Tập bài giảng môn học máy công cụ điều khiển chương trình số

CNC viết tắt của các từ Computer Numerical Control, xuất hiện vào khoảng đầu thập niên 1970 khi máy tính bắt đầu được dùng ở các hệ điều khiển máy công cụ thay cho NC, Numerical Control (Điều Khiển Số). Trước khoảng thời gian nầy, các chương trình NC thường phải được mã hoá và xử lý trên các băng đục lỗ, hệ điều khiển phải có bộ đọc băng để giải mã cung cấp tín hiệu điều khiển các trục máy chuyển động. Cách nầy đã cho thấy nhiều bất tiện, chẳng hạn khi sữa chữa, hiệu chỉnh chương trình, băng chóng mòn, khó lưu trữ, truyền tải, dung lượng bé... Hệ điều khiển CNC khắc phục các nhược điểm trên nhờ khả năng điều khiển máy bằng cách đọc hàng ngàn bít thông tin được lưu trong bộ nhớ, cho phép giao tiếp, truyền tải và xử lý, điều khiển các quá trình một cách nhanh chóng, chính xác. Cho đến nay, các máy CNC đã có mặt ở hầu hết các ngành công nghiệp. Đây có thể nói là một lĩnh vực mới có sự kết hợp chặc chẽ giữa máy tính và máy công cụ, điều khiển các hoạt động gia công trên máy dựa vào việc khai thác các thành tựu kỹ thuật số hiện đại, mở ra nhiều triển vọng phát triển sản xuất. Tuy mục đích và phạm vi ứng dụng của từng loại máy công cụ CNC có thể khác, các lợi ích mà các máy nầy mang lại khá giống nhau. Lợi ích đầu tiên là nâng cao mức độ tự động hóa. Sự tham gia của người trong quá trình chế tạo được giảm bớt hay loại trừ. Nhiều máy CNC có thể hoạt động suốt cả chu trình gia công không cần đến sự có mặt của người thợ, như vậy giúp làm giảm sự mệt mỏi, ít lỗi sai sót gây ra do người. Thời gian máy cho mỗi sản phẩm hầu như xác định. Máy hoạt động tự động theo chương trình nên không cần đến bậc thợ cao mỗi khi gia công các chi tiết phức tạp trên máy truyền thống.

Tập giảng Môn học Máy Công Cụ Điều Khiển Chương Trình Số ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Tập giảng Môn học Máy Cơng Cụ Điều Khiển Chương Trình Số Biên soạn theo đề cương mơn học chun ngành khí ĐHBK ĐN Người biên soạn : Bùi trương Vỹ Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà nẵng Đà Nẵng - Năm 2007 MỤC LỤC Phần mở đầu Chương Điều Khiển Số ( ĐKS ) hệ thống ĐKS Máy Công Cụ 1.1 Các khái niệm 1.2 Hệ thống ĐKS Máy công cụ 1.2.1 Các đặc điểm tạo hình bề mặt máy công cụ ĐKS 1.2.2 Hệ thống liệu ĐKS 13 1.2.3 Hệ thống đo vị trí máy cơng cụ ĐKS 17 1.2.4 Các nguồn động lực dùng cho máy cơng cụ ĐKS 22 Chương Lập trình máy công cụ ĐKS 2.1 Mở đầu điều khiển máy cơng cụ ĐKS 29 2.2 Lập trình gia công máy công cụ ĐKS 33 2.2.1 Cấu trúc chương trình 33 2.2.2 Lập trình nâng cao 46 Chương Máy cơng cụ ĐKS- Phân tích động học kết cấu 3.1 Cấu trúc tổng thể máy công cụ ĐKS 54 3.2 Phân tích đặc điểm động học Máy 54 3.3 Phân tích đặc điểm kết cấu 58 3.4 Các máy trục - Các trung tâm gia công ĐKS 76 Chương Chế tạo hỗ trợ máy tính 4.1 Ngơn ngữ APT 80 4.2 Các hệ thống liên kết CAD/CAM/CNC 87 4.3 Chế tạo liên kết qua máy tính- CIM 91 Chương Truyền liệu đến Máy công cụ ĐKS Tài liệu tham khảo 94 102 Chương Phụ chương: Bảng phụ lục- Bài tập thực hành 2- Phụ lục I & II Bảng phụ lục mã máy G & M (Máy PC Mill 155) 103 Bài tập thực hành 1- Bài tập thực hành 106 Phụ lục I & II : Bảng tra chế độ cắt & Hướng dẫn sử dụng Máy 118 Phần mở đầu NC,CNC CNC viết tắt từ Computer Numerical Control, xuất vào khoảng đầu thập niên 1970 máy tính bắt đầu dùng hệ điều khiển máy công cụ thay cho NC, Numerical Control (Điều Khiển Số) Trước khoảng thời gian nầy, chương trình NC thường phải mã hoá xử lý băng đục lỗ, hệ điều khiển phải có đọc băng để giải mã cung cấp tín hiệu điều khiển trục máy chuyển động Cách nầy cho thấy nhiều bất tiện, chẳng hạn sữa chữa, hiệu chỉnh chương trình, băng chóng mịn, khó lưu trữ, truyền tải, dung lượng bé Hệ điều khiển CNC khắc phục nhược điểm nhờ khả điều khiển máy cách đọc hàng ngàn bít thơng tin lưu nhớ, cho phép giao tiếp, truyền tải xử lý, điều khiển trình cách nhanh chóng, xác Cho đến nay, máy CNC có mặt hầu hết ngành cơng nghiệp Đây nói lĩnh vực có kết hợp chặc chẽ máy tính máy cơng cụ, điều khiển hoạt động gia công máy dựa vào việc khai thác thành tựu kỹ thuật số đại, mở nhiều triển vọng phát triển sản xuất Tuy mục đích phạm vi ứng dụng loại máy cơng cụ CNC khác, lợi ích mà máy nầy mang lại giống Lợi ích nâng cao mức độ tự động hóa Sự tham gia người trình chế tạo giảm bớt hay loại trừ Nhiều máy CNC hoạt động suốt chu trình gia cơng khơng cần đến có mặt người thợ, giúp làm giảm mệt mỏi, lỗi sai sót gây người Thời gian máy cho sản phẩm xác định Máy hoạt động tự động theo chương trình nên khơng cần đến bậc thợ cao gia công chi tiết phức tạp máy truyền thống Lợi ích thứ công nghệ CNC cung cấp sản phẩm bảo đảm, tin cậy Một chương trình qua kiểm tra đưa vào sản xuất, hàng loạt chi tiết loại tạo cách xác ổn định Một lợi ích mà máy CNC mang lại tính linh hoạt Gia công chi tiết khác máy cần thay đổi chương trình Cũng lưu, sữa đổi dùng chương trình cho lần khác cần đến, làm dễ thay đổi mặt hàng Ngồi ra, khơng phải nhiều thời gian chuẩn bị gia công máy CNC, phù hợp với kỹ thuật sản xuất đại Máy CNC máy truyền thống Các máy CNC thay cho thao tác tay trình sản xuất máy truyền thống Lấy ví dụ đơn giản nhất: trường hợp khoan lỗ Một máy khoan thông thường, muốn khoan lỗ trước hết phải gá, kẹp chặc mũi khoan vào đầu trục chính, sau lựa chọn (bằng tay) số vịng quay mong muốn cho trục ( ví dụ đổi vị trí dây đai puly bậc) bật trục Để khoan lỗ, phải di chuyển đầu khoan đến vị trí tâm lỗ chi tiết (chẳng hạn xoay tay gạt dịch chuyển đầu khoan) trước thực ăn dao Nói cách khác, muốn khoan lỗ cần đến nhiều động tác can thiệp người Nếu số lượng lỗ tăng lên loạt chi tiết lớn, công việc trở nên tẻ nhạt, mệt mỏi Hơn nữa, công việc phức tạp, rõ ràng máy truyền thống khơng địi hỏi kỹ người thợ mà tiềm ẩn nhiều nguy mắc lỗi, dễ gây phế phẩm phải lặp lặp lại cách đơn điệu Trong máy khoan CNC để khoan lỗ, thao tác cần thiết lập trình được, ví dụ bao gồm: gá đặt mũi khoan vào đầu trục chính, bật trục chính, đưa mũi khoan định vị tâm lỗ gia công, thực khoan lỗ, dừng trục Vài nét hoạt động CNC Như đề cập, hầu hết thao tác máy truyền thống lập trình với máy CNC Sau chuẩn bị, cơng việc cịn lại đơn giản với người vận hành, chẳng hạn đo đạc, kiểm tra hiệu chỉnh máy bảo đảm chất lượng gia cơng Các chức lập trình máy CNC: Lập trình điều khiển chuyển động Các kiểu máy CNC có hay nhiều trục chuyển động theo lập trình Một trục chuyển động thẳng (dọc theo đường thẳng) hay tròn ( xoay quanh trục) Một đặc điểm kỹ thuật cho biết độ phức tạp máy CNC số trục chuyển động có Nói chung, nhiều trục, máy có độ phức tạp cao, dụng cụ dễ tiếp cận với bề mặt gia cơng có hình dạng Số trục máy CNC dùng để cung cấp chuyển động chạy dao cần thiết q trình gia cơng Ở ví dụ khoan lỗ, cần trục: Định vị dụng cụ cắt ( mũi khoan) tâm lỗ theo trục gia công lỗ (với trục thứ 3) Các trục ký hiệu với chữ X, Y, Z trục tịnh tiến A, B, C trục quay Lập trình theo chức cho trang bị, cấu máy Khả công nghệ máy CNC bị giới hạn dịch chuyển chi tiết theo hay nhiều trục, vậy, cần phải lập trình cho nhiều chức khác Hầu hết máy phay CNC chứa nhiều dụng cụ ổ trữ cần, dụng cụ ổ trữ gá đặt cách tự động vào trục Điều khiển thay đổi tốc độ trục (v/ph) đổi chiều quay dễ dàng Bật, tắt trục cho phép thực qua lập trình Nhiều ngun công gia công cần đến dung dịch làm nguội, thao tác nầy phải cấp, ngắt cách tự động q trình gia cơng Chương trình CNC Một chương trình CNC tập hợp dẫn gia công theo bước, viết dạng câu chữ hệ điều khiển thực chương trình theo trình tự Một số từ CNC (mã CNC) quy định chức cần thiết máy Các mã CNC bắt đầu với địa theo chữ ( F-tốc độ chạy dao, S-số vòng quay trục chính, X,Y & Z với chuyển động trục ) Khi đặt theo thứ tự, nhóm mã CNC tạo thành lệnh Hệ điều khiển CNC Hệ điều khiển CNC nhập cắt nghĩa chương trình CNC để thực lệnh theo thứ tự thiết lập Khi đọc chương trình, hệ điều khiển kích hoạt thích hợp chức máy, tạo chuyển động trục thực theo dẫn cho trước chương trình Các hệ điều khiển CNC đại cho phép sữa đổi chương trình tìm thấy lỗi, thực chức kiểm tra (như chạy mô phỏng) trước gia công thật máy, ngồi cịn cho phép tách số liệu quan trọng khơng cần đưa vào chương trình, chẳng hạn giá trị chiều dài, bán kính dụng cụ Nói chung hệ điều khiển CNC cho phép người sử dụng lập kiểm tra chương trình gia công, điều khiển máy cách thuận tiện Hệ thống CAM Ở ứng dụng đơn giản ( ví dụ khoan lỗ), chương trình CNC lập tay Với ứng dụng phức tạp, thường xuyên phải lập chương trình mới, viết chương trình tay trở nên bất tiện Để làm đơn giản trình lập trình, cần đến hệ thống hỗ trợ chế tạo qua máy tính (CAM) Đây chương trình phần mềm chạy máy tính ( ví dụ máy tính cá nhân) giúp người lập trình thực lựa chọn, kiểm tra phương án gia công trước chế tạo Các hệ thống CAM thường phối hợp với vẽ thiết kế từ hệ thống CAD, nhờ loại trừ cần thiết phải chuẩn bị lại liệu kích thước biên dạng hình học chi tiết Người lập trình trình tự ngun cơng gia cơng cần thực hệ thống CAM tạo chương trình CNC cách tự động Hệ thống DNC Khi có chương trình (hoặc tay qua hệ thống CAD/CAM), chương trình nầy phải tải đến hệ điều khiển CNC Mặc dù người vận hành máy nhập trực tiếp vào hệ điều khiển, nhiên công việc rõ ràng mang tính thủ cơng, ví dụ với chương trình dài Chương trình CNC có qua hệ thống CAM dạng file văn máy tính, cịn lập tay, nhập vào máy tính chương trình xử lý văn thơng thường Với chương trình dạng file văn bản, muốn chuyển đến hệ điều khiển máy CNC cần có hệ thống DNC (Direct/Distributive Numerical Control) Một hệ thống DNC cho phép máy tính nối mạng với hay nhiều máy CNC Mãi gần đây, giao thức truyền thông nối tiếp qua cổng RS232C dùng để truyền chương trình Các hệ điều khiển có khả truyền thơng đại hơn, nối mạng theo nhiều cách ( Ethernet, ), xử dụng cách nầy, tải chương trình CNC đến máy thực q trình gia cơng cách nhanh chóng, thuận tiện Các loại máy CNC Như đề cập trên, loại máy công cụ CNC đến chứng tỏ có vai trị quan trọng hầu hết ngành sản xuất, đáp ứng yêu cầu đặt trình chế tạo sản phẩm Nhiều q trình gia cơng cải thiện thực tế mang lại hiệu rõ rệt qua việc sử dụng công nghệ CNC Thử điểm qua số lĩnh vực sản xuất có ứng dụng CNC Gia cơng cắt gọt kim loại Các q trình gia công cắt gọt kim loại máy truyền thống tiến hành máy CNC ví dụ tất dạng phay ( phay mặt phẳng, phay theo đường bao, phay rãnh, ), khoan, khoét, doa lỗ, cắt ren Cũng tương tự, tất dạng tiện tiện mặt đầu, khoét, tiện ngồi, cắt rãnh, khía nhám, tiện ren …đều gia cơng máy tiện CNC Các máy mài CNC cho phép thực nguyên công mài mài trịn ngồi, trịn CNC cịn mở triển vọng dùng cho mài, mài theo biên dạng theo cách tương tự tiện mà trước tiến hành phương pháp chép hình máy truyền thống Gia cơng biến dạng dẻo Các ngun cơng biến dạng tạo hình sản phẩm khí bao gồm xén, cắt lửa hàn hay plasma, đột lỗ, cắt tia laser, uốn, hàn Cơng nghệ CNC ứng dụng cho thao tác ngành gia công biến dạng dẻo kim loại, ví dụ hệ thống CNC máy xén để xác định xác chiều dài xén Cắt CNC tia laser plasma dùng Các máy đột dập liên hợp CNC gia cơng lỗ có hình dạng, kích thước tùy ý, tạo thành phẩm dạng với máy uốn CNC Gia cơng ăn mịn tia lửa điện Gia cơng phương pháp ăn mịn phóng điện qua điện cực (Electrical Discharge Machining-EDM) trình lấy kim loại qua việc sử dụng tia lửa điện đốt chảy kim loại CNC-EDM có dạng, EDM thẳng đứng EDM dây điện cực EDM thẳng đứng dùng điện cực riêng biệt (thường gia cơng máy CNC) có dạng giống hình dạng lỗ sâu hốc lõm cần gia công chi tiết EDM dây điện cực ứng dụng để chế tạo chày, cối, khn Hình dạng u cầu chi tiết đạt thông qua điều khiển hành trình liên tục NC điện cực dây Bằng cách nầy mà khuôn dập, mẫu cắt theo chương trình Gia cơng gỗ Các máy CNC dùng nhiều xưởng chế biến gỗ để thực công việc phay theo biên dạng, khoan Nhiều máy phay gỗ chứa nhiều dao thực nguyên công khác chi tiết Các kiểu máy CNC khác Các hệ thống viết chữ chạm trỗ mang lại hiệu kinh tế ứng dụng công nghệ CNC, cắt vật liệu dạng đĩa tia nước áp lực cao, ngành sản xuất chi tiết ngành điện máy quấn dây CNC, mỏ hàn CNC Kết luận Có thể nói với xuất máy CNC, mặt ngành sản xuất nhìn chung thay đổi Đối với nước ta, năm gần máy CNC bước trang bị số nhà máy, viện nghiên cứu công ty liên doanh Hiểu biết cách đầy đủ khai thác triệt để ưu loại máy nầy nhiệm vụ thiết thực việc chế tạo sản phẩm nói riêng thúc đẩy phát triển sản xuất nói chung Chương 1: Điều Khiển Số ( ĐKS ) hệ thống ĐKS Máy Công Cụ 1.1 Các khái niệm : – Hệ thống ĐKS Máy Công Cụ: hệ thống cho phép điều khiển hoạt động máy cơng cụ (có thể phần hay tồn ) thực gia cơng chi tiết theo cách truyền lệnh số Hệ thống nầy nhận biến đổi dẫn chuyển động cho trước thành tín hiệu số, thường dạng hiệu (hệ điều khiển) để cấp cho động dẫn động cấu chấp hành (bộ phận truyền động) – Cấu trúc phân loại: Các hệ thống ĐKS thường phân thành loại theo chất phương pháp điều khiển chuyển động: hệ thống điều khiển vòng hở ( khơng có liên hệ ngược ) hệ thống điều khiển vịng kín (có liên hệ ngược) X Băng đục lỗ(bộ phận nạp liệu) ooo oo ooo M HGT oo ooo ooo H1.1a Hệ thống ĐKS (NC) vòng hở 1: Bộ đọc 2: Bộ giải mã (bộ phận xử lý liệu) 3: Bộ khuếch đại 4: Bàn máy M : Động cụm truyền động; HGT : Hộp giảm tốc Sự khác vịng điều khiển kín hở chỗ, vịng điều khiển hở tín hiệu tác động điều khiển không so sánh với kết thực hiện, vịng điều khiển kín ln có kiểm tra cách liên tục tín hiệu tác động điều khiển kết thực hiện, có sai lệch phát nhờ thiết bị đo, hệ có tác động hiệu chỉnh dựa mối quan hệ vòng điều khiển kín Điều khiển chuyển động theo cách hệ vịng hở điều khiển thuận- khơng có liên hệ ngược, cịn với hệ vịng kín gọi điều khiển có phản hồi-có liên hệ ngược Đối với hệ thống điều khiển vòng hở, nguồn động xử dụng loại động bước Tín hiệu tác động điều khiển số bước đơn vị thời gian kết thực phụ thuộc vào góc bước động thơng số động học hệ thống truyền động X Băng đục lỗ(bộ phận nạp liệu) ooo oo ooo oo + M HGT - ooo ooo H1.1b Hệ thống ĐKS(NC) vịng kín 5: Bộ so sánh 2: Bộ giải mã (bộ phận xử lý liệu) 6: Cảm biến đo vị trí 3: Bộ khuếch đại 4: Bàn máy 1: Bộ đọc M : Động cụm truyền động ; HGT : Hộp giảm tốc Hầu hết hệ thống truyền động Máy công cụ ĐKS hoạt động theo cách điều khiển vịng kín, với thành phần tối thiểu mạch động lực bao gồm cảm biến (6) nguồn động ( động M ) Động truyền dẫn thường xử dụng động dịng chiều điều chỉnh vơ cấp tốc độ dịng kích từ, cịn động dịng xoay chiều, điều chỉnh vơ cấp tốc độ biến đổi tần số Các loại động nầy cho phép đảo chiều quay đơn giản, dễ thay đổi số vịng quay, phụ thuộc vào tải bên ngồi Cảm biến đo vị trí máy công cụ ĐKS phải nhạy với lượng dịch chuyển học nhỏ, thích hợp loại làm việc theo nguyên lý cảm ứng, sử dụng thước (đĩa) khắc vạch dùng kèm với hệ thống quang học tế bào quang điện Các dụng cụ đo cho phép đạt độ xác đo đến hàng µm 1.2 1.2.1 Hệ thống ĐKS Máy công cụ Các đặc điểm tạo hình bề mặt máy cơng cụ ĐKS: Trên máy cơng cụ ĐKS, chuyển động tạo hình bề mặt thực dựa vào dịch chuyển tọa độ theo nhiều trục, phụ thuộc vào số trục máy có, phối hợp chuyển động trục nầy Có thể phân thành dạng điều khiển chuyển động tạo sau : ... số 10 Dựa số lượng trục điều khiển đồng thời, điều khiển theo biên dạng phân chia thành nhóm: điều khiển 2D ( H1.2b ), điều khiển 21/2D (H1.2c ), điều khiển 3D điều khiển có nhiều trục điều khiển. .. chung Chương 1: Điều Khiển Số ( ĐKS ) hệ thống ĐKS Máy Công Cụ 1.1 Các khái niệm : – Hệ thống ĐKS Máy Công Cụ: hệ thống cho phép điều khiển hoạt động máy cơng cụ (có thể phần hay tồn ) thực gia công. ..ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Tập giảng Môn học Máy Công Cụ Điều Khiển Chương Trình Số Biên soạn theo đề cương mơn học chun ngành khí ĐHBK ĐN Người