4. Cấu trúc và nguyên lý làm việc của máy công cụ CNC
4.1. Cấu trúc của máy công cụ CNC
Mỗi máy công cụ có đặc điểm là nó được chế tạo từ một tổ hợp nhiều trục thẳng và quay. Để có thể điều khiển các trục này bằng kĩ thuật số phải có hai tiền đề.
+ Mỗi trục cần có một bộ phát động điều chỉnh và điều khiển được + Mỗi trục cần có một hệ thống đo về dịch chuyển điện tử.
Trong hệ thống đo về đường dịch chuyển và bộ phát động được nối trực tiếp với hệ điều khiển số, do đó cấu trúc máy công cụ CNC bao gồm:
+ Hệ thống điều khiển CNC + Cơ cấu phát động
+ Hệ thống đo
+ Các khâu truyển động cơ khí: truyền động từ bộ phát động tới dao cụ tạo hình.
4.1.1. Hệ điều khiển số CNC
Máy công cụ CNC được điều khiển theo chương trình viết bằng mã kí tự số, chữ cái và các kí tự chuyên dụng khác. Trong hệ thống điều khiển có cài đặt bộ vi xử lý làm việc cới chu kỳ thời gian từ 1- 20 s và có bộ
nhớ tối thiểu 4Kbyte, đảm bảo các chức năng cơ bản của chương trình điều khiển số như: tính toán tọa độ trên các trục điều khiển thời gian thực, giám sát các trạng thái của máy, tính toán các gia trị chỉnh lí dao cụ, thực hiện so sánh giá trị cần và giá trị thực.
Trong hệ thống điều khiển CNC chương trình có thể nạp vào bộ nhớ toàn bộ một lúc hoặc từng lệnh bằng tay từ bàn điều khiển. Các lện điều khiển không chỉ được viết cho từng chuyển động riêng lẻ mà còn cho nhiều chuyển động cùng lúc. Điều này cho phép giảm số câu lệnh của chương trình, nâng cao độ tin cậy làm việc của máy.
Hệ thống điều khiển CNC bao gồm những mođun phần cứng tiêu chuẩn sau:
+ Xử lý trung tâm cho quá trình điều khiển trung tâm
+ Các xử lý cho những nhiệm vụ điều khiển cụ thể khác nhau + Bộ nhớ các dữ liệu điều khiển và dữ liệu máy
+ Các mođun xử lý hình học trong từng trục riêng lẻ + Các dao diện vào – ra cho xử lý các dữ liệu công nghệ
+ Các dao diện có tính trình tự để nối ghép các điều khiển ngoại vi
4.1.2. Cơ cấu phát động:
Thường sử dụng động cơ dòng một chiều hay xoay chiều, động cơ cổ góp điện tử.
- Động cơ dòng một chiều: có thể điều chỉnh vô cấp tốc độ bằng dòng kích từ, có đặc tính động học tốt trong các quá trình gia công và phanh hãm momen giới hạn nhờ độ chính xác điều chỉnh cao cho những đoạn đường dịch chuyển chính xác.
- Động cơ xoay chiều: điều chỉnh vô cấp tốc độ bằng bộ biến đổi tần số, làm thay đổi số vòng quay đơn giản. Momen truyền tải cao, khi thay đổi lực tác dụng số vòng quay vẫn không đổi.
+ Động cơ bước: cấu tạo tương đối giống động cơ đồng bộ xoay chiều. Có 3 loại: động cơ roto băng nam châm vĩnh cửu, động cơ roto từ trường cưỡng bức, động cơ tổ hợp.
+ Động cơ thời gian: Động cơ này có mạch điều khiển bên trong đảm bảo cho nó luôn chạy với vận tốc không đổi ( bản htân động cơ đã có hệ servo tốc độ)
+ Động cơ có bộ nắn dòng bán dẫn SCR: đây là động cơ một chiều nhưng lại dùng nguồn cấp xoay chiều.
+ Động cơ servo điều chỉnh không chổi than: Động cơ này gióng động cơ SCR ở chỗ cũng dùng nguồn xoay chiều được nắn dòng thành một chiều và thay đổi mức năng lượng theo tín hiệu điều khiển. Động cơ servo có thể có tỉ số momen kéo và quán tính cao làm cho nó có khả năng tăng tốc nhanh.
4.1.3. Hệ thống đo
Hệ thống đo có nhiệm vụ thu nhận và truyền tải các kết quả đo về giá trị thật trên các cơ cấu chấp hành. Mỗi một trục chuyển động được điều chỉnh của máy công cụ CNC cần một thiết bị đo, chúng thông báo cho mạch điều chỉnh từng vị trí thật và tức thời của bàn máy hoặc xe dao. Các đại lượng phải đo ở đây là những đoạn đường trong chuyển động thẳng và các góc trong chuyển động quay có điều chỉnh. Cụm điều khiển CNC có thể xác định vị trí nội tại của bàn máy theo hệ thống đo, đường dịch chuyển kiểu gia số hoặc kiểu tuyệt đối
- Đường đo dịch chuyển kiểu gia số
Mỗi gia số là một đại lượng gia tăng đoạn dịch chuyển nhỏ và dài bằng nhau. Các vạch chia trên thước đo thủy tinh bao gồm những gia số là các vạch sáng tối kế tiếp nhau. Trong một chuyển động chạy dao làm xuất hiện trên bộ đếm các giá trị đo, cứ mỗi một gia số riêng lẻ là một tín hiệu. Tất cả các tín hiệu đó đều giống nhau, nghĩa là giồng như việc đếm các vạch sáng tối.
Hình 4.18: Hệ thống đo kiểu gia số
Trong các hệ thống đo vị trí kiểu gia số, khi mất điện âm nguồn, các giá trị đo vị trí bàn máy cũng mất theo. Để tái hiện được số đo này, thước đo có thể được trang bị thêm một hay nhiều mốc đo chuẩn. Các tín hiệu đầu ra của hệ thống đo chiều dài theo phương pháp quang điện được khuếch đại trong một bộ tạo xung chữ nhật.
- Đo đường dịch chuyển kiểu tuyệt đối
Khi đo đường dịch chuyển kiểu tuyệt đối người ta dùng thước đo có các rãnh chia vạch đen trắng, chúng được xếp đặt theo một code mã số. Mỗi đoạn đường gia tăng được đánh số bởi một mã riêng(thước mã số). Khi có kích thích quang điện tử của một thước đo năm rãnh chia sẽ đưa ra ứng với mỗi số đo một tín hiệu đo riêng. Từ tín hiệu này, khoảng cách đo với điểm chuẩn của máy sẽ được nhận biết. Code mã ghi trên mỗi rãnh của thước đo là một lũy thừa cớ số hai. Trên thước mã số, vị trí của bàn máy hoặc của bàn kẹp dao có thể đọc ra bất cứ lúc nào
Trong các máy CNC thường ứng dụng các phương pháp đo vị trí bằng đại lượng tương tự đại lượng số.
+ Đại lượng tương tự là đoạn đường hay góc đo được chuyển đổi thành một đại lượng vật lý tương thích, đó là đại lượng tương tự analog
+ Đại lượng số là đoạn đường hay góc đo được chia thành các yếu tố đơn vị có độ lớn như nhau. Quá trình đo chính là việc đếm hay cộng lại các yếu tố đơn vị đã đi qua hoặc nhờ sự nhận biết các dấu hiệu riêng của yếu tố đơn vị tại vị trí thật.
- Phương pháp đo trực tiếp là phương pháp đo bám sát các giá trị các vị trí cần đo, hay các biến đổi vị trí không cần đến các dẫn động cơ khí trung gian
- Phương pháp đo gián tiếp : trong phương pháp đo này, thay cho biến đổi vị trí tịnh tiến cần đo, một chuyển động quay tương ứng sẽ được đo
Bộ biến đổi số-tương tự : dùng để biến đổi các thông tin số ở đầu ra khối nội suy thành dạng tương tự ( dòng điện ) để điều khiển động cơ.
- Bộ khuếch đại : là mạch điện từ dùng để tạo ra các tín hiệu ra từ các tín hiệu vào với hệ số khuếch đại đủ lớn. Với bộ khuếch đại công suất cung cấp cho động cơ và cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ trong một phạm vi rộng.
4.1.4. Cơ cấu truyền dẫn
Thực hiện các lệnh để tiến hành quá trình gia công với chất lượng cao, có đặc điểm:
+ Truyền dẫn độc lập vô cấp tốc độ + Xích truyền động là ngắn nhất
+ Bộ vitme-đai ốc bi có độ chính xác cao, chịu mòn, ít ma sát và cứng vững nhờ các đai ốc chịu tải lớn, không có khe hở và khắc phục hiện tượng trượt giật khi đảo chiều chuyển động …
Đây là bộ phận kết cấu cơ khí tạo thành xích động học nối từ động cơ chạy dao được chuyển đổi thành chuyển động thẳng của bàn máy nhờ bộ truyền vitme – đai ốc bi. Các truyền động trung gian được dùng bằng các bánh răng chết tạo rất chính xác. Để thay thế nó ngày nay người ta sử dụng nhiều cặp truyền đai răng một cấp.
Bộ Vitme – đai ốc bi có khả năng biến đổi truyền dẫn dễ dàng, ít masat và không có khe hở khi truyền dẫn với tốc độ cao. Để có thể dịch chuyển chính xác trên các biên dạng, các trục chính truyền dẫn không được cho phép có khe hở và cũng không được phép có hiệu ứng stick – slip ( hiệu ứng trượt lùi do lực cản masat). Do đó bộ truyền vitme – đai ốc bi là giai r pháp kĩ thuật đảm bảo được yêu cầu đó.
Phương thức tác dụng của vitme đai ốc bi:
Các viên bi nằm trong rãnh vitme và đai ốc đảm bảo truyền lực, ít masat từ trục vitme qua đai ốc vào bàn máy nhờ hai nửa đai ốc lắp theo chiều dài giữa chúng có vòng cách có thể điều chỉnh khử khe hở theo hai chiều ngược nhau.
Trong một số giải pháp kết cấu nâng cao của bộ truyền này bước nâng của rãnh vitme trên trục và trên đai ốc có giá trị khác nhau, việc dẫn bi hồi rãnh được thực hiện nhờ các rãnh dẫn hướng bố trí bên trong hoăck bên ngoài.
Việ sử dụng truyền dẫn chạy dao kiểu vitme – đai ốc bi trên các máy phay CNC cho phép cắt theo chu kỳ phay thuận vẫn êm.
Hình 4.20: Cấu tạo bộ truyền Vitme – đai ốc bi