BAI GIANG cong nghe CNC (ĐH BKHN)

Nội dung môn học Chương 1: Tổng quan về công nghệ CNC Chương 2: Đặc trưng của hệ điều khiển CNC Chương 3: Máy công cụ CNC Chương 4: Hệ dụng cụ trên máy điều khiển số Chương 5: Đồ gá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nội dung môn học

Chương 1: Tổng quan về công nghệ CNC

Chương 2: Đặc trưng của hệ điều khiển CNC

Chương 3: Máy công cụ CNC

Chương 4: Hệ dụng cụ trên máy điều khiển số

Chương 5: Đồ gá trên máy CNC

Chương 6: Ngôn ngữ lập trình và chương trình gia công

Chương 7 Kỹ thuật lập trình (theo hệ FANUC)

Chương 1: Tổng quan về công nghệ CNC

1.1 lịch sử phát triển của máy công cụ CNC

 1808 Joseph M Jacquard đã dùng bìa tôn có đục

lỗ để điều khiển các máy dệt

 1952 Viện MIT cho ra đời máy công cụ điều khiển

số đầu tiên (CINCINNATI HYDROTEL) gồm

nhiều đèn điện tử với chức năng nội suy đường

thẳng đồng thời theo 3 trục và nhận dữ liệu thông qua băng đục lỗ mã nhị phân

 1959 Triển lãm máy công cụ tại Paris, trình bày

những máy NC đầu tiên của Châu Âu

 1969 Những giải pháp đầu tiên về điều khiển liên kết chung

từ một máy tính trung tâm DNC

 1976 Hệ vi xử lý tạo ra một cuộc cách mạng trong kỹ

thuật CNC

 1978 Các hệ thống gia công linh hoạt (FMS) được tạo lập

 1979 Những khớp nối liên hoàn CAD/CAM đầu tiên xuất hiện

 1986/1987 Giải pháp tích hợp và tự động hoá sản xuất

(CIM)

 1994 Khép kín chuỗi quá trình CAD/CAM-CNC

1.2 Khái niệm về điều khiển số

Khi gia công trên máy công cụ thông thường, các b ước gia công chi tiết do

ng ười thợ thực hiện quá trình đó bằng tay như: Điều chỉnh sồ vòng quay, lư ượng chạy dao, kiểm tra vị trí dụng cụ cắt để đạt được kích thước cần gia công trên bản vẽ

Ng ược lại trên máy điều khiển số thì quá trình gia công thực hiện một cách tự

động Trước khi gia công ng ười ta phải đưa vào hệ thống điều khiển một

c ương trình gia công dưới dạng một chuỗi các câu lệnh điều khiển Hệ thống

điều khiển số có khả năng thực hiện các lệnh điều khiển này và kiểm tra chúng nhờ một hệ thống đo đường dịch chuyển bàn trượt của máy

Dữ liệu cần thiết để tạo ra một chi tiết gọi là một chư ương trình chi tiết (Part program)

Máy công cụ điều khiển theo ch ưương trình số gọi là máy công cụ NC và máy công cụ CNC

1.3 §Æc ®iÓm vÒ cÊu tróc m¸y c«ng cô CNC

1.3.1 Cấu trúc Cấu tạo máy công cụ CNC về cơ bản giống máy

công cụ truyền thống Sự khác nhau là ở chỗ các thiết bị liên quan tới quá trình gia công đưược điều khiển bởi máy tính

Hệ thống CNC gồm 6 phần:

 Chưương trình gia công (part program)

 Thiết bị đọc chưương trình (Program input device)

 Hệ điều khiển máy (MCU)

 Hệ thống truyền động (Drive System)

 Máy công cụ (Machine Tool)

 Hệ thống phản hồi (Feedback System)

H 1.1 CÊu tróc cña m¸y CNC

1.3.2 §Æc ®iÓm vÒ cÊu tróc cña m¸y c«ng cô CNC

Máy công cụ truyền

bộ điều khiển thông qua băng đục lỗ

đầu vào : Các chương trình NC có thể được nhập vào bằng bàn phím , đĩa từ hoặc cáp truyền Bộ điều khiển lưu trữ chương trình NC trong bộ nhớ trên đĩa cứng

Điều khiển bằng tay:

và lượng dư rồi truyền các tín hiệu đến máy

Điều khiển CNC:

Các chức năng điều khiển do máy vi tính tích hợp trong bộ điều khiển CNC và phần mềm tương ứng đảm nhận Bộ nhớ trong được dùng để chứa các chương trình, chương trình con , dữ liệu máy dao cắt và

bù dao, các chu trình gia công

Phần mềm giám sát sai số cũng được tích hợp trong bộ điều khiển

3.2 Đặc điểm về cấu trúc của máy công cụ CNC

Máy công cụ

truyền thống Máy NC

Máy CNC

Máy NC đảm bảo

sự ổn định kích thước trong quá

trình gia công bằng những thông tin phản hồi liên tục từ

đo và các động cơ servo

được điều khiển bằng số vòng quay Các servo đo lường giám sát và điều khiển kích thước ngay trong quá trình gia công

1.4 Các hệ điều khiển số

1.4.1 Hệ điều khiển số NC

Khái niệm: Đặc tính của hệ điều khiển này là “chương trình hoá các mối liên hệ” trong đó mỗi mảng linh kiện điện tử riêng lẻ được xác định một nhiệm vụ nhất định

Liên hệ giữa chúng phải thông qua những dây nối hàn cứng trên các mạch logic điều khiển

Chức năng điều khiển được xác định chủ yếu bởi phần cứng

Mô hình hệ điều khiển số NC

1.4.2 Hệ điều khiển số CNC

Khái niệm

Điều khiển CNC là một hệ điều khiển có thể lập trình và ghi nhớ Nó bao hàm một máy tính cấu thành từ các bộ vi xử lý kèm theo các bộ phận ngoại vi

Các chương trình CNC và các hàm logic được lưu trên các vi mạch máy tính đặc biệt (các thanh ghi bộ nhớ của máy tính) dưới dạng các phần mềm thay vì được nối kết cứng (nối dây)

do đó các chương trình làm việc có thể thiết lập trước

Mô hình h ệ điều khiển số CNC

1.4.3 Hệ điều khiển DNC (Direct Numerical

Control)

Đặc điểm : Hệ thống điều khiển trong đó nhiều máy CNC được nối với

một máy vi tính gia công trung tâm qua đường dẫn dữ liệu

Mỗi máy công cụ CNC có hệ điều khiển CNC mà bộ tính toán của nó có nhiệm vụ chọn lọc và phân phối các thông tin, bộ tính toán được coi là cấu nối giữa máy công cụ và máy tính trung tâm

Máy tính trung tâm có thể nhận những thông tin từ các bộ phận điều khiển CNC để hiệu chỉnh chương trình hoặc có thể đọc những dữ liệu từ máy công cụ

Trong một số trường hợp máy tính đóng vai trò chỉ đạo trong việc lựa chọn những chi tiết gia công theo thứ tự ưu tiên để phân chia lượng gia công tới các máy khác nhau

Mô hình hệ điều khiển DNC

1.4.4 Hệ điều khiển AC (điều khiển thích nghi)

“ Hệ thống điều khiển thích nghi là hệ thống điều khiển có tính đến tác động bên ngoài của hệ thống công nghệ để điều chỉnh chu kỳ gia công (quá trình gia công) nhằm loại bỏ ảnh hưởng của các yếu tố đó tới độ chính xác gia công”

Hệ thống điều khiển thích nghi có thể ổn định được kích thước gia công, công suất cắt, mômen cắt hay nhiệt độ cắt

1.4.5 Hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS)

Hệ thống sản xuất linh hoạt là hệ thống sản xuất có mức

độ tự động hoá cao, là tổ hợp bao gồm của các máy gia công CNC tự động, hệ thống kiểm tra được liên kết với nhau thành một hệ thống nhất quán theo dòng vật liệu với sự trợ giúp của hệ thống vận chuyển-tích trữ phôi tự động và điều khiển nhờ máy tính dùng để chế tạo nhiều chủng loại chi tiết với sản lượng vừa và nhỏ

Phân loại hệ thống FMS

 Mức thứ nhất: Mođun sản xuất linh hoạt Là một máy CNC nhiều

nguyên công được trang bị cơ cấu thay dao tự động

 Mức thứ hai: Tế bào sản xuất linh hoạt Bao gồm 2-3 máy CNC nhiều

nguyên công và được nối kết với nhau bằng hệ thống vận chuyển

 Mức thứ ba: Hệ thống sản xuất linh hoạt: Bao gồm một số máy CNC

nhiều nguyên công được nối kết với nhau bằng hệ thống vận chuyển tự động

 Mức thứ tư: Nhà máy sản xuất tự động hoá linh hoạt: Nhà máy này bao

gồm nhiều thiết bị khác nhau và tất cả các nguyên công đều được thực hiện một cách tự động đòi hỏi độ phức tạp rất cao của hệ thống điều khiển

Cấu trúc của FMS

Chương II: Đặc trưng về máy điều khiển số

2.1 Các trục tọa độ và chiều chuyển động

2.2 Qui định các trục toạ độ trên các máy

2.3 Các điểm 0 và điểm chuẩn

2.4 Các phương pháp nội suy trong các máy công cụ NC, CNC

2.5 Các dạng điều khiển

2.1 Các trục tọa độ và chiều chuyển động

2.1.2 Hệ trục toạ độ trên một số máy - Một số quy

định chung - TC DIN 66217

Trục Z:

 Nếu máy có một trục chính cố định, không xoay nghiêng được thì trục Z nằm song song với trục chính hoặc chính là đường tâm trục đó

 Nếu một trục chính xoay nghiêng được và chỉ có một vị trí xoay nghiêng song song với một trục toạ độ nào đó, thì

chính trục toạ độ đó là trục Z

 Nếu một trục chính xoay nghiêng được song song với nhiều trục toạ độ khác nhau thì trục Z là trục vuông góc với bàn

kẹp chi tiết chính của máy

 Nếu máy có nhiều trục chính công tác, ta sẽ chọn một trong

số đó là trục chính theo cách ưu tiên trục nào có đường tâm vuông góc với bàn kẹp chi tiết

Trục X

Trục X là trục toạ độ nằm trên mặt định vị hay song song với bề mặt kẹp chi tiết, thường ưu tiên theo phương nằm

ngang

Trên các máy có dao quay tròn (ví dụ máy phay)

• Nếu trục X đã nằm ngang thì chiều dương của trục X

hướng về bên phải nếu ta nhìn từ trục chính hướng vào chi tiết

• Nếu trục X thẳng đứng và máy chỉ có một thân máy thì

chiều dương của trục X hướng về bên phải khi ta nhìn từ trục chính hướng vào chi tiết

Trên các máy có chi tiết quay tròn (ví dụ máy tiện)

Trục X nằm theo phương hướng kính đi từ trục chi tiết đến bàn kẹp dao chính

Trục Y

Trục Y được xác định sau khi các trục X và Z đã được định nghĩa

Các trục phụ: Nếu ngoài các trục X, Y, Z còn có các trục điều khiển

độc lập khác ta dùng kí hiệu U (// X), V (// Y) và W (// Z)

Các trục song song khác (so với toạ độ chính) nhận các ký hiệu tiếp theo là P (// X), Q (// Y) và R (// Z)

Các trục quay tương ứng với các trục X, Y, Z của bàn hoặc

ụ quay là các trục A, B, C

Nếu ta nhìn theo hướng dương của một trục thì

chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ là chiều

quay dương (cái đinh ốc)

2.2 Qui định các trục toạ độ trên các máy

2.2.1 Trên máy tiện

Trục chính mang chi tiết tròn xoay, dụng cụ cắt chuyển động tịnh tiến theo các hướng X và Z

 Trục Z chạy song song với trục chính của máy với quy ước chiều dương chạy từ chi tiết đến dụng cụ

 Trục X chạy vuông góc với trục chính với quy ước chiều dương chạy từ tâm chi tiết đến tâm giá dao

2.2.2 Trên máy phay

 Trục Z chạy song song với

trục chính của máy, chiều

dương hướng từ chi tiết tới

dụng cụ cắt

 Trục X, Y thường nằm

trong mặt phẳng định vị

Trên máy phay ngang

Chiều dương của trục X quy ước chạy sang phải khi ta nhìn theo hướng từ trục chính đến chi tiết gia công

Trên máy phay đứng: Chiều dương của trục X quy ước

chạy sang phải khi ta đứng ngoài nhìn vào

Ngoài các trục tọa độ X, Y

và Z còn có các trục tọa độ

khác song song với chúng

Các trục này được ký hiệu là

U (song song với X), V

(song song với Y) và W

(song song với Z) Ví dụ:,

trên trung tâm gia công có

các bộ phận trượt theo các

trục V và W

2.3 Các điểm 0 và điểm chuẩn

2.3.1 Các điểm 0

Điểm 0 của máy (M): Là điểm gốc của các hệ thống toạ độ

máy Điểm M được các nhà chế tạo quy định theo kết cấu

động học của từng loại máy

Điểm 0 của chi tiết (W)

 Là điểm gốc của hệ tọa độ chi tiết Điểm W do người lập trình tự lựa chọn sao cho quy đổi thuận tiện các kích thước ghi trên bản vẽ thành các giá trị toạ độ

trong phạm vi không gian làm việc của máy

 Định hướng kẹp chặt, điều chỉnh, kiểm tra hệ thống

đo lường dich chuyển thuận tiện

 Với các chi tiết đối xứng nên chọn điểm W tại trục đối xứng

 Với các chi tiết phay nên chọn điểm W tại điểm góc ngoài đường viền của chi tiết

 Nếu hệ thống toạ độ của chi tiết và hệ thống toạ độ của máy khác loại thì các toạ độ của chi tiết phải

chuyển sang hệ thoạ độ của máy

Điểm 0 của chi tiết (W) trên một số máy

Chi tiết tiện: Điểm W nằm trên đường tâm của chi tiết

hoặc ở đầu bên trái hoặc ở đầu bên phải

Chi tiết trên phay

trái của chi tiết (chi tiết không đối xứng)

(chi tiết đối xứng)

Nhiều điểm W trên một chi tiết

 Khi gia công chi tiết có nhiều hình dáng giống nhau và đối

xứng với nhau thì người ta thường xác định trên chi tiết nhiều hệ tọa độ khác nhau có các điểm 0 tương ứng của chi tiết là W1, W2, W3…

 Đơn giản hoá được khâu lập trình

Trên bàn máy của trung tâm gia công có thể gá nhiều phôi tối

đa là 6 phôi Điểm gốc toạ độ của phôi thứ nhất được xác định bằng G54, Điểm gốc toạ độ của phôi thứ hai được xác định bằng G55 và đến phôi thứ 6 là G59 Giá trị toạ độ theo phương X,Y và Z của các phôi được khai báo trong bảng: WORK OFFSET MEMORY

Điểm 0 của chương trình (P0)

 Là điểm dụng cụ cắt sẽ ở đó trước khi gia

công

 Nên chọn điểm 0 của chương trính sao cho

chi tiết gia công hoặc dụng cụ có thể thay đổi một cách dễ dàng mà không ảnh hưởng đến chi tiết hoặc đồ gá

2.3.2 Các điểm chuẩn

Điểm chuẩn của máy (R) Reference point

 Là một điểm xác định trong hệ thống toạ độ

máy dùng để xác định vị trí của hệ toạ độ máy trong một số trường hợp nhất định (ví dụ mất điện khi gia công)

trên bàn trượt của máy

Điểm chuẩn của dao (P)

Là điểm đỉnh dao thực hoặc lý thuyết Dùng để tính

 Điểm P với một số loại dao

 Với dao tiện, mũi khoan điểm chuẩn là đỉnh dao

P là tâm của mặt đầu của dao

Dao tiÖn Khoan ruét gµ

Điểm tỳ (A) - điểm gá đặt

 Là giao điểm của các đường trục và mặt phẳng tỳ

hay nói cách khác là điểm tỳ của bề mặt chi tiết

trên đồ gá

 Điểm tỳ A có thể trùng với điểm W của chi tiết hoặc

có thể chọn tuỳ ý trên mặt phẳng định vị của chi

tiết gia công

Điểm thay dao (Ww):

Là điểm dao phải chạy đến

khi cần thay dao tự động để

tránh va đập vào chi tiết gia

cônghay đồ định vị

Điểm điều chỉnh dao (E)

để điều chỉnh kích

thước dao khi sử dụng

nhiều dao với các kích

thước khác nhau

 kích thước điều

chỉnh dao được đo từ

điểm p đến điểm E

E E

Z X

X

Điểm chuẩn của giá dao (N)

Điểm chuẩn của giá dao (N) (Tool mount reference point) Được dùng để xác định hệ trục toạ độ của dao

Điểm điều chỉnh dao E phụ thuộc vào việc gá dao trên máy Khi gá dao trên máy thì điểm E trùng với điểm gá dao N

Bảng ký hiệu các điểm chuẩn

Điểm 0 của máy Điểm 0 của chi tiết Điểm 0 của chương trình Điểm tham chiếu của máy Điểm thay đổi dụng cụ

Điểm điều chỉnh dụng cụ Điểm gá dụng cụ

o Điểm chuẩn của dụng cụ

2.4 Các phương pháp nội suy trong các máy

công cụ NC, CNC

2.4.1 Bộ nội suy

Bộ nội suy thực chất là một máy phát hàm số để đưa ra các lệnh thích hợp với các dữ liệu ban đầu để điều khiển chạy dao trên các toạ độ riêng lẻ, trùm lên quỹ đạo cho trước như mong muốn

2.4.2 Các phép nội suy cơ bản

a Nội suy đường thẳng (Tuyến tính)

Là cách cộng các điểm trung gian gia tăng liên tục, bằng nhau vào giá trị toạ độ đầu tiên (S: Start) tới khi đạt toạ độ điểm cuối cùng (E: End)

Khi lập trình gia công ta phải tạo cho máy quỹ đạo từ S → E máy tự động gia công qua các điểm trung gian

 Tức là ta phải xác định toạ độ điểm đầu của biên dạng và điểm cuối của biên dạng Máy nó sẽ thực hiện việc dịch chuyển theo biên dạng đó với các lệnh chức năng gia công khác nhau

b Nội suy cung tròn

Dao được di chuyển từ điểm đầu tới điểm cuối hành trình theo một cung tròn bởi một câu lệnh (block) đơn giản, thay thế cho rất nhiều câu lệnh nội suy đường thẳng

Là phép vi phân thực hiện ở các bộ tích phân theo quan hệ hàm số tích phân y=∫X(t)dt

Thực hiện

- Nội suy đường tròn theo 2 trục, Các thông số yêu cầu:

- Toạ độ điểm đầu, toạ độ điểm cuối, tâm hoặc bán kính cung tròn

- Tốc độ di chuyển trên mỗi trục

Khả năng

- Nội suy cung tròn hay toàn bộ đường tròn

c Nội suy Parabol

Một đường cong trong không gian

được tạo bởi 3 điểm (Hình bên)

Điểm P2 là trung điểm giữa của

P4 và P5; P5 lại là trung điểm

giữa P1 và P3 P1được biết từ

khối dữ liệu trước; P2 và P3 được

đưa vào cùng với hai khối dữ liệu

tiếp theo Việc chuyển giữa hai

Parabol liên tục sẽ phối hợp tốt

nếu biết rõ được tiếp tuyến tại P3

của chúng

2.5 Các phương pháp nội suy trong các máy

công cụ NC, CNC

2.5.1 Điều khiển điểm-điểm

Được ứng dụng khi gia công theo các toạ độ xác định đơn giản

 Chi tiết được gá cố định trên bàn máy, dụng cụ cắt thực

hiện chạy dao nhanh không cắt đến điểm theo toạ độ xác định đã được lập trình

 Chỉ khi đạt tới điểm đích, quá trình gia công mới được thực

hiện với lượng chạy dao xác định đã được lập trình

Khi dịch chuyển các trục có thể

 Chuyển động kế tiếp nhau

 Chuyển động đồng thời song song không có quan hệ hàm

số giữa các trục

Được ứng dụng trên các máy khoan toạ độ và trên các

thiết bị hàn điểm