Bài tập lớn tiểu luận nhóm (13)

CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM - CNC I Tổng quan CAD/CAM Những năm cuối kỷ 20, công nghệ CAD/CAM trở thành lónh vực đột phá thiết kế, chế tạo sản xuất sản phẩm công nghiệp CAD (Computer Aided Design) thiết kế trợ giúp máy tính CAM (Computer Aided Manufacture) sản xuất với trợ giúp máy tính Hai lãnh vực ghép nối với trở thành loại hình công nghệ cao, lãnh vực khoa học tổng hợp liên ngành Cơ khí – Tin học – Điện tử – Tự động hóa Cùng với phát triển khoa học máy tính, CAD/CAM nhận thức chấp nhận nhanh chóng công nghiệp (công nghiệp dệt – may, công nghiệp nhựa, công nghiệp khí chế tạo ) hạt nhân để sáng tạo sản xuất sản phẩm, để tăng xuất lao động, giảm cường độ lao động tự động hóa trình sản xuất, nâng cao độ xác chi tiết đạt hiệu kinh tế cao Công việc chuẩn bị sản xuất có vai trò vô quan trọng việc hình thành sản phẩm khí Công việc bao gồm khâu chuẩn bị thiết kế (thiết kế kết cấu sản phẩm, vẽ lắp chung sản phẩm, cụm máy ), chuẩn bị công nghệ (đảm bảo tính công nghệ kết cấu, thiết lập quy trình công nghệ), thiết kế chế tạo trang bị công nghệ dụng cụ phụ kế hoạch hóa trình sản xuất chế tạo sản phẩm thời gian ấn định Ngày khoa học kỹ thuật phát triển vũ bão đòi hỏi người kỹ sư phải không ngừng nâng cao lượng thông tin tất khâu trình chuẩn bị sản xuất Theo nhà khoa học phân tích tình hình thiết kế cho thấy 90% khối lượng thời gian thiết kế để tra cứu số liệu cần thiết cho việc tính toán , có 10% thời gian giành cho lao động sáng tạo định Cho nên khoảng 90% khối lượng công việc thực máy tính điện tử máy vẽ tự động Việc làm vừa xác hơn, vừa chất lượng Trong sản xuất hàng loạt nhỏ, đặc điểm số lượng chi tiết loạt , số chủng loại lại nhiều khối lượng thời gian chuẩn bị cho sản xuất lớn, mà dạng sản xuất chiếm ưu kinh tế thị trường Tất điều phải đòi hỏi tạo phương pháp thiết kế nhờ máy tính điện tử CAD/CAM lónh vực nghiên cứu nhằm tạo hệ thống tự động thiết kế chế tạo Nó dùng máy tính điện tử để thực chức định để thiết kế chế tạo sản phẩm Tự động hóa chế tạo dùng máy tính điện tử để kế hoạch hóa, điều khiển trình sản xuất, điều khiển trình cắt gọt kim loại kiểm tra nguyên công gia công CAD/CAM kết nối với tạo mối quan hệ mật thiết hai dạng hoạt động thiết kế chế tạo mà lâu người ta coi khác không phục thuộc vào Tự động hóa thiết kế dùng hệ thống phương tiện tính toán giúp người kỹ sư để thiết kế mô phỏng, phân tích tối ưu hóa giải pháp thiết kế Phương tiện bao gồm máy tính điện tử, máy vẽ, máy in, thiết bị đục lỗ băng phương tiện lập trình bao gồm chương trình máy, cho phép đảm bảo giao tiếp với máy vẽ chương trình ứng dụng để thực chức thiết kế Ví du: Chương trình ứng dụng chương trình phân tích lực ứng suất kết cấu, chương trình tính toán đặc tính động lực học máy chương trình gia công chi tiết máy điều khiển theo chương trình số NC hay CNC Mỗi hãng, viện nghiên cứu sở sản xuất có tập hợp chương trình ứng dụng khác tuỳ thuộc vào điều kiện sản xuất Hệ thống CAD/CAM sản phẩm CIM (Computer Integrated Manufacturing) Hệ thống quản lý điều hành dựa sở liệu trung tâm, hệ thống dùng để lập kế hoạch , biểu đồ , đưa dẫn thông tin đảm bảo mục đích kế hoạch sản xuất nhà máy… Mô hình hệ thống sau: CIM Nhu cầu (COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING) Dự báo Ý tưởng CAD CAD MRP II Cơ sở liệu thông tin PP CAPP CAM CAM CNC, CNC, Robots Robots Hình 1.1 CAQ CAD Computer Aided Design CAE Đóng gói Khách hàng Thiết kế với trợ giúp MTĐT CAE Computer Aided Engineering giúp MTĐT Phân tích kỹ thuật với trợ CAPP Computer Aided Process Planning trợ giúp MTĐT Lập phương án chế tạo với CAM MTĐT Computer Aided Manufacturing Chế tạo với trợ giúp CNC Computer Numerical Control chương trình số Máy công cụ điều khiển CAQ Kiểm tra chất lượng với trợ Computer Aided Quality Control giúp MTĐT MRPII Manufacturing Resources Planning Hoạch định nguồn lực sản xuất PP Production Planning Lập kế hoạch sản xuất Lịch sử phát triển CAD/CAM Lúc đầu CAD/CAM hai ngành phát triển tách biệt nhau, độc lập với khoảng 30 năm Hiện chúng tích hợp thành hệ, thiết kế lựa chọn phương án tối ưu trình sản xuất giám sát điều khiển từ khâu đầu đến khâu cuối Phần mềm CAD SKETCHPAD xuất vào năm 1962 viết Ivan Sutherland thuộc trường kỹ thuật Massachusetts (MIT – Massachusetts Institute of Technology) Hiện giới có hàng ngàn phần mềm CAD phần mềm thiết kế tiếng AutoCAD AutoCAD phiên (Release 1) công bố tháng 12 – 1982 Cho đến năm 1997 có phiên thứ 14 (Release 14) Từ năm 2000 đến nay, gần năm có đời phiên Cũng hệ CAD, hệ CAM phát triển ứng dụng MIT cho máy gia công điều khiển số CNC (Computer Numerical Control) máy vi tính vào đầu năm 70 Hệ tích hợp CAD/CAM đời vào năm 70 và80 Dưới sơ đồ phát triển hệ thống CAD/CAM: FMS FMS Định nghóa công cụ CAD/CAM a) Định nghóa công cụ CAD Để tạo thành sản phẩm hoàn chỉnh cần thực hai công đoạn là: thiết kế chế tạo Ở công đoạn thiết kế sở thu thập thông tin, xử lý liệu kết hợp với khả sáng tạo người thiết kế phân tích toàn tập hợp phương án chọn phương án thiết kế tối ưu Đối với sản phẩm có cấu trúc phức tạp, đòi hỏi tiêu cao thông số kỹ thuật kinh tế , để đạt giải pháp tối ưu, nhiều trường hợp công việc thiết kế chế tạo thực cách hoàn chỉnh phương pháp công cụ thông thường Thiết kế với hổ trợ máy tính điện tử - CAD ứng dụng có hiệu phương tiện công nghệ kỹ thuật tin học , điện tử để giải công việc liên quan tới công việc thiết kế Quá trình thiết kế nói chung bao gồm việc xác định mô tả giải pháp kỹ thuật cụ thể thỏa mãn tất yêu cầu kỹ thuật, tiêu kinh tế phân chia làm giai đoạn (hình 1- 2) Việc sử dụng công cụ tin học điện tử công việc thiết kế -thiết kế với trợ giúp máy tính điện tử (CAD) chia thành bốn công đoạn bao gồm: - Mô hình hóa hình học - Tính toán kỹ thuật - Thiết kế tối Xây dựng nhiệm vụưu -thiết Lập kế tài liệu kỹ thuật tự động từ mô hình thiết kế Thiết kế tổng thể Thiết kế chi tiết GEOMETRIC MODELING AutoCAD Cimatron PRO engineer Tính toán phân tích ANALYSIS Sap 86 Nastran Ansys Thiết kế tối ưu OPTIMZATION Sap 86 Nastran Lập tài liệu thiết kế DRAFTING) (VIEWS AND DRAWINGS Hình 1- AutoCAD Cimatron PRO engineer * Mô hình hình học: ng dụng hệ thống CAD để phát triển việc mô tả toán học vật thể hình học Các mô hình hình học lưu trữ hệ sở liệu (trong nhớ máy tính) cho phép người sử dụng biểu diễn hình ảnh mô hình thiết bị đồ họa thực thao tác dựng hình * Tính toán phân tích kỹ thuật: sau giai đoạn thiết kế mô hình học, vật thể hình học mô hình hình học của đối tượng thiết kế cần phải tính toán phân tích (để đảm bảo thông số kỹ thuật), ví dụ: kiểm tra độ bền, biến dạng, trình trao đổi nhiệt Quá trình tính toán phân tích kỹ thuật thực thông qua phần mềm, ví dụ : phần mềm tính toán phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn; phần mềm thiết kế động học; phần mềm khảo sát trình truyền nhiệt * Lập tài liệu thiết kế tự động: Đây công việc thể kết thiết kế - tự động tạo hình chiếu, tạo vẽ kỹ CAM từ mô hình 3D thiết kế thuật bao gồm ghi kích thước b) Định nghóa công cụ CAM LẬP KẾquy trình sản xuất với trợ giúp ĐIỀU KHIỂN Thực máy tính điện tử sử dụng máy tính để lập kế hoạch sản xuất HOẠCH SẢN QUÁ TRÌNHvà điều khiển sản xuất Sơ đồ lónh vực ứng dụng hệ CAM có SẢN XUẤT thể đượcXUẤT biểu diễn theo sơ dồ hình 1- Cơ sở liệu công nghệ Điều khiển chất lượng sản phẩm Tiêu chuẩn hóa nguyên công Điều khiển xưởng Lập trình gia công Giám sát trình sản xuất Điều khiển trình sản xuất Sắp xếp dây truyền sản xuất Điều khiển máy NC CNC Dự tính giá thành sản phẩm Điều khiển kho vật tư công cụ Lập kế hoạch sản xuất Hình 1- Điều khiển tay máy người máy Điều khiển thiết bị vận chuyển Lập kế hoạch sản xuất thực văn phòng cho công việc cụ thể sau đây: - Tự động hóa thiết kế quy trình công nghệ, có nghóa hình thành trình tự nguyên công để gia công chi tiết cụ thể Muốn thực công việc này, liệu hình học (bên CAD cung cấp), cần liệu công nghệ như: thông số kỹ thuật máy, thông số dao cắt, thông số gá lắp, thông số chế độ cắt tiêu chuẩn hoá nguyên công - Tự động lập chương trình gia công cho máy điều khiển theo chương trình số Ngôn ngữ lập trình CAM APT (Auto matically Programed Tool) Với APT người lập trình xác định hình dạng dụng cụ, dung sai, yếu tố hình học chuyển động dụng cụ Nhược điểm APT thời gian tính toán lớn cho chi tiết đơn giản Ưu việt lớn APT trỡ thành chuẩn cho giới rộng lớn máy NC Hệ CAM sử dụng rộng rãi Việt Nam MILL-CAM, LATHECAM - Tự động hóa lập định mức kỹ thuật để thực nguyên công công nghệ - Tự động lên kế hoạch nhu cầu sở vật chất, mua bán thành phẩm nguyên vật liệu - Tự động lập kế hoạch sản xuất có xét tới yêu cầu điều kiện cụ thể Việc điều khiển trình sản xuất thực mặt phân xưởng xí nghiệp hay nhà máy Bao gồm công việc điều khiển tự động trang thiết bị máy công cụ, dây chuyền sản xuất, robốt vận chuyển, robốt cấp phôi, lấy chi tiết…; điều khiển, giám sát hoạt động xưởng như: chất lượng sản phẩm, cung cấp vật tư, lưu kho … Trong tất công việc áp dụng máy tính điện tử đòi hỏi có tham gia người để nhập liệu đảm bảo cho chương trình làm việc để giám sát kết thực c) Định nghóa công cụ CAD/CAM Tổ hợp CAD/CAM hệ thống mà mối liên kết thiết kế chế tạo hoàn thiện dựa sở sử dụng thông tin liệu trình CAD trực tiếp thủ tục CAM Như tránh hình thành cách độc lập liệu cho chương trình máy tính lónh vực sản xuất Mô CAM hình công CAD cụ CAD/CAM (hình – 4): Mô hình hóa hình học Tính toán phân tích, thiết kế tối ưu Vẽ, soạn tài liệu CƠ SỞ DỮ LIỆU TRUNG TÂM CỦA HỆ THỐNG LẬP KẾ HOẠCH SẢN XUẤT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CAD/CAM kỹ thuật SẢN XUẤT Mối quan hệ CAD/CAM tự động hóa sản xuất thể Hình 1-4 hình 1- phần giao phần: Công cụ thiết kế CAD/CAM Hình 1- Công cụ sản xuất Mô hình hình học Mạng làm việc Khái niệm đồ họa máy tính Trong : - Mạng làm việc hệ thống tổ chức sản xuất, hệ thống cung cấp vật liệu công việc thực sàn máy, xí nghiệp - Công cụ sản xuất máy CNC , Robot công nghiệp - Công cụ thiết kế máy tính, máy vẽ phần mền ứng dụng - Mô hình hình học thực thể hình học sở, sử dụng vẽ kỹ thuật hay hình máy tính như: Điểm (Point) – mô tả giá trị tọa độ Đường cong (Curve), bao gồm đoạn thẳng (Line) – mô tả chuỗi điểm phương trình Mặt cong (Surface), bao gồm mặt (Face) – mô tả tập hợp điểm (hoặc lưới đường cong), phương trình Khối (Solid) – định nghóa mặt cong bao quanh Hệ CAD/CAM kỹ thuật ứng dụng cho khí từ vài năm trước số lónh vực công nghiệp hàng không Hệ tích hợp CAD/CAM có Việt Nam CIMATRON, MASTERCAM, PROENGINEER, DELCAM, ANPHACAM, VISI Để đánh giá tầm quan trọng CAD/CAM chu kỳ sản xuất nên phân tích phạm vi hoạt động khác chức tương ứng để thực việc nghiên cứu chế tạo sản phẩm Các thể loại công việc chức chúng chu kỳ sản xuất thể hình 1- Chu kỳ hoạt động theo nhu cầu khách hàng thị trường tiêu thụ Chu kỳ sản xuất thay đổi tuỳ theo yêu cầu khách hàng Có trường hợp công việc thiết kế khách hàng thực nhà máy có nhiệm vụ chế tạo sản phẩm thiết kế Trường hợp thứ hai nhà máy đảm nhận công việc thiết kế chế Tuybằng nhiên tổng quát Tự động hóatạo sản phẩm Vẽ mà nói xuất ratính sản phẩm Dựa máy thiết kế phát từ ý đồ tạo điện tử vào ý đồ tạo sản phẩm thiết kế sản phẩm, hoàn tất vẽ Trên vẽ sản phẩm phải nêu rõ yêu cầu kỹ thuật cần phải đảm bảo trình chế tạo Trên sở vẽ chi tiếtKhái phải lập quy trình nghệ chế tạo sản phẩm niệm Thiếtcông kế sản Vẽ chi tiết sản sản phẩm phẩm lập kế hoạch xuất Để chế tạo sản phẩm phải lập nhu cầu trang thiếtmới bị công nghệ dụng cụ cần thiết Kế hoạch sản xuất phải rõ thời gian sản lượng xuất xưởng thời gian định Tiếp theo công đoạn đưa vào sản xuất, chế tạo xong phải tiến hành kiểm tra thử nghiệm sản Tự phẩm, độngcuối Nhu cầu Nhu cầu Kế hoạch bàn giao cho khách hàng hóa kế thị trường trang thiết hóa hoạch bị trình sản áp dụng máy tính Trong giai đoạn thiết kế sản phẩm mới, hóa xuất điện tử cho phép tự động hóa thiết kế, in bảntrình vẽsản tài liệu kỹ thuật xuất Kiểm tra chất lượng Tự động hóa kiểm tra chất lượng Sản xuất sản phẩm Trang thiết bị điều khiển Hình 1- Lập biểu đồ sản xuất Vẽ biểu đồ, lập nhu cầu nguyên vật liệu Giai đoạn chuẩn bị công nghệ, nghóa thiết kế quy trình công nghệ lập biểu đồ sản xuất với trợ giúp máy tính điện tử Ngoài máy tính điện tử áp dụng điều khiển trình chế tạo chi tiết dùng tay máy, máy điều khiển theo chương trình số (CNC) Công đoạn cuối kiểm tra thử nghiệm tự động hóa nhờ máy tính điện tử Qua ta thấy hệ thống CAD/CAM đóng vai trò quan trọng sản xuất đại tương lai, đặc biệt lónh vực chuyên môn hóa cao, chẳng hạn việc thiết kế chế tạo mạch in kiểu liên kết sử dụng ngày mạnh Từ hình -6 rõ ràng CAD/CAM bao hầu hết dạng hoạt động chức chu kỳ sản xuất Trong công đoạn thiết kế chế tạo nhà máy đại, kỹ thuật tính toán phải phát huy tác dụng nhu cầu thiếu II Tổng quan máy công cụ điều khiển chương trình số (máy CNC) Ở máy cắt thông thường, việc điều khiển chuyển động thay đổi vận tốc phận máy thực tay Với cách điều khiển này, thời gian phụ lớn, nên nâng cao suất lao động Để giảm thời gian phụ, cần thiết tiến hành tự động hóa trình điều khiển Trong sản xuất hàng khối, hàng loạt lớn, từ lâu người ta dùng phương pháp gia công tự động với việc tự động hóa trình điều khiển vấu tỳ, mẫu chép hình, cam trục phân phối Đặc điểm loại máy tự động rút ngắn thời gian phụ, thời gian chuẩn bị sản xuất dài (như thời gian thiết kế chế tạo cam, thời gian điều chỉnh máy ) Nhược điểm không đáng kể sản xuất với khối lượng lớn Trái lại, với lượng sản xuất nhỏ, mặt hàng thay đổi thường xuyên, loại máy tự động trở nên không kinh tế Do cần phải tìm phương pháp điều khiển Yêu cầu thực với việc điều khiển theo chương trình số Đặc điểm quan trọng việc tự động hóa trình gia công máy CNC đảm bảo cho máy có tính vạn cao Điều cho phép gia công nhiều loại chi tiết, phù hợp với dạng sản xuất hàng loạt nhỏ hàng loạt vừa, mà 70% sản phẩm ngành chế tạo máy chế tạo điều kiện Máy công cụ điều khiển chương trình số – viết tắt máy NC (Numerical Control) máy tự động điều khiển (vài hoạt động toàn hoạt động), hành động điều khiển sản sinh sở cung cấp liệu dạng: LỆNH Các LỆNH hợp thành chương trình làm viêc Chương trình làm việc ghi lên cấu mang chương trình dạng MÃ SỐ Cơ cấu mang chương trình BĂNG ĐỘT LỖ, BĂNG TỪ, BỘ NHỚ MÁY TÍNH Các hệ đầu, máy NC sử dụng cáp logic hệ thống Phương pháp điều khiển theo điểm đoạn thẳng (hình 1-7a hình 1-7b), tức quan hệ hàm số chuyển động theo tọa độ Việc điều khiển mang tính “cứng “ nên chương trình đơn giản gia công chi tiết đơn giản gia công lỗ, gia công đường thẳng song song với chuyển động mà máy có Các hệ sau, hệ thống điều khiển máy NC cài đặt cụm vi tính, vi sử lý việc điều khiển lúc phần lớn hoàn toàn “mềm” Phương pháp điều khiển theo đường biên (hình2.1c), tức có mối quan hệ hàm số chuyển động theo hướng tọa độ Các máy NC gọi CNC (Computer Numerical Control) Chương trình soạn thảo tỉ mỉ gia công chi tiết có hình dáng phức tạp Hiện máy CNC dùng phổ biến Lịch sử phát triển máy CNC Năm 1947, John Parsons nảy ý tưởng áp dụng điều khiển tự động vào trình chế tạo cánh quạt máy bay trực thăng Mỹ Trước đó, việc gia công kiểm tra biên dạng cánh quạt phải dùng mẫu chép hình, sử dụng dưỡng, lâu không kinh tế Ý định dùng bìa xuyên lỗ để doa lỗ cách cho tín hiệu để điều khiển hai bàn dao, giúp Parsons phát triển hệ thống Digital ông 10 Với kết này, năm 1949, ông ký hợp đồng với USAF ( US Air Force) nhằm chế tạo loại máy cắt theo biên dạng tự động Parsons yêu cầu trợ giúp để sử dụng phòng thí nghiệm điều khiển tự động Viện Công Nghệ Massachusetts (M.I.T.) nơi phủ Mỹ tài trợ để chế tạo loại máy phay tọa độ điều khiển bằng chương trình số Sau năm nghiên cứu, J Parsons hoàn chỉnh hệ thống điều khiển máy phay lần năm 1954, M.I.T sử dụng tên gọi “Máy NC” Trong năm 60, thời gian chín mùi cho việc phát triển ứng dụng máy NC Rất nhiều thành viên ngành công nghiệp hàng không Mỹ nhanh chóng ứng dụng, phát triển sản sinh hệ máy (CNC) cho phép phay biên dạng phức tạp, tạo hình với hai, ba bốn năm trục (ba tịnh tiến hai quay) Các nước châu Âu Nhật Bản phát triển có chậm vài năm, có đặc điểm riêng, mặt kỹ thuật, mà kết cấu kết cấu trục chính, cấu chứa dao, hệ thống cấp dao v.v Từ đến nay, hàng loạt máy CNC đời với đủ chủng loại phát triển không ngừng Sự phát triển dựa vào thành tựu ngành: máy tính điện tử, điện tử công nghiệp điều khiển tự động Nhất thập niên 90, máy CNC đổi nhanh chóng chưa có lãnh vực tự động Đặc trưng máy CNC a) Tính tự động cao Máy CNC có suất cắt gọt cao giảm tối đa thời gian phụ, mức độ tự động nâng cao vượt bậc Tuỳ mức độ tự động, máy CNC thực lúc nhiều chuyển động khác nhau, tự động thay dao, hiệu chỉnh sai số dao cụ, tự động kiểm tra kích thước chi tiết qua tự động hiệu chỉnh sai lệch vị trí tương đối dao chi tiết, tự động tưới nguội, tự động hút phoi khỏi khu vực cắt … b) Tính linh hoạt cao Chương trình thay đổi dễ dàng nhanh chóng, thích ứng với loại chi tiết khác Do rút ngắn thời gian phụ thời gian chuẩn bị sản xuất, tạo điều kiện thuận lơi cho việc tự động hóa sản xuất hàng loạt nhỏ Bất lúc sản xuất nhanh chóng chi tiết có chương trình Vì thế, không cần phải sản xuất chi tiết dự trữ, mà giữ lấy chương trình chi tiết Máy CNC gia công chi tiết nhỏ, vừa, phản ứng cách linh hoạt nhiệm vụ công nghệ thay đổi điều quan trọng việc lập trình gia công thực máy, 11 văn phòng có hỗ trợ kỹ thuật tin học thông qua thiết bị vi tính, vi sử lý c) Tính tập trung nguyên công Đa số máy CNC thực số lượng lớn nguyên công khác mà không cần thay đổi vị trí gá đặt chi tiết Từ khả tập trung nguyên công, máy CNC phát triển thành trung tâm gia công CNC d) Tính xác, đảm bảo chất lượng cao Giảm hư hỏng sai sót người Đồng thời giảm cường độ ý người làm việc Có khả gia công xác hàng loạt Độ xác lặp lại, đặc trưng cho mức độ ổn định suốt trình gia công điểm ưu việt tuyệt đối máy CNC Máy CNC với hệ thống điều khiển khép kín có khả gia công chi tiết xác hình dáng đến kích thước Những đặc điểm thuận tiện cho việc lắp lẫn, giảm khả tổn thất phôi liệu mức thấp e) Gia công biên dạng phức tạp Máy CNC máy gia công xác nhanh chi tiết có hình dáng phức tạp bề mặt chiều f) Tính hiệu kinh tế kỹ thuật cao - Cải thiện tuổi bền dao nhờ điều kiện cắt tối ưu Tiết kiệm dụng cụ cắt gọt, đồ gá phụ tùng khác - Giảm phế phẩm - Tiết kiệm tiền thuê mướn lao động không cần yêu cầu kỹ nghề nghiệp suất gia công cao - Sử dụng lại chương trình gia công - Giảm thời gian sản xuất - Thời gian sử dụng máy nhiều nhờ vào giảm thời gian dừng máy - Giảm thời gian kiểm tra máy CNC sản xuất chi tiết chất lượng đồng - CNC thay đổi nhanh chóng từ việc gia công loại chi tiết sang loại khác với thời gian chuẩn bị thấp Tuy nhiên máy CNC hạn chế Dưới số hạn chế: - Sự đầu tư ban đầu cao: Nhược điểm lớn việc sử dụng máy CNC tiền vốn đầu tư ban đầu cao với chi phí lắp đặt 12 - Yêu cầu bảo dưỡng cao: Máy CNC thiết bị kỹ thuật cao hệ thống khí, điện phức tạp Để máy gia công xác cần thường xuyên bảo dưỡng Người bảo dưỡng phải tinh thông điện - Hiệu thấp với chi tiết đơn giản Mô hình khái quát máy CNC Phần Phần điều điều khiển khiển Phần Phần chấp chấp hành hành Pho âi Chương trình điều khiển Bàn phím điều khiển - ĐK tay - ĐK tự động Các cấu điều khiển - Chuyển động - Vận tốc Máy cắt kim loại Vị trí Báo lỗi Màn Tín hình hiệu Máy gồm hai phần chính: Chi tiết gia công a) Phần điều khiển: Gồm chương trình điều khiển cấu điều khiển - Chương trình điều khiển: Là tập hợp tín hiệu (gọi lệnh – trình bày kỹ chương II) để điều khiển máy, mã hóa dạng chữ cái, số môt số ký hiệu khác dấu cộng, trừ, dấu chấm, gạch nghiêng Chương trình ghi lên cấu mang chương trình dạng mã số (cụ thể mã thập - nhị phân băng đục lỗ, mã nhị phân nhớ máy tính) - Các cấu điều khiển: Nhận tín hiệu từ cấu đọc chương trình, thực phép biến đổi cần thiết để có tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra hoạt động chúng thông qua tín hiệu gửi từ cảm biến liên hệ ngược Bao gồm cấu đọc, cấu giải mã, cấu chuyển đổi, xử lý tín hiệu, cấu nội suy, cấu so sánh, cấu khuyếch đại, cấu đo hành trình, cấu đo vận tốc, , nhớ thiết bị xuất nhập tín hiệu Đây thiết bị điện – điện tử phức tạp, đóng vai trò cốt yếu hệ thống điều khiển máy NC Việc tìm hiểu nguyên lý cấu tạo thiết bị đòi hỏi có kiến thức từ giáo trình chuyên ngành khác, giới thiệu khái quát 13 b) Phần chấp hành: Gồm máy cắt kim loại số cấu phục vụ vấn đề tự động hóa cấu tay máy, ổ chứa dao, bôi trơn, tưới trơn, hút thổi phoi, cấp phôi Cũng loại máy cắt kim loại khác, phận trực tiếp tham gia cắt gọt kim loại để tạo hình chi tiết Tùy theo khả công nghệ loại máy mà có phận : Hộp tốc độ, hộp chạy dao, thân máy, sống trược, bàn máy, trục chính, ổ chứa dao, tay máy Kết cấu phận chủ yếu máy vạn thông thường, có vài khác biệt nhỏ để đảm bảo trình điều khiển tự động ổn định, xác, suất đặc biệt mở rộng khả công nghệ máy - Hộp tốc độ: Phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn, thường truyền động vô cấp, sử dụng ly hợp điện từ để thay đổi tốc độ dễ dàng - Hộp chạy dao: Có nguồn dẫn động riêng, thường động bước Trong xích truyền động, sử dụng phương pháp khử khe hở truyền 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 dao bị mòn Trong máy CNC sử dụng dạng điều khiển thích nghi khác bảo đảm nhiều thông số tối ưu thành phần lực cắt, nhiệt độ cắt, độ bóng bề mặt, chế độ cắt tối ưu, độ ồn, độ rung Các phương pháp điều khiển a) Hình - Các phương pháp điều khiển hoặ c b) c) 14 - Điều khiển điển (hay điều khiển theo vị trí) dùng để gia công lỗ phương pháp khoan, khoét, doa cắt ren lỗ Ở chi tiết gia công gá cố định bàn máy, dụng cụ cắt thực chạy dao nhanh đến vị trí lập trình Khi đạt tới điểm đích dao bắt đầu cắt (hình 1-7a), nhiên có trường hợp dao không dịch chuyển mà bàn máy dịch chuyển mục đích cần đạt kích thước vị trí lỗ phải xác, q đạo chuyển động dao hay bàn máy điều ý nghóa Vị trí lỗ điều khiển đồng thời theo hai trục điều khiển - Điều khiển đường thẳng (hình1-7b) dạng điều khiển mà gia công dụng cụ cắt thực lượng chạy dao theo đường thẳng song song với trục tọa độ Dạng điều khiển dùng cho máy phay máy tiện đơn giản - Điều khiển theo đường viền (theo contour, hình 1-7c) cho phép thực chạy dao nhiều trục lúc Tùy theo số trục điều khiển đồng thời gia công người ta phân biệt: điều khiển đường viền 2D, điều khiển đường viền 2.5D điều khiển đường viền 3D, 4D, 5D Điều khiển đường viền 2D cho phép thực chạy dao theo hai trục đồng thời mặt phẳng gia công, ví dụ, mặt phẳng XZ XY hình 1-8a Trục thứ ba điều khiển hoàn toàn độc lập với hai trục Điều khiển đường viền 2.5D (hình 1-8b) cho phép ăn dao đồng thời theo hai trục để gia công bề mặt mặt phẳng định Trên máy CNC có trục X, Y, Z ta điều khiển đồng thời X Y; X Z Y Z a) b) Hình 1-8 Điều khiển đường viền 3D cho phép đồâng thời chạy dao theo trục X, Y, Z Cả ba trục 15 chuyển động hòa hợp với hay có quan hệ ràng buộc hàm số, (hình 1-9) Ta thấy đường viền gia công lượng chạy dao theo trục X, Y, Z tạo thành Điều khiển đường viền 3D ứng dụng để gia công khuôn mẫu, gia công chi tiết có bề mặt không phức tạp Điều khiển 4D (hình 1-10a)và điều khiển 5DHình (hình1-9 1-10b): Ngoài trục tịnh tiến X, Y Z trục quay điều khiển số Nhờ điều khiển 4D 5D người ta gia công chi tiết phức tạp khuôn rèn dập, khuôn đúc áp lực cánh tuabin Hình 1-10b Điều khiển đường Hình 1-10a Điều khiển đường viền viền 5D 4D Hệ trục tọa độ máy CNC Theo tiêu chuẩn ISO, chuyển động cắt gọt gia công chi tiết máy CNC phải nằn hệ trục tọa độ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải Trong có ba chuyển động tịnh tiến theo trục ba chuyển động quay theo trục tương ứng Hình 1.11 - Trục Z tương ứng với phương trục máy CNC, chiều dương chiều làm tăng khoảng cách dao chi tiết gia công Chiều quay dương chiều kim đồng hồ (nhìn từ gốc tọa độ) - Trục X tương ứng chuyển động tịnh tiến lớn máy CNC Ví dụ máy phay chuyển động chạy dao dọc, máy tiện chuyển động chạy dao ngang Chiều dương chiều làm tăng khoảng cách dao chi tiết 16 - Trục Y hình thành với hai trục hệ trục tọa độ Ví dụ máy phay chuyển động chạy dao ngang bàn máy, máy tiện trục Lưu ý xét hệ trục tọa độ máy CNC phải coi chi tiết đứng yên, dao chuyển động theo phương hệ trục tọa độ Hệ trục tọa độ máy CNC đặt vào loại chuẩn sau: M (Machine Point): Chuẩn máy Máy đo lường từ vị trí đến vị trí khác làm việc Không thể thay đổi R (Reference Point): Chuẩn quy chiếu máy, dùng để đóng kín không gian làm việc máy Không thể thay đổi T (Tool Offset): Chuẩn dao Để xác định vị trí dao cắt sau lắp dao vào ổ dao Không thể thay đổi W ( Work Point): Chuẩn chi tiết Dùng làm gốc hệ tọa độ làm việc trình gia công Có thể thay đổi theo ý muốn người công nghệ Chuẩn chuẩn công nghệ phải chọn không gian làm việc máy P ( Program Point): Chuẩn thảo chương Dùng làm gốc hệ tọa độ trình soạn thảo chương trình Có thể thay đổi theo ý muốn người lập trình Chuẩn nên trùng với chuẩn thiết kế vẽ chi tiết Các bước thực gia công máy CNC a) Nghiên cứu công nghệ gia công chi tiết - Đọc hiểu vẽ chi tiết: Hình dáng, độ xác, độ bóng vật liệu - Chọn phôi, chọn máy cách gá lắp - Chọn tiến trình công nghệ hợp lý Chọn dao xác định chế độ cắt gọt cho bước công nghệ Lập phiếu nguyên công b) Thiết kế quỹ đạo cắt Phôi - Lập quỹ đạo chuyển động dao thật chi tiết, hợp lý xác - Tính toán tọa độ điểm chuyển tiếp quỹ đạo Quỹ đạo Điểm chuyển chuyển động động dao chuyển tiếp dao Ví dụ phay: Quỹ đạo chuyển động dao Dao cắt 17 Chi tiết gia Đường bao chi tiết Trên hình quỹ đạo chuyển động dao phay quỹ đạo chuyển động điểm tâm mặt đầu dao phay Để xác định quỹ đạo chuyển động đó, biên dạng cắt gọt xác định dễ dàng mà gặp biên dạng song song với tọa độ máy CNC mà Trường hợp biên dạng phức tạp (2D 2,5D) người lập trình dùng biên chi tiết yêu cầu làm quỹ đạo chuyển động dao lúc phải hiệu chỉnh bán kính dao phay Vấn đề hiệu chỉnh bán kính dao cho biên dạng cắt gọt cho đúng, kỹ thuật lập trình NC giải chương sau Đối với bề mặt gia công phức tạp (3D, 4D 5D) quỹ đạo chuyển động dao phay phải xác định nhờ trợ giúp máy tính phần mềm chuyên dụng * Ví dụ tiện: Tọa độ điểm chuyển Quỹtiếp đạo X cắt thô Quỹ đạo cắt tinh Z Pho âi Chi tiết Dao tiện luôn có bán kính cong R mũi dao Để gia công xác, ta phải quan tâm đến kích thước Khi chương trình thị dao tiện đến tọa độ điểm chuyển tiếp điểm đo dao Qũy đạo đến tọa độ đó, gia công XT đường cong tâm nghiêng (không song song với hai chuyển động chạy dao máy mũi tiện) gặp phải sai số Để khắc sai số phải Quỹ đạo tâm mũiđó dao có hiệu daophục chỉnh bán kính mũi dao hiệu chỉnh bán kính mũi dao Ví dụ: Để tiện tinh biên dạng (0-1-2-3-4-5) chi tiết, hình không hiệu chỉnh bán kính mũi vẽ minh họa cho thấy Dao Saisau gia công mắc phải sai số dao, biên dạng chi tiết số Biên dạng chi tiết Chi tiết gia công 2 Biên dạng dao 18 cắt R Điểm đo dao ZT Vị trí đo dao điểm nối hai phương đo theo tọa độ máy tiện CNC (ZT XT) Khi chương trình thị dao đến điểm chuyển tiếp biên cắt chi tiết (0-1-2-3-4-5) điểm đo dao đến vị trí (0-1-2-3-4-5) Như hình thấy rõ điểm 1, 2, chi tiết không nằm lưỡi cắt mũi dao có bán kính cong R Kết biên dạng chi tiết sau cắt mắc phải sai số (đoạn có tuyến ảnh) Để xác định vị trí đo dao, người ta dùng cấu đo dao sau lắp dao vào cấu mang dao Ví dụ cấu đo dao: Z X c) Lập chương trình điều khiển NC Đây bước quan trọng để gia công máy CNC Có hai phương pháp lập trình : - Phương pháp lập trình thủ công (Manual Programming): Là phương pháp lập trình trợ giúp máy tính, người lập trình tự biên soạn chương trình NC sở nhận dạng hoàn toàn xác tọa độ chạy dao Khả lập trình thủ công coi yêu cầu người lập trình NC, có kỹ lập trình này, người lập trình có khả hiểu, khả đọc sửa đổi chương trình trực tiếp vận hành máy CNC Phần lớn phần mềm lập trình NC sản phẩm nhà sản xuất hệ điều khiển, thường cung cấp kèm theo máy CNC Khả lập trình phần mềm nói chung hạn chế Phần lớn có khả lập trình cho quỹ đạo cắt 2D; 2,5D đơn giản chu trình gia công 19 Phương pháp lập trình kiểm tra biên dạng cắt cách mô máy tính với phần mềm NC trực tiếp hệ điều khiển máy CNC Để truyền chương trình NC vào hệ điều khiển máy ta thực hai cách: C1 Nhập từ vật mang tin trung gian bìa đục lỗ, băng đục lỗ, băng từ, đóa từ … PHÒNG THIẾT KẾ BẢN VẼ Bản vẽ YCKT PHÒNG CÔNG NGHỆ LẬP TRÌNH Hình học & công nghệ XƯỞNG MÁY Vật mang tin MÁY NC/CNC C2 Nhập từ panel điều khiển theo chế độ MDI (Manual Data Input) máy CNC Bản vẽ BẢN VẼ MÁY NC/CNC YCKT Hầu hết sở sản xuất sử dụng máy NC/CNC kết hợp hai cách để lập trình Phương pháp ghi chương trình băng đục lỗ, băng từ sử dụng cho hệ máy NC cũ - Phương pháp lập trình tự động (Automatically Programming): Là phương pháp lập trình nhờ trợ giúp máy tính Phương pháp lập trình ngôn ngữ xử lý hình học (APT – Automatically Programmed Tool) phần mềm CAD/CAM tích hợp công cụ trợ giúp để chuyển đổi tự động liệu hình học liệu công nghệ thành chương trình NC Ngày phương pháp lập trình phần mềm CAD/CAM sử dụng phổ biến có hiệu quả, đặc biệt cho trường hợp gia công mặt cong phức tạp PHÒNG THIẾT KẾ PHẦN MỀM CAD/CAM NGÔN NGỮ XLHH Dữ liệu HH CN Post-processing PHÒNG CÔNG NGHỆ Chương trình NC DNC XƯỞNG MÁY Chương trình NC MÁY CNC PHẦN MỀM NC Nhập thông số CN (MDI) d) Kiểm tra chương trình điều khiển NC Chương trình sau soạn thảo cần phải kiểm tra, hiệu chỉnh Đây khâu quan trọng trước gia công máy Có hai cách kiểm tra sau : 20 - Kiểm tra thủ công: Dò chương trình mắt vẽ chi tiết gia công tay Cách thực điều kiện máy tính phần mềm - Kiểm tra máy tính: Chương trình soạn thảo nhập vào máy tính, cho chạy mô phần mềm phù hợp Dựa quỹ đạo chuyển động dao hình dáng chi tiết hình thành mà sửa đổi chương trình hay dao cắt, chế độ cắt Các phần mềm CAD/CAM có chức kiểm tra mô phần mềm e) Điều chỉnh máy CNC Đây công việc cho máy CNC biết chi tiết gia công đặt đâu máy dụng cụ cắt có kính thước sao? Hay nói cách khác, muốn gia công xác chuỗi kích thước công nghệ hệ thống công nghệ (bao gồm: Máy Dao - Gá - Chi tiết) phải khép kín Có nghóa là: n ∑ Ki = Trong đó: Ki - Các kích thước chuỗi kích thước công nghệ i =1 n - Số khâu chuỗi kích thước công nghệ Khi thiết kế chế tạo máy CNC, người ta xác định cho máy điểm chuẩn đo lường Điểm chuẩn cố định vị trí không cố định tùy vào hệ điều khiển cấu trúc máy Khi gia công chi tiết máy CNC, việc chuẩn bị công nghệ (trong có gá lắp, dụng cụ cắt) chương trình điều khiển thực bên máy CNC Vậy nối kết chúng lại (Máy – Dao – Gá – Chi tiết) phải tuân theo chuỗi kích thước công nghệ khép kín Lúc máy CNC điều khiển gia công theo chuẩn cách xác Ví dụ mối quan hệ chuẩn hệ tọa độ máy tiện CNC: Z 21 M ZM – Độ lệch chuẩn máy chuẩn thay dao theo phương Z Máy biết ZW – Độ lệch chuẩn máy chuẩn chi tiết theo phương Z Người gia công phải xác định báo cho máy biết Z1 – Tọa độ Z điểm người lập trình soạn thảo chương trình R – Bán kính mũi dao tiện Người gia công phải báo cho máy biết ZT – Độ lệch chuẩn dao với vị trí đo dao sau lắp dao vào cấu mang dao theo phương Z Người gia công phải xác định báo cho máy biết Zo – Khoảng cách di chuyển dao từ vị trí thay dao tới vị trí chuẩn bị gia công theo phương Z Máy tự tính toán chuỗi kích thước công nghệ kép kín Z0 = ZM – ZW – Z1 – R – ZT Tương tự cho phương X Để thực công việc điều chỉnh máy CNC, ta phải: - Chuẩn bị phôi, dao cắt đồ gá Đồ gá cố định không gian gia công bàn máy (phải rà vuông góc song song với phương chuyển động máy) - Định vị kẹp chặt phôi đồ gá - Thực bước “Vận hành máy” cho máy CNC cụ thể f) Gia công chi tiết máy CNC - Đưa chương trình gia công hình điều khiển, kiểm tra lại chương trình lần đặc biệt phải kiểm tra đường chạy dao không cắt thật kỹ - Gia công Hình thức tổ chức gia công máy CNC 22 a) Lập trình thủ công, nhập chương trình trực tiếp lên máy CNC b) Lập trình thủ công, nhập chương trình băng đột lỗ 23 c) Lập trình tự động, nhập chương trình băng đục lỗ Ba hình thức tổ chức thuộc hệ máy NC cũ Các hệ có khả nhập liệu qua cổng đọc băng f) Lập trình tự động điều khiển số trực tiếp (DNC – Direct Numerical Control) 24 ... học chuyển động dụng cụ Nhược điểm APT thời gian tính toán lớn cho chi tiết đơn giản Ưu việt lớn APT trỡ thành chuẩn cho giới rộng lớn máy NC Hệ CAM sử dụng rộng rãi Việt Nam MILL-CAM, LATHECAM... thiết bị vi tính, vi sử lý c) Tính tập trung nguyên công Đa số máy CNC thực số lượng lớn nguyên công khác mà không cần thay đổi vị trí gá đặt chi tiết Từ khả tập trung nguyên công, máy CNC phát... khiển này, thời gian phụ lớn, nên nâng cao suất lao động Để giảm thời gian phụ, cần thiết tiến hành tự động hóa trình điều khiển Trong sản xuất hàng khối, hàng loạt lớn, từ lâu người ta dùng