Nghiên cứu kỹ thuật lập trình trên máy phay CNC DMU 50 và xây dựng các bài thực hành phục vụ giảng dạy tại trường đại học sư phạm kỹ thuật nam định

Ngày nay, với việc áp dụng thành quả tiến bộ của Khoa học - Công nghệ, nhất là lĩnh vực điều khiển số và tin học đã cho phép các nhà máy nghiên cứu đưa vào máy công cụ các hệ thống điều

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

TRẦN ĐÌNH TÀI

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT LẬP TRÌNH TRÊN MÁY PHAY CNC DMU50 VÀ XÂY DỰNG CÁC BÀI THỰC HÀNH PHỤC VỤ GIẢNG DẠY

TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NAM ĐỊNH

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS TĂNG HUY

Hà Nội – Năm 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng những nội dung trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của tôi

Hà Nội, ngày 26 tháng 06 năm 2015

Học viên

Trần Đình Tài

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CAD (Computer Aided Design) – Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính

CAM (Computer Aided Manufacturing) - Chế tạo có sự trợ giúp của máy tính

NC (Number Control) – Điều khiển số

CNC (Computer Numerical Control) – Điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính MIT (Masachusetts Institute of Tech nology) – Viện công nghệ Masachusetts

ISO (Internationnal Organnisation for standardization) – Tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế

APT – Autoumatically Programmed Medtool – Tự động hoá lập trình công nghệ EXAPT: Extended Subject of APT – Tập con mở rộng của APT

LAN (Local Area Netword) – Mạng cục bộ

WAN ( Wide Are Netword) – Mạng diện rộng

2D, 3D, 4D, 5D – Điều khiển 2, 3, 4, 5 chiều

PLC ( Programmable logic Controller) – Thiết bị điều khiển lập trình

DIN ( German Institute for Standarzation) – Viện tiêu chuẩn hoá của Đức

MDSI ( Manufatuary – Data – Systems – Institute) – Viện nghiên cứu hệ thống dữ liệu gia công

MỤC LỤC Trang

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN 1

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU 13

PHẦN MỞ ĐẦU 14

1 Lý do chọn đề tài 14

2 Mục đích nghiên cứu: 15

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 15

4 Phương pháp nghiên cứu 15

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: 16

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ CNC 17

1.1 Khái quát về điều khiển số và lịch sử phát triển của máy CNC 17

1.2 Đặc trưng cơ bản và vai trò của máy CNC đối với tự động hoá 19

1.2.1 Tính năng tự động cao 19

1.2.2 Tính năng linh hoạt cao 19

1.2.3 Tính năng tập trung nguyên công 20

1.2.4 Tính năng chính xác, đảm bảo chất lượng cao 20

1.2.5 Gia công biên dạng phức tạp 20

1.2.6 Tính năng hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao 20

1.3 Một số nét cơ bản về máy công cụ vạn năng và máy CNC 21

1.4 Mô hình khái quát của một máy CNC 22

1.4.1 Phần điều khiển: 22

1.4.2 Phần chấp hành: 23

1.5 Các phương pháp điều khiển trong máy CNC 23

1.6 Hệ toạ độ và các điểm gốc lập trình gia công CNC 25

1.6.1 Hệ toạ độ 25

1.6.2 Các điểm gốc lập trình gia công CNC 26

1.7 Kỹ thuật lập trình gia công CNC 27

1.7.1 Lập trình theo kích thước tuyệt đối 27

1.7.2 Lập trình theo kích thước tương đối 28

1.7.3 Các ngôn ngữ lập trình 28

1.7.4 Các phương pháp lập trình 28

1.7.4.1 Lập trình bằng tay 28

1.7.4.2 Lập trình với sự trợ giúp của máy tính 29

1.7.5 Cấu trúc chương trình CNC 33

1.8 Trình tự để thiết lập một chương trình gia công 37

1.9 Hiệu quả kinh tế khi gia công trên máy CNC 37

1.10 Kết luận chương 1 38

Chương 2 NGHIÊN CỨU VỀ MÁY PHAY CNC DMU 50 39

2.1 Giới thiệu về máy phay CNC DMU 50 39

2.1.1 Đặc điểm chung của máy phay DMU50 39

2.1.2 Thông số kỹ thuật của máy phay CNC DMU50 40

2.1.3 Những tính năng chính 41

2.1.4 Các bộ phận cơ bản của máy phay CNC DMU50 41

2.1.4.1 Các bộ phận bên ngoài của máy 41

2.1.4.2 Các bộ phận bên trong của máy 42

2.1.4.3 Các bộ phận điều khiển của máy 45

2.2 Hướng dẫn vận hành máy phay CNC DMU 50 47

2.2.1 Điều kiện kỹ thuật làm việc 47

2.2.2 Hướng dẫn vận hành bật máy (bảng 2.3) 47

2.2.3 Hướng dẫn vận hành tắt máy (bảng 2.4) 48

2.3 Màn hình và bàn phím trên máy 49

2.3.1 Màn hình giao diện của máy 49

2.3.2 Các phím chức năng trên bàn điều khiển của máy phay CNC DMU50 50

2.4 Lập trình và sửa đổi chương trình 54

2.4.1 Chạy thử chương trình (Simulation) 55

2.4.2 Chạy chương trình (Machining) 56

2.4.3 Kỹ thuật lập trình và gia công trên máy phay CNC DMU50 56

2.4.3.1 Tạo một chương trình NC và chọn gốc 0 cho chương trình NC trên máy 56

2.4.3.2 Khai báo các thông số về dao trên máy 56

2.4.3.3 Lập chương trình NC gia công chi tiết 57

2.4.3.4 Gia công chi tiết trên máy 58

2.5 Kết luận chương 2 59

Chương 3 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SHOPMILL TRONG LẬP TRÌNH GIA CÔNG CƠ KHÍ 60

3.1 Giới thiệu chung vềphần mềm ShopMill và hệ điều khiển Siemens 60

3.2 Cài đặt phần mềm ShopMill từ đĩa DVD vào máy tính 62

3.3 Giao diện trong phần mềm ShopMill 64

3.4 Những lợi thế khi lập trình trên ShopMill 66

3.5 Các chức năng lập trình cơ bản của phần mềm ShopMill 71

3.5.1 Chức năng Khoan và Tarô (Drilling, Tapping): 71

3.5.1.1 Khoan tâm (Centering) 72

3.5.1.2 Khoan doa (Drilling reaming) 72

3.5.1.3 Khoan lỗ sâu (Deep hole driling) 73

3.5.1.4 Doa lỗ ( Boring) 73

3.5.1.5 Tarô ren (Tapping thread) 74

3.5.1.6.Vị trí lỗ (Positions) 74

3.5.2 Chức năng Phay 75

3.5.2.1 Phay mặt phẳng (Face milling ): 76

3.5.2.2 Phay hốc (Pocket ) 77

3.5.2.3 Phay đảo (Spigot ) 79

3.5.2.4 Phay rãnh (Groove): 81

3.5.2.5 Phay chữ (Engraving) 83

3.5.3 Phay contour (Phay theo biên dạng): 84

3.5.3.1 Phay theo biên dạng (Path milling) 85

3.5.3.2 Phay hốc (Milling pocket) 86

3.5.3.3 Phay phần vật liệu thừa của hốc do nguyên công trước để lại (Pocket.res.mat) 87

3.5.3.4 Phay đảo (Mill spigot) 87

3.5.3.5 Phay đảo đã có sẵn (Spigot resid material) 88

3.5.4 Các chức năng khác (Vari-ous) 88

3.5.4.1 Chức năng đánh dấu (Set mark) 89

3.5.4.2 Chức năng thực hiện lặp lại (Repetition) 90

3.5.4.3 Chương trình con (Subprogram) 90

3.5.4.4 Điểm gốc của phôi (Workp zero) 90

3.5.4.5 Chức năng thiết lập (Setting) 90

3.5.4.6 Chức năng biến đổi (Transfor mations) 91

3.6 Gia công các chi tiết 3D trên ShopMill và máy phay CNC DMU50 92

3.7 Kết luận chương 3 93

Chương 4 XÂY DỰNG HỆ THỐNG CÁC BÀI THỰC HÀNH VÀ THÍ NGHIỆM GIA CÔNG CẮT GỌT TRÊN MÁY PHAY CNC DMU 50 94

4.1 Cơ sở khoa học của việc xây dựng hệ thống các bài thực hành thí nghiệm 94

4.2 Xác định chuẩn kỹ năng thực hành CNC đối với sinh viên chuyên ngành Chế tạo máy trong các trường Đại học và Cao đẳng công nghệ 95

4.3 Xây dựng hệ thống các bài thực hành và thí nghiệm gia công cắt gọt trên máy CNC DMU 50 với hệ điều khiển Siemens 96

4.3.1 Giới thiệu phần mềm máy và bảng điều khiển máy DMU 50 96

4.3.2 Gia công chi tiết số 1 97

4.3.3 Gia công chi tiết số 2 104

4.3.4 Lập trình gia công chi tiết tấm khuôn (Chi tiết số 03) 109

4.3.5 Gia công chi tiết tấm khuôn (chi tiết số 04) 116

4.3.6 Gia công chi tiết nửa khuôn dưới vỏ máy sấy tóc (Chi tiết số 05) 122

4.4 Kết luận chương 4 127 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 128

TÀI LIỆU THAM KHẢ0 129

DANH MỤC HÌNH VẼ Trang

Hình 1.1 Mô hình khái quát của một máy CNC 22

Hình 1.2 Điều khiển theo điểm 24

Hình 1.3 Điều khiển theo đường thẳng 24

Hình 1.4 Điều khiển theo Contour 25

Hình 1.5 Hệ toạ độ trong máy CNC 25

Hình 1.6 Điểm gốc lập trình trên máy CNC 27

Hình 1.7 Chương trình chính và chương trình con 34

Hình 2.1 Máy phay CNC DMU50 39

Hình 2.2 Một số bộ phận mặt trước của máy phay CNC DMU 50 41

Hinh 2.3 Các bộ phận cơ bản trong của máy CNC DMU 50 42

Hình 2.4 Bàn điều khiển của máy 46

Hình 2.5 Điều khiển bằng tay của máy 46

Hình 2.6 Điều khiển bàn máy 47

Hình 2.7 Màn hình giao diện máy 50

Hình 2.8 Bảng điều khiển máy phay CNC DMU50 50

Hình 2.9 Màn hình ở chế độ lập trình và sửa lỗi chương trình 55

Hình 2.10 Màn hình mô phỏng (Simulasiont) 55

Hình 2.11 Màn hình ở chế độ gia công 56

Hình 2.12 Màn hình ở chế độ thiết lập phôi 56

Hình 2.13 Màn hình ở chế độ thiết lập thông số về dao 57

Hình 2.14 Màn hình ở chế độ tạo chương trình NC mới 57

Hình 2.15 Màn hình ở chế độ mở một chương trình NC 58

Hình 2.16 Màn hình ở chế độ gia công từng câu lệnh 58

Hình 2.17 Màn hình ở chế độ gia công toàn bộ chương trình 59

Hình 3.1 Màn hình hiển thị bước gia công và các thông số công nghệ đang thực hiện trên phần mềm ShopMill 61

Hình 3.2 Màn hình mô phỏng gia công của phần mềm Shopmill 62

Hình 3.3 Màn hình mở DVD Shopmill trên máy tính 62

Hình 3.4 Màn hình bắt đầu chế độ cài đặt 62

Hình 3.5 Màn hình kích chọn cài đặt phần mềm 63

Hình 3.6 Màn hình nhập CD key cho quá trình cài đặt 63

Hình 3.7 Màn hình kích chọn cài đặt phần mềm 64

Hình 3.8 Màn hình ở chế độ kết thúc quá trình cài đặt 64

Hình 3.9 Màn hình ở chế độ kích chọn khởi động phần mềm 64

Hình 3.10 Màn hình khởi tạo của phần mềm ShopTun, ShopMill 65

Hình 3.11 Màn hình khởi tạo của phần mềm ShopMill 65

Hình 3.12 Màn hình giao diện của phần mềm 66

Hình 3.13 Màn hình nhập các thông số công nghệ 67

Hình 3.14 Chương trình NC 67

Hình 3.15 Màn hình giao diện hiển thị các thông số công nghệ 68

Hình 3.16 Màn hình chuyển đổi giữa hỗ trợ tĩnh và hỗ trợ hình ảnh 68

Hình 3.17 Màn hình mô phỏng và gia công hốc 69

Hình 3.18 Màn hình mô phỏng đường chạy dao 69

Hình 3.19.Màn hình Copy,Paste, các bước công nghệ 70

Hình 3.20 Bảng quản lý dao và phối hợp chúng trong ổ dao 70

Hình 3.21 Màn hình giao diện chức năng khoan – Tarô 71

Hình 3.22 Màn hình giao diện chức năng khoan tâm 72

Hình 3.23 Màn hình giao diện chức năng khoan doa 72

Hình 3.24 Màn hình giao diện chức năng khoan lỗ sâu 73

Hình 3.25 Màn hình giao diện chức năng doa lỗ 73

Hình 3.26 Màn hình giao diện chức năng tarô ren 74

Hình 3.27 Màn hình giao diện chức năng khoan theo tọa độ 74

Hình 3.28 Màn hình giao diện chức năng khoan theo đường thẳng 75

Hình 3.29 Màn hình giao diện chức năng khoan theo đường tròn 75

Hình 3.30 Màn hình giao diện chức năng phay 75

Hình 3.31 Màn hình giao diện chức năng phay mặt phẳng 76

Hình 3.32 Màn hình giao diện chức năng phay hốc 77

Hình 3.33 Màn hình giao diện chức năng phay hốc hình tròn 78

Hình 3.34 Màn hình giao diện chức năng phay hốc đảo hình chữ nhật 79

Hình 3.35 Màn hình giao diện chức năng phay đảo hình tròn 80

Hình 3.36 Màn hình giao diện chức năng phay rãnh dài 81

Hình 3.37 Màn hình phay nhiều rãnh theo đường tròn 82

Hình 3.38 Màn hình phay chữ 83

Hình 3.39 Màn hình giao diện chức năng phay contour 84

Hình 3.40 Màn hình giao diện chức năng phay theo biên dạng 85

Hình 3.41 Màn hình giao diện chức năng phay hốc 86

Hình 3.42 Màn hình giao diện chức năng phay phần vật liệu thừa của hốc do nguyên công trước để lại 87

Hình 3.43 Màn hình giao diện chức năng phay đảo 87

Hình 3.44 Màn hình giao diện chức năng phay đảo đã có sẵn 88

Hình 3 45 Màn hình giao diện các chức năng khác 89

Hình 3 46 Màn hình giao diện chức năng đánh dấu 89

Hình 3 47 Màn hình giao diện chức năng thực hiện lặp lại 90

Hình 3 48 Màn hình giao diện chương trình con 90

Hình 3 49 Màn hình thông số điểm gốc của phôi 90

Hình 3 50 Màn hình giao diện chức năng thiết lập 91

Hình 3 51 Màn hình giao diện chức năng biến đổi 91

Hình 3.52 Chương trình NC 3D 92

Hình 3.53 Màn hình giao diện chức năng gia công 3D 92

Hình 4.1 Chi tiết gia công bài tập 1 97

Hình 4.2 Màn hình khi tạo thư mục và tạo Fine NC 98

Hình 4.3 Màn hình khi tạo Fine NC 98

Hình 4.4 Màn hình khi thiết lập phôi 99

Hình 4.5 Thiết lập bước khỏa mặt cho chi tiết 99

Hình 4.6 Thiết lập biên dạng cho chi tiết 100

Hình 4.7 Phay thô, tinh bậc theo biên dạng 100

Hình 4.8 Thiết lập biên dạng bậc 2 101

Hình 4.9 Phay thô, tinh bậc 2 101

Hình 4.10 Thiết lập chế độ khoan lỗ Ф19 102

Hình 4.11 Thiết lập chế độ doa lỗ Ф 20 102

Hình 4.12 Thiết lập chế độ khoan hai lỗ Ф10 102

Hình 4.13 Chương trình NC của chi tiết 103

Hình 4.14 Chi tiết sau khi lập trình xong 103

Hình 4.15 Chi tiết gia công bài tập 2 104

Hình 4.16 Màn hình khi tạo Fine NC 105

Hình 4.17 Màn hình khi thiết lập phôi 105

Hình 4.18 Thiết lập gia công phay mặt phẳng 106

Hình 4.19 Thiết lập bước khoan lỗ Ф20 106

Hình 4.20 Thiết lập chế độ phay hốc vuông 107

Hình 4.21 Thiết lập chế độ phay hốc tròn Ф86 107

Hình 4.22 Thiết lập chế độ phay hốc vuông 108

Hình 4.23 Thiết lập chế độ khoan 4 lỗ Ф8 108

Hình 4.24 Chương trình NC của chi tiết 108

Hình 4.25 Chi tiết sau khi lập trình xong 109

Hình 4.26 Chi tiết gia công số 3 109

Hình 4.27 Màn hình khi tạo Fine NC 110

Hình 4.28 Màn hình khi thiết lập phôi 111

Hình 4.29 Thiết lập gia công phay mặt phẳng 111

Hình 4.30 Thiết lập biên dạng Contour 112

Hình 4.31 Thông số phay bậc 112

Hình 4.32 Thiết lập gia công lỗ Ф40 113

Hình 4.33 Thiết lập gia công lỗ Ф55 113

Hình 4.34 Thiết lập đường biên dạng gia công bậc 2 113

Hình 4.35 Thông số công nghệ gia công bậc 2 114

Hình 4.36 Khoan 6 lỗ Ф8.5 114

Hình 4.37 Ta rô 6 lỗ M10 114

Hình 4.38 Chương trình NC của chi tiết 115

Hình 4.39 Chi tiết sau khi lập trình gia công 115

Hình 4.40 Chi tiết sau khi gia công 115

Hình 4.41 Chi tiết gia công số 4 116

Hình 4.42 Màn hình khi tạo Fine NC 117

Hình 4.43 Màn hình khi thiết lập phôi 117

Hình 4.44 Thông số phay hốc tròn Ø30 118

Hình 4.45 Thông số phay cánh thứ nhất 118

Hình 4.46 Thông số phay các cánh còn lại 119

Hình 4.47 Thông số phay rãnh cong 119

Hình 4.48 Thông số phay rãnh thẳng 120

Hình 4.49.Thông số phay chữ ShopMill 120

Hình 4.50 Thông số phay chữ NUTE 120

Hình 4.51 Thông số thiết lập contour đường hoa văn 121

Hình 4.52 Thông số thiết lập phay đường hoa văn 121

Hình 4.53 Thông số thiết lập khoan 4 lỗ Ø12 122

Hình 4.54 Mô phỏng gia công chi tiết 122

Hình 4.55 Chi tiết vỏ máy sấy tóc 123

Hình 4.56 Foder chứa chương trình gia công 124

Hình 4.57 Mô phỏng khi gia công thô 125

Hình 4.58 Mô phỏng khi gia công bán tinh 125

Hình 4.59 Mô phỏng khi gia công tinh 126

Hình 4.60 Mô phỏng khi gia công 4 lỗ Ø 8 126

Hình 4.61 Hình ảnh sản phẩm sau khi gia công 127

DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang

Bảng 1.1 So sánh máy công cụ vạn năng và máy CNC 21

Bảng 1.2 Trình tự thiết lập một chương trình gia công 37

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật máy phay CNC DMU 50 40

Bảng 2.2 Một số bộ phận cơ bản của máy phay CNC DMU 50 43

Bảng 2.3 Hướng dẫn vận hành bật máy 48

Bảng 2.4 Hướng dẫn vận hành tắt máy 48

Bảng 2.5 Hướng dẫn sử dụng bàn phím chức năng 50

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ trên tất cả các lĩnh vực của cuộc sống thì các sản phẩm cơ khí ngày càng phải có những yêu cầu cao hơn về chất lượng sản phẩm, mức tự động hóa sản xuất và đặc biệt là độ chính xác về hình dáng hình học, tính thẩm mỹ của sản phẩm Vì vậy, các công nghệ gia công truyền thống trên các máy vạn năng khó đáp ứng được nhu cầu này,

do đó sự cạnh tranh trên sản phẩm còn nhiều hạn chế Để đáp ứng những yêu cầu cao về sản phẩm đòi hỏi phải có hệ thống máy móc hiện đại, con người luôn làm chủ được khoa học công nghệ Việc tìm hiểu khai thác khả năng công nghệ gia công trên các máy CNC nhằm đạt hiệu quả kinh tế cao đang là nhiệm vụ cấp bách đặt ra đối với các công ty, viện nghiên cứu, các trường học ở nước ta

Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam Định – Cơ sở phía Bắc là một trường đại học công lập (trường lên đại học tháng 01 năm 2006) đã trải qua 50 năm xây dựng

và phát triển Năm 2013 trường đã được chọn là: “Trung tâm đánh giá kỹ năng nghề quốc gia” để đánh giá tay nghề của giáo viên, kỹ sư các nhà máy và chuẩn đầu ra cho sinh viên Nhà trường đã được đầu tư lớn về cơ sở vật chất, trang thiết bị máy móc và việc ứng dụng mạnh các thành tựu khoa học vào quá trình giảng dạy và nghiên cứu được nhà trường hết sức quan tâm Các nghành mũi nhọn và trọng điểm của trường là: Nghành cơ khí, Điện - Điện tử, Tin học Việc ứng dụng các phần mềm CAD/CAM/CNC, khai thác khả năng công nghệ gia công trên máy CNC đã và đang phát huy mạnh mẽ nhằm đào tạo ra đội ngũ cán bộ kỹ thuật, giáo viên dạy nghề, kỹ

sư, công nhân kỹ thuật có kiến thức tay nghề về công nghệ cao Trước đây, việc tiếp cận về máy CNC chỉ được làm trên máy CNC mô hình dùng cho dạy học, từ năm

2010 Nhà trường đã đầu tư mới 03 máy phay CNC công nghiệp, trong đó có một máy phay CNC ảo để phục vụ quá trình giảng dạy, học tập và nghiên cứu Vấn đề đặt ra với đội ngũ giảng dạy nhà trường phải xây dựng được hệ thống các bài giảng khoa học, chất lượng để phục vụ cho việc đào tạo đội ngũ kỹ sư, kỹ thuật viên có kiến thức và kỹ năng đáp ứng nhu cầu xã hội Với phương châm gắn đào tạo với thực tế

sản xuất trong các doanh nghiệp, việc xây dựng hệ thống các bài thực hành, thí nghiệm gia công trên các máy cắt gọt CNC sát với thực tế, sát với điều kiện sản xuất công nghiệp và phù hợp với điều kiện giảng dạy trong nhà trường Đây là một vấn đề rất khó khăn nhưng vô cùng cấp thiết, nếu giải quyết tốt vấn đề này thì sinh viên sau khi tốt nghiệp ra trường có thể thích nghi và đảm nhiệm tốt công việc tại các nhà máy, xí nghiệp

Xuất phát từ những lý do trên, để đáp ứng được nhu cầu của xã hội, tác giả

quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu kỹ thuật lập trình trên máy phay CNC DMU 50

và xây dựng các bài thực hành phục vụ giảng dạy tại trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam Định” làm đề tài luận văn tốt nghiệp cao học của mình

2 Mục đích nghiên cứu:

Đưa ra những được những kiến thức cơ bản về: Tổng quan về máy công cụ CNC (đặc trưng cơ bản và vai trò của máy CNC, các phương pháp điều khiển trong máy CNC, kỹ thuật lập trình gia công CNC ) Biết cách vận hành và sử dụng thành thạo máy phay CNC công nghiệp Biết cách sử dụng một số phần mềm CAM, phần mềm ShopMill trong lập trình gia công Việc nghiên cứu kỹ thuật lập trình trên máy phay CNC DMU50 và xây dựng các bài thực hành phục vụ giảng dạy tại trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam Định với hệ điều khiển Siemens bằng phần mềm ShopMill, nhằm nâng cao chất lượng đào tạo tại Trường

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu khái quát chung về công nghệ CNC

- Khả năng công nghệ của máy phay CNC DMU50

- Kỹ thuật lập trình với hệ điều khiển Siemens bằng phần mềm ShopMill V07.02 trên máy phay CNC DMU50 cho hệ thống các bài thực hành

4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với

thực nghiệm trên máy phay CNC DMU50 tại trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam Định

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

- Tiến hành thực nghiệm

- Phân tích và đánh giá kết quả

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

- Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần xây dựng chương trình môn học gia công trên máy phay CNC cho trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam Định nói riêng và các trường Cao đẳng, Đại học nói chung, thúc đẩy quá trình dạy nghề, đào tạo CAD/CAM/CNC có hiệu quả

- Nhằm đạo tạo ra đội ngũ kỹ sư và cử nhân cơ khí có kiến thức và tay nghề về

kỹ thuật lập trình trên máy phay CNC Nâng cao khả năng hiểu biết về tự động hóa

và tác phong công nghiệp cho sinh viên khi ra trường

- Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở để cải tiến chương trình đào tạo theo hướng sát với thực tế sản xuất, đáp ứng nhu cầu xã hội Đáp ứng đòi hỏi về nhu cầu nhân lực trình độ cao cho sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước

Học viên xin chân thành cảm ơn PGS.TS Tăng Huy, người thầy đã hướng

dẫn và chỉ bảo tận tình cho tôi hoàn thành luận văn

Học viên cũng bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo Trung tâm thực hành, Bộ môn Chế tạo máy – Khoa cơ khí Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam Định đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận văn

Trong quá trình thực hiện luận văn không thể tránh khỏi những sai sót, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp về luận văn của các nhà khoa học, thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Hà N ội, ngày 26 tháng 06 năm 2015

Tác giả

Trần Đình Tài

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ CNC 1.1 Khái quát về điều khiển số và lịch sử phát triển của máy CNC

Điều khiển số (Numerical Control)ra đời với mục đích điều khiển các quá trình công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ Thực chất đây là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy trên cơ sở các dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân các chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống

Trước đây, cũng có các quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theo chương trình bằng kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình bằng hệ thống máy thuỷ lực, cam hoặc điều khiển bằng mạch logic… Ngày nay, với việc áp dụng thành quả tiến bộ của Khoa học - Công nghệ, nhất là lĩnh vực điều khiển số và tin học đã cho phép các nhà máy nghiên cứu đưa vào máy công cụ các hệ thống điều khiển cho phép thực hiện các quá trình gia công một cách linh hoạt hơn, thích ứng với nền sản xuất hiện đại và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn

Lịch sử phát triển của NC bắt nguồn từ mục đích về quân sự và hàng không

vũ trụ khi mà có yêu cầu các chi tiết về chất lượng của các máy bay, tên lửa, xe tăng

là cao nhất Vào cuối những năm 40 học viện công nghệ MIT Hoa Kỳ bắt đầu thực hiện đề án nghiên cứu về kỹ thuật điều khiển số Năm 1960 các hệ điều khiển số được chế tạo tương ứng với trình độ kỹ thuật của các công nghệ bóng đèn điện tử và rơle, máy kích thước lớn, rất nhạy cảm với các điều kiện môi trường khác nhau và giá cả thì rất đắt đỏ Vì vậy máy không được sử dụng rộng rãi

Từ sau những năm 1960, bóng đèn điện tử được thay dần bằng các phần tử bán dẫn rời rạc, đi ốt và tranzito (đèn 3 cực), thế nhưng những linh kiện đơn lẻ vẫn đòi hỏi có thể tích chiếm chỗ đủ lớn, còn rất nhiều mối hàn và các ổ cắm, các ghép nối vừa tốn kém khi chế tạo vừa hạn chế độ tin cậy khi vận hành điều khiển Những thông tin điều khiển được ghi trên băng đục lỗ nên dung lượng thấp và phải đọc từng bước trong quá trình gia công, khi gia công nhiều chi tiết giống nhau vẫn phải đọc băng đục lỗ cho từng lần gia công Khi thay đổi chương trình điều khiển chẳng hạn như muốn thay đổi chế độ cắt cho phù hợp đòi hỏi phải làm lại băng đục lỗ

Vào những năm 70, kỹ thuật điều khiển số nhanh chóng ứng dụng các tiến bộ của kỹ thuật vi điện tử, vi mạch tích hợp: Những hệ NC sử dụng những bản mạch logic được thay thế bởi các bộ nhớ có dung lượng đủ lớn, do nối ghép các cụm vi tính vào hệ điều khiển số mà những phần cứng trước đây được thay thế bằng những phần mềm linh hoạt hơn

Cho đến ngày nay, các chức năng tính toán trong hệ thống CNC ngày càng được hoàn thiện và đã đạt được tốc độ sử lý rất cao do tiếp tục ứng dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật phát triển của các bộ vi xử lý P Các hệ thống CNC được chế tạo hàng loạt theo các công thức xử lý đa chức năng dùng cho nhiều mục đích điều khiển khác nhau Từ chỗ những vật mang tin là những băng đục lỗ, băng

từ, đĩa từ tiến tới đĩa compact (đĩa CD) có dung lượng nhớ ngày càng mở rộng độ tin cậy và tuổi thọ ngày càng cao

Việc cài đặt các cụm vi tính trực tiếp vào hệ NC để trở thành CNC (Computer Numerical Control) đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng, cho chúng ta có thể ứng dụng được máy công cụ điều khiển số CNC ngay cả trong các xí nghiệp vừa

và nhỏ không có phòng lập trình riêng, điều đó có nghĩa là người điều khiển máy có thể lập trình trực tiếp trên máy Những dữ liệu được nhập vào, nội dung lưu trữ trên máy, thông báo về tình trạng hoạt động của máy cùng các chỉ dẫn cần thiết khác cho người điều khiển máy đều được hiển thị trên màn hình Lúc đầu màn hình của các

hệ điều khiển số chỉ là màn hình đen trắng với các ký tự chữ cái và con số nay đã sử dụng các màn hình mầu đồ hoạ với độ phân giải cao, biên dạng của chi tiết gia công, chuyển động của dao cụ đều được hiển thị, có thể mô phỏng chi tiết gia công theo 3 chiều kích thước (3D)

Ngoài những ưu điểm cơ bản của máy và công nghệ CNC như độ chính xác cao của sản phẩm, đáp ứng nhanh về số lượng và thích ứng nhanh với thị trường về mẫu mã sản phẩm thì những ưu điểm nổi bật chỉ có ở máy CNC nữa là phương thức làm việc với hệ thống xử lý thông tin “điện tử-số hoá”, cho phép nối ghép với hệ thống xử lý trong phạm vi toàn xí nghiệp tạo điều kiện mở rộng việc tự động hoá

toàn bộ quá trình sản xuất, ứng dụng các kỹ thuật quản lý hiện đại thông qua mạng liên thông cục bộ (LAN) hay mạng liên thông toàn cầu (WAN)

Xét về bản chất của các máy điều khiển theo chương trình số, từ các máy NC đầu tiên với bộ xử lý là được áp dụng công nghệ đèn điện tử, rơle đến các phần tử bán dẫn rời rạc, điốt, và tranzito (đèn 3 cực) và sau đó là đã áp dụng các tiến bộ của

kỹ thuật vi điện tử, vi mạch tích hợp và siêu vi mạch cũng chỉ là để xử lý các hệ thống dữ liệu đầu vào cho hệ thống điều khiển số

1.2 Đặc trưng cơ bản và vai trò của máy CNC đối với tự động hoá

1.2.1 Tính năng tự động cao

Máy CNC có năng suất cắt gọt cao và giảm được tối đa thời gian phụ, do mức

độ tự động được nâng cao vượt bậc Tuỳ từng mức độ tự động, máy CNC có thể thực hiện cùng một lúc nhiều chuyển động khác nhau, có thể tự động thay dao, hiệu chỉnh sai số dao cụ, tự động kiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự động hiệu chỉnh sai lệch vị trí tương đối giữa dao và chi tiết, tự động tưới nguội, tự động hút phoi ra khỏi khu vực cắt

1.2.2 Tính năng linh hoạt cao

- Chương trình có thể thay đổi dễ dàng và nhanh chóng, thích ứng với các loại chi tiết khác nhau Do đó rút ngắn thời gian phụ và thời gian chuẩn bị sản xuất, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tự động hoá sản xuất hàng loạt nhỏ

- Bất cứ lúc nào cũng có thể sản xuất nhanh chóng những chi tiết đã có chương trình Vì thế, không cần phải sản xuất chi tiết dự trữ mà chỉ lấy chương trình của chi tiết đó

- Máy CNC gia công được những chi tiết nhỏ, vừa, phản ứng một cách linh hoạt khi nhiệm vụ công nghệ thay đổi và điều quan trọng nhất là việc lập trình gia công có thể thực hiện ngoài máy, trong các văn phòng có sự hỗ trợ của kỹ thuật tin học thông qua thiết bị vi tính, vi xử lý

1.2.3 Tính năng tập trung nguyên công

Đa số các máy CNC có thể thực hiện số lượng lớn các nguyên công khác nhau mà không cần thay đổi vị trí gá đặt của chi tiết Từ khả năng tập trung các nguyên công, các máy CNC đã được phát triển thành các trung tâm gia công CNC

1.2.4 Tính năng chính xác, đảm bảo chất lượng cao

- Giảm được hư hỏng do sai xót của con người Đồng thời cũng giảm được cường độ chú ý của con người khi làm việc

- Có khả năng gia công chính xác hàng loạt Độ chính xác lập lại, đặc trưng cho mức độ ổn định trong suốt quá trình gia công là điểm ưu việt tuyệt đối của máy CNC

- Máy CNC với hệ thống điều khiển khép kín có khả năng gia công được những chi tiết chính xác và về hình dáng đến kích thước Những đặc điểm này thuận tiện cho việc lắp lẫn, giảm khả năng tổn thất phôi liệu ở mức thấp nhất

1.2.5 Gia công biên dạng phức tạp

Máy CNC có thể gia công chính xác và nhanh các chi tiết có hình dạng phức tạp như các bề mặt 3 chiều

1.2.6 Tính năng hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao

- Cải thiện tuổi bền dao nhờ điều kiện cắt tối ưu Tiết kiệm dụng cụ cắt gọt,

đồ gá và các phụ tùng khác

- Giảm phế phẩm

- Tiết kiệm tiền thuê mướn lao động do không cần yêu cầu kỹ năng nghề nghiệp nhưng năng suất gia công cao hơn

- Sử dụng lại chương trình gia công

- Giảm thời gian sản xuất

- Thời gian sử dụng máy nhiều hơn nhờ vào giảm thời gian dừng máy

- Giảm thời gian kiểm tra vì máy CNC sản xuất chi tiết chất lượng đồng nhất

- CNC có thể thay đổi nhanh chóng từ việc gia công loại chi tiết này sang loại khác với thời gian chuẩn bị thấp nhất

Tuy nhiên bên cạnh đó máy CNC cũng có một số hạn chế như:

- Sự đầu tư ban đầu cao: Nhược điểm lớn nhất trong việc sử dụng máy CNC

là tiền vốn đầu tư ban đầu cao cùng với chi phí lắp đặt

- Yêu cầu bảo dưỡng cao: Máy CNC là thiết bị kỹ thuật cao và hệ thống cơ khí, điện của nó rất phức tạp Để máy gia công được chính xác cần thường xuyên bảo dưỡng Người bảo dưỡng phải tinh thông cả về cơ và điện

- Hiệu quả thấp với những chi tiết đơn giản

1.3 Một số nét cơ bản về máy công cụ vạn năng và máy CNC

- Về cơ bản máy công cụ vạn năng và máy công cụ điều khiển số có kết cấu khung giống nhau, đó là: Thân máy, đế máy, bàn trượt, đầu trục chính

- Ngoài ra chúng còn có một số điểm khác nhau, cụ thể (bảng 1.1):

Bảng 1.1 So sánh máy công cụ vạn năng và máy CNC

1 Nguồn động

lực

- Động cơ 3 pha thường - Động cơ DC điều khiển vô cấp

hoặc AC biến tần theo điều khiển vô cấp Động cơ Servo

- Động cơ bước và động cơ thuỷ lực

- Thanh răng/bánh răng yêu cầu có

cơ cấu kẹp khử khe hở

- Vít me/đai ốc bi

5 Điều khiển - Bằng tay (công tắc, tay

gạt cơ khí)

- Bằng máy tính với hệ điều khiển

số (bảng điều khiển và màn hình điều khiển)

- Mềm dẻo, linh hoạt cao

1.4 Mô hình khái quát của một máy CNC

Hình 1.1 Mô hình khái quát của một máy CNC

Máy CNC gồm hai phần chính:

1.4.1 Phần điều khiển:

Gồm chương trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển

- Chương trình điều khiển: Là tập hợp các tín hiệu (gọi là lệnh) để điều khiển

máy, được mã hoá dưới dạng chữ cái, số và một số ký hiệu khác như dấu cộng, trừ, dấu chấm, gạch nghiêng Chương trình này được ghi lên cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã số và được lưu lại

- Các cơ cấu điều khiển: Nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực hiện

các phép biến đổi cần thiết để có được tín hiệu phù hợp vơi điều kiện hoạt động của

cơ cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra sự hoạt động của chúng thông qua các tín hiệu được gửi về từ các cảm biến liên hệ ngược Bao gồm các cơ cấu đọc, cơ cấu giải

mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuếch đại, cơ cấu đo hành trình, cơ cấu đo vận tốc, bộ nhớ và các thiết bị xuất nhập tín hiệu

+ Hộp tốc độ: Phạm vi điểu chỉnh tốc độ lớn, thường là truyền động vô cấp, trong đó sử dụng các lý hợp điện tử để thay thế tốc độ được dễ dàng

+ Hộp chạy dao: Có nguồn dẫn động riêng, thường là các động cơ bước Trong xích truyền động, sử dụng các phương pháp khử khe hở của các bộ truyền như vít me - đai ốc bi

+ Thân máy cứng vững, kết cấu hợp lý để dễ thải phoi, tưới trơn, dễ thay dao

tự động Nhiều máy có ổ chứa dao, tay máy thay dao tự động, có thiết bị tự động hiệu chỉnh khi dao bị mòn

Trong các máy CNC có thể sử dụng các dạng điểu khiển thích nghi khác nhau bảo đảm một hoặc nhiều thông số tối ưu như các thành phần lực cắt, nhiệt độ cắt, độ bóng bề mặt, chế độ cắt tối ưu, độ ồn, độ rung

1.5 Các phương pháp điều khiển trong máy CNC

* Điều khiển theo điểm (hình 1.2): Là phương thức điều khiển nhanh đồng thời

theo các trục nhằm xác định một vị trí nào đó theo yêu cầu Dạng điều khiển này thường

áp dụng để gia công các lỗ bằng các phương pháp như: Khoan, khoét, doa hay cắt ren lỗ

Hình 1.2 Điều khiển theo điểm

* Điều khiển theo đường thẳng (tuyến tính): Là dạng điều khiển mà khi gia

công dụng cụ cắt thực hiện lượng chạy dao theo một đường thẳng nào đó song song với một trục toạ độ (hình 1.3) Dạng điều khiển này thường dùng cho các máy phay

và máy tiện đơn giản

Hình 1.3 Điều khiển theo đường thẳng

* Điều khiển theo biên dạng (contour): Dạng điều khiển theo điểm, theo

đường có rất nhiều hạn chế khi gia công các bề mặt phức tạp như mặt cong, mặt nghiêng Dạng điều khiển theo contour (hình 1.4) cho phép khắc phục được các hạn chế này Ta có thể tạo ra các contour hoặc đường thẳng hay đường cong tuỳ ý trong mặt phẳng nào đó hoặc trong không gian Như thế có nghĩa là sẽ có nhiều trục chuyển động đồng thời và các trục đó có mối quan hệ với nhau về mặt toán học (hàm số) Tuỳ theo số lượng các trục được điều khiển đồng thời mà điều khiển theo contour được chia ra làm các loại 2D, 3D, 4D, 5D

Hình 1.4 Điều khiển theo Contour

1.6 Hệ toạ độ và các điểm gốc lập trình gia công CNC

1.6.1 Hệ toạ độ

- Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công chi tiết trên máy CNC phải nằm trong một hệ trục toạ độ Descarte theo quy tắc bàn tay phải (hình 1.5) Trong đó có ba chuyển động tịnh tiến theo các trục và ba chuyển động quay theo các trục tương ứng

Hình 1.5 Hệ toạ độ trong máy CNC

-Khi lập trình người ta quy ước rằng dụng cụ chuyển động tương đối so với

hệ thống toạ độ còn chi tiết đứng yên Do vậy có quy tắc mà người lập trình phải luôn nhớ “ Chi tiết đứng yên, chỉ có dụng cụ chuyển động”

- Trên các máy gia công điều khiển theo chương trình số còn có các trục quay như: Trục của bàn quay, ụ quay Các trục này được ký hiệu bằng các chữ cái

A, B, C, và các trục này có thứ tự tương ứng với các trục tịnh tiến X, Y, Z Nếu ta nhìn theo hướng dương của trục thì chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ là chiều quay dương

- Quy định các trục toạ độ trên máy:

+ Trên máy tiện trục chính mang chi tiết quay tròn, dụng cụ cắt (ví dụ: dao tiện) thực hiện chuyển động tịnh tiến theo hướng X, Z Trục Z chạy song song với trục chính máy, chiều dương của trục Z (+Z) chạy từ chi tiết đến dụng cụ tiện (dụng

cụ tiến xa chi tiết) Chiều dương của trục X (+X) chạy từ chi tiết (tâm quay) đến giá dao Như vậy, chiều của trục X sẽ khác nhau khi gá dao ở phía trước hoặc phía sau tâm quay

+ Trên máy phay trục chính mang dụng cụ cắt quay Trục Z có phương tương tự như đối với máy tiện, nghĩa là trục Z chạy song song với trục máy + Z chạy từ chi tiết đến dụng cụ tức là khi cho dao cắt vào chi tiết thì lúc đó trục Z có giá trị âm Đối với trục X thì còn tuỳ thuộc vào máy phay đó là máy nằm hay máy phay đứng

Sau khi xác định được chiều của trục X, Z ta có thể xác định chiều của trục

Y theo quy tắc bàn tay phải

1.6.2 Các điểm gốc lập trình gia công CNC

Vị trí chính xác của các hệ thống toạ độ do các điểm 0 quyết định Để đơn giản hoá việc vận hành máy và lập trình NC ngoài các điểm 0 còn các điểm chuẩn khác

- Các điểm 0 của máy M (machine point): Là điểm gốc của các toạ độ máy

và do nơi chế tạo ra máy đó xác định theo kết cấu động học của máy Trên máy phay điểm 0 của máy thường nằm tại điểm giới hạn dịch chuyển của bàn máy

- Điểm 0 của chi tiết W (work point): Là gốc của hệ thống toạ độ gắn lên chi

tiết Vị trí của điểm W do người lập trình tự do lựa chọn và xác định sao cho các kích thước trên bản vẽ gia công trực tiếp là giá trị toạ độ của hệ thống toạ độ

- Điểm gốc tham chiếu của máy R (reference point): Điểm gốc tham chiếu

của máy còn được gọi là điểm chuẩn của máy hay điểm gốc quay về Dùng để đóng kín không gian làm việc của máy Điểm gốc này có một vị trí xác định trước so với điểm M mà hệ điều khiển nhận biết được Đây là điểm rất quan trọng trong việc vận hành máy Trước khi cho máy chạy phải thực hiện lệnh cho dao về điểm gốc R Đồng thời trong quá trình gia công phải lưu ý vấn đề sau:

+ Khi bắt đầu sử dụng máy, gá dao xong phải cho máy trở về điểm R trước khi thực hiện đo kích thước dao

+ Khi đang sử dụng máy mà bị sự cố mất điện thì các giá trị thực tế về vị trí dao, bàn trượt bị mất, do vậy khi tiếp tục vận hành phải chạy dao về điểm R

- Điểm gốc chương trình P (program point): Là điểm mà dụng cụ cắt sẽ ở đó

trước khi gia công và sau khi kết thúc gia công một chi tiết trong sản xuất loạt Điểm này do người lập trình tự do lựa chọn, nhưng cần chú ý đảm bảo: Khi tháo, gá lắp phôi không bị vướng

- Điểm không của dao E, điểm cắt của dao P: Để điều khiển lưỡi cắt của dao

dịch chuyển theo quỹ đạo gia công đảm bảo chính xác cần phải có điểm gốc đó là điểm không của dao hay còn gọi là điểm kiểm tra dụng cụ E (hình 1.6)

Hình 1.6 Điểm gốc lập trình trên máy CNC

Kích thước của dao được đo kiểm chính xác trên thiết bị đo của máy Trị số

đo được nạp vào bộ nhớ của hệ điều khiển, dữ liệu đó được dùng trong suốt quá

trình gia công

1.7 Kỹ thuật lập trình gia công CNC

1.7 1 Lập trình theo kích thước tuyệt đối

Khi lập trình theo kích thước tuyệt đối được lập trình theo các điểm đích Điều kiện dịch chuyển các điểm này được chỉ dẫn bằng lệnh G90 Điểm đích của chúng là các giá trị tọa độ luôn gắn với điểm 0 của chi tiết (W) đó là gốc kích thước

để xác định các điểm đích

1.7.2 Lập trình theo kích thước tương đối

Khi lập trình theo các kích thước tương đối thì vị trí của điểm xuất phát có ý nghĩa quyết định để đạt được các điểm đích mong muốn Các điểm đích đó có giá trị tọa độ luôn gắn với giá trị của dụng cụ đã đến trước

Khi lập trình bằng ngôn ngữ máy người lập trình cung cấp đầy đủ các dữ liệu các yêu cầu của máy để tiến hành từng nguyên công trong quá trình gia công

b Ngôn ngữ lập trình

Loại này chia quá trình thành hai giai đoạn: Xử lý và hậu xử lý

- Dịch các dữ liệu đầu vào: Chức năng này dịch các ký tự đầu vào tượng trưng cho chương trình chi tiết sang dạng mã máy tính có thể sử dụng được

- Tính toán độ lệch dụng cụ cắt: Đơn vị độ lệch dụng cụ cắt sẽ tính toán hành trình dọc và lượng giác bề mặt chi tiết

- Các giai đoạn hậu xử lý: Dữ liệu định vị dụng cụ cắt máy tính chuyển đổi dịch chuyển sang hình thức và hình thể gia công phù hợp với một máy gia công NC

cụ thể và chuẩn bị bằng đục lỗ Dữ liệu được chuyển thành một lệnh cho một máy

NC cụ thể Điều đó có nghĩa là một thông tin công cụ NC cụ thể phải đưa vào bộ nhớ của máy tính với các chương trình hậu xử lý bằng NC được ghi trong một dạng phù hợp với máy NC cụ thể

1.7.4 Các phương pháp lập trình

1.7.4.1 Lập trình bằng tay

Khi lập trình chi tiết bằng tay người lập trình hoàn thành chương trình không

có sự trợ giúp của máy tính phương tiện duy nhất là bảng số liệu và máy tính xách

tay Các lệnh lập trình trong một hệ thống máy công cụ thiết bị điều khiển cụ thể, một thiết bị điều khiển băng và kinh nghiệm

Người lập trình phải được học khóa đạo tạo kỹ năng lập trình, phải biết hiệu chỉnh và sửa chữa chương trình Các bước lập trình bằng tay:

Bước 1: Sau khi chọn được máy NC phù hợp nhất trên cơ sở độ phức tạp về hình học cấu tạo của chi tiết, người lập trình phác họa qúa trình gia công trong một bản thảo chương trình

Bước 2: Là bước quyết định với sự trợ giúp của một tập dữ liệu về dụng cụ

về số kiểu và chuỗi dụng cụ cần thiết kẹp hay đồ gá riêng biệt để kẹp chi tiết hay không Tất cả phụ thuộc vào vật liệu gia công, tốc độ trục chính và tỷ số tiến dao được lựa chọn ở bước này

Sau hai bước trên người lập trình làm việc với dữ liệu hình học từ bản vẽ khi lập trình cho chuyển động tương đối chi tiết thường cần các tính toán hình học phụ

để xác định các điểm cắt đều nhau, các điểm giao nhau phụ thuộc vào khả năng tính toán của các thiết bị điều khiển được sử dụng và độ phức tạp của chi tiết Đồng thời cũng đảm bảo chính xác về chuyển động để tránh va chạm giữa dao, đồ gá hay mâm cặp Cần tiến hành các bước này theo trình tự được qui định cụ thể trong các

sổ tay hướng dẫn lập trình cho chi tiết điều khiển gia công có liên quan

1.7.4.2 Lập trình với sự trợ giúp của máy tính

Lập trình có sự trợ giúp của máy tính người lập trình mô tả chi tiết cho máy tính bằng ngôn ngữ mà máy tính có thể hiểu được chương trình gốc này có thể đưa vào máy tính bằng một trong hai cách sau:

Tách rời chương trình gốc được đưa vào máy tính thông qua một phân mạng

dữ liệu Ví dụ thể đục lỗ Dữ liệu được đưa vào máy tính thông qua một cổng (tominal) và sử dụng ngôn ngữ lập trình thích hợp Nhiệm vụ của ngôn ngữ lập trình là giúp đỡ cho việc mô tả chi tiết nghĩa là chuyển động giữa dao và phôi để đạt được hình dạng theo yêu cầu trên máy NC được trang bị cho công việc

Khi lập trình cần tiến hành theo chương trình sau:

- Nghiên cứu bản vẽ chi tiết, chọn gốc tọa độ chi tiết (W), có thể ghi lại kích thước của các điểm kích thước đặc biệt trên đường bao sao cho dễ minh họa tọa độ của chúng

- Lập trình công nghệ lập ra các bước cắt thô và cắt tinh Chọn dụng cụ cắt

và xếp chúng theo dụng cụ gia công

- Xác định chế độ cắt theo dao, đối với từng bề mặt gia công chọn bước cắt thô, tinh, xác định số vòng quay (n), tốc độ tiến dao (S), chiều sâu cắt (t)

- Phân tích đường bao của chi tiết thành các đoạn thẳng hoặc cong, chọn điểm đầu và điểm cuối

- Lần lượt vẽ từng câu lệnh cho đến khi kết thúc chương trình Kiểm tra kỹ phát hiện sai sót và sửa chữa

a Một số ngôn ngữ lập trình bằng máy

Có khoảng hơn 100 ngôn ngữ lập trình điều khiển số đã được triển khai ngay

từ những năm của thập kỷ 50 Các ngôn ngữ thể hiện tính ưu việt được sử dụng rộng rãi, chúng có những ưu điểm:

- Cho phép xác định bài toán một cách đơn giản không cần tính toán nhiều

- Ngôn ngữ sử dụng vàký tự biểu trưng dễ học, dễ nhớ do các từ thường được lấy ra từ gốc tiếng Anh mà ngôn ngữ lập trình CNC được phổ biến trên phạm

vi quốc tế

- Với dữ liệu đầu vào ít có thể sản sinh được nhiều dữ liệu đầu ra

- Các tính toán cần thiết do máy thực hiện

b Một số ngôn ngữ phổ biến

- APT: Automaticaly Progam Medtool – Tự động hóa lập trình công nghệ Ngôn ngữ này được học viện Massachuseet của Mỹ triển khai trên những hệ thống lập trình điều khiển số từ những năm 50 và đưa vào sản xuất năm 1959

- EXAPT: Extended Subject of APT Tập con mở rộng của APT Ngôn ngữ này có một ưu điểm quan trọng là tính toán tối ưu chế độ cắt một cách tự động EXAPT được triển khai ở Đức năm 1964 dựa trên đó có 3 phiên bản sau:

+ EXAPT I: Được thiết kế cho điều khiển vị trí điểm (khoan và phay mặt phẳng)

+ EXAPT II: Được thiết kế cho quá trình điều khiển trên máy tiện

+ EXAPT III: Được thiết cho các quỹ đạo hạn chế

- MINI APT là tập con thu gọn của APT Là ngôn ngữ lập trình do nhà chế tạo phần mềm Horn thiết lập cho nhiệm vụ điều khiển đường và phi tuyến với vốn

lý

- COMPACT 2: Là ngôn ngữ lập trình vạn năng cho các nhiệm vụ điều khiển đường và phi tuyến do viện nghiên cứu MDSI của Mỹ phát triển Đây là ngôn ngữ được dùng cho hệ thống Telephone và chế độ hoạt động nhiều đối tác trên nhiều Teminal (đầu ra) và được phổ biến rộng rãi trên thế giới

- ELAN: Ngôn ngữ lập trình của Pháp dành cho các nhiệm vụ gia công từ 2

÷ 4 trục điều khiển số, nó gắn liền với các máy tính để bàn của hãng HEWLETT – PACKARD

- ATOPROGRAMER: Ngôn ngữ lập trình cho các vấn đề gia công: Tiện, khoan, phay do hãng BOEHRINGEN phát triển và chạy trên các máy tính nhỏ và trung bình

- MITURN: Ngôn ngữ lập trình do Hà Lan phát triển công nghệ tiện cho phép tìm ra bằng tính toán các dữ liệu công nghệ gia công và chế độ cắt gọt

Ngoài các ngôn ngữ trên còn có các ngôn ngữ khác phát triển mạnh mẽ ở Tây Âu như: AUTOTECH, SYMAP…Trong số các ngôn ngữ đã nêu thì APT là ngôn ngữ đại diện cho phong cách lập trình gia công và được sủ dụng rộng rãi và ngày càng hoàn thiện

c Giới thiệu về ngôn ngữ APT

APT – Automatically Programmed Tools, nghĩa là công cụ lập trình tự động

và là ngôn ngữ lập trình NC bậc cao đầu tiên được sử dụng rộng rãi cho thế hệ máy công cụ điều khiển số Ngôn ngữ này được nghiên cứu thành công tại phòng thí nghiệm hệ thống điện của viện công nghệ Massachuset trong sự hợp tác với ngành công nghiệp hàng không Hoa Kỳ Vào những năm 1955, APT được phát triển rộng rãi tại Mỹ và đã thích ứng với các công việc gia công, kể cả lập trình 3D phức tạp

Ưu việt lớn của APT đó là: Nó đã trở thành chuẩn mực cho thế giới rộng lớn các máy NC Hơn nữa, APT còn được phát triển hết sức đa dạng bên ngoài nước Mỹ

Ví dụ như: NEAPT tại ANH, EXAPT tại Đức, IFAPT tại Pháp…

Là ngôn ngữ lập trình củaCAM, APT có khoảng 3000 từ vựng để lập trình cho việc gia công đơn giản cũng như các yếu tố đường cong 3 chiều như hình: Hình cầu, hình trụ, parabol, mặt võng… Với APT người lập trình có thể xác định hình dáng dụng cụ, dung sai mô tả hình dáng hình học của chương trình gia công, chuyển động dụng cụ cũng như các lệnh hỗ trợ Hệ thống APT cho phép ta có khả năng xử

lý dữ liệu gia công với các chức năng nổi bật như: Copy, Mirro, di chuyển, xoay,…

Và có thể làm mềm hóa chương trình gia công bởi Macro…

Là ngôn ngữ lập trình bằng máy, APT cũng có 2 chương trình tính toán đặc biệt đó là: Bộ xử lý và bộ hậu xử lý Bộ xử lý APT là chương trình máy tính phục

vụ cho việc xử lý chương trình nguồn Từ đó đưa ra một file dữ liệu (CL) bao gồm

dữ liệu vị trí dao và các thông tin điều khiển máy Bộ hậu xử lý cũng là một chương trình máy tính, xây dựng nhằm mục đích xử lý file CLDATA và tạo ra chương trình

NC thích ứng với máy kèm theo nó

APT là hệ thống lập trình không gian 3 chiều, cùng một lúc có thể điều khiển tới 5 trục Để lập trình APT điều đầu tiên người lập trình phải tìm hình dáng hình học của chương trình gia công tiếp theo là định hướng chuyển động của dụng cụ cắt Trong khi lập trình, điểm nhìn (VIEW POINT) của người lập trình luôn cố định.Và như vậy chi tiết gia công là cố định và dụng cụ cắt được coi là di chuyển

Do sự tiện dụng cho nhiều nhiệm vụ gia công nên đã có rất nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau được suy diễn từ nó như một tệp con của nó,

Cấu trúc một chương trình APT gồm 5 phần như sau:

1 Phần mở đầu: Có nhiệm vụ khai báo nguồn

2 Mô tả hình học: Có nhiệm vụ mô tả hình dáng hình học chi tiết gia công

3 Chế độ cắt: Có nhiệm vụ khai báo công cụ, tốc độ trục chính, tốc độ tiến dao

- Một chương trình lập ra để gia công trên máy NC bao giờ cũng phải có 3 phần: Ký hiệu khởi đầu, phần câu lệnh thân chương trình và kết thúc chương trình Trong tiêu chuẩn ISO, kí hiệu khởi đầu là % và kết thúc chương trình là M30

- Ví dụ: Một đoạn chương trình sau:

Số vòng quay

Dụng

cụ cắt

Chức năng phụ

Trong đó:

+ Phần đầu của chương trình là :

% 1000 - Ký hiệu của chương trình để phân biệt với các chương trình khác, dùng

để lưu trữ chương trình trong bộ nhớ

* * - Ghi chú chương trình (tên quản lý và lưu giữ chương trình) dùng để giúp người sử dụng nhận biết được dễ dàng

+ Phần thân của chương trình: Bao gồm một dãy các khối lệnh về gia công

và các chế độ gia công chứa các thông tin về hình học (mã hoá Gcode) và các thông tin về công nghệ (F, S, M chọn dao chọn chế độ cắt Va, Vc điều khiển máy và các chức năng phụ)

+ Lệnh M30 là kết thúc chương trình

- Chương trình có hai loại: chương trình chính (main program) và chương trình con (subprogram) (hình 1.7) Tiến trình điều khiển được thực hiện theo chương trình chính Khi xuất hiện lệnh gọi chương trình con trong chương trình chính, tiến trình điều khiển được chuyển tới chương trình con Đến khi lệnh kết thúc chương trình con được khai báo, tiến trình điều khiển được trả về chương trình chính Cấu trúc của hai loại chương trình này giống nhau, có nghĩa là phải nhận biết được sự bắt đầu và kết thúc của chương trình

Hình 1.7 Chương trình chính và chương trình con

- Cấu trúc một câu lệnh (Block): Mỗi một dòng lệnh là một câu lệnh nó bao gồm các thông tin về: vị trí dòng lệnh, đường đi, chế độ cắt, dụng cụ, dung dịch trơn nguội Cuối câu lệnh bao giờ cũng có dấu chấm phảy ( ; )

Ví dụ: N5 G00 X30 Y 50 S630 T0101 M03;

- Cấu trúc một từ lệnh (Word): Mỗi một thông tin tương ứng với một từ lệnh Một từ lệnh hàm chứa một thông tin về kỹ thuật lập trình, về hình học hoặc về công nghệ nó bao gồm một chữ cái địa chỉ (Address) kèm theo là những con số mang giá trị của địa chỉ Tập hợp các từ lệnh được ngăn cách bằng dấu cách sẽ hình thành một dòng lệnh, các từ lệnh được xếp vào câu lệnh với một trình tự chặt chẽ, theo tiêu chuẩn (DIN 66025):

+ Từ cho số thứ tự câu lệnh N, số thứ tự câu lệnh giúp ta dễ dàng tìm chúng trongbộ nhớ của hệ thống điều khiển hay trong trường hợp sử dụng lệnh lặp, chu trình

+ Từ cho điều kiện đường dịch chuyển hoặc điều kiện chuẩn bị Code mã hoá G + Các từ cho những trục toạ độ điểm đích X, Y, Z, U, V, W, P, Q, R, A, B, C, D, E + Các từ cho những thông số nội suy I, J, K

+ Từ lệnh cho lượng chạy dao cắt gọt F (mm/phút hoặc mm/vòng) Lượng chạy dao F: trên máy tiện đơn vị có thể tính theo mm/vòng khi đi với G99 hoặc mm/phút khi đi với G98

Ví dụ: N60 G99 F240; (mm/phút), N30 G99 F0.25; (mm/vòng)

+ Từ lệnh cho số vòng quay trục chính hoặc cho tốc độ cắt S (vòng/phút) Tốc độ trục chính: từ lệnh gồm chữ cái địa chỉ và một số nguyên đứng sau biểu thị giá trị tốc độ trục chính Trên máy tiện giá tốc độ quay trục chính có thể theo đơn vị: vg/ph hoặc m/ph phân biệt thông qua việc tổ hợp với các câu lệnh G96 và G97:

Ví dụ: G96 S120; (m/ph), G97 S1000’ (v/ph)

+ Từ lệnh cho chọn dao và giá trị hiệu chỉnh dao T theo sau có thể là 2 hoặc

4 số: T0201 Dãy số biểu thị tên dụng cụ cắt và địa chỉ số liệu hiệu chỉnh

+ Từ lệnh về chức năng máy và các chức năng phụ kèm theo là 2 con số Địa chỉ (Address): Là tất cả 26 chữ cái English từ A đến Z

A- Định vị chuyển động quay quanh trục X

B- Định vị chuyển động quay quanh trục Y

C- Định vị chuyển động quay quanh trục Z

D- Định vị chuyển động quay quanh một trục đặc biệt khác và gọi chức năng hiệu chỉnh kích thước dao hay chạy dao thứ 3

E- Định vị chuyển động quay quanh một trục đặc biệt khác hoặc gọi chức năng hiệu chỉnh kích thước dao, hay chạy dao thứ 2

F- Tốc độ, lượng chạy dao (Feed)

G- Điều kiện chức năng đường dịch chuyển

H- Địa chỉ chưa dùng, dự trữ, có thể sử dụng tự do

I- Tham số nội suy theo trục X (toạ độ của tâm đường tròn hoặc bước ren // với trục X)

J- Tham số nội suy theo trục Y (toạ độ của tâm đường tròn hoặc bước ren // với trục Y)

K- Tham số nội suy theo trục Z (toạ độ của tâm đường tròn hoặc bước ren // với trục Z)

T- Gọi dao (Tool)

U- Chuyển động thứ 2 bổ sung thêm // X hoặc thông số hiệu chỉnh dao V- Chuyển động thứ 2 bổ sung thêm // Y hoặc thông số hiệu chỉnh dao W- Chuyển động thứ 2 bổ sung thêm // Z hoặc thông số hiệu chỉnh dao X- Toạ độ chuyển động theo hướng của trục X

Y- Toạ độ chuyển động theo hướng của trục Y

Z- Toạ độ chuyển động theo hướng của trục Z

1.8 Trình tự để thiết lập một chương trình gia công

Để tiến hành gia công trên máy CNC người ta ngoài việc nắm vững kiến thức

Cơ khí cơ bản còn phải hiểu biết về thiết bị CNC vàkỹ thuật lập trình Việc gia công được tiến hành theo các bước sau đây (bảng 1.2):

Bảng 1.2 Trình tự thiết lập một chương trình gia công

TT Nội dung tổng quát Nội dung chi tiết

Bật nguồn cho máy công cụ

12

Kiểm tra điều kiện gia công bằng cách tiến hành cắt thử (sửa chương trình nếu thấy cần thiết, chỉnh sửa giá trị bù dao nếu cần thiết)

13

Tiến hành gia công Gia công trong chế độ tự động

1.9 Hiệu quả kinh tế khi gia công trên máy CNC

- Hiệu quả sử dụng máy CNC trong sản xuất được xác định theo hiệu quả kinh tế

Q (giá trị lợi nhuận, lãi, giá trị tiếc kiệm được trong sản xuất), tính theo đơn vị đ/năm, nếu so sánh với máy thường như sau:

Q = (G1 – G2).N (đ/năm)

- Nếu dùng máy CNC hiệu quả hơn máy thường thì Q>0, tức là giá thành sản xuất tương ứng là G2 phải thấp hơn giá thánh sản xuất trên máy thường G1, nghĩa là có G2<G1, bởi vì công nghệ hiện đại hơn phải năng suất cao hơn, làm cho chi phí sản xuất tính cho một sản phẩm thấp hơn Như vậy khi Q = 0 thì phương án dùng máy CNC không thuyết phục:

Trong đó: G1 là giá thành sản xuất trên máy thường (đ/chi tiết)

G1 = C1 + E.K1 G2 là giá thành sản xuất trên máy CNC (đ/chi tiết)

G2 = C2 + E.K2 Với: C1, C2 là chi phí công nghệ trên máy thường (C1) và trên máy CNC (C2) bao gồm các chi phí thành phần sau:

L – Lương cho thợ vận hành máy gia công (đ/chi tiết)

Đ - Điện tiêu thụ của máy gia công (đ/chi tiết)

S – Chi phí bảo dưỡng máy gia công (đ/chi tiết)

P – Chi phí nhà xưởng gia công (đ/chi tiết)

M – Chi phí lập trình gia công trên máy CNC (đ/chi tiết) K1 - Vốn đầu tư mua máy thường (đ/chi tiết)

K2 - Vốn đầu tư mua máy CNC (đ/chi tiết)

E – Giá trị hoàn vốn mua máy gia công: E = 1/T với T là thời gian hoàn vốn mua máy (Ví dụ: T= 5 năm thì E = 0,2)

1.10 Kết luận chương 1

Trong chương này tác giả đã đưa ra những kiến thức tổng quan nhất về công nghệ CNC:Sự ra đời của công nghệ CNC, đặc trưng và vai trò của máy CNC, kỹ thuật lập trình… Với máy CNC đã làm thay đổi mạnh mẽ ngành Cơ khí, từ nền sản xuất cơ khí thuần túy chuyển sang kết hợp giữa Cơ khí, Công nghệ thông tin và điện tử Quá trình gia công các bề mặt chi tiết dạng 2D, 3D, 4D… trở nên dễ dàng hơn Việc ứng dụng công nghệ CNC trong sản xuất đã tạo ra được những sản phẩm Cơ khí có độ chính xác cao, giảm thiểu được sai sót, tăng khả năng lắp lẫn hoàn toàn của sản phẩm, giảm sức lao động của con người