NC truyền thống gắn liền với một cơng trình cĩ tính chất mở đường của John T.Parson. Vào cuối những năm 40 của thế kỷ XX, Parson đã nghĩ đến phương pháp sử dụng bìa cĩ đục lỗ chứa thơng tin về tọa độ để điều khiển một máy cơng cụ. Cỗ máy này được điều khiển chuyển động tịnh tiến từng bước nhỏ, nhờ vậy tạo nên bề mặt mong muốn của chi tiết cần gia cơng. Năm 1948, Parsons đã trình diễn ý tưởng của mình trước cơ quan khơng lực Hoa Kỳ rồi sau đĩ ơng đã được một loạt dự án tại Viện Cơng nghệ Massachusetts (MIT) đỡ đầu
Cơng trình mở đầu tại MIT liên quan tới việc triển khai một máy phay NC ở giai đoạn chế thử, và năm 1952 mẫu thử này đã đuợc thực hiện thành cơng. Điều này đã chứng tỏ tính hiệu quả cao của khái niệm điều khiển số NC.
Ngay sau đĩ, các nhà thiết kế chế tạo máy cơng cụ bắt đầu triển khai các dự án riêng của mình tập chung cho ra đời những cỗ máy NC trên thị trường. Một số ngành cơng nghiệp khác cũng khơng bỏ lỡ cơ hội nghiên cứu các máy điều khiển số nhằm đáp ứng nhu cầu riêng của ngành mình. Khơng lực Hoa Kỳ tiếp tục hưởng ứng cho việc phát triển NC bằng cách tài trợ cho việc nghiên cứu bổ xung tại MIT để phát triển một dạng ngơn ngữ lập trình chi tiết gia cơng cĩ thể dùng để điều khiển máy NC. Kết quả chính là sự ra đời của ngơn ngữ lập trình APT (Automatically Programmed Tools) vào
năm 1956. Mục tiêu nghiên cứu ban đầu của APT là cung cấp một phương tiện để người lập trình vật làm cĩ thể thơng báo các lệnh cắt gọt cho máy cơng cụ bằng những lệnh đơn giản gần giống như ngơn ngữ tiếng Anh. Được đánh giá là cơng kềnh đối với nhiều loại máy tính, tuy nhiên APT cũng đã mang lại những khả năng và hiệu quả to lớn. Cho đến bây giờ, APT vẫn được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp, và hầu hết các ngơn ngữ lập trình vật làm được dựa trên các khái niệm của APT, đồng thời các nhược điểm của nĩ cũng đựợc khắc phúc với sự phát triển của nghành cơng nghiệp máy tính hiện đại.
2.2. Các dạng điều khiển số.
2.2.1. Dạng điều khiển theo điểm.
Ở máy khoan, khoét, doa, cắt lỗ ren thì chi tiết gia cơng phải được định vị tại một điểm cố định trên bàn máy. Trong quá trình định vị, dao khơng vào cắt mà chuyển động trên các trục riêng lẻ lúc này đều khơng ràng buộc bởi các quan hệ hàm số, tốc độ của các chuyển động định vị khơng phụ thuộc vào các yếu tố cơng nghệ.
Điều khiển số thự hiện quá trình chuyển động này thuộc dạng điều khiển điểm
2.2.2. Dạng điều khiển theo đường.
Điều khiển theo đường là tạo ra các đường chạy dao song song vơí trục của máy. Trong khi đĩ dao chạy liên tục tạo nên bề mặt gia cơng.Trong trường hợp điều khiểm đường mở rộng trên hai trục của máy chuyển động với tốc độ như nhau, đồng thời ta cĩ thể gia cơng được bề mặt cơn cĩ gĩc 450
2.2.3. dạng điều khển theo đường contou.
Ngồi chức năng điều khiển theo điểm và đoạn thẳng, người ta cĩ thể điều khiển dụng cụ cắt chạy theo các đường bất kỳ trong mặt phẳng hoặc khơng gian cĩ thực hiện gia cơng cắt gọt.
Điều khiển contour ta cĩ thể tạo ra các đường contour hoặc đường thẳng tuỳ ý trong khơng gian
a. Điều khiển 2D
Cho phép dịch chuyển dụng cụ cắt trong một mặt phẳng nhất định nào đĩ (2 trục được điều khiển đồng thời). Thí dụ, trên máy tiện, dụng cụ sẽ dịch chuyển trong mặt phẳng XOZ để tạo nên đường 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 đường rãnh hay các mặt bậc cĩ biên dạng bất kỳ.
Hình 2.2 - Điều khiển 2D trên máy phay
b. Điều khiển 2D ½ .
Cho phép dịch chuyển dụng cụ theo 2 trục đồng thời để tạo nên một đường cong phẳng, cịn trục thứ 3 được điều khiển chuyển động độc lập. Điều khác biệt của phương pháp điều khiển này so với điều khiển 2D là ở chỗ 2 trục được điều khiển đồng thời cĩ thể được đổi chỗ cho nhau: cĩ nghĩa là hoặc trong mặt phẳng XOY hoặc trong mặt phẳng YOZ.
Hình 2.3 - Điều khiển 2D ½
c. Điều khiển 3D
Cho phép dịch chuyển dụng cụ theo 3 mặt phẳng đồng thời để tạo nên một đương cong hay một mặt cong trong khơng gian bất kỳ. Điều này cũng tương ứng với quá trình điều khiển đồng thời cả 3 trục của máy theo một quan hệ ràng buộc nào đĩ tại từng thời điểm để tạo nên quỹ đạo của dụng cụ theo yêu cầu.
Hình 2.4 - Phay rãnh trên máy 3D d. Điều khiển 4D, 5D
Trên cơ sở của điều khiển 3D, người ta cịn bố trí cho dụng cụ hoặc chi tiết cĩ thêm 1 chuyển động quay (4D) hoặc hai chuyển động quay(5D) xung quanh một hay 2 trục nào đĩ theo một quan hệ rằng buộc với các chuyển động trên các
H: 2.5: Điều khiển 4D, 5D
bề mặt cĩ trục quay cĩ thể được thực hiện dễ dàng so với khi gia cơng trên máy 3D.
2.3. Các thành phần cơ bản của một hệ NC
Một hệ NC bao gồm cĩ ba thành phần cơ bản sau đây: - Chương trình gồm các lệnh
- Bộ phận điều khiển (CU) hay cịn được gọi là bộ điều khiển máy (MCI – Machine Control Unit)
- Máy cơng cụ ( hoặc quá trình được điều khiển khác )
Chương trình làm nhiệm vụ đầu vào cho các bộ phận điều khiển để bộ phận này ra các mệnh lệnh cho máy cơng cụ hoặc một quá trình cần được điều khiển nào đĩ.
2.3.1. Chương trình
Chương trình là một tập hợp lệnh được chi tiết hĩa bước nọ sang bước kia, ra lệnh cho máy biết các cơng việc cần thực hiện. Chương trình được viết dưới dạng các mã số (hoặc mã ký hiệu) trên vật mang tin để khi nhập vào bộ phận điều khiển thì bộ phận này cĩ thể diễn dịch ra được. Trước đây vật mang tin thơng dụng nhất là băng đục lỗ cĩ chiều rộng 1 inch. Qua thời gian, cịn ra đời một số loại vật mang tin khác, kể cả bìa cĩ đục lỗ, thậm chí đĩ là phim ảnh 35 mm,…
Cĩ hai phương pháp nhập thơng tin (Input) cho hệ NC. Phương pháp nhập thứ nhất là vào dữ liệu cho CU bằng thủ cơng, và được gọi là nhập dữ liệu thủ cơng (MDI
– Manual Data Input). Phương pháp này chỉ thích hợp với những việc làm khá đơn giản, trong đĩ trình tự các thao tác khơng được lặp lại.
Phương pháp thứ hai là thơng qua đường truyền trực tiếp với máy tính, gọi là điều khiển số trực tiếp, hay DNC (Direct Numerical Control)
Chương trình trong đĩ chứa tất cả các lệnh do người lập trình vật làm soạn thảo. Cơng việc của người lập trình là đưa ra một bộ lệnh tỉ mỉ để dựa vào đĩ mà các bước gia cơng được thực hiện. Đối với một nguyên cơng cắt gọt, các bước gia cơng này cĩ liên quan tới chuyển động tương đối giữa dao và vật làm.
2.3.2. Bộ điều khiển CU
CU gồm các bộ phận điện tử và phi điện tử, cĩ nhiệm vụ đọc và diễn giải các lệnh trong chương tình rồi chuyển đổi chúng thành các hoạt động cơ học của máy cơng cụ. Các thành phần điển hình của một bộ phận điều khiên trong NC truyền thống gồm cĩ đầu đọc băng, bộ đệm dữ liệu (buffer), các kênh xuất tín hiệu cho máy cơng cụ, các kênh phản hồi từ máy cơng cụ và các cơ cấu (mạch) điều khiển tuần tự để điều phối tồn bộ hoạt động của các thành phần nĩi trên. Cũng cần lưu ý rằng ngày nay hầu hết các hệ NC hiện đại đều dùng máy vi tính để làm bộ phận điều khiển CU. Loại NC này được gọi là điều khiển số bằng máy tính (CNC).
Đầu đọc băng là một thiết bị cơ điện dùng để cuộn băng cĩ đục lỗ và đọc thơng tin (chương trình) chứa trên đĩ. Thơng tin được đọc từ băng vào bộ đệm dữ liệu (buffer). Mục đích của thiết bị này là lưu trữ các lệnh đầu vào dưới dạng các khối (block) logic về thơng tin.
Các kênh xuất tín hiệu được nối với các động cơ servo (động cơ cĩ trợ động) và các cơ cấu mạch điều khiển khác trong máy cơng cụ. Thơng qua các kênh này, các lệnh được gửi từ CU cho máy cơng cụ. Để đảm bảo chắc chắn rằng những lệnh đĩ sẽ được gửi trở lại CU thơng qua các kênh phản hồi. Chức năng quan trọng nhất của vịng phản hồi là để đảm bảo rằng bàn máy và vật làm được định vị đúng so với dụng cụ cắt
Các cơ cấu (mạch) điều khiển tuần tự cĩ tác dụng điều phối tồn bộ hoạt động của các thành phần khác của CU.
Đầu đọc băng được kích hoạt để đọc dữ liệu từ băng từ vào buffer, các tín hiệu được gửi tới máy cơng cụ và từ máy cơng cụ gửi về,..vv.
Bàn điều khiển (control panel) cũng là một thành phần của CU, mà về mặt vật lý thì nĩ cĩ thể là một bộ phận của CU hoặc của máy cơng cụ. Bàn điều khiển chứa đĩa số hoặc núm vặn để người vận hành máy điều khiển hệ NC, đồng thời cịn cĩ thể cĩ bộ phận hiển thị dữ liệu (màn hình) để cung cấp thơng tin cho nĩ.
2.3.3. Máy cơng cụ hoặc quá trình khác được điều khiển.
Đây là thành phần thứ ba trong một hệ NC. Trong hầu hết các ví dụ thơng thường về hệ thống NC được thiết kế để thực hiện các nguyên cơng cắt gọt thì máy cơng cụ bao gồm bàn máy và trục chính, cùng các động cơ và các cơ cấu điều khiển cần thiết để vận hành chúng. Ngồi ra cịn phải kể đến dụng cụ cắt, dụng cụ gá kẹp và các thiết bị phụ trợ khác cần thiết cho nguyên cơng cắt gọt tương ứng..
Trước hết, một tổ hợp cắt cĩ khả năng thực hiện rất nhiều nguyên cơng khác nhau: khoan, khoét, doa, phay và doa ngang.
Thứ hai, nĩ cĩ khả năng tự động thay đổi dụng cụ cắt theo lệnh của băng từ (hay băng đục lỗ).
Thứ ba, một tổ hợp cắt gọt cĩ khả năng định vị vật làm. Bàn máy cĩ thể định hướng vật làm sao cho cĩ thể gia cơng một số mặt của nĩ như mong muốn.
Cuối cùng, đặc điểm thứ tư là một tổ hợp cắt gọt cần phải cĩ hai bàn (tấm đỡ) để kẹp chặt vật làm lên trên đĩ. Khi vật làm trên bàn thứ nhất đang được gia cơng thì trên bàn thứ hai vật làm được tháo ra (nếu gia cơng xong rồi) hoặc được kẹp vào để chuẩn bị đưa vào cắt gọt (nếu chưa được gia cơng). Như vậy sẽ tiết kiệm được thời gian chờ đợi đồng thời nâng cao được năng suất cho máy.
2.4. Trình tự NC.
2.4.1. Lập trình cơng nghệ:
Bản vẽ kỹ thuật (cịn gọi là bản vẽ chế tạo) của chi tiết gia cơng phải được diễn giải thành bản quy trình cơng nghệ. Đây là một bản liệt kê trình tự các nguyên cơng phải được thực hiện trên chi tiết.
2.4.2. Lập trình gia cơng.
a) lập trình theo lối thủ cơng: theo cách này, các lệnh gia cơng trên máy được
chuẩn bị dưới dạng bản thảo của chương trình gia cơng chi tiết. Bản thảo này là một danh sách các vị trí tương đối của dao cắt hay vật làm cần tuân thủ để gia cơng máy cho chi tiết.
b) lập trình dưới dự trợ giúp của máy tính: Đa số phần việc tính tốn tẻ nhạt và tốn cơng sức phải làm trong phương pháp lập trình theo lối thủ cơng thì ở đây được chuyển cho máy tính đảm nhiệm. Điều này đặc biệt thích hợp với những chi tiết gia cơng cĩ hình dạng phức tạp, những cơng việc cần nhiều bước gia cơng. Trong những trường hợp như vậy, máy tính sẽ giúp tiết kiệm rất lớn thời gian lập trình.
2.4.3. Chuẩn bị băng.
Một băng đục lỗ được tạo ra căn cứ vào bản quy trình cơng nghệ (do người lập trình gia cơng chi tiết soạn thảo trước đĩ). Trong lập trình thủ cơng, căn cứ trực tiếp từ bản thảo chương trình vật làm, băng được đục lỗ trên bàn phím chuyên dụng cĩ bộ phận đục lỗ trên băng. Cịn trong lập trình do máy tính trợ giúp thì máy tính tự diễn dịch danh sách sang các lệnh trong chương trình, thực hiện các phép tính tốn cần thiết để chuyển đổi các lệnh đĩ thành các lệnh di chuyển máy cơng cụ rồi điều khiển thiết bị đục lỗ tạo ra các lỗ đục trên băng. Đĩ là cơng việc chuẩn bị băng để đưa vào máy NC.
2.4.4. Thẩm tra băng.
Sau cơng việc đục lỗ, băng được chuẩn bị xong. Tiếp theo sẽ là cơng việc thẩm tra xem băng cĩ được đục lỗ chính xác khơng? Để làm việc này, đơi khi người ta cho
băng chạy thử, thơng qua một chương trình máy tính để cĩ thể vẽ ra chuyển động khác nhau của dụng cụ cắt (hoặc của bàn máy) lên giấy. Theo cách này những lỗi mắc phải trên băng sẽ được phát hiện. Một cách thẩm tra triệt để hơn là cho chạy băng để máy cơng cụ cắt gọt trên vật mẫu dạng bọt biển hoặc chất dẻo.
2.4.5. Sản xuất.
Bước cuối cùng trong quy trình NC là sử dụng băng NC vào sản xuất. Việc sản xuất lại liên quan đến vấn đề cung ứng phơi, chọn và chuẩn bị dụng cụ cắt và dụng cụ gá kẹp, các cơng việc chuẩn bị máy NC để gia cơng (chọn chế độ cắt, làm nguội…) nhiệm vụ của người vận hành máy cơng cụ trong qúa trình sản xuất là gá phơi lên máy và thiết lập vị trí xuất phát của dao cắt so với vật làm. Đến đây hệ NC tiếp quản cơng việc và gia cơng vật làm theo các chỉ lệnh cĩ trên băng ghi. Khi vật làm được cắt gọt xong, người vận hành máy đưa nĩ ra khỏi máy rồi gá phơi mới lên máy.
2.5. Lập trình gia cơng cho máy NC.
Lập trình gia cơng cho máy điều khiển số là một thủ tục (hay quy trình ) mà qua đĩ trình tự các bước gia cơng trên máy NC sẽ được thiết kế ra và lập thành tư liệu theo một quy cách riêng. Nĩ bao hàm cả việc chuẩn bị băng (băng cĩ đục lỗ hoặc băng từ hay mơi trường chứa tin nào đĩ) dùng để truyền các lệnh gia cơng cho máy cơng cụ. Như đã nĩi ở trên, cĩ hai phương pháp để để lập trình gia cơng, đĩ là lập trình bằng tay và lập trình dưới sự trợ giúp của máy tính. Ta sẽ đi sâu vào vấn đề này để cĩ thể hiểu rõ hơn.
2.6. Các phương pháp lập trình gia cơng chi tiết. 2.6.1. Lập trình theo lối thủ cơng. 2.6.1. Lập trình theo lối thủ cơng.
Để chuẩn bị một chương trình gia cơng viết theo lối thủ cơng, người lập trình viết các lệnh chạy máy (cắt gọt) theo một dạng đặc biệt, gọi là bản thảo lập trình vật làm. Các lệnh đĩ phải được chuẩn bị rất chính xác vì người gõ chương trình chỉ đơn giản đánh máy trực tiếp những gì cĩ trong bản thảo vào máy đục lỗ mà thơi.
Cĩ thể chia các cơng việc lập trình thủ cơng thành hai loại: - Lập trình điểm tới điểm (P – T - P)
- Lập trình theo đường bao vịng
2.6.2. Lập trình chi tiết gia cơng dưới sự trợ giúp của máy tính.
a. Nhiệm vụ của người lập trình: - Xác định hình học của vật làm
- Xác định trình tự các nguyên cơng và đường đi của dụng cụ cắt
. Nhiệm vụ của lập trình là liệt kê ra những yếu tố hình học tạo nên hình dạng vật làm, ngồi ra cịn phải xác định kích thước và vị trí tương đối của chúng.
Sau khi xác định các yếu tố hình học của vật làm, cơng việc tiếp theo của người lập trình là phải xây dựng quy trình cơng nghệ để cĩ thể gia cơng chi tiết. Việc xác định quy trình cơng nghệ thực chất là cơng việc xác định các trình tự nguyên cơng, chọn dụng cụ gia cơng, chọn chế độ cắt, và đường đi của dụng cụ cắt so với chi tiết tương ứng với các dữ liệu hình học chi tiết, yêu cầu cơng nghệ bề mặt chi tiết đã được đặt ra.
b. Nhiệm vụ của máy tính: - Dịch thơng tin đầu vào
- Thực hiện các phép tính số học