1.2.2.1. Hệ thống CAD/CAM – CNC.
Các hệ thống CAD/CAM – CNC cho phép tạo ra đ−ờng dịch chuyển dụng cụ một cách tự động theo đặc điểm biên dạng chi tiết gia công và điều kiện gia công với các máy CNC. Các hệ thống này bao gồm ch−ơng trình xử lý và xử lý tiếp theo chuyên dùng.
- Ch−ơng trình xử lý CAD/CAM:
Là ch−ơng trình mô tả vật thể hình học chi tiết, cùng với các chỉ dẫn gia công, các số liệu dụng cụ nhằm cung cấp đầy đủ dữ liệu về đ−ờng dịch chuyển dụng cụ cũng nh− các thông tin cần cho gia công mô tả theo ngôn ngữ APT:
+ Nhập dữ liệu mô tả biên dạng hình học chi tiết để có thể mô hình hoá vật thể 3D.
+ Nhập số liệu dụng cụ cắt và kiểu máy công cụ.
+ Nhập số liệu về tốc độ cắt và l−ợng chạy dao hoặc tính toán dựa trên số liệu dụng cụ cắt và vật liệu phôi gia công.
+ Xác định l−ợng kim loại cần hớt bỏ (l−ợng d− gia công). + Tạo đ−ờng dịch chuyển dụng cụ.
- Ch−ơng trình xử lý tiếp theo:
Là ch−ơng trình cần thiết để chuyển các dữ liệu từ ch−ơng trình xử lý ở dạng file APT sang ch−ơng trình gia công theo các mã điều khiển của một máy điều khiển số cụ thể (các mã G). Các ch−ơng trình xử lý tiếp theo có thể cài đặt cùn với các hệ thống CAD/CAM hoặc thực hiện độc lập sau khi đã có file APT. Với sự trợ giúp của máy tính, biên dạng hình học của chi tiết còn có thể đ−ợc dùng để phân tích thiết kế nhờ các ch−ơng trình phần tử hữu hạn, có thể lựa chọn các ph−ơng án gia công khác nhau dựa vào các phiếu phân tích kỹ thuật cũng nh− cơ sở dữ liệu tổ chức sản xuất. Chúng tạo ra một liên kết trực tiếp hình thành giữa thiết kế và chế tạo, cho phép sử dụng một cơ sở dữ liệu chung từ khâu thiết kế đến khâu gia công, cả việc lập kế hoạch, tổ chức và quản lý sản xuất. Rõ ràng với các hệ thống hỗ trợ liên kết, thời gian tiêu tốn cần thiết cho
việc hoàn thành các công đoạn sản xuất sản phẩm giảm đi đáng kể, không những thế còn dễ dàng cải thiện chất l−ợng sản phẩm, mang lại hiệu quả kinh tế.
Do tính đa dạng của các hệ điều khiển CNC phụ thuộc vào nhà sản xuất, các ch−ơng trình xử lý tiếp theo th−ờng đ−ợc viết một cách riêng lẻ cho từng máy và trang thiết bị cụ thể để dùng gia công trên một máy CNC t−ơng ứng. Các ch−ơng trình này chuyển đổi các file dữ liệu định dạng APT của đ−ờng dịch chuyển dụng cụ nhận đ−ợc từ các ch−ơng trình CAD/CAM sang các lệnh mã G.
Chức năng của một ch−ơng trình xử lý tiếp theo là chuyển đổi các lệnh viết theo ngôn ngữ APT thành các lệnh mã G. Một số lệnh t−ơng đ−ơng giữa các file dữ liệu APT và các lệnh mã G đ−ợc cho trong bảng 1.1. Các t−ơng đ−ơng khác th−ờng gặp nh−: lập trình theo hệ thống ghi kích th−ớc tuyệt đối hoặc gia số, nội suy thẳng và tròn, bù dao và các đơn vị đo.
Ch−ơng trình xử lý tiếp theo có hai phần, đầu tiên mở và đọc các file APT, sau đó chuyển đổi lần l−ợt các lệnh APT sang các lệnh mã G xác định ở một máy cụ thể và ghi lại trên một file mới. File kết quả đ−ợc tải đến hệ điều khiển củan máy đó để tiến hành gia công.
APT code G – code
CIRCLEL COOLNT FEDRAT FINI FROM RAPID SCALE SPINDL STOP TOOLNO 1-20 UNITS G02 và G03 M07 và M08 G01 % G92, G54, G55... G00 G58 M03 và M05 M30 và M02 T 1-20 G20 và G21
Bảng 1.1. Một số lệnh t−ơng đ−ơng giữa các file APT và các lệnh mã G –M. 1.2.2.2. Quá trình gia công trên máy CNC.
B−ớc đầu tiên trong quá trình gia công là vào dữ liệu hình học của chi tiết, tức là nhận mô hình chi tiết thu đ−ợc từ các dữ liệu hình học của hệ CAD. Các b−ớc liên quan đến quy trình này đ−ợc trình bày nh− sơ đồ sau:
Hình 1.13. Sơ đồ quá trình gia công.
- Xác định giới hạn cắt:
Xác định contour cho từng thao tác gia công thực hiện bởi một dụng cụ nào đó là rất quan trọng. Nó phụ thuộc vào dạng của hệ CAM đ−ợc sử dụng và dữ liệu đ−ợc chuyển từ hệ CAD sang hệ CAM nh− thế nào là tùy theo ph−ơng pháp lựa chọn đối t−ợng tạo thành vùng gia công. Một ph−ơng pháp đơn giản và đ−ợc dùng phổ biến là dịch chuyển con trỏ đến vùng lân cận của đối t−ợng đ−ợc chọn sau khi đi vào vùng gia công đã đ−ợc định nghĩa và nhấn phím đã chọn. Điều này sẽ làm thay đổi màn hình (thay đổi màu, dạng đ−ờng nét hay thay đổi mật độ hiển thị của đối t−ợng) nhằm mục
đích chỉ ra rằng sự lựa chọn đã đ−ợc xác định và các đ−ờng gia công contour cuối cùng đ−ợc hiển thị. Vùng lựa chọn có thể đ−ợc gán một chỉ số dùng cho việc gọi lại sau này một cách tự động. Theo cách này tất cả vùng gia công đều đ−ợc xác định.
- Xác định chế độ cắt:
Chế độ cắt cần đ−ợc lựa chọn cho quá trình gia công để đảm bảo đ−ợc chất l−ợng bề mặt và độ chính xác của chi tiết gia công. Chất l−ợng bề mặt của chi tiết gia công là các chỉ tiêu về các sai số hình dáng (độ ôvan, độ côn, độ tang trống, độ đa cạnh...) chỉ tiêu về độ sóng và độ nhám bề mặt đ−ợc tạo thành do những vết lồi, lõm d−ới tác dụng của dụng cụ cắt. Độ chính xác gia công bao gồm độ chính xác kích th−ớc, độ chính xác hình dáng hình học và độ chính xác về vị trí t−ơng quan.
Các chỉ tiêu về chất l−ợng bề mặt nói trên phụ thuộc chủ yếu vào các thông số công nghệ nh− tốc độ cắt, l−ợng chạy dao, chiều sâu cắt, vật liệu gia công và rung động của hệ thống công nghệ. Sai số gia công bao gồm sai số hệ thống cố định, sai số thay đổi và sai số ngẫu nhiên, có ảnh h−ởng trực tiếp đến độ chính xác gia công.
Với máy CNC, độ cứng vững của hệ thống rất cao, do đó cho phép gia công với các thông số về chế độ cắt rất lớn, tốc độ cắt trong máy CNC cao hơn rất nhiều so với máy công cụ th−ờng, ngoài ra cho phép hiệu chỉnh ch−ơng trình gia công ngay tại chỗ làm việc. Các hệ điều khiển CNC hiện đại có khả năng bù sai số hệ thống, hiệu chỉnh sai số dịch chuyển tích lũy do sai số b−ớc của trục vít me gây ra. Trên các máy CNC đ−ợc trang bị cơ cấu hiệu chỉnh phôi khi kẹp chặt, có nghĩa là bù sai số kẹp chặt của phôi, ngoài ra còn có thêm cơ cấu tự động kiểm tra kích th−ớc gia công (Sensor tiếp xúc). Hệ điều khiển của máy có chức năng xử lý tín hiệu để hiệu chỉnh phạm vi dung sai cho phép.
Trên các máy CNC còn đ−ợc trang bị hệ thống điều khiển thích nghi để hiệu chỉnh chế độ cắt khi lực cắt và công suất cắt biến động. Các hệ điều khiển thích nghi xảy ra sau một vòng quay của trục chính và số vòng quay của trục chính có thể giảm từ hàng nghìn vòng/phút đến 0 vòng/phút chỉ sau một vài mili giây.
Chức năng của b−ớc này là hoàn thiện một số nhiệm vụ của việc lập quy trình gia công, nghĩa là xác định dụng cụ cắt theo yêu cầu và các thông số của quá trình cắt cho việc gia công từng vùng gia công đã đ−ợc xác định. Trong quá trình này có thể phải dùng đến các th− viện (dụng cụ, vật liệu) trợ giúp cho quá trình lựa chọn. Chẳng hạn th− viện dụng cụ là danh sách các dụng cụ với các tính năng kỹ thuật phù hợp cho gia công hiện có trong phân x−ởng với một thiết lập cụ thể. Các tính năng kỹ thuật đ−ợc l−u trong th− viện dụng cụ có thể là các kích th−ớc của dụng cụ (độ dài, đ−ờng kính, bán kính đầu mũi, các chi tiết lắp ráp dụng cụ, giá dụng cụ). Số l−ợng thông tin l−u trong th− viện dụng cụ phụ thuộc vào các ứng dụng mà nó đ−ợc sử dụng. T−ơng tự nh− vậy, đối với th− viện vật liệu, có thể l−u các thông tin liên quan đến tính vật lý của vật liệu, dữ liệu gia công và các thông số khác cần thiết cho việc xác định tr−ớc các thông số cho quá trình cắt tối −u.
Dựa trên th− viện này ng−ời sử dụng có thể xác định đ−ợc tất cả các thông số của quá trình cắt, số l−ợng cắt cần thực hiện và ph−ơng pháp làm sạch cần tuân theo. Đó là tất cả các thông tin cần cho hệ thống CAM để tạo ra tọa độ điểm cuối của dao cắt (CLDATA) nhằm thu đ−ợc bề mặt mong muốn. Dữ liệu CLDATA này sẽ đ−ợc xử lý bằng bộ tiền xử lý để tạo ra ch−ơng trình đ−ợc vẽ trên màn hình nh− một quỹ đạo dao phẳng hoặc một sự thể hiện hình học cuản dụng cụ để mô phỏng quá trình gia công thực.
1.2.2.3. Các hệ thống điều khiển và hệ thống tọa độ khi gia công trên máy CNC.
Hệ thống điều khiển. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Điều khiển điểm - điểm: với hệ điều khiển này, trong quá trình gia công ng−ời ta cho định vị nhanh dụng cụ đến tọa độ yêu cầu và trong quá trình dịch chuyển nhanh dụng cụ, máy không thực hiện việc cắt gọt. Chỉ đến khi đạt đến tọa độ theo yêu cầu nó mới thực hiện các chuyển động cắt gọt nh− các quá trình khoan lỗ, khoét, doa, hàn điểm, đột dập. ở hình 1.14. khi gia công hai lỗ A, B có tọa độ xA, yA; xB, yB trong hệ tọa độ Oxy, ta thực hiện việc điều khiển dụng cụ dịch chuyển đến điểm A, sau khi gia công xong lỗ A sẽ dịch chuyển nhanh dụng cụ đến điểm B và thực hiện việc gia công lỗ
B. Quá trình dịch chuyển dụng cụ từ vị trí A đến vị trí B có thể thực hiện bằng hai cách nh− hình vẽ.
Hình 1.14. Điều khiển điểm - điểm.
- Điều khiển đoạn thẳng: ngoài chức năng dịch chuyển nhanh theo các trục tọa độ nh− ở điều khiển điểm còn có thể thực hiện việc gia công trong quá trình dịch chuyển theo các trục này. Điều đó có nghĩa là dụng cụ sẽ thực hiện các chuyển động cắt gọt trong quá trình dịch chuyển song song theo các trục tọa độ. Chẳng hạn khi phay các bề mặt song song với các trục tọa độ hoặc khi tiện các chi tiết mà dụng cụ cắt thực hiện các chuyển động cắt gọt theo ph−ơng trục Z và trục X.
- Điều khiển đ−ờng: ngoài các chức năng nh− điều khiển điểm và điều khiển đoạn thẳng còn có thể điều khiển dụng cụ chuyển động theo các đ−ờng bất kỳ trong mặt phẳng hoặc trong không gian để thực hiện việc gia công cắt gọt. Tùy thuộc vào các đ−ờng đ−ợc điều khiển là phẳng hay không gian mà ng−ời ta có thể bố trí số trục đ−ợc điều khiển đồng thời là khác nhau, có thể là 2D, 2.5D, 3D, 4D.
Điều khiển 2D: Cho phép dịch chuyển dụng cụ trong một mặt phẳng nhất định
nào đó. Chẳng hạn nh− trên máy tiện, dụng cụ sẽ dịch chuyển trong mặt phẳng OXZ để tạo nên đ−ờng sinh khi tiện các bề mặt. Trên các máy phay 2D, dụng cụ sẽ thực hiện các chuyển động trong mặt phẳng XOY để tạo nên các đ−ờng rãnh hay các mặt bậc có biên dạng bất kỳ.
Hình 1.16.Điều khiển 2D trên máy phay.
Điều khiển 3D: cho phép dịch chuyển dụng cụ trong 3 mặt phẳng, đồng thời
để tạo nên một đ−ờng cong hay một mặt cong trong không gian. Điều này cũng t−ơng ứng với quá trình điều khiển đồng thời cả ba trục của máy theo một quan hệ ràng buộc nào đó tại từng thời điểm để tạo ra quỹ đạo của dụng cụ theo yêu cầu.
Hình 1.17.Điều khiển 3D trên máy phay
Điều khiển 2,5D: cho phép dịch chuyển dụng cụ theo hai trục đồng thời để tạo
nên một đ−ờng cong phẳng, còn trục thứ ba đ−ợc điều khiển chuyển động độc lập. Điều khác biệt của ph−ơng pháp điều khiển này so với điều khiển 2D ở chỗ hai trục đ−ợc điều khiển đồng thời có thể đổi vị trí cho nhau.
- Điều khiển 4D, 5D: trên cơ sở của điều khiển 3D ng−ời ta còn bố trí cho dụng
cụ hoặc chi tiết có thêm một hoặc hai chuyển động quay xung quanh một trục nào đó theo một quan hệ ràng buộc với các chuyển động trên các trục khác của máy 3D. Với khả năng nh− vậy, các bề mặt phức tạp hay các bề mặt có trục quay có thể đ−ợc thực hiện dễ dàng hơn so với khi gia công trên máy 3D. Mặt khác, vì lý do công nghệ nên có những bề mặt không thể thực hiện đ−ợc việc gia công 3D vì có thể tốc độ cắt sẽ khác nhau hoặc có những điểm tốc độ cắt bằng 0 (ví dụ tại đỉnh của dao phay cầu) hay l−ỡi cắt của dụng cụ không thể thực hiện việc gia công theo mong muốn (chẳng hạn góc cắt không thuận lợi hay có thể bị v−ớng vào thân dao và các phần tử khác của chi tiết).
Nh− vậy, tuỳ thuộc vào yêu cầu bề mặt gia công cụ thể mà có thể lựa chọn thích hợp cho loại máy gia công vì máy càng phức tạp thì giá thành càng cao và cần phải bổ sung thêm nhiều công cụ khác. Do đó tuỳ thuộc chủng loại sản phẩm mà có thể lựa chọn loại máy thích hợp để gia công.
Hệ thống tọa độ trên máy CNC.
Để tính toán quỹ đạo chuyển động của dụng cụ, cần phải gắn vào chi tiết một hệ trục toạ độ. Thông th−ờng trên các máy điều khiển theo ch−ơng trình số, ng−ời ta sử dụng hệ toạ độ Đề Các OXYZ theo quy tắc bàn tay phải (hệ toạ độ thuận) gắn vào chi tiết gia công. Gốc của hệ trục toạ độ có thể đặt tại một điểm bất kỳ nào đó trên chi tiết, nh−ng th−ờng ng−ời ta chọn tại những điểm thuận lợi cho việc lập trình, đồng thời dễ dàng kiểm tra kích th−ớc theo bản vẽ chi tiết gia công mà không phải thực hiện nhiều b−ớc tính toán bổ sung.
Một đặc điểm mang tính quy −ớc là trên các máy điều khiển theo ch−ơng trình số, chi tiết gia công đ−ợc xem là luôn cố định và luôn gắn với hệ thống toạ độ nói trên. Mọi chuyển động tạo hình và cắt gọt đều do dụng cụ thực hiện. Trong thực tế, điều này đôi khi ng−ợc lại, ví dụ trên máy phay thì chính bàn máy mang phôi thực hiện chuyển động tạo hình, còn dụng cụ chỉ thực hiện chuyển động cắt gọt.
Hình 1.20. Hệ toạ độ trên máy CNC và chuyển động của các trục
Theo quy −ớc chung, ph−ơng trục chính của máy là ph−ơng trục OZ, chiều d−ơng quy −ớc là chiều khi dao tiến ra xa chi tiết. Ví dụ, đối với máy tiện 2D thông th−ờng, trục chính của nó nằm ngang trùng ph−ơng OZ của hệ toạ độ, chiều d−ơng h−ớng ra khỏi ụ trục chính. Ph−ơng chuyển động của bàn xe dao theo h−ớng kính là
ph−ơng OX, chiều d−ơng h−ớng ra xa bề mặt chi tiết gia công. Đối với máy phay thẳng đứng, trục Z h−ớng theo ph−ơng thẳng đứng lên trên, trục X và trục Y đ−ợc xác định theo quy tắc bàn tay phải. Nh−ng trong thực tế th−ờng −u tiên chọn trục X là trục có truyền động bàn máy dài hơn. Các chuyển động quay xung quanh các trục t−ơng ứng X, Y, Z ký hiệu bằng các chữ cái A, B, C đ−ợc xác định là d−ơng khi chiều quay của nó có h−ớng thuận chiều kim đồng hồ khi nhìn theo chiều d−ơng của các trục t−ơng ứng (khi nhìn vào gốc của hệ trục toạ độ từ phía các trục thì chiều quay của chúng là ng−ợc chiều kim đồng hồ). Ngoài ra còn một số chuyển động phụ song song với các trục t−ơng ứng với các trục X, Y, Z là các chữ cái U, V, W, h−ớng của chúng đ−ợc biểu diễn nh− hình 1.20.