốc độ cao với khối NCK

- Có khối đầu vào tốc độ cao để phục vụ cho việc điều ở tốc độ cao

Trang 36

1.3.4 Hệ truyền động servo

a Cấu tạo động cơ servo

Động cơ servo về nguyên lý,cấu tạo phần điện-từ thì giống như các loại đông cơ bìnhthường(nghĩa là có cùng phần cảm ứng,khe hở từ thông,cách đấu dây ) nhưng có sự khácbiệt về cấu trúc cơ học,đó là động cơ servo có hình dáng dài,đường kính trục và rotor nhỏhơn động cơ thường cùng công suất,moment

Điểm nổi bật của 1 động cơ servo là tích hợp sẵn cơ cấu feekback vào bên trong độngcơ.Động cơ servo là thiết bị được điều khiên bằng chu trình kín.Từ tín hiệu hồi tiếp vậntốc/vị trí,hệ thống điều khiển số sẽ điều khiển hoạt động của một động cơ.Trên động cơ

có gắn các sensor vị trí hoặc tốc độ(encoder hoặc máy phát tốc)

Hình 3.4 Cấu tạo động cơ servo

Có 3 loại động cơ servo được sử dụng hiện nay là đông cơ servo AC dựa trên nềntảng động cơ AC lồng sóc,động cơ servo DC dựa trên nền tảng động cơ DC,và đông cơservo AC không chổi than dựa trên nền tảng động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộTùy theo mục đích điều khiển cụ thể mà ta chọn loại động cơ servo có tính chất phù hợp

b Đặc tính động cơ servo

Đông cơ servo được thiết kế cho những hệ thốn hồi tiếp vòng kín.Tín hiệu ra củađộng cơ được nối với một mạch điều khiển.Khi động cơ quay vị trí và vận tốc sẽ đượchồi tiếp về mạch điều khiển.Động cơ servo có những đặc tính sau:

Định dạng
Số trang	72
Dung lượng	3,82 MB