1.2.2.1. Hệ thống CAD/CAM – CNC.
Các hệ thống CAD/CAM – CNC cho phép tạo ra đường 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 chương trình xử lý và xử lý tiếp theo chuyên dùng.
- Chương trình xử lý CAD/CAM:
Là chương 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 đường dịch chuyển dụng cụ cũng như 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 lượng chạy dao hoặc tính toán dựa trên số liệu dụng cụ cắt và vật liệu phôi gia công.
+ Xác định lượng kim loại cần hớt bỏ (lượng dư gia công). + Tạo đường dịch chuyển dụng cụ.
Là chương trình cần thiết để chuyển các dữ liệu từ chương trình xử lý ở dạng file APT sang chương trình gia công theo các mã điều khiển của một máy điều khiển số cụ thể (các mã G). Các chương 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 được dùng để phân tích thiết kế nhờ các chương trình phần tử hữu hạn, có thể lựa chọn các phương án gia công khác nhau dựa vào các phiếu phân tích kỹ thuật cũng như 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 lượng 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 chương trình xử lý tiếp theo thường được viết một cách riêng lẻ cho từng máy và trang thiết bị cụ thể để dùng gia công trên một máy CNC tương ứng. Các chương trình này chuyển đổi các file dữ liệu định dạng APT của đường dịch chuyển dụng cụ nhận được từ các chương trình CAD/CAM sang các lệnh mã G.
Chức năng của một chương trình xử lý tiếp theo là chuyển đổi các lệnh viết theo ngôn ngữ APT thành các lệnh mã G. Một số lệnh tương đương giữa các file dữ liệu APT và các lệnh mã G được cho trong bảng 1.1. Các tương đương khác thường gặp như: lập trình theo hệ thống ghi kích thước tuyệt đối hoặc gia số, nội suy thẳng và tròn, bù dao và các đơn vị đo.
Chương trình xử lý tiếp theo có hai phần, đầu tiên mở và đọc các file APT, sau đó chuyển đổi lần lượt 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 được tải đến hệ điều khiển củan máy đó để tiến hành gia công.
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 tương đương giữa các file APT và các lệnh mã G –M. 1.2.2.2. Quá trình gia công trên máy CNC.
Bước đầu tiên trong quá trình gia công là vào dữ liệu hình học của chi tiết, tức là nhận mô hình chi tiết thu được từ các dữ liệu hình học của hệ CAD. Các bước liên quan đến quy trình này được trình bày như sơ đồ sau:
- 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 được sử dụng và dữ liệu được chuyển từ hệ CAD sang hệ CAM như thế nào là tùy theo phương pháp lựa chọn đối tượng tạo thành vùng gia công. Một phương pháp đơn giản và được dùng phổ biến là dịch chuyển con trỏ đến vùng lân cận của đối tượng được chọn sau khi đi vào vùng gia công đã được định nghĩa và nhấn phím đã chọn. Điều này sẽ làm thay đổi màn hình (thay đổi màu, dạng đường nét hay thay đổi mật độ hiển thị của đối tượng) nhằm mục đích chỉ ra rằng sự lựa chọn đã được xác định và các đường gia công contour cuối cùng được hiển thị. Vùng lựa chọn có thể được gán một chỉ số dùng cho việc gọi lại sau này một cách tự động. Theo cách này tất cả vùng gia công đều được xác định.
- Xác định chế độ cắt:
Chế độ cắt cần được lựa chọn cho quá trình gia công để đảm bảo được chất lượng bề mặt và độ chính xác của chi tiết gia công. Chất lượng 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 được tạo thành do những vết lồi, lõm dưới tác dụng của dụng cụ cắt. Độ chính xác gia công bao gồm độ chính xác kích thước, độ chính xác hình dáng hình học và độ chính xác về vị trí tương quan.
Các chỉ tiêu về chất lượng bề mặt nói trên phụ thuộc chủ yếu vào các thông số công nghệ như tốc độ cắt, lượng 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 hưởng 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 thường, ngoài ra cho phép hiệu chỉnh chương 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 bước của trục vít me gây ra. Trên các máy CNC được 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 thước 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 được 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.
- Xác định dụng cụ cắt:
Chức năng của bước 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 được xác định. Trong quá trình này có thể phải dùng đến các thư viện (dụng cụ, vật liệu) trợ giúp cho quá trình lựa chọn. Chẳng hạn thư viện dụng cụ là danh sách các dụng cụ với các tính năng kỹ thuật phù hợp cho gia công hiện có trong phân xưởng với một thiết lập cụ thể. Các tính năng kỹ thuật được lưu trong thư viện dụng cụ có thể là các kích thước của dụng cụ (độ dài, đường kính, bán kính đầu mũi, các chi tiết lắp ráp dụng cụ, giá dụng cụ). Số lượng thông tin lưu trong thư viện dụng cụ phụ thuộc vào các ứng dụng mà nó được sử dụng. Tương tự như vậy, đối với thư viện vật liệu, có thể lưu 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 trước các thông số cho quá trình cắt tối ưu.
Dựa trên thư viện này người sử dụng có thể xác định được tất cả các thông số của quá trình cắt, số lượng cắt cần thực hiện và phương 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 được bề mặt mong muốn. Dữ liệu CLDATA này sẽ được xử lý bằng bộ tiền xử lý để tạo ra chương trình được vẽ trên màn hình như 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.
- Điều khiển điểm - điểm: với hệ điều khiển này, trong quá trình gia công người 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 như 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 như hình vẽ.
Hình 1.14. Điều khiển điểm - điểm.
- Điều khiển đoạn thẳng: ngoài chức năng dịch chuyển nhanh theo các trục tọa độ như 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 phương trục Z và trục X. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 1.15.Điều khiển đoạn thẳng
- Điều khiển đường: ngoài các chức năng như điều khiển điểm và điều khiển đoạn thẳng còn có thể điều khiển dụng cụ chuyển động theo các đường bất kỳ trong mặt phẳng hoặc trong không gian để thực hiện việc gia công cắt gọt. Tùy thuộc vào các đường được điều khiển là phẳng hay không gian mà người ta có thể bố trí số trục được 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 như trên máy tiện, dụng cụ sẽ dịch chuyển trong mặt phẳng OXZ 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 có biên dạng bất kỳ.
Điều khiển 3D: cho phép dịch chuyển dụng cụ trong 3 mặt phẳng, đồng
thời để tạo nên một đường cong hay một mặt cong trong không gian. Điều này cũng tương 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 đường cong phẳng, còn trục thứ ba được điều khiển chuyển động độc lập. Điều khác biệt của phương pháp điều khiển này so với điều khiển 2D ở chỗ hai trục được điều khiển đồng thời có thể đổi vị trí cho nhau.
- Điều khiển 4D, 5D: trên cơ sở của điều khiển 3D người 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 như vậy, các bề mặt phức tạp hay các bề mặt có trục quay có thể được 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 được 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 lưỡi 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 vướng vào thân dao và các phần tử khác của chi tiết).
Như 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 thường trên các máy điều khiển theo chương trình số, người 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, nhưng thường người ta chọn tại những điểm thuận lợi cho việc lập trình, đồng thời dễ dàng kiểm tra kích thước theo bản vẽ chi tiết gia công mà không phải thực hiện nhiều bước tính toán bổ sung.
Một đặc điểm mang tính quy ước là trên các máy điều khiển theo chương trình số, chi tiết gia công được 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 ngược 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 ước chung, phương trục chính của máy là phương trục OZ, chiều dương quy ước là chiều khi dao tiến ra xa chi tiết. Ví dụ, đối với máy tiện 2D thông thường, trục chính của nó nằm ngang trùng phương OZ của hệ toạ độ, chiều dương hướng ra khỏi ụ trục chính. Phương chuyển động của bàn xe dao theo hướng kính là phương OX, chiều dương hướng ra xa bề mặt chi tiết gia công. Đối với máy phay
thẳng đứng, trục Z hướng theo phương thẳng đứng lên trên, trục X và trục Y được xác định theo quy tắc bàn tay phải. Nhưng trong thực tế thường ưu tiên chọn trục X là trục có truyền động bàn máy dài hơn. Các chuyển động quay xung quanh các trục tương ứng X, Y, Z ký hiệu bằng các chữ cái A, B, C được xác định là dương khi chiều quay của nó có hướng thuận chiều kim đồng hồ khi nhìn theo chiều dương của các trục tương ứng (khi nhìn vào gốc của hệ trục toạ độ từ phía các trục thì chiều quay của chúng là ngược chiều kim đồng hồ). Ngoài ra còn một số chuyển động phụ song song với các trục tương ứng với các trục X, Y, Z là các chữ cái U, V,