Nghiên cứu điều khiển truyền động trục chính trong các máy CNC của SIEMENS

Các chuyển động của bàn máy và đầu mang điện cực được điều khiển theo chương trình số, nên nó cũng là máy điều khiển chương trình số.. Hệ toạ độ Nhiệm vụ chính của chương trình CNC là c

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG TRỤC CHÍNH TRONG

CÁC MÁY CNC CỦA SIEMENS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội – Năm 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Nguyễn Nguyên Ngọc học viên lớp cao học kỹ thuật điện khóa

2011B Sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và

đặc biệt là TS Trần Văn Thịnh - Thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp – Tôi đã hoàn

thành khóa học thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành kỹ thuật điện

Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu điều khiển truyền động

trục chính trong các máy CNC của Siemens”

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Nếu có tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Tôi tin rằng luận văn này sẽ là tài liệu tham khảo cho những ai muốn tìm hiểu về hệ thống điều khiển trong các máy gia công công cụ sử dụng thiết bị Siemens nói riêng cũng như các máy gia công công cụ CNC nói chung

Tác giả luận văn

Nguyễn Nguyên Ngọc

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: So sánh máy gia công công cụ 5

Bảng 3.1: So sánh các động cơ truyền động cho CNC 44

Bảng 4.1 các giá trị của a tương ứng với giá trị góc  r 64

Bảng 4.2 Bộ điều chỉnh R(p) theo các giá trị của a tương ứng 68

Bảng 4.3 Xác định tham số cho bộ điều khiển P, PI, PID 73

Bảng 4.4: Xây dựng các luật điều khiển mờ 77

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sinumerik Power line 4

Hình 1.2: Sinumerik Solution line 5

Hình 1.3: Máy khoan CNC công nghiệp 7

Hình 1.4: Máy phay CNC công nghiệp 7

Hình 1.5: Máy tiện CNC công nghiệp 8

Hình 1.6: Máy doa cơ công nghiệp 9

Hình 1.7: Máy mài tròn NC công nghiệp 9

Hình 1.8: Trung tâm gia công CNC 10

Hình 1.9: Máy gia công EDM 11

Hình 1.10: Máy cắt bằng tia nước CNC 11

Hình 1.11: Hệ tọa độ máy CNC 13

Hình 1.12a: Hệ toạ độ decác 15

Hình 1.12: b- hệ toạ độ cực; c-hệ tọa độ trụ 16

Hình 1.14: Điểm gốc trên máy phay CNC 18

Hình 1.13: Điểm gốc trên máy tiện CNC 18

Hình 1.15: Các dạng di chuyển thẳng của dụng cụ cắt 19

Hình 1.17: Hệ thống điều khiển vòng hở 21

Hình 1.18: Hệ thống điều khiển vòng kín 22

Hình 2.1: Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển CNC 24

Hình 2.2: Thành phần cơ bản của PCU và máy tính điều khiển Siemen 25

Hình 2.3: Bộ mã hoá quang tăng dần 29

Hình 2.4: Bộ mã hoá quang tuyệt đối 30

Hình 2.5: Encoder thẳng Hình 2.6:Thước đo vị trí 30

Hình 2.7: Cấu tạo Synchro và resolver 31

Hình 2.8: Cấu tạo Inductosyn 32

Hình 2.9: Cấu tạo của biến áp vi sai biến đổi tuyến tính 32

Hình 2.10: Mạch xử lý tín hiệu đầu ra của LVDT 33

Hình 2.11: Cảm biến hiệu ứng Hall 33

Hình 2.12: Cấu tạo cảm biến đo tốc độ hiệu ứng Hall 34

Hình 3.2: Cấu trúc 1 40

Hình 3.3: Cấu trúc 2 40

Hình 3.4: Cấu trúc 3 41

Hình 3.5: Cấu trúc hệ nối trục 42

Hình 3.6: Cấu trúc cơ bản của hệ thống thích nghi 43

Bảng 3.1: So sánh các động cơ truyền động cho CNC 44

Hình 4.1: Trục chính máy gia công 45

Hình 4.2: Trục chính máy gia công truyền động bằng bánh răng 47

Hình 4.3: Trục chính máy gia công truyền động trực tiếp 47

Hình 4.6: Sơ đồ điều khiển vị trí và tốc độ động cơ 49

Hình 4.7: Sơ đồ cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ 50

Hình 4.8: Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ 50

Hình 4.9: Ba thành phần của bộ điều khiển PID 51

Hình 4.10: Mô hình hệ thống điều khiển với bộ PID 52

Hình 4.11: Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển 54

Hình 4.12: Bộ điều khiển mờ lai kinh điển với 2 đầu vào và 1 đầu ra 55

Hình 4.13: Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ 56

Hình 4.14: Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 57

Hình 4.16: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ 59

Hình 4.17: Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ 60

Hình 4.18: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín 60

Hình 4.19: Các dạng đường đặc tính tần số của hệ kín 61

Bảng 4.1 các giá trị của a tương ứng với giá trị góc r 64

Hình 4.21: Dạng hàm truyền của các đối tượng trong mạch vòng điều chỉnh tốc độ 64

Bảng 4.2 Bộ điều chỉnh R(p) theo các giá trị của a tương ứng 68

Hình 4.22: Mô hình mô phỏng mạch vòng điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ không đồng bộ 68

Hình 4.23: Kết quả mô phỏng điều khiển tốc độ với R ω (p) = 0.228+14.166/p 69

Hình 4.24: Kết quả mô phỏng điều khiển tốc độ với R ω (p) = 0.161+5.038/p 69

Hình 4.25: Kết quả mô phỏng điều khiển tốc độ với R ω (p) = 0.132+2.753/p 70

Hình 4.26: Kết quả mô phỏng điều khiển tốc độ với R ω (p) = 0.114+1.776/p 70

Hình 4.27: Kết quả mô phỏng điều khiển tốc độ với R ω (p) = 0.106+1.410/p 70

Hình 4.28: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh vị trí tổng quát 71

Hình 4.30: Sơ đồ cấu trúc rút gọn của mạch vòng điều chỉnh vị trí 72

Hình 4.32: Mô hình mô phỏng điều khiển vị trí dùng PID kinh điển 74

Hình 4.33: Đáp ứng vị trí khi sử dụng bộ điều khiển PID theo biểu thức (4-27) 75

Bảng 4.4: Xây dựng các luật điều khiển mờ 77

Hình 4.35: Định nghĩa các tập mờ cho biến ET 77

Hình 4.34: Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ lai PD 77

Hình 4.36: Định nghĩa các tập mờ cho biến DET 78

Hình 4.37: Định nghĩa các tập mờ cho biến U 78

Hình 4.38: Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ lai PD 78

Hình 4.39: Quan sát tín hiệu ra của bộ điều khiển mờ lai PD 78

Hình 4.40: Hình dạng bề mặt của bộ điều khiển mờ lai PD 78

Hình 4.41: Mô hình so sánh hệ thống điều chỉnh vị trí sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển và bộ điều khiển mờ lai PD 79

Hình 4.43: Đáp ứng tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PID và mờ lai PD với khoảng dịch chuyển bằng 0.001 rad 81

Hình 4.44: Đáp ứng vị trí khi sử dụng bộ điều khiển PID và mờ lai PD với khoảng dịch chuyển bằng 0.01 rad 81 Hình 4.45: Đáp ứng vị trí khi sử dụng bộ điều khiển PID và mờ lai PD với khoảng dịch chuyển bằng 0.1 rad 81 Hình 4.46: Đáp ứng vị trí khi sử dụng bộ điều khiển PID và mờ lai PD với khoảng dịch chuyển bằng 1 rad 82 Hình 4.47: Đáp ứng vị trí khi sử dụng bộ điều khiển PID và mờ lai PD với khoảng dịch chuyển bằng 10 rad 82 Hình 4.48: Chất lượng bám của bộ điều khiển mờ lai PD và PID với tín hiệu thử 83

y = 0.01sin(2ft) với f=1 rad/s 83 Hình 4.49: Chất lượng bám của bộ điều khiển mờ lai PD và PID với tín hiệu thử 84

y = 0.01sin(2ft) với f=10 rad/s 84 Hình 4.50: Chất lượng bám của bộ điều khiển mờ lai PD và PID với tín hiệu thử 84

y = 1sin(2ft) với f=1 rad/s 84 Hình 4.51: Chất lượng bám của bộ điều khiển mờ lai PD và PID với tín hiệu thử 84

y = 1sin(2ft) với f=10 rad/s 84 Hình 5.1: Giao diện thiết kế bộ điều khiển SIZER 86 Hình 5.2: Giao diện thiết kế bộ điều khiển trục X 86 Hình 5.3: Ví dụ về kết quả thu được sau khi thiết kế bộ điều khiển CNC bằng SIZER 86 Hình 5.3: Ví dụ về kết quả thu được sau khi thiết kế bộ điều khiển CNC bằng SIZER 87 Hình 5.4: Cấu hình phần cứng của chương trình điều khiển 840Di 87

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 Giới thiệu chung về máy công cụ CNC 3

1.1 Tổng quan chung 3

1.1.1 Lịch sử phát triển của máy công cụ CNC 3

1.1.2 Quá trình phát triển các máy CNC của Siemens 4

1.1.3 Hiệu quả kinh tế của máy công cụ CNC 5

1.1.4 So sánh máy gia công công cụ 5

1.2 Máy CNC dùng trong công nghiệp 6

1.2.1 Máy khoan CNC (Drilling machines) 6

1.2.2 Máy phay CNC (Milling machines) 7

1.2.3 Máy tiện CNC (Turning machines or Lathe machines) 8

1.2.4 Máy doa CNC (Boring machines) 8

1.2.5 Máy mài CNC (Grinding machines) 9

1.2.6 Trung tâm gia công (Machining center) 10

1.2.7 Máy gia công EDM (Electronic Discharge Machining) 11

1.2.8 Máy cắt bằng tia nước (Water jet cutting) 11

1.3 Một số định nghĩa cơ bản trong máy CNC 12

1.3.1 Định nghĩa trục 12

1.3.2 Định nghĩa trục máy 13

1.3.3 Cấu trúc hệ trục máy 13

1.3.3.1 Trục thẳng: X, Y, Z 13

1.3.3.2 Trục quay: A, B, C 14

1.3.4 Hệ toạ độ 15

1.3.4.1 Hệ toạ độ Decac 15

1.3.4.2 Hệ toạ độ cực 15

1.3.4.3 Tọa độ quy chiếu 16

1.4 Phân loại hệ thống điều khiển máy công cụ CNC 18

1.4.1 Phân loại theo dạng điều khiển 18

1.4.1.1 Điều khiển theo vị trí 18

1.4.1.2 Điều khiển theo đường dẫn liên tục 20

1.4.2 Phân loại theo kiểu điều khiển 20

1.4.2.1 Hệ điều khiển kiểu vòng hở 21

1.4.2.2 Hệ điều khiển kiểu vòng kín 22

Chương 2 Thiết bị đo lường và điều khiển trong máy CNC 24

2.1 Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển CNC 24

2.2 Chức năng của cụm điều khiển 24

2.2.1 Số liệu vào (data input) 25

2.2.2 Xử lý số liệu (data processing) 25

2.2.3 Số liệu ra (data output) 25

2.2.4 Dữ liệu vào/ra (machine I/O interface) 25

2.3 Phần cứng cụm điều khiển 25

2.3.1 Bộ xử lý trung tâm (CPU) 26

2.3.1.1 Phần tử điều khiển 26

2.3.1.2 Phần tử số học (Arithmetic and logic unit - ALU) 26

2.3.1.3 Bộ nhớ truy nhập nhanh 26

2.3.2 Bộ nhớ 27

2.4 Phần mềm CNC 27

2.4.1 Phần mềm điều hành 27

2.4.2 Phần mềm điều khiển trình tự 27

2.4.3 Chương trình ứng dụng 27

2.4.3.1 Chương trình mã G 28

2.4.3.2 Chương trình tham số 28

2.5 Thiết bị đo lường trong máy CNC 29

2.5.1 Bộ mã hoá quang-Optical Encoder 29

2.5.2 Resolver và Synchro 31

2.5.3 Inductosyn 31

2.5.4 Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính 32

2.5.5 Cảm biến hiệu ứng Hall 33

2.5.6 Máy phát tốc một chiều 34

2.6 Cảm biến kiểm tra kích thước chi tiết gia công 34

3.1 Giới thiệu 36

3.2 Cơ cấu chấp hành servo thuỷ lực 36

3.2.1 Hệ thống thủy lực 37

3.2.2 Van Servo/van tỷ lệ 37

3.3 Động cơ bước 37

3.4 Động cơ servo một chiều 38

3.4.1 Động cơ DC servo chổi than 38

3.4.2 Động cơ DC servo không chổi than 38

3.5 Động cơ AC servo 38

3.6 Biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến trong máy CNC39 3.7 Mạch vòng điều khiển trong hệ CNC 39

3.7.1 Khái niệm 39

3.7.2 Hệ nối trục 41

3.7.3 Hệ thống điều khiển thích nghi 42

3.7.4 Hệ thống điều khiển tối ưu 43

Chương 4 Nâng cao chất lượng truyền động trục chính của máy CNC 45

4.1 Truyền động trục chính máy CNC 45

4.1.1 Cấu tạo và yêu cầu truyền động trục chính 45

4.1.1.1 Trục chính dẫn động bằng dây đai: 46

4.1.1.2 Trục chính dẫn động bằng bánh răng: 46

4.1.1.3 Trục chính được dẫn động trực tiếp: 47

4.1.1.4 Trục chính được dẫn động tích hợp: 47

4.1.2 Sơ đồ động lực hệ thống truyền động điện (Động cơ không đồng bộ) 48

4.1.3 Điều khiển vị trí và tốc độ động cơ không đồng bộ 49

4.2 Mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ 49

4.3 Tổng hợp bộ điều khiển mờ lai PID 51

4.3.1 Giới thiệu về bộ điều khiển PID 51

4.3.2 Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID kinh điển 53

4.3.3 Bộ điều khiển mờ lai PID 54

4.3.3.1 Giới thiệu chung 54

4.3.3.2 Bộ điều khiển mờ lai kinh điển 54

4.3.3.3 Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 55

4.4 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện 57

4.5 Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ 58

4.5.1 Tuyến tính hoá phương trình mômen 58

4.5.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ theo phương pháp tối ưu đối xứng 59

4.5.3 Tính toán gần đúng các thông số động cơ không đồng bộ ba pha cụ thể 66

4.5.4 Xác định các thông số của bộ điều chỉnh tốc độ R(p) 67

4.5.5 Kiểm tra chất lượng điều khiển của bộ điều chỉnh tốc độ bằng công cụ Simulink của Matlab 68

4.6 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí 71

4.6.1 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí dùng bộ điều khiển PID kinh điển 72

4.6.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí dùng bộ điều khiển mờ lai PD 75

4.6.3 Kết quả mô phỏng hệ điều chỉnh vị trí dùng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ lai PD: 80

4.6.4 So sánh chất lượng điều khiển bám của hệ điều chỉnh vị trí dùng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ lai PD 83

Chương 5 Thiết kế phần điều khiển máy CNC và lập trình PLC cho máy CNC của Siemens 86

5.1 Thiết kế phần điều khiển máy CNC 86

5.1.1 Giới thiệu chung về phần mềm thiết kế SIZER 86

5.1.2 Thiết kế cụ thể bộ điều khiển Sinumerik 840D/80D sl 86

5.2 Lập trình PLC cho máy CNC của Siemens 87

5.2.1 Đoạn chương trình chính (khối OB1) 87

5.2.2 Đoạn chương trình điều khiển trục chính 88

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Xuất phát từ nhu cầu phát triển sản xuất máy CNC trong nước thay thế dần các máy CNC nhập khẩu từ nước ngoài Dây chuyền máy móc hiện đại phục vụ sản xuất, khoảng năm năm trở lại đây, với sự đầu tư cho nghiên cứu về máy Công cụ điều khiển số CNC của Chính phủ, sự cố gắng của các nhà khoa học và doanh nghiệp, đã có hàng loạt máy CNC “Made in Việt Nam” ra đời và đang được người dùng tin cậy Tuy nhiên, làm thế nào để phát triển sản xuất máy CNC trong nước, nâng cao năng lực đội ngũ cán bộ quản lý và sử dụng

máy gia công CNC là điều thực sự cần thiết đối với Việt Nam

2 Mục đích nghiên cứu

Đề tài có mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu, giải quyết bài toán điều khiển truyền động trục chính - thành phần có tính quyết định nhất trong máy gia

công công cụ và các truyền động khác

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Xây dựng cấu trúc điều khiển động cơ truyền động trục chính trong các máy gia công công cụ CNC của Siemens Thực hiện các mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả phân tích, tính toán lý thuyết

4 Phương pháp nghiên cứu

Để nghiên cứu đề tài khoa học này thì cần phải kết hợp hai phương pháp nghiên cứu như sau:

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các vấn đề về ứng dụng điều

khiển thích nghi, các mô hình động cơ điện xoay chiều, các hàm tối ưu trong matlab và các tính toán gần đúng

Phương pháp mô phỏng: Sử dụng các công cụ trong phần mềm Matlab để tạo

dữ liệu mô phỏng và mô phỏng kiểm nghiệm

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đây là đề tài nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực điều khiển truyền động điện tự động Đề tài xây dựng hệ thống điều khiển truyền động điện động cơ xoay chiều có chất lượng cao hơn các hệ thống thông thường

6 Kết cấu của luận văn

Luận văn bao gồm năm chương:

Chương 1: Giới thiệu chung về máy công cụ CNC

Chương 2 : Thiết bị đo lường và điều khiển CNC

Chương 4: Cải tiến chất lượng truyền động trong máy CNC

Chương 5: Thiết kế phần điều khiển máy CNC và lập trình PLC cho máy CNC của Siemens

Chương 1 Giới thiệu chung về máy công cụ CNC

1.1.1 Lịch sử phát triển của máy công cụ CNC

Máy CNC (computer numerical controlled) là những công cụ gia công kim loại tinh tế có thể tạo ra những chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệ hiện đại Phát triển nhanh chóng với những tiến bộ trong kỹ thuật máy tính, chúng ta có thể bắt gặp CNC dưới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nước có hạt mài, máy đột rập và nhiều công cụ công nghiệp khác Thuật ngữ CNC liên quan đến một nhóm máy móc lớn sử dụng logic máy tính để điều khiển các chuyển động và thực hiện quá trình gia công

Mặc dù máy tiện chế biến gỗ đã được sử dụng từ thời Kinh Thánh, nhưng chiếc máy tiện gia công kim loại thực tế đầu tiên mới được Henry Maudslay phát minh vào năm 1800 Nó chỉ đơn giản là một công cụ giữ mẩu kim loại (phôi) đang được gia công trong một bàn kẹp hay trục quay và quay mẩu kim loại này, vì vậy một công cụ cắt gọt có thể gia công bề mặt theo đường mức mong muốn Công cụ cắt này được nhân viên vận hành vận dụng qua việc sử dụng cái quay tay hay vô lăng Độ chính xác

về kích cỡ được nhân viên vận hành điều khiển bằng cách quan sát đĩa chia độ trên vô lăng và di chuyển công cụ cắt theo số lượng hợp lý Chiếc máy phay đầu tiên được Eli Whitney phát minh năm 1818, vận hành theo cách thức tương tự như vậy, ngoại trừ công cụ cắt được đặt ở trục chính đang quay

Từ thiết kế sơ khai đến hoạt động ngày nay, thiết kế máy CNC hiện đại bắt nguồn từ tác phẩm của John T Parsons cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950 Parsons sớm nhận ra rằng bằng cách sử dụng máy tính IBM thời kì đầu, ông đã có thể tạo ra những thanh dẫn đường mức chính xác hơn nhiều khi sử dụng các phép tính bằng tay và sơ đồ

Những chiếc máy này sử dụng các động cơ truyền động điện một chiều để vận dụng vô lăng và vận hành dao cộ Các động cơ này nhận chỉ dẫn điện từ một đầu đọc băng từ – đọc một băng giấy có chiều rộng khoảng 2,5cm có đục một hàng lỗ Vị trí và thứ tự lỗ cho phép đầu đọc sản xuất ra những xung điện cần thiết để quay động cơ với thời gian và tốc độ chính xác Các xung điện được quản lý bởi một máy tính đơn giản

không có bộ nhớ Chúng thường được gọi là NC hay máy điều khiển số Với những tiến bộ trong điện tử tích hợp, băng từ đã bị loại bỏ và nếu có thể chỉ được sử dụng để tải các chương trình vào bộ nhớ từ Các máy CNC hiện đại hoạt động bằng cách đọc hàng nghìn bit thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính chương trình Để đặt thông tin này vào bộ nhớ, nhân viên lập trình tạo ra một loạt lệnh mà máy có thể hiểu được Chương trình có thể bao gồm các lệnh “mã hóa”, như “M03” – hướng dẫn bộ điều khiển chuyển trục chính tới một vị trí mới hay “G99” – hướng dẫn bộ điều khiển đọc một đầu vào phụ từ một quá trình nào đó trong máy Các lệnh mã hóa là phương thức phổ biến nhất để lập trình một công cụ máy CNC

Bộ điều khiển cũng giúp nhân viên lập trình tăng tốc độ sử dụng máy Ví dụ, trong một số máy, nhân viên lập trình có thể đơn giản chỉ cần nhập dữ liệu về vị trí, đường kính và chiều sâu của một chi tiết và máy tính sẽ lựa chọn phương pháp gia công tốt nhất để sản xuất chi tiết đó dưới dạng phôi Thiết bị mới nhất có thể chọn một mẫu kỹ thuật được tạo ra từ máy tính (CAD-CAM), tính toán tốc độ dao cộ, đường vận chuyển vật liệu vào máy và sản xuất chi tiết mà không cần bản vẽ hay một chương trình

1.1.2 Quá trình phát triển các máy CNC của Siemens

Các máy CNC của Siemen được chia làm hai dòng máy: Sinumerik Power line và Sinumerik Solution line

Hình 1.1: Sinumerik Power line

Hình 1.2: Sinumerik Solution line

1.1.3 Hiệu quả kinh tế của máy công cụ CNC

Hiệu quả kinh tế do máy công cụ CNC mang lại:

 Khi chi tiết có độ phức tạp cao, lựa chọn phương pháp gia công phù hợp nhất là gia công trên máy CNC Bởi vì gia công trên máy CNC rút ngắn thời gian gia công, đạt độ chính xác cao và giá thành rẻ hơn so với khi gia công trên máy công cụ vạn năng

 Khả năng thay đổi dạng sản phẩm nhanh bởi chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển mà không cần thay đổi cấu trúc máy hoặc thêm các đồ gá chuyên dùng Máy CNC đáp ứng được tính linh hoạt trong sản xuất

 Thời gian gia công chi tiết ở máy CNC nhỏ hơn so với máy vạn năng vì nguyên công tập trung cao, gia công nhiều nguyên công trong cùng một lúc

1.1.4 So sánh máy gia công công cụ

Bảng 1.1: So sánh các máy gia công công cụ

Chuyển động theo các phương X,Y,Z nhờ các động cơ vô cấp kết hợp biến tần

Các vít me là các vít me có định dạng dạng con lăn nên có ma sát

Dùng ba loại động cơ giống như đối với động cơ trục chính nhưng mỗi trục một động cơ

Điều khiển Tay (Cơ khí): Vô lăng, tay gạt

thông qua các rơ le trung gian

Hệ máy tính, đầu đo điện tử, số hóa

Làm việc Các quá trình đều sử dụng thủ

công bởi người công nhân: Kẹp phôi, điều khiển máy, đo lường nên độ chính xác hạn chế Do tay nghề người công nhân quyết định

Tiến hành tự động theo chương trình lập sẵn, kết quả gia công đạt được nhờ vào độ chính xác của máy và lập trình quyết định Cách thực hiện: Chia chương trình gia công thành các bước nhỏ, làm gì, vào lúc nào, như thế nào theo từng dòng lệnh Lệnh tuân theo tín hiệu điện chỉ huy cho vít me của bàn trượt làm việc

1.2.1 Máy khoan CNC (Drilling machines)

Hình 1.3: Máy khoan CNC công nghiệp Đặc điểm chính của máy khoan như hình 1.3 là hệ toạ độ máy hình thành trên

cơ sở hệ toạ độ Decac theo nguyên tắc bàn tay phải với 3 trục vuông góc với nhau Hệ thống điều khiển là hệ thống điều khiển theo vị trí Nhiệm vụ chính của hệ thống điều khiển máy khoan CNC là tính toán nhanh và dừng chính xác vị trí

Thông thường cấu trúc cơ bản của máy khoan vạn năng cũng như máy khoan CNC là trục chính bố trí thẳng đứng trùng với trục Z của hệ toạ độ Decac Bàn máy bố trí trong mặt phẳng nằm ngang trùng với mặt phẳng XOY của hệ toạ độ Decac và vuông góc với trục chính Thông thường chi tiết khoan được kẹp trên bàn máy

Để nâng cao hiệu suất sử dụng máy người ta có thể ghép thêm vào nó một vài cụm trục chính với các chức năng khác nhau Ví dụ như cần có chuyển động quay của

ụ trục chính người ta lắp thêm cho máy mođun quay hoặc để bàn máy có thêm chuyển động quay/nghiêng người ta lắp thêm mođun quay/nghiêng cho bàn máy Nhờ khả năng mở rộng số trục, máy khoan có khả năng gia công trên tất cả các mặt của phôi

1.2.2 Máy phay CNC (Milling machines)

Hình 1.4: Máy phay CNC công nghiệp

Cấu trúc của máy phay như hình 1.4 cũng được thiết kế trên cơ sở hệ toạ độ Decac theo nguyên tắc bàn tay phải ba trục toạ độ vuông góc với nhau như trong máy khoan Máy phay được trang bị hệ thống lưu trữ dụng cụ, thiết bị thay dụng cụ, cơ cấu kẹp, tháo phôi và thay phôi tự động Máy phay CNC có cấu trúc trục chính bố trí thẳng đứng được gọi là máy phay đứng, máy phay CNC có trục chính bố trí nằm ngang gọi

là máy phay nằm ngang

Máy phay được trang bị hệ thống điều khiển mạnh để tính toán quỹ đạo chuyển động của dụng cụ, nội suy thẳng, nội suy vòng và các biên dạng phức tạp Để gia công các biên dạng hoặc các bề mặt phức tạp, máy phay cần phải có số trục máy ít nhất là

ba trục

1.2.3 Máy tiện CNC (Turning machines or Lathe machines)

Hình 1.5: Máy tiện CNC công nghiệp Cấu trúc cơ bản của máy tiện CNC là trục chính thường bố trí nằm ngang hoặc thẳng đứng, bàn máy có thể bố trí trên mặt phẳng nằm ngang hoặc trên mặt phẳng nghiêng Phôi được kẹp bằng mâm cặp hoặc được đặt trên hai đầu chống tâm

Máy tiện có thể có nhiều trục chính, có một hoặc nhiều bàn xe dao Máy tiện có khả năng công nghệ rộng như: Tiện trơn, tiện ren, khoan, khoét, doa, khoan tâm, cắt đứt, tiện mặt đầu, phay v.v

1.2.4 Máy doa CNC (Boring machines)

Hình 1.6: Máy doa cơ công nghiệp Trục chính của máy doa CNC thường bố trí nằm ngang hoặc thẳng đứng, nhưng phù hợp hơn cả là trục chính bố trí nằm ngang Đặc điểm của công nghệ doa đòi hỏi máy doa phải có độ chính xác cao Vì vậy máy doa thường được trang bị hệ thống điều khiển với mức độ tự động hoá cao và được trang bị hệ thống thay phôi, dụng cụ tự động Máy doa có số trục điều khiển lớn nhất là 08 trục Hệ điều khiển máy được thiết

kế nhằm đảm bảo máy có khả năng tự động lựa chọn chế độ gia công cho phù hợp với vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu phôi Máy có tính năng xác định lượng mòn của dụng

cụ và thực hiện hiệu chỉnh lượng mòn dao ngay trong quá trình gia công Đồng thời máy còn được trang bị phần mềm đồ hoạ đủ mạnh để mô phỏng quá trình gia công chi tiết trên máy

1.2.5 Máy mài CNC (Grinding machines)

Hình 1.7: Máy mài tròn NC công nghiệp Dựa trên cơ sở công nghệ, máy mài CNC được phân ra thành các loại khác nhau Máy mài có các loại: máy mài phẳng, mài tròn ngoài, mài răng, mài định hình và các dạng khác Máy mài có số trục máy từ 02 đến 09 trục Công nghệ mài đòi hỏi độ

chính xác, độ bóng bề mặt cao Vì vậy, độ chính xác của máy mài CNC cao hơn so với các loại máy CNC khác Để đảm bảo điều kiện gia công, hệ thống điều khiển của máy phải đảm bảo dịch chuyển bàn máy êm, lượng dịch chuyển nhỏ và chính xác hơn nhiều xo với các máy khác Để đạt được độ bóng cao tốc độ cắt của máy mài cao khoảng vài chục nghìn vòng/ phút và lượng tiến dao vào cắt của ụ đá thông thường vào khoảng 0,002mm/ph đến 06mm/ph

Trong quá trình gia công, đá mài mòn nhanh nên máy có hệ thống sửa đá tự động Thiết bị đo xác định kích thước đá mài, tính toán giá trị tốc độ cần thiết với kích thước đá tương ứng phù hợp với chế độ cắt yêu cầu Máy cũng được trang bị hệ thống

đồ hoạ đủ mạnh nhằm đáp ứng cho máy có thể mài được các chi tiết có hình dạng phức tạp nhưng vẫn đạt được độ bóng và độ chính xác cao

1.2.6 Trung tâm gia công (Machining center)

Hình 1.8: Trung tâm gia công CNC Trung tâm gia công như hình 1.8 là máy CNC đứng hoặc nằm ngang nhưng được trang bị hệ thống thay dao tự động Số trục điều khiển của trung tâm gia công ít nhất là 03 Để mở rộng hơn nữa khả năng công nghệ của trung tâm gia công và phù hợp với thực tế, các kỹ sư thường thiết kế nó dưới dạng modun độc lập, hệ điều khiển

là hệ thống mở Khi cần mở rộng trục chuyển động nào đó người ta chỉ cần lắp thêm modun tương ứng vào để tăng số trục điều khiển của máy

Trung tâm gia công được trang bị thiết bị lưu trữ dụng cụ Thiết bị lưu trữ dụng

cụ có dạng mâm, dạng xích một tầng hoặc nhiều tầng Lưu trữ dụng cụ theo dạng xích cho phép lưu trữ được số lượng dụng cụ lớn hơn so với dạng đĩa Cùng với hệ thống lưu trữ dụng cụ, máy còn được trang bị hệ thống thay dao tự động

1.2.7 Máy gia công EDM (Electronic Discharge Machining)

Hình 1.9: Máy gia công EDM Công nghệ EDM được sử dụng khá rộng rãi trong sản xuất, tuy nhiên trước đây

nó ít được sử dụng EDM thực hiện theo nguyên tắc ăn mòn điện cực Các chuyển động của bàn máy và đầu mang điện cực được điều khiển theo chương trình số, nên nó cũng là máy điều khiển chương trình số Quá trình gia công trên máy EDM như hình 1.9 là quá trình phóng điện giữa điện cực và chi tiết gia công, vì vậy độ chính xác gia công tuỳ thuộc vào độ chính xác của điện cực Vật liệu làm điện cực trong gia công EDM thường làm bằng vật liệu đồng hoặc vonfram có đường kính tùy theo mục đích

sử dụng Trong quá trình gia công vùng cắt luôn được tưới dung dịch dầu bôi trơn cách điện

1.2.8 Máy cắt bằng tia nước (Water jet cutting)

Hình 1.10: Máy cắt bằng tia nước CNC Máy cắt mà dụng cụ cắt là tia nước như hình 1.10 có áp lực cao được gọi là máy cắt bằng tia nước Công nghệ cắt bằng tia nước cũng mới xuất hiện nhưng nó đã nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất

Các trục chuyển động của máy cắt bằng tia nước được thực hiện nhờ hệ thống điều khiển số nên máy được gọi là máy cắt bằng tia nước CNC Phương pháp gia công

này là một hướng phát triển công nghệ gia công nhằm nâng cao năng suất và chất lượng Đặc điểm của máy là có thiết bị tạo áp suất cao cho nước và vòi phun Máy cắt bằng tia nước có thể gia công các chi tiết dạng tấm Vật liệu gia công là tấm plastic, giấy, thép và các chi tiết dạng tấm khác Tốc độ cắt từ 76mm/ph đến 1000mm/ph, áp suất nước từ 4000bar đến 9000bar và đường kính tia nước có thể đạt 0,1mm Gia công bằng tia nước có vết cắt mịn, trong quá trình gia công không cần làm mát và đặc biệt

là không xuất hiện mòn dụng cụ cắt Vì vậy trong hệ thống điều khiển không cần tính năng hiệu chỉnh lượng mòn dụng cụ Chiều dày chi tiết lớn nhất có thể gia công được gần 80mm Chiều rộng mạch cắt khoảng từ 0,1mm đến 0,3mm tuỳ thuộc vào kích thước lỗ phun Nhược điểm của máy là thiết bị cồng kềnh và yêu cầu độ chính xác cao, đường kính vòi phun từ 0,1mm đến 0,3mm Tốc độ dòng nước từ 800m/s đến 900m/s

Để nâng cao hiệu quả gia công người ta có thể trộn vào nước các bột mịn Cắt bằng tia nước có các ưu điểm: Loại trừ được sản phẩm không có ích (phoi) do quá trình gia công sinh ra có thể ảnh hưởng tới quá trình cắt; Không có lực chạy dao đặt vào chi tiết; Phương pháp gia công này không cho dòng điện chạy qua chi tiết trong quá trình gia công Điều này rất quan trọng trong một số trường hợp gia công đặc biệt như khi làm bản mạch in điện tử

1.3.1 Định nghĩa trục

Gia công trên máy CNC là quá trình chuyển động dụng cụ dọc theo đường hình học trên bề mặt cần gia công Đường hình học được tạo ra trên chi tiết là đường biên của dụng cụ cắt trong quá trình gia công Thông thường trong quá trình gia công, chi tiết kẹp chặt trên bàn máy và dụng cụ lắp trên trục chính Để điều khiển chuyển động dụng cụ cắt dọc theo đường hình học trên bề mặt chi tiết chúng ta cần tìm mối quan hệ

vị trí giữa dụng cụ và chi tiết Mối quan hệ giữa dụng cụ và chi tiết có thể thiết lập thông qua việc đặt chúng trong cùng một hệ toạ độ Hệ toạ độ Decác được chọn sử dụng làm hệ toạ độ trong máy CNC Hệ toạ độ này dùng để biểu diễn mối quan hệ vị trí giữa dụng cụ cắt và chi tiết hay hệ tọa độ này còn được gọi là hệ toạ độ máy

Nguyên tắc thiết lập hệ toạ độ Decác: Hệ toạ độ tuân theo nguyên tắc bàn tay

phải hoặc hệ toạ độ tuân theo nguyên tắc bàn tay trái Không gian giới hạn bởi ba kích

thước của hệ toạ độ Decác gắn với máy mà hệ điều khiển máy có thể nhận biết được gọi là vùng gia công (vùng làm việc - working area) Đoạn thẳng dùng để định hướng một không gian hoặc một đối tượng hình học gọi là trục Ba trục bố trí vuông góc với nhau hình thành hệ toạ độ Decác Trục được xem như là đường chuẩn dùng để xác định đối tượng nào đó trong không gian theo kích thước dài và kích thước góc

1.3.2 Định nghĩa trục máy

Phân tích các chuyển động cơ học cho thấy mọi chuyển động đều là tổ hợp từ hai chuyển động cơ bản với thành phần là: chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay tròn Vì vậy chuyển động dụng cụ cắt của máy cũng được đặc trưng bởi hai chuyển động cơ bản trên Chuyển động thẳng của dụng cụ cắt song song với trục hệ toạ độ gắn với máy, gọi là trục chuyển động thẳng hay gọi tắt là trục thẳng Chuyển động của dụng cụ cắt quay xung quanh trục hệ toạ độ gắn với máy gọi là trục chuyển động quay hay gọi tắt là trục quay Chuyển động quay của dụng cụ cắt xung quanh trục nào đó của hệ toạ độ gắn với máy hoặc chuyển động dụng cụ cắt tịnh tiến song song với trục

hệ toạ độ gắn với máy chuyển động đó gọi là trục

với máy được gọi là hệ toạ độ máy Cấu trúc máy thường có hai kiểu bố trí cơ bản đó

là trục chính thẳng đứng và trục chính nằm ngang

Hệ trục toạ độ Decac gắn vào máy công cụ điều khiển số được quy định bắt đầu

từ trục Z Trục Z được bố trí trùng với trục chính còn các trục khác được xác định theo nguyên tắc bàn tay phải hoặc bàn tay trái Hai trục thẳng thứ nhất X, Y tương ứng với hai chuyển động của bàn máy trong mặt phẳng tạo bởi hai trục toạ độ X và Y Theo quy định chuyển động nào của bàn máy có hành trình lớn hơn thì chuyển động đó xác định là trục thẳng X, chuyển động còn lại là trục thẳng Y Chuyển động của trục máy

có hai chiều, quy định chiều dương của chuyển động được ký hiệu (+) và chiều âm của chuyển động được ký hiệu(-) Chiều của ba trục thẳng được xác định như sau: Chiều dương của trục thẳng Z quy ước là chiều tăng dần khoảng cách từ chi tiết đến dụng cụ Ngược với chiều dương của Z là chiều âm Chiều dương của trục thẳng X độc lập với chiều chuyển động của trục thẳng Z và có mối quan hệ vị trí với chi tiết hoặc trụ máy Chiều dương của trục thẳng X được quy định với hai trường hợp: Máy có trục chính được bố trí thẳng đứng, và máy có trục chính bố trí nằm ngang

 Trường hợp máy có trục chính bố trí thẳng đứng, người quan sát đứng đối diện với trụ máy qua bàn máy và nhìn từ chi tiết đến trụ máy thì chiều dương của trục chính thứ nhất X có chiều hướng từ trái sang phải Ngược lại là chiều âm

 Trường hợp máy có trục chính nằm ngang, người quan sát đứng cùng phía với trụ máy nhìn từ trụ máy đến chi tiết, chiều dương trục thẳng X có chiều hướng

từ trái sang phải Ngược lại là chiều âm Chiều dương của trục thẳng Y được xác định trên cơ sở chiều dương của trục thẳng X và trục thẳng Z theo nguyên tắc bàn tay phải

tắc ngón tay của bàn tay phải Đưa ngón tay cái theo chiều từ lòng bàn tay đến đầu ngón tay trùng với chiều dương của trục thẳng X, nắm các ngón tay còn lại, chiều chuyển động của các ngón tay còn lại trùng với chiều quay dương của trục quay A Tương tự như vậy với trục B, C

1.3.4 Hệ toạ độ

Nhiệm vụ chính của chương trình CNC là cung cấp thông tin điều khiển chuyển động dụng cụ hình thành các đường hình học đã được thiết kế trên chi tiết Chương trình CNC đòi hỏi phải có hệ toạ độ mà hệ toạ độ đó dùng để xác định vị trí của vật thể trên máy Trên máy CNC có hai hệ toạ độ có thể dùng để xác định mọi vị trí chi tiết

trên máy là: Hệ toạ độ Decac và hệ toạ độ cực

1.3.4.1 Hệ toạ độ Decac

Hệ toạ độ Decac được xem như là hệ toạ độ chữ nhật được biểu diễn như hình 1.12a Trong máy công cụ điều khiển số hai trục thẳng X và Y bố trí vuông góc hình thành hệ toạ độ phẳng Giao của chúng gọi là gốc toạ độ Trong hệ toạ độ phẳng dùng chung máy công cụ CNC, người ta quy ước trục thẳng nằm ngang là trục thẳng X và trục thẳng đứng là trục Y Hai trục chia mặt phẳng thành bốn phần và chúng được đánh số thứ tự theo chiều ngược kim đồng hồ Góc phần tư thứ nhất quy ước là nằm phía trên trục X và nằm bên phải trục Y Đặc điểm là tất cả các điểm nằm trong góc phần tư này đều có giá trị dương Góc phần tư thứ hai được xác định là góc nằm trên trục X và nằm bên trái trục Y, các điểm nằm trong

góc phần tư thứ hai có -X và +Y Góc phần tư thứ

ba nằm bên dưới trục X và bên trái trục Y, các

điểm nằm trong góc phần tư thứ ba có -X, -Y Trên

thực tế, máy CNC có nhiều trục để gia công các bề

mặt phức tạp Vì vậy trục thẳng Z dùng để mở

rộng mặt phẳng XY thành không gian ba chiều

Điều đó hình thành hệ toạ độ không gian ba trục

Góc phần tư thứ tư (X, -Y)

Góc phần tư thứ ba

(-X, -Y)

Góc phần tư thứ hai (-X, Y)

Gốc toạ độ

Trong hệ toạ độ phẳng (hai trục), vị trí một điểm trên mặt phẳng XY được xác định bằng khoảng cách đo từ gốc toạ độ dọc theo các trục OX và OY Nhưng trong hệ toạ độ cực, vị trí một điểm bất kỳ được xác định bởi bán kính (bán kính được đo từ gốc toạ độ đến điểm khảo sát) và góc được hình thành bởi trục OX và bán kính của điểm khảo sát

Hình 1.12: b- hệ toạ độ cực; c-hệ tọa độ trụ Góc có đơn vị đo bằng độ và giá trị góc dương khi đo theo chiều ngước kim đồng hồ, góc có giá trị khi đo góc theo chiều thuận kim đồng hồ Nếu hệ toạ độ cực có thêm kích thước theo phương Z, hệ toạ độ cực trở thành hệ toạ độ trụ Với hệ toạ độ trụ một điểm được xác định bởi ba thông số: bán kính r, góc  và kích thước đo trên trục Z Hệ toạ độ trụ dùng để nội suy đường xoắn trên mặt trụ nhờ chuyển động quay

và chuyển động tịnh tiến Ví dụ xác định điểm A trong hệ toạ độ trụ như hình vẽ

1.3.4.3 Tọa độ quy chiếu

Trong máy công cụ điều khiển số, điểm có hai mục đích sử dụng đó là điểm biểu diễn vị trí điểm trong vùng gia công và điểm được sử dụng làm điểm quy chiếu hay gọi là điểm gốc Điểm vị trí dùng để tính toán các điểm khác nhau trên chi tiết và điểm quy chiếu dùng để xác định vị trí máy Điểm quy chiếu có thể chia thành các loại sau:

- Điểm gốc máy (machine reference point) là điểm gốc hệ toạ độ máy, nó đặt

cố định trên máy như hình 1.13 v à 1.14 Điểm gốc máy được ký hiệu bằng chữ cái M (Machine) Điểm gốc máy dùng để tổ chức máy sau mỗi lần mất điện và nó cũng là điểm dùng để xác định vị trí thay dụng cụ Điểm gốc máy được xác định bằng chuyển mạch đặt ở vị trí xác định cho mỗi trục Vị trí đặt điểm gốc máy do người thiết kế máy quyết định Nhiều máy CNC người

ta thiết kế hệ điều khiển yêu cầu bàn máy và trục chính phải quay về điểm gốc máy trước khi thực hiện một chương trình mới

Điều khiển bàn máy và trục chính về gốc máy được thực hiện theo hai cách: Bằng tay và bằng chương trình Điều khiển về gốc máy bằng tay được thực hiện nhờ các phím trên bàn điều khiển và cách này cho phép thực hiện điều khiển độc lập từng trục hoặc các trục đồng thời

Điều khiển về gốc máy nhờ phần mềm chương trình đã được cài đặt sẵn trong máy Trước khi quá trình thay dụng cụ xảy ra, trục chính và bàn máy được đưa về gốc bằng chương trình tự động (Hệ điều khiển Funuc và Mitsubishi dùng mã lệnh G28, Siemens dùng mã lệnh G93 để thực hiện mục đích đó) Khi máy bị mất điểm gốc, người sử dụng có thể xử lý để có điểm gốc mới hoặc thay thế điểm gốc bằng điểm khác theo cách sau: Chuyển máy về nơi sản xuất để xác định lại điểm gốc máy; Sử dụng điểm thay dụng cụ như điểm gốc máy; Dùng điểm gốc chương trình thay cho

điểm gốc máy

- Điểm gốc chương trình (program reference point):

Trong nhiều trường hợp toạ độ điểm gia công xác định theo điểm gốc máy không thuận lợi Nếu dùng một điểm không phải là điểm gốc máy, việc xác định vị trí các điểm gia công thuận lợi hơn, điểm này người ta gọi là điểm gốc chương trình ký hiệu bằng chữ P (Program) Vì vậy điểm gốc chương trình cần phải lựa chọn trước khi lập trình để phù hợp với chi tiết gia công

- Điểm gốc chi tiết (work reference point):

Ký hiệu bằng chữ W là điểm gốc của hệ toạ độ chi tiết Điểm này có thể chọn một điểm bất kỳ trên bàn máy Trong nhiều trường hợp, dùng một điểm gốc chi tiết để gia công nhiều chi tiết cùng một chương trình con giống nhau trong một lần gia công

Sử dụng điểm gốc chương trình tạo thuận lợi cho quá trình lập trình gia công nhiều chi tiết với chương trình đơn giản

- Điểm quay về (reference point return):

Ký hiệu R là điểm cố định trên máy Nó được xác định nhờ các “limit switch” hoặc các cảm biến không tiếp xúc Điểm gốc quay về dùng với hai mục đích: Coi là một điểm gốc để xác định tọa độ các điểm khác và làm vị trí để thay dụng cụ cắt

Hình 1.14: Điểm gốc trên máy phay CNC Hình 1.13: Điểm gốc trên máy tiện CNC

Hệ thống điều khiển máy công cụ CNC được phân thành hai kiểu: Điều khiển theo vị trí và điều khiển liên tục

1.4.1 Phân loại theo dạng điều khiển

1.4.1.1 Điều khiển theo vị trí

Điều khiển theo vị trí hay còn gọi là hệ điều khiển điểm đến điểm (point to point) Chức năng chính của hệ điều khiển theo vị trí là chuyển động nhanh dụng cụ từ điểm này đến điểm khác đã được định trước với độ chính xác vị trí cao nhưng quá trình cắt không xảy ra khi chuyển động dụng cụ từ điểm này đến điểm tiếp theo Hệ thống điều khiển này thường dùng với các loại máy như: Máy khoan CNC (Drilling machine), máy doa CNC (boring machine), máy gấp mép (reaming machine), máy tiện ren CNC (tapping machine), máy đục lỗ

a Chuyển động dụng cụ song song với trục hệ toạ độ

Giả sử cần chuyển động dụng cụ từ điểm ban đầu A(xA,yA ) đến điểm B(xB,yB) nằm trong góc phần tư thứ nhất Theo cách chuyển động dụng cụ song song với trục có thể thực hiện theo hai trình tự:

Chuyển động dụng cụ song song với trục Y sau đó chuyển động dụng cụ song song với trục X hoặc chuyển động dụng cụ song song với trục X tiếp theo chuyển động dụng cụ song song với Y

Hình 1.15: Các dạng di chuyển thẳng của dụng cụ cắt Chuyển động dụng cụ lần lượt song song với các trục là cách mà thời gian cần thiết chuyển động dụng cụ từ điểm gia công này đến điểm gia công tiếp theo là chậm nhất Nhưng nó có ưu điểm là hệ điều khiển đơn giản, dễ dàng trong điều khiển và đặc biệt

là giá thành thấp

Chuyển động dụng cụ nghiêng góc 45o được điều khiển theo trình tự , ban đầu dụng cụ từ điểm A(xA, yA) chuyển động đến điểm K là tổ hợp từ hai chuyển động thẳng thành phần song song với hai trục máy X và Y với cùng tốc độ vì vậy đường chạy dao là đường nghiêng một góc 450 Chuyển động dụng cụ thực hiện cho đến khi một trong hai gia số X hoặc Y bằng không

Hình 1.16 : Các dạng di chuyển nghiêng của dụng cụ cắt

c Chuyển động dụng cụ theo đường thẳng

Kiểu điều khiển chuyển động dụng cụ theo đường thẳng là hệ điều khiển thực hiện đồng bộ cả hai trục chuyển động X và trục Y sao cho dụng cụ chuyển động theo đường thẳng nối giữa hai điểm A(xA,yA ) và B(xB,yB) Tốc độ chuyển động của trục X

và trục Y là khác nhau Thời gian cần thiết chuyển động từ điểm A đến điểm B kiểu dẫn động dụng cụ theo đường thẳng là nhỏ nhất so với hai kiểu chuyển động ở trên Để thực hiện chuyển động đồng thời hai trục có tốc độ khác nhau, hệ thống điều khiển thường rất phức tạp chính vì vậy mà giá thành của hệ thống này cao hơn rất nhiều so với hai hệ điều khiển đã nêu ở trên

d Giải pháp thực hiện dừng chính xác

Để giảm thời gian chạy không trong quá trình chuyển động dụng cụ tới vị trí gia công tiếp theo, tốc độ chuyển động dụng cụ cần phải đạt được tốc độ lớn nhất cho phép Do chuyển động của cơ cấu mang dụng cụ tốc độ cao, quán tính chuyển động của cơ cấu rất lớn, vì vậy vấn đề dừng vị trí chính xác dụng cụ với thời gian dừng là nhỏ nhất là vấn đề đặt ra cho những người thiết kế hệ thống điều khiển vị trí Để giảm lực quán tính của cơ cấu chấp hành khi chuyển nhanh từ vị trí gia công này tới vị trí gia công tiếp theo bằng cách giảm dần tốc độ trước điểm dừng Có hai phương pháp thực hiện việc giảm tốc trong máy CNC: giảm tốc độ chuyển động theo cấp (số cấp tốc

độ phụ thuộc vào tốc độ chuyển động và khối lượng chuyển động), giảm tốc độ vô cấp

1.4.1.2 Điều khiển theo đường dẫn liên tục

Kiểu dẫn động dụng cụ liên tục là kiểu dẫn động ngược với dẫn động kiểu vị trí Kiểu dẫn động dụng cụ liên tục là kiểu mà quá trình chuyển động dụng cụ từ điểm này đến điểm khác đồng thời với quá trình gia công Hệ điều khiển dẫn động dụng cụ liên

tục còn gọi là hệ điều khiển contour Các máy CNC điều khiển theo đường dẫn liên

tục là: Máy phay, máy tiện, máy bào, máy xọc, máy doa, máy cắt

Với cách điều khiển đường dẫn dụng cụ liên tục, tất cả các trục đồng thời chuyển động nhưng tốc độ chuyển động khác nhau Khi dụng cụ chuyển động theo một đường phi tuyến, tốc độ trên các trục thay đổi quan hệ với nhau theo hàm phi tuyến

1.4.2 Phân loại theo kiểu điều khiển

Để di chuyển bàn máy thì hệ thống điều khiển CNC cần phải có hệ truyền động

mà ở đó nó có khả năng điều khiển được cả tốc độ lẫn vị trí Điều khiển các trục máy CNC có thể thực hiện theo hai kiểu điều khiển: Điều khiển kiểu vòng hở và điều khiển kiểu vòng kín

1.4.2.1 Hệ điều khiển kiểu vòng hở

Hệ điều khiển vòng hở như hình 1.17 là hệ điều khiển không có mạch phản hồi

và kết quả hoạt động của hệ không được kiểm soát Hệ thống điều khiển vòng hở trong máy CNC thông thường sử dụng động cơ bước để di chuyển bàn máy Máy CNC sử dụng hệ thống điều khiển hở như: Máy phay mạch in, máy gia công ăn mòn tia lửa điện

Hình 1.17: Hệ thống điều khiển vòng hở Nhược điểm lớn nhất của hệ thống điều khiển hở là độ chính xác vị trí của hệ thống rất nhạy với sự biến đổi của tải trọng vì hàm điều khiển không phụ thuộc vào thời gian thực Khi tải trọng thay đổi, tốc độ chuyển động cũng thay đổi theo, hệ điều khiển không có khả năng điều khiển để phù hợp với tải trọng mới Trong quá trình gia công, tại vùng gia công nào đó cơ tính của vật liệu gia công thay đổi làm tăng lực cắt dẫn đến giảm tốc độ cắt và hệ thống điều khiển vòng hở không kiểm xoát được sự thay đổi này nên không hiệu chỉnh được tốc độ cho phù hợp với tốc độ yêu cầu Ngoài ra hệ điều khiển hở còn chịu ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ, bôi trơn và các yếu tố bên ngoài khác Vì vậy hệ thống điều khiển vòng hở chỉ phù hợp với các máy có công nghệ gia công theo vị trí Với độ chính xác chế tạo trục vít me và công nghệ chế tạo động cơ bước, hệ thống điều khiển CNC kiểu vòng hở sử dụng động cơ bước có thể

đạt độ chính xác tới 0,001 inch Thường hệ thống điều khiển kiểu vòng hở dùng cho các máy cần độ chính xác vị trí không cao

1.4.2.2 Hệ điều khiển kiểu vòng kín

Hình 1.18: Hệ thống điều khiển vòng kín

Sự khác nhau cơ bản giữa hệ thống điều khiển vòng kín như hình 1.18 và hệ thống điều khiển vòng hở hình 1.17 là ở chỗ hệ thống điều khiển vòng kín có mạch phản hồi Hệ thống phản hồi dùng để đo vị trí và tốc độ thực tế của trục và so sánh chúng với vị trí và tốc độ yêu cầu Sự khác nhau giữa giá trị thực và giá trị yêu cầu là sai số Phần tử chuyển đổi của mạch phản hồi thường sử dụng một trong hai kiểu: tương tự hoặc số Trong máy CNC, thông số tốc độ chuyển động của bàn máy hoặc trục chính phải được điều khiển bởi tốc độ trên các trục Cảm biến tốc độ là kiểu chuyển đổi tương tự và thường dùng để đo tốc độ chuyển động Resolver và Encoder dùng để đo vị trí hoặc tốc độ Tín hiệu đưa ra từ Resolver cho dưới dạng tương tự còn tín hiệu đưa ra từ Encoder cho ra dưới dạng tín hiệu số

nhau Cấu trúc của tất cả các loại máy CNC đều bao gồm: Phần xử lý trung tâm (giao diện người máy - HMI), phần điều khiển servo, động cơ servo, phản hồi tốc độ-vị trí

Hệ thống điều khiển CNC thông thường có hai dạng: Điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín

 Hệ thống điều khiển vòng hở thường có độ chính xác không cao nhưng chi phí đầu tư thấp do đó trong thực tế người ta thường dùng hệ điều khiển vòng hở cho những máy không đòi hỏi cao về độ chính xác như máy khoan CNC, máy phay mạch in CNC

 Hệ thống điều khiển vòng kín có độ chính xác vị trí cao nhưng giá thành đắt, ngày nay người ta sử dụng phổ biến hệ thống điều khiển là hệ thống vòng kín

Chương 2 chúng ta sẽ đề cập đến cấu trúc chung trong máy CNC và các thiết bị trong hệ thống điều khiển CNC của Siemens

Chương 2 Thiết bị đo lường và điều khiển trong máy CNC

2.1 Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển CNC

Hình 2.1: Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển CNC Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển số CNC bao gồm các cụm: Bảng điều khiển máy (PCU – Process computer unit và MCP - Machine Control Panel), cụm điều khiển động cơ (Control card), động cơ, cụm phản hồi tốc độ (Velocity feedback), cụm phản hồi vị trí (Position feedback)

Cụm điều khiển máy đóng vai trò điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống,

nó làm nhiệm vụ giao tiếp giữa người vận hành và hệ thống, nhận lệnh điều khiển tính toán để đưa ra các thuật toán số học, logic theo trình tự xác định Từ chương trình gia công do người lập trình nạp vào PCU, nhờ vào hệ thống phần mềm mà PCU sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển phù hợp để điều khiển cụm thiết bị chấp hành, đồng thời nó nhận tín hiệu từ cụm phản hồi vị trí để liên tục điều chỉnh các sai lệch vị trí trong quá trình làm việc Sai lệch tốc độ của động cơ sẽ được cụm phản hồi tốc độ phát hiện và đưa tới cụm điều khiển động cơ để hiệu chỉnh

2.2 Chức năng của cụm điều khiển

Cụm điều khiển máy được coi là trái tim của máy công cụ điều khiển số Nó có nhiệm vụ liên kết tất cả các chức năng để điều khiển máy Các chức năng bao gồm: vào/ra số liệu, xử lý các số liệu và ghép nối máy với các thiết bị ngoại vi

2.2.1 Số liệu vào (data input)

Chức năng này bao gồm: chức năng vào và lưu trữ số liệu Đó là số liệu mô tả đường chuyển động của dụng cụ cũng như điều kiện gia công sản phẩm

2.2.2 Xử lý số liệu (data processing)

Cấu trúc chương trình điều khiển được được đưa vào cụm PCU và được nó mã hoá thành số nhị phân sau đó được lưu trữ vào vùng nhớ đệm Các số liệu này được bộ

xử lý trung tâm (central processing unit-CPU) tính toán xác định vị trí, lượng chạy dao, hiệu chỉnh chiều dài (Tool length offset) và đường kính dụng cụ (tool diameter offset) Cũng như các số liệu rời rạc như: yêu cầu điều khiển đóng ngắt hệ thống bôi trơn, làm mát chi tiết và các thiết bị điều khiển (I/O) đảm bảo trình tự truyền tín hiệu giữa máy gia công công cụ và hệ điều khiển CNC

2.2.3 Số liệu ra (data output)

Số liệu đưa ra của PCU là tín hiệu vị trí và lượng chạy dao Các tín hiệu này được gửi tới mạch điều khiển để phát ra tín hiệu điều khiển động cơ

2.2.4 Dữ liệu vào/ra (machine I/O interface)

Các tín hiệu rời rạc/tương tự được yêu cầu từ số liệu đầu vào: chiều quay trục chính, đóng mở động cơ làm mát, bôi trơn, dừng khẩn cấp, dừng chu trình và các tín hiệu khác từ máy gia công công cụ gửi tới hệ điều khiển CNC

Phần cứng của cụm PCU gồm 6 thành phần cơ bản: vi xử lý trung tâm, bộ nhớ, điều khiển động cơ, thiết bị lôgíc điều khiển trình tự và các mạch ghép nối Các thành phần liên hệ với CPU thông qua BUS Thành phần trong PCU chỉ ra trên hình 2.2

Hình 2.2: Thành phần cơ bản của PCU và máy tính điều khiển Siemen

2.3.1 Bộ xử lý trung tâm (CPU)

Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit-CPU) là một máy tính công nghiệp Nhờ chương trình nguồn ghi trong bộ nhớ để hình thành thuật toán trên cơ sở

dữ liệu đưa vào cho phù hợp với chương trình điều khiển để điều khiển các thiết bị ngoại vi thông qua BUS Cấu trúc CPU gồm 3 phần tử cơ bản: phần tử điều khiển, phần tử logic số học, bộ nhớ truy nhập nhanh

Số liệu qua cổng vào/ra được đưa vào bộ nhớ truy nhập nhanh, phần tử điều khiển gọi chương điều khiển lưu trữ trong ROM hoặc RAM của bộ nhớ chính gửi tới

và gửi tín hiệu đến các cụm trong hệ thống để thực hiện theo yêu cầu Trong phần tử điều khiển có mạch giải mã lệnh (Unit control) Mạch này giải mã các thông tin đọc từ

bộ nhớ truy nhập nhanh và đưa các thông tin sau khi xử lý tới mạch tạo xung điều khiển Các dãy xung điều khiển khác nhau sẽ điều khiển các bộ phận khác nhau hoạt động phù hợp với yêu cầu

2.3.1.2 Phần tử số học (Arithmetic and logic unit - ALU)

Với nhiệm vụ hình thành các thuật toán mong muốn trên cơ sở số liệu đưa vào Kiểu thuật toán số học là cộng, trừ, nhân, chia, cộng logic và các chức năng khác theo yêu cầu của chương trình Khối logic số thực hiện các phép so sánh, phân nhánh, lựa chọn, lặp, phân vùng bộ nhớ

Liên kết với ALU là một số thanh ghi lưu trữ các số liệu trong quá trình tính toán Thanh ghi lưu trữ số liệu này gần giống với vùng lưu trữ đặc biệt trong bộ nhớ nhưng khác là các thanh ghi này là các thanh ghi TTL tốc độ cao

2.3.1.3 Bộ nhớ truy nhập nhanh

Bộ nhớ truy nhập nhanh (Immediate access memory) là bộ nhớ trong của CPU dùng để lưu giữ tạm thời các số liệu đang được các phần tử số học xử lý hoặc chương trình điều khiển từ ROM, RAM gửi tới

2.3.2 Bộ nhớ

Bộ nhớ trong CPU thường có dung lượng nhỏ và chỉ dùng lưu trữ số liệu tạm thời vì vậy trong máy CNC cần có một bộ nhớ dung lượng lớn để lưu chương trình ứng dụng hay còn gọi là chương trình CNC, chương trình điều khiển, chương trình ghép nối và các số liệu đã được xử lý Bên trong máy tính của CNC thường có hai loại

bộ nhớ: Bộ nhớ có sẵn (ROM, RAM) và bộ nhớ mở rộng (ổ cứng-hardisk, ổ floppydisk, thẻ nhớ, CD Room)

2.4.2 Phần mềm điều khiển trình tự

Điều khiển trình tự cho các máy CNC người ta thường dùng các bộ điều khiển logic lập trình-PLC(Programe logic Control) Phần mềm điều khiển trình tự là phần mềm lập trình điều khiển cho PLC (Đối với Siemens: Step 7…), PLC sẽ được truyền thông với PCU theo các chuẩn IEC Chương trình từ PCU gửi tới PLC là chương trình

NC còn dữ liệu PLC gửi đến PCU là lệnh bắt đầu chu trình, dừng khẩn cấp, giữ tốc độ, lệnh thay dao cụ, lệnh đóng mở hệ thống bôi trơn hệ thống làm mát và một vài lệnh rời rạc khác

2.4.3 Chương trình ứng dụng

Chương trình ứng dụng còn gọi là chương trình NC (Numberical Computer) Chương trình cho phép mô tả đường chuyển động của dụng cụ trong quá trình gia công, kiểu chuyển động: chạy nhanh, nội suy thẳng, nội suy vòng, điều kiện cắt, tốc độ trục chính, lượng ăn dao, chiều sâu cắt Chương trình ứng dụng có thể viết bằng hai cách: Chương trình mã G và chương trình tham số

2.4.3.1 Chương trình mã G

Lập trình theo chương trình mã G là sử dụng các mã lệnh G, M, S, F, T và các lệnh khác để hình thành chương trình gia công Chương trình được viết theo khối, trong một khối gồm nhiều từ (word)

N390 G03 X434 Z-44.308 I-6 K0 ; Lệnh di chuyển cung tròn ngược chiều kim đồng hồ

N400 G01 X421.5 Z-47.916 ; Lệnh di chuyển theo đường thẳng

N410 G02 Z-92.084 I12.75 K-22.084 ; Lệnh di chuyển cung tròn cùng chiều kim đồng hồ

N420 G01 X434 Z-95.692

2.4.3.2 Chương trình tham số

Sử dụng mã G lập trình gia công một bề mặt phức tạp và có chu trình lặp bằng các chương trình con đơn giản gặp nhiều khó khăn, bởi vì cần phải xác định nhiều thông số cần thiết khi lập trình Do vậy chương trình gia công dài mắc nhiều lỗi và độ chính xác thấp Vì vậy với những gia công các bề mặt phức tạp chương trình viết theo tham số sẽ dễ dàng hơn chương trình viết bằng mã G Lập trình tham số cho phép thực hiện các phép tính số học, logic, phép lặp và nhiều tiện ích khác

Ngoài hai chương trình lập trình bằng tay trên hiện nay với sự trợ giúp bằng máy tính người ta đã lập được những chương trình hỗ trợ cho phép người vận hành có thể lập trình trực tiếp bằng đồ họa trên máy và máy tự động tính toán để đưa ra chương trình công nghệ điều khiển chạy dao CAD/CAM

2.5 Thiết bị đo lường trong máy CNC

2.5.1 Bộ mã hoá quang-Optical Encoder

Trong số những loại cảm biến đo vị trí encoder là loại được sử dụng cho những ứng dụng đòi hỏi độ phân giải và độ tin cậy trung bình Encoder chia làm hai loại: Encoder quay và encoder thẳng

Hình 2.3: Bộ mã hoá quang tăng dần Encoder quay có encoder tăng dần (Incremental Encoder) và encoder tuyệt đối (Absolute Encoder) Hình 2.3 phía trên là encoder tăng dần, nó bao gồm một đĩa quay trên đĩa được chia thành các vạch tối sáng xen kẽ nhau Một bên của đĩa bố trí hệ thống phát tia hồng ngoại phía đối diện đặt hệ thống thu tia hồng ngoại Khi đĩa quay ánh sáng chiếu qua các vạch sáng từ bên phát sang bên thu tạo thành các xung điện, tuỳ thuộc vào số lượng vạch sáng trên đĩa mà mỗi vòng quay sẽ thu được bao nhiêu xung Độ phân giải của các bộ encoder tăng dần biến đổi trong khoảng 100  65000 xung trong một vòng quay Encoder tăng dần thường có loại 1 đường tín hiệu hoặc 3 đường tín hiệu Dùng encoder để xác định vị trí thường hay bị sai lệch do việc định vị trí ban đầu cho đĩa quay hoặc khi hệ thống đang làm việc mà xảy ra mất điện sẽ không xác định được vị trí Hình 2.4 là cấu tạo của encoder tuyệt đối, encoder tuyệt đối có đĩa quay được chia thành nhiều vòng, trên mỗi vòng chia thành các vạch sáng tối, mỗi