Một trong những hướng của tự động hoá sản xuất là sử dụng các máy điều khiển theo chương trình số. Các máy điều khiển số là điều kiện kỹ thuật cơ bản để thực hiện những dự án tự động hoá linh hoạt (fexible automatization) trên từng máy công cụ điều khiển số riêng lẻ (CNC Machines), ở các trung tâm gia công đều khiển số (CNC Engineering Centre), hay việc ghép nối chúng thành một hệ thống tự động linh hoạt (flexible automatical Machine systyem), điều khiển liên thông bằng các máy điện toán ghép mạng. Vào những năm 50 của thế kỷ 20 máy điều khiển theo chương trình số ra đời sau khi chiếc máy tính điện tử ENIAC được đưa vào sử dụng. Ngày nay, máy điều khiển theo chương trình số CNC được phát triển mạnh mẽ, nhanh chóng cùng với sự phát triển của các ngành “ co – tin điện tử”. Sự tiến bộ của kỹ thuật vi điện tử đã tạo điều kiện nâng cao một cách đáng kể công năng của các hệ điều khiển số, những cụm vi xử lí trở thành bộ phận chíng yếu của thiết bị, giúp cho máy CNC khong ngững phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghệ chế tạo máy. Các máy điều khiển số CNC được sử dụng để chế tạo các chi tiết cơ khí, đặc biệt là chế tạo các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết phục vụ công nghiệp, quốc phòng. Các máy công cụ điều khiển số còn được dùng trong nghiên cứu khoa học, đào tạo cán bộ kỹ thuật, đào tạo nghề nhằm cung cấp nguồn nhân lực lao động sản xuất trong tương lại. Vì máy công cụ CNC có đặc tính ưu việt và nổi bật là nâng cao chính xác và năng suất gia công, gia công được các bề mặt của chi tiết phức tạp sản xuất. Tuy nhiên, chi phí mua sắm, bảo trì, lập trình, môi trường cho máy CNC lớn hơn nhiều lần so với máy thông thường. Vấn đề cấp thiết ở nước ta là phải sử dụng và khai thác các loại máy CNC đã được đầu tư với hiệu quả cao nhất, đồng thời phải tổng kết kinh nghiệm khai thác và sử dụng loại máy hiện đại này trong sản xuất để tìm ra những giải pháp hữu hiệu hơn. Với xu hướng đổi mới công nghệ hiện nay, nhiều cơ sở côgn nghiệp, viện nghiên cứu, trường học đã nhập các thiết bị điều khiển số dùng trong sản xuất và nghiên cứu. Để góp phần trong vịêc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ gia công trên máy công cụ CNC ở nước ta hiện nay thì đề tài “ Nghiên cứu Công nghệ gia công trên máy CNC” là cần thiết, bởi vì nó quyết định đến hiệu quả của việc đầu tư hay không đầu tư, năng suất và chất lượng, giá thành. Đặc biệt là công việc chuẩn bị nhân lực kỹ thuật để tiếp nhận chuểyn giao công nghệ, vận hành máy và bảo trì kỹ thuật trong quá trình sử dụng máy.
Lời nói đầu Một hớng tự động hoá sản xuất sử dụng máy điều khiển theo chơng trình số Các máy điều khiển số điều kiện kỹ thuật để thực dự án tự động hoá linh hoạt (fexible automatization) máy công cụ điều khiển số riêng lẻ (CNC Machines), trung tâm gia công khiển số (CNC Engineering Centre), hay việc ghép nối chúng thành hệ thống tự động linh hoạt (flexible automatical Machine systyem), điều khiển liên thông máy điện toán ghép mạng Vào năm 50 kỷ 20 máy điều khiển theo chơng trình số đời sau máy tính điện tử ENIAC đợc đa vào sử dụng Ngày nay, máy điều khiển theo chơng trình số CNC đợc phát triển mạnh mẽ, nhanh chóng với phát triển ngành co tin - điện tử Sự tiến kỹ thuật vi điện tử tạo điều kiện nâng cao cách đáng kể công hệ điều khiển số, cụm vi xử lí trở thành phận chíng yếu thiết bị, giúp cho máy CNC khong ngững phát triển đợc ứng dụng rộng rãi ngành công nghệ chế tạo máy Các máy điều khiển số CNC đợc sử dụng để chế tạo chi tiết khí, đặc biệt chế tạo khuôn mẫu xác, chi tiết phục vụ công nghiệp, quốc phòng Các máy công cụ điều khiển số đợc dùng nghiên cứu khoa học, đào tạo cán kỹ thuật, đào tạo nghề nhằm cung cấp nguồn nhân lực lao động sản xuất tơng lại Vì máy công cụ CNC có đặc tính u việt bật nâng cao xác suất gia công, gia công đợc bề mặt chi tiết phức tạp sản xuất Tuy nhiên, chi phí mua sắm, bảo trì, lập trình, môi trờng cho máy CNC lớn nhiều lần so với máy thông thờng Vấn đề cấp thiết nớc ta phải sử dụng khai thác loại máy CNC đợc đầu t với hiệu cao nhất, đồng thời phải tổng kết kinh nghiệm khai thác sử dụng loại máy đại sản xuất để tìm giải pháp hữu hiệu Với xu hớng đổi công nghệ nay, nhiều sở côgn nghiệp, viện nghiên cứu, trờng học nhập thiết bị điều khiển số dùng sản xuất nghiên cứu Để góp phần vịêc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ gia công máy công cụ CNC nớc ta đề tài Nghiên cứu Công nghệ gia công máy CNC cần thiết, định đến hiệu việc đầu t hay không đầu t, suất chất lợng, giá thành Đặc biệt công việc chuẩn bị nhân lực kỹ thuật để tiếp nhận chuểyn giao công nghệ, vận hành máy bảo trì kỹ thuật trình sử dụng máy Em xin chân thành cảm ơn GS TS Trần Văn Địch thầy, cô khoa Cơ khí Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn Cảm ơn thầy, cô hội đồng cho ý kiến xét duyệt Hà nội, ngày tháng năm 2007 Ngời thực Nguyễn Văn Nguyên Chơng I Tổng quan công nghệ gia công máy CNC 1.1 Bản chất điều khiển số Máy công cụ điều khiển theo chơng trình số CNC (Computerrized Numerical Cotrol) máy đợc điều khiển thao chơng trình viết mã kí tự số Quá trình gia công máy công cụ, chi tiết dụng cụ cắt thực chuyển động tơng Những chuyển động tơng đối đợc lặp lại nhiều lần gia công mõi chi tiết gọi gia công Mỗi chu kỳ gia công ta phải xác định đại lợng thứ tự hành trình, phần đại lợng gọi phần kích thớc hay phần hình học, phần thứ tự hành trình, phần đại lợng gọi phần kích thớc hay phần hình học, phần thức tự gọi phần điều khiển Chơng trình làm việc máy tự động cần có thông tin kích thớc (xác định hành trình chu kỳ); điều khiển (xác định thứ tự hành trình theo thời gian) Các hệ thống điều khiển máy công cụ đợc chia hai loại: - Điều khiển không theo số (điều khiển truyền thống) - Điều khiển số 1.1.1 điều khiển không theo số a Hệ thống điều khiển theo Cam L2 Hệ thống điều khiển hành trình L đợc xác định theo công thức: (1) So : Là khoảng nâng Pròile Cam (mm) L1 L = S0.K K: Tỷ số truyền trung gian (K = L2/L1) b Hệ thống điều khiển theo quãng đờng Đại lợng hành trình cấu chấp hành đợc giới hạn hai chuyển hành trình KBB KBH Bộ KBB giới hạn S0 Hình 1.1 Sơ đồ điều khiển theo Cam b a a2 di chuyển cấu chấp hành bên trái hay phía trớc, KBH giới hạn bên phải hay a2 KBH KBH phía sau Đại lợng hành trình l đợc xác định nh sau: b2 b1 L = b a = b1 + b2 a2 +a1 Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển theo quãng đờng b1 , b2 , a2 ,a1 : Là toạ độc chốt truyền hành trình (mm) c.Hệ thống điều khiển theo thời gian Trong hệ thống này, cấu chấp hành đợc điều khiển điều khiển hình trống, có số đờng rãnh định Trên đờng rãnh có gá cam Các cam đợc lắp với cữ hành trình (bộ chuyển hành trình) Cữ hành trình điều khiển chu kỳ gia công theo lệnh điều khiển dịch chuyển bên trái theo cữ KBH dịch chyển bên phải theo cữ KBK Chiều dài hành trình đợc xác định theo công thức: L= V T (1.2) 360 Trong đó: T Thời gian quay vòng điều khiển (phút) - góc gá cam V Tốc độ trung bình cấu chấp hành KBH KBH Hình 1.3 Sơ đồ điều klhiển theo thời gian d Hệ thống điều khiển theo chu kỳ Hệ thống điều khiển alf tổng hợp hệ thống điều khiển theo quãng đờng theo thời gian.Đại lợng hành trình đợc xác định lợng hành trình điều khiển tác động vào rơ le tiến cấu chấp hành dịch chuyển phía trớc, tác động vào rơle lùi cấu chấp hành dịch chuyển phía sau (về bên phải) Bộ điều khiển tác động vào rơle tiến không làm việc Rơ le tiến hoạt động cấu chấp hành chạm vào cữ KBH, lúc chu kỳ đợc lặp lại Các hệ thống điều khiển khác nhng đại lợng hành trình lại đợc điều khiển giống (liên tục) - điều khiển khong theo chơng trình số KBH KBH Tiến Lùi Hình 1.4 Sơ đồ điều khiển theo chu kì 1.1.2 Điều khiển số điều khiển số hệ thống điêu fkhiển mà hành trình đợc điều khểin theo số Một thông tin đơn vị ứng với dịch chuyển gián đoạn cấu chấp hành.Đại lợng gọi gái trị xung hệ thống Cơ cấu chấp hành dịch chuyển với đại lợng ứng với giá trị xung Nh biết gí trị xung q đại lợng dịch chuyển L cấu chấp hành, xác định số lợng xung N cần thiết tác động để có lợng dịch chuyển L: L = q.N (1.3) Số lợng xung N đợc ghi kênh thôngtin gọi chơng trình xác định đại lợng thông tin kích thớc Các thông tin đợc ghi băng đục lỗ băng từ, đĩa từ, đĩa compact, số lợngt hông tin đợc ghi hệ thống mã hoá định 1.1.3 Mã hoá thông tin Giao diện ngời máy ột ngôn ngữ mà máy hiểu đợc Máy đọc đợc chơng trình ngời ghi thực theo chơng trình Khi có cố cấu điều khiển số, chơng trình có sai sót điều khiển số truyền thông tin vê fnguyên nhân gây ngừng hoạt động a Chữ Chữ mã số tập hợp kí hiệu đợc dùng mã hoá Các phần tử tự động hoá có hai trạng thái ổn định: Công tắc kín công tắc hở, mạnh băng đục lỗ lỗ vv trạng thái ứng với kí hiệu (cấp dòng lợng), trạng thái khác ứng với kí hiệu (ngắt dòng lợng) Vì chữ mã số chữa hai kí hiệu b Mã thập phân Cơ sở hệ thập phân (mã thập phân) 10 hệ thống có 10 lí tự số: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 theo hệ thập phân số 5906, 38 đợc viết nh sau: 5.103 + 9.103 + 0.101 + 6.100 + 3.10-1+ 8.10-2 vị trí bên trái dấu phẩy ứng với mũ số 0, từ vỉtí bên trái dấu phẩy số mũ luỹ thừa tăng dần Từ bên phải dấu phẩy số mũ luỹ thừa giảm dần -1, -2, -3 v.v Mã thập phân chứa đợc nhiều dung lợng nhng phức tạp tính toán c Mã số đơn vị Mã số đơn vị loại mã số đợc biểu thj số lợng kí hiệu chữ số ví dụ: 1 111111 11 1111111 111 11111111 1111 111111111 11111 10 1111111111 Hệ thống mã đơn vị có u điểm đơn giản, dễ sử dụng Nó đợc dùng để ghi số lợng xung băng từ, nhng có nhợc điểm nhiều kí hiệu ví dụ: Để viết số hệ thập phân 356810 cần có 3568 lí hiệu 111111111 d.Mã nhị phân Cơ sở hệ nhị phân số Đa số lên cấp có số mũ nguyên (0,1,2,3,) đợc dẫy số 20, 21, 22, 23, 24 ứng với dãy số 1,2,4,6,16 Bất kỳ số hệ nhị phân tổng nhêìu số mà số hạng số với cấp mũ khác nhau.Các số hệ nhị phân tổ hợp chữ số o số Để chuyển số từ hệ thập phân sang hệ nhị phân phải giải chia số thập phân cho nh ví dụ số 45 sau 45:2 = 22 lẻ 22:2 = 11 lẻ 11:2 = lẻ 5:2 = lẻ 2:2 =1 lẻ 1:2 = lẻ giá trị số tơng ứng hệ nhị phân 45 101101 số hệ tính nhị phân lấy từ dới lên Ta viết số 45 nh sau: 45 = 101101 (1.25 + 0.24 + 1.23 + 1.22 + 0.21 + 1.20) 1.1.4 Máy công cụ điều khiển theo chơng trình số CNC Là máy công cụ đợc điều khiển theo chơng trình viết mã kí tự số, chữ kí tự chuyên dụng khác hệ thống điều khiển có cài đặt vi xử lý àP (mico processor) làm việc với chu kì thời gian từ đến 20àm có nhớ tối thiểu 4Kbyte, đảm nhiệm chức chơng trình điều khiển số nh: tính toán toạ độ trục điều khiển theo thời gian thực, giám sát trạng thá máy, tính toán giá trị lý dao cụ, tính toán nọi suy điều khiển quỹ đạo biên dạng, thực so sánh cặp giá trị cần giá trị thực Hình 1.5 sơ đồ nguyê lý hoạt động máy gia công CNC In put Bản vẽ chi tiết ( Công nghệ, KT mã hía theo hệ nhị phân) Lập trình CAD Lưu trữ ( băng từ, đĩa từ) Vật mang tin Vùng xử lí số máy CAM Vật mang tin Đọc, nhớ giải mã phân phối liệu NC Giá trị cần Bộ chuyển đổi số /tương tự Bộ nội suy Ouput D Bộ so sánh A Giá trị thực Lệnh ĐK Mô đun khí Động Hệ thống đo toạ độ vị trí Bộ khuyếch đại công suất Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy gia công CNC 1.1.4.1 Hệ thống điều khiển NC hệ thống NC đời nhu cầu chế tạo chi tiết phức tạp với số lợng ót Trong hệ thống NC thông số hình học chi tiết lệnh điều khiển máy đợc cho dới dạng dãy số a Đa liệu vào hệ thống Toàn dẫn gia công đợc in vào băng đục lỗ dới dạng câu lệnh chơng trình Mỗi câu lệnh đợc đọc hệ thống điều khiển NC, đồng thời đa vào phận hiệu chỉnh dụng cụ cần thiết xê dịch điểm (0) b Xử lý liệu đa liệu Các thông tin đa vào hệ thống điều khiển đợc mã hoá tách thầnh thông tin hình học thong tin công nghệ (hình 1.5) Các thông tin hình học dịch chuyển dụng cụ Các thông tin công nghệ điều khiển chức vận hành m áy Để dụng cụ hci tiết gia công chuyển động, hệ thống điều khiển phát tín hiệu điện qua Cụm khuyếch đại đến động chạy dao máy Mỗi bàn trợt máy có trang bị hệ thống dò dịch chuyển để xác định vị trí bàn trợt báo cho thiết bị so sánh giá trị thực với gia trị cho so sánh hệ thống điều khiển (hình 1.5) Khi giá trị thực khác với giá trị cho hệ thống điều khiển, sai lệch đợc biến đổi thành tác động điều khiển cụm chạy dao Khi sai lệch điều khiển tức đạt đợc vị trí cho, động chạy dao dừng Chu trình điều khiển tốc độ dựa sở chu trình điều khiển vị trí Số vòng quay thực đợc xác định nhờ máy phát đo tốc độ lắp động chạy dao Trang bị điều khiển So sánh Bộ trị số thực điều cho trước khiển Quãng đường điều khiển Động Bàn trượt Hệ thống đo Hệ thống đo dịch chuyển Hình 1.6 Chu trình điều khiển hệ điều khiển NC c Bộ thích nghi Các thông tin hình học thông tin công nghệ chuyển qua thích nghi Bộ thích nghi có chức nh xích nối máy CNC hệ thống điều khiển, kết nối lệnh điều khiển CNC với thông báo từ máy trở lại Chúng có chức nh chuyển đổi liên động, cho khả tránh đợc việc thực lệnh không hợp lý Ví dụ: Khi mâm cặp máy tiện cha kẹp chặt thích nghi không phát lệnh chạy dao hệ thống điều khiển có phát lệnh dịch chuyển 1.1.4.2 Hệ thống điều khiển CNC Điều khiển NC có nhợc điểm linh hoạt, tốn thời gian việc thay đổi chơng trình phải sửa lại băng đục lỗ Ngày hệ htống điều khiển NC đợc thay rộng rãi hệ thống điều khiển CNC (hình 1.7) Đặc điểm điều khiển có chơng trình hẹệ thống CNC nàh máy tính Trong hệ thống tính Thông qua phần mềm riêng lẻ, ví dụ: Chơng trình giải mã hệ điều hành chơng trình mà chức CNC riêng lẻ đợc thực a Đa liệu vào hệ thống 10 Hệ thống điều khiển thích nghi đợc ứng dụng rộng rãi cho chức bổ sung thêm hệ điều khiển CNC nh tự động theo dõi dụng cụ cắt đo chi tiết trình gia công 1.1.4.5 Hệ thống gia công linh hoạt FMS (flexible manufacturing systems) Sự đa dạng sản phẩm dẫn đến giảm số lợng chi tiết gia công loạt làm tăng gia thành Một số ngành công nghiệp chế tạo số lợng kiểu sản phẩm phơng án mẫu mã ngày tăng Dây chuyền sản xuất truyền thống không hiệu kinh tế khối lợng lớn chủng loại chi tiết Các hệ thống gia công linh hoạt có khả gia công chi tiết khác họ chi tiết thứ tự gia công tuỳ ý Giá thành chế tạo chi tiết, kể điều kiện gia công loạt nhỏ đạt hiệu kinh tế Tuỳ theo tính linh hoạt suất, ngời ta phân loại hệ thống gia công linh hoạt thành - Các tế bào gia công linh hoạt - Các cụm gia công linh hoạt - Các dây chuyền gia công linh hoạt Một hệ thống gia công linh hoạt thờng có ba thành phần - Một hệ thống vận chuyển chi tiết dụng cụ - máy tính hệ thống DNC đóng vai trò thiết bị đạo Hạt nhân tế bào gia công máy CNC Một trung tâm gia công có trang bị ổ chứa dụng cụ cắt, trang bị thay đổi gá lắp, hệ thống thay đổi dụng cụ chi tiết tạo thành tế bào gia công linh hoạt Một hệ thống gia công linh hoạt làm việc tự động đòi hỏi thiết bị giám sát đo lợng tự động nh: Đo kích thớc dụng cụ máy, theo dõi tự động tuổi bền dao, đo chi tiết 1.2 Lịch sử phát triển máy CNC ý tởng điều khiển dụng cụ thông qua chuỗi lệnh liên tục, mà chúng đợc ứng dụng máy điều khiển CNC ngày đa đợc phát 16 kiến từ kỷ thứ 14 cụm chuông đợc điều khiển bới trục đục lỗ 1808 JosephM Jacquard dùng bìa tôn có đục lỗ để điều khiển máy dệt Vật mạng tin, thay đợc dùng để đièu khiển máy đợc phát minh 1963 m Fourneaux ddax sáng chees sáng chế đàn Dơng cầm tự động, có dùng bìa giấy khổ rộng 30cm với lỗ tơng ứng để điều tiết khí nén, tác động lên hệ phím ấn khí tạo nhạc điệu Phơng pháp đợc tiếp tục phát triển để sau điều khiển chức phụ đợc phát minh.1938 Claude E Shannon thành công việc tính toán chuyển nhanh liệu dạng nhị phân (binnary data) có vận dụng lý thuyết đại số BOOL xác nhận công tắc điện tử thành phần thực cho giải phấpnỳ 1946 Tiến sĩ Jonh W Mauchly J Presper Eckrt cung cấp máy tính số điện tử có tên ENIAC cho quân đội Hoa kỳ Cơ sở kĩ thuật xử lý liệu điện tử đợc tạo lập 1949 - 1952Jonh Parsons viện công nghệ MIT nghiên cứu theo hợp đồng không lực Hoa Kỳ hệ thống dùng cho máy công cụ để điều khiển trực tiếp vị trí trục vít me đầu máy tính chứng minh chức thông qua gia công chi tiết Parsons công bố bốn luận điểm ý tởng nh sau: - Lu trữ vị trí tính toán bìa đục lỗ - Bìa đục lỗ đợc đọc tự động máy - Các vị trí đợc đọc phải đợc thông báo liên tục giá trị trung gian bổ sung phải đợc tính toán cho giá trị trung gian nội cho: - Động Servo (vô cấp tốc độ) điều khiển chuyển động trục Với máy nh cần phải chế tạo đợc phần tử tính hợp ngày phức tạp Những chi tiết vào thời kỳ đfã đợc miêu tả xác với số liệu toán học, nhng việc chế tạo chúng tay khó khăn 17 1852 Viện Công nghệ MIT vận hành máy công cụ điều khiển số Đó máy Cincinati Hydrotel có trục vít me thẳng đứng, hệ điều khiển có cấu tạo gồm nhiều đèn điện tử, tạo khả chuyển động đồng thời ba trục, tức nội suy đờng thẳng đồng thơi theo ba trục nhận liệu thông qua băng đục lỗ mã nhị phân (Benary Code Punched Band) 1954 Bendix chế tạo hệ điều khiển NC hoàn chỉnh có dùng đèn điện tử 1957 không lực hoa kì lắp đặt máy phay NC NC CIM CAD/CAM CAD CNC Comoptterized Numerucal Control FMS Fiexible manufaturing sytem CAD Computer aided drawing/desingn CAM Computer aided manufacturing FFS CIM Computer integrated manu facturing with planning design and manufacturing CNC 1980 Numerical control 1990 Hình 1.10 Lịch sử phát triển CNC 1958 ngôn ngữ lập trình (Symbolish) công cụ lập trình tự động APT (Automatically Programmed Tool) đợc giới thiệu quan hệ liên kết với máy tính IBM 704 1960 hệ điều khiển NC kỹ thuậth đèn bán dẫn (Transior) thay hệ điều khiển cũ (dùng đèn điện tử) 1965 giải pháp thay dụng cụ tự động ATC (Automatic ToolChange) nâng cao trình độ tự động hoá khâu gia công 1968 Kỹ thuật mạch tích hợp IC (Integrated Ciruits) làm cho hệ điều khiển có kích thớc nhỏ, gọn tin cậy 1969 Những giải pháp điều khiển liên kết chung từ máy tính trung tâm DNC (Direct Numerical Control) đợc thiết lâp Mỹ 18 hệ điều khiển Sunđstran (omnicontrnl) máy tính IBM Giải pháp thay bệ phiến gá phôi tự động (Automatic Palrte Change) 1972 hệ điều khiển NC có lắp đặt máy tính nhỏ đợc chế tạo hàng loạt tạo hệ có tiềm lực mạnh hơn, hệ điều khiển số dùng máy tính nhỏ CNC nhng hệ lại đợc thay nhanh hệ mới, mạnh hơn, hệ điều khiển số dùng máy tính có hệ vi xử lý (Microprocessor CNC) sau 1976 hệ vi xr lý tạo cách mạng kỹ thuật CNC 1978 hệ thống gia công linh hoạt FMS 1979 khớp nối liên hoàn CAD / CAM xuất 1980 công cụ trợ giúp lập trình tích hợp hệ điều khiển CNC tạo tranh luận quan điểm, xoay quanh vấn đề cần hay không cần giải pháp điều khiển có dùng cách nạp liệu tay 1984 hệ điều khiển CNC mạnh, có công cụ trợ giúp lập trình đồ hoạ, đạt chuẩn mực cao việc lập trình xởng sản xuất 1985/1997 giao diện tiêu chuẩn hoá (Stadard interfaces) mở đờng tiến tới công xởng tự động hoá sở hệ thống trao đổi thông tin liên thông CIM 1990 giao diện số (Digital interfaces) hệ điều khiển NC hệ khởi động, cải thiện độ xác đáp ứng điều khiển trục NA trục máy 1992 hệ thống CNC hở (open ended Control)tạo khả biến đổi thích ứng theo yêu cầu sử dụng 1993 Sử dụng theo tiêu chuẩn hệ thống khởi động tuyến tính trung tâm gia công MC (Manufacturing cents) 1994 Khép kín chuỗi trình CAD/CAM/CNC cách sử dụng hệ NủBS (not Uniforme Rationale - Splines) làm phơng pháp nội suy (Interpolation method) hệ CNC NURBS phơng pháp dùngdeer diến tả toán học ề mặt thông thờng bề mặt đặc biệt điểm thông số (parameters) tạo thành mô hình lới gồn nhiều nút để 19 diễn tả bề mặt đạt độ mịn độ sắc nét cao Những hệ thống CAD/CAM xử lý trực tiếp NURBS, đợc truy cập trực tiếp từ hệ CAD Trong hệ CNC, giải pháp giảm đợc khối lợng liệu nâng cao độ xác tốc độ xử lý tạo chuyển động đặn máy tăng tổi thọ máy dụng cụ 1.3 Hớng phát triển máy CNC giới việt nam So với máy tự động điều khiển theo chơng trình cứng (dùng cam, dỡng, cữ chặn, trục gài bi, công tắc hành trình) Máy CNC có tính linh hoạt cao công việc lập trình, đặc biệt có trợ giúp máy tính, tiết kiệm đợc thời gian điều chỉnh máy, tính kinh tế cao với loạt sản phẩm nhỏ Ưu điểm có máy CNC phơng thức làm việc với hệ thống xử lý thông tin điện tử- số hoá cho cho phép nối ghép với hệ thống xử láNố phạm vi quản lý toàn xí nghiệp, tạo điều kiện tự động hoá toàn trình sản xuất, ứng dụng kỹ thuật quản lý đại thông qua mạng liên thông cục LAN (Location Area Network) hay mạng liên thông toàn cầu WAN (World are Network) Cùng với phát triển điện tử, công nghệ thông tin chức tính toán hệ thống CNC ngày hoàn thịên đạt tốc độ xử lý cao nhờ ứng dụng thành tựu phát triển vi xử lý àP Các hệ thống CNC đợc chế tạo hàng loạt lớn theo phơng thức xử lý đa chức dùng cho nhiều mục đích điều khiển có dung lợng nhớ lớn, độ tin cậy ngày cao Việc cài đặt cụm vi sử lý trực tiếp vào hệ NC để trở thành hệ CNC taok điều kiện ứng dụng máy công cụ CNC xí nghiệp nhỏ, phòng lập trình riêng, ngời điều khiển máy tình trạng hoạt động máy dẫn cần thiết khác cho ngời điều khiển hình màu đồ hoạ (mô 20 tĩnh hay động), biên dạng chi tiết gia công, chuyển động dao cụ đợc hiển thị 1.3.1 Từ máy CNC tới FMS Do có tính linh hôậtc, máy CNC thực hcức công nghệ khác việc chuyển đổi chức dễ dàng Trên máy thực đợc nhiều loại sản phẩm khác Máy CNC có khả tập trung nguyên công cao để gia công chi tiết phức tạp Nhờ tính linh hoạt cao máy CNC đợc sử dụng phổ biến dây chuyền, tế bào sản xuất tự động Để nâng cao suất máy CNC vão năm 1970 1980 ngời ta nhóm máy thành hệ thống sản xuất linh hoạt, có suất gần suất dây chuyền tự động sản xuất lớn loại trừ đợc nhợc điểm công nghệ chi tiết (trong phạm vi đặc tính kĩ thuật máy) đợc đa vào hệ thống FMS theo đợc gia công với sản lợng Khi làm việc máy CNC ngời công nhân thực chức phôi cho máy, thao chi tiết sau gia công, thay đồ gá, mở máy, kiểm tra chi tiết quan sát chung hoạt động máy Nừu chức đợc tự động hoá tỷ lệ thời gian máy tăng lên tăng đợc suất thiết bị Hệ thống FMS dùng để chế tạo nhiều chủng loại chi tiết với sản lợng nhỏ vừa.FMS gồm máy CNC để gia công tự động, hệ thống cấp tháo phôi, hệ thống vận chuyển phôi, máy tính, hệ thống cung cấp chơng trình để điều khiển toàn công việc Điều chỉnh linh hoạt máy CNC đợc thực theo hớng sau: Trang bị ổ tích dụng cụ cho máy (magazin dụng cụ) Trang bị cho máy cấu vệ tinh thay đổi Chế tạo máy nhiều trục Gia công đồng thời nhiều dao Điều khiển máy CNC máy tính 21 Tập hợp máy CNC thành nhón điều khiển chúng máy tính Tập hợp máy CNC thành hệ thống FMS 1.3.1.1 Trang bị ổ tích dụng cụ cho máy ổ tích dụng cụ (Tool magazin) với cấu thay dao tự động cho phép gia công nhiều bề mặt chi tiết lần gá, giảm đợc thời gian gia công Những magazin dụng cụ đợc sử dụng máy nhiều nguyên công Khi30 magazin dụng cụ đợc chế tạo dới dạng tang trống, số lợng dụng cụ 30magazin dụng cụ đợc chế tạo dới dạng băng xích Hiện magazin dụng cụ đợc sử dụng tăng lên đáng kể Hãng Ôlivetti (Italia) chế tạo máy với magazin dụng cụ dạng tang trống chứa 80 dụng cụ magazin dụng cụ 215 Máy nhiều nguyên công Nga có magazin chứa 80 dụng cụ Hình 1.11, hình 1.12 Khi tăng dung lợng magazin dụng cụ kết cấu máy cồng kềnh hơn, giá thành máy tăng, giảm đợc tốc độ dịch chuyển xích chuyển động, tăng thời gian chọn dao cần thay Nh vậy, magazin dụng cụ giảm đợc chức ngời bớc phát triển công nghệ sản xuất linh hoạt 1.3.1.2 Trang bị cho máy cấu vệ tinh thay đổi Cơ cấu vệ tinh thay đổi cấu cấo phôi tự động đẩy chi tiết gia công đến vị trí xác định Cơ cấu vệ tinh cho phép làm trùng thời 22 gian phụ (thời gian tháo thời gian gá đặt phôi đồ gá) với thời gian máy gai công Cơ cấu vệ tinh có kết cấu tiêu chuẩn để gá kẹp chặt bàn máy Một số cấu vệ tinh đợc gá máy nhiều nguyên công (hình 1.13) Phôi đợc gá đồ gá, đồ gá đợc lắp cấu vệ tinh cấu vệ tinh đợc đặt vị trí xác định Cơ cấu vệ tinh khác đợc lắp bàn máy cấu vệ tinh có đồ gá với chi tiết gia công Các cấu vệ tinh đổi chỗ cho (theo lệnh điều khiển) nhờ cấu thay đổi vệ tinh Số cấu vệ tinh thay đổi tăng theo mức độ đại máy nhiều nguyên công Sử dụng magazin với cấu vệ tinh có số nhợc điểm nh: Khi gia công chi tiết giống cần phải có số đồ gá số cấu vệ tinh có số đồ gá số cấu vệ tinh, điều kiện làm tăng chi phí không đảm bảo độ xác cao chi tiết đợc gia công Hình 1.13 Máy nhiều nguyên công với hệ thống thay phôi dao tự động Các máy với magazin vệ tinh chiếm diện tích sản xuất lớn so với máy thông thờng khác 23 Thực tế cho thấy số lợng cấu vệ tinh thay đổi máy từ 2ữ3 kinh tế nhất, cho phép mơr rộng khả phục vụ nhiều máy khả lắp máy với hệ thống di chuyển cấu vệ tinh từ ổ chứa tới vị trí yêu cầu Nh giải đợc nhiều vấn đề công nghệ điều chỉnh linh hoạt máy có khả ănng làm việc liên tục 1.3.1.3 Chế tạo máy nhiều trục Máy nhiều trục máy phay chuyên dùng, đợc sử dụng để gia công đồng thời nhiều chi tiết giống gia công đồng thời nhiều bề mặt chi tiết nhiều dao với ănng suất gia công cao Hình 1.12 Do có nhiều trục nên lực tác động tới cấu máy tăng lên Vì vậy, máy phải có độ cứng đảm bảo, nghĩa phải tăng kích thớc cấu máy khối lợng vật liệu để chế tạo cấu Đồng thời với số trục tăng lên thời gian chuẩn bị kết thúc cho trục tăng lên (do chuẩn bị công việc lúc cho tất trục chính) Do mà máy thờng đợc trang bị 2ữ4 trục điều kiện gia công nhẹ trung bình 1.3.1.4 Gia công đồng thời nhiều dao Chi tiết thời gian đợc gia công nhiều dao khác Hình 1.14 máy CNC điều chỉnh nhiều nguyên công với nhiều trục thay đổi nên Các ụ trục đợc chuyển từ magazine tới ụ (4) nhờ cánh tay lắc (6) định vị tự động Rôbôt (7) Trên phần ngang thân (1) có bàn (10) phần trợt bàn (10) có bàn phân độ (9) Trên bàn phân độ (9) có lắp đồ gá với chi tiết gia công Quá trình gia công đợc thực nhờ di chuyển theo phơg ngang ụ (4) với trục (8) Gá đặt phôi theo tọa độ đợc thực nhờ dịch chuyển bàn (10), gá đặt phôi theo mặt phẳng gia công đợc 24 thực cách xoay bàn phân độ (9) goá Điều chỉnh đợc thực cách thay đổi ụ với dụng cụ phiến dẫn, đồ gá vệ tinh phần tử chơng trình Do tất dụng cụ ụ trục đợc di chuyển theo chơng trình máy có khả ănng chuyên môn hoấ hẹp với nhiều công việc điều chỉnh cha đợc tự động hoá, máy dùng để gia công chi tiết loạt vừa loạt lớn Các máy tổ hợp CNC cho phép tăng hệ số tải trọng lên tới 0,8ữ0,9 tăng hiệu lên tới 5ữ6 lần so với máy tổ hợp truyền thống khác Hiệu cao sử dụng máy tổ hợp CNC nhờ gia công nhiều dao dao thực gia công theo chơng trình riêng, dịch chuyển trục bàn quay đợc điều khiển chung cấu điều khiển số Hiệu cao sử dụng máy tổ hợp CNC đợc xác định bằngcác thông số công nghệ không dùng cho trờng hợp Nh vậy, gia công đồng thời nhiều dao cho phép nâng cao suất máy cho phép thực hịên điều chỉnh linh hoạt 1.3.1.5 điều khỉên máy CNC máy tính Điều khiển máy CNC máy tính cho phép thực công nghệ điều chỉnhlinh hoạt (nhờ kết nối với máy tính, khả điều khiển thích nghi điều khiển di chuyển vệ tinh thay đổi), giảm kích thớc máy, nâng cao đợc suất chất lợng gia công 1.3.1.6 Tập hợp máy CNC thành nhóm điều khiển chúng máy tính Điều khiển nhóm máy CNC máy tính cho phép hiệu chỉnh chơng trình trực tiếp máy điều chỉnh công việc máy Hiệu kinh tế, kỹ thuật điều khiển nhóm máy máy tính đợc thể qua u điểm sau: - Giảm chu trình lập trình - Loại bỏ abng từ - Giảm số dụng cụ sử dụng 25 - Nâng cao suất chất lợng gia công 3 Hình 1.15 Dây chuyền tự động điều chỉnh ụ trục Cơ cấu vận chuyển tích trữ Cánh tay tự động 1.3.1.7 tập hợp máy CNC thành hệ thống FMS a Dây chuyền tự động điều chỉnh Hệ thống FMS tự động bao gồm hệ thống vận chuyển tự động điều khiển trung tâm máy tính, nhằm tự động hoá nguyên công chính, nguyên công phụ sản xuất hàng loạt nhỏ loạt vừa Hình 1.15 dây chuyền tự động điều chỉnh đợc dùng để gia công chi tiết dạng hộp Dây chuyền bao gồm máy CNC với ụ trục 1, cánh tay tựđộng cấu vận chuyển tích trữ Điều chỉnh dây chuyền đợc thực điều chỉnh máy CNC, thay đồ gá, thay cánh tay tự động, phần tử mang chơng trình cấu điều khiển số b Hệ số FMS với kho chứa phôi dụng cụ 26 Hệ thống FMS với kho chứa phôi dụng cụ đợc dùng để gia công chi tiết dạng hộp (hình 1.16) Hệ htống gồm máy số (3) có 3,5 toạ độ với hành trình lớn theo toạ độ x, y, z 900 700 650mm Giới hạn lợng chạy dao theo toạ độ 2ữ500mm/ phút toạ độ dịch chuyển nhanh 10m/phút Bàn quay máy có 72 vị trí đợc khắc dấu thiết kế cho cấu vệ tinh có kích thớc bề mặt làm việc 800 x 800mm Truyền động có công suất 12KW, số 36 Khi gia công chi tiết sai số khoảng cácg tâm lỗ nằm khoảng 0,03mm 500mm chiều dài Các máy đợc trang bị cấu cấp phôi tự động (4) Các cấu đợc gá gá vệ tinh dạng Ngoài nhóm máy CNC hệ thống FMS hình 1.15 có: Bộ phận kiểm tra phôi lấy dấu (1), máy chuẩn bị phôi (2), phận kiểm tra lần cuối máy kiểm tra (7) Vị trí lắp đặt máy sửa tính Hình 1.6 Hệ thống FMS để gia công chi tiết dạng hộp Máy lấy dấu máy chuẩn bị phôi Các máy CNC gia công Cơ cấu cấp phôi tự động Cần trục tự động Kho chứa phôi chi tiết Máy kiểm tra tự động Công đoạn chuẩn bị sản xuất hệ thống có: phận lu giữ cấu vệ tinh dạng tấm, chi tiết dồ gá điều chỉnh, lắp ráp vạn năng, phận lắp ráp lu giữ đồ gá, phận lắp ráp điều chỉnh dụng 27 cụ, lắp ráp thành nhiều dồ gá lúc cho tất máy hệ thống Điều chỉnh kích thớc dụng cụ đfợc thực thiết bị quang học Dọc theo dây chuyền máy có kho chứa phôi chi tiết (6) Phôi chi tiết đợc chuyển tời máy tới máy cần cẩu tự động (5) Hệ thống điều khiển FMS hình 1.16 đợc thực hai mức: Cao thấp mức cao cho phép lẩptình, kiểm tra, hiệu chỉnh lu giữ chơng trình , lập tài liệu công nghệ, lập kế hoạch tiến trình sản xuất, điều khiển tính động máy CNC, điều khiển TíNH CƠ Đẫng máy CNC, điều khiển cấu vận chuyển cấp phôi Phía đối diện kho chứa phôi chi tiết (6), máy vạn đợc alứp để sửa tinh phôi trớc vào dây chuyền Hệ thống FMS so với tổ hợp máy CNC (10 máy): Số công nhân đứng máy giảm từ 14 xuống 9, suất gia công tăng 164 % máy, tăng suất lên 164% nhân viên phục vụ 1.3.2 Tính u việt máy CNC Một hớng tự động hoá sản xuất loạt vừa sử dụng máy CNC Hiệu kinh tế sử dụng đạt đợc trờng hợp gia công loạt nhỏ chi tiết (20ữ40 chi tiết) Tuy nhiên, sản xuất đơn hiệu kinh tế gia công máy vạn chiếm u - Máy CNC cho phép hiệu chỉnh chơng trình gia công chỗ làm việc Trong sản xuất đơn chiếc,s ản xuất loạt nhỏ, loạt vừa Máy CNC có suất độ xác gia công cao, thay cách có hiệu máy vạn thông thờng Tất nguyên công tiện máy CNC đợc thực dao tiện tiêu chuẩn mà không dùng dao định hình cữ chặn Sử dụng máy CNC cho phép giảm nhẹ điều kiện lao động công nhân khỏi công việc có tính chất đơn điệu, lặp lại nhiều lần 28 - Mở rộng khả công nghệ máy CNC cho phép gia công nhiều bề mặt lần gá đặt chi tiết, nâng cao đợc độ xác vị trí tơng quan giảm đợc thời gian chu kỳ gia công - Hoàn thiện hệ điều khiển CNC trớc hết nhằm mục đích nâng cao độ xác gia công bù sai số xuất trình cắt Các hệ điều khiển CNC cho phép đạt độ xác vị trí khoảng 0,00025ữ0,001mm, số trờng hợp đạt 0,00025ữ0,0005mm Các hệ điều khiển cho phép điều chỉnh vô cấp số vòng quay trục để giữ cho tốc độ cắt cố định chuyển bề mặt gia công có đờng kính khác xác định xác vị trí góc trục để khoan, phay theo phơng hớng kính chi tiết chi tiết đứng yên - Hệ điều khiển CNC đại có khả bù sai số hệ thống (do biến dạng nhiệt), hiệu chỉnh sai số dịch chuyển tích luỹ sai số bớc trục vít me bi gây Trên máy CNC đợc trang bị cấu hiệu chỉnh vị trí phôi kẹp chặt (bù sai số kẹp chặt phôi) - Các máy tiện CNC có thêm cấu tự động kiểm tra kích thớc gia công (dùng đattric tiếp xúc) Hệ điều khiển máy có chức ănng xử lý tín hiệu để kiểm tra kích thớc phôi hiệu chỉnh vị trí dụng cụ cắt đợc thực trớc bớc cắt tinh nhằm loại bỏ phế phẩm gia công Trong nhiều máy CNC đợc trang bị cấu giới hạn để tự động dừng trình cắt côgn suất cắt, lực cắt mô men cắt đạt giá trị tới hạn Hệ thống điều khiển thích nghi trang bị máy CNC để điều chỉnh chế độ cắt lực cắt công suất cắt biến động Các hệ điều khiển thích nghi xảy sau vòng quay trục chính, số vòng quay trục giảm từ 2000 vòng/ phút đến vòng/ phút vài mili giây Sử dụng hệ thống điều khiển thích nghi có ý nghĩa quan trọng đối 29 với trờng hợp gia công có lợng d tính chất lý vật liệu không cố định, thích hợp sản xuất đơn sản xuất hàng loạt Thành phần thời gian gia công máy CNC tăng lên đáng kể số vòng quay trục đạt tới 3500 vòng/ phút ữ 6000 vòng/ phút trung tâm gia công Tốc độ dịch chuyển nhanh bàn máy dụng cụ máy CNC đạt 15ữ19m/phút Các máy CNC trung tâm gia công có khả ănng thay dao tự động chuyển bớc gia công lợng mòn dao vợt giới hạn cho phép 30