Về cơ bản, các cơ cấu của đồ gá (kẹp chi tiết, định vị...) trên máy CNC khơng khác với trên máy thơng thường. Một số điểm khác cĩ thể cĩ do các nguyên nhân sau:
- Máy CNC làm việc ở tốc độ cao, gia tốc gĩc lớn. Vì vậy độ cân bằng động phải rất cao để giảm lực ly tâm cũng như rung động. Hệ thống ổ và bơi trơn cũng phải cĩ khả năng làm việc ở tốc độ cao. Do đĩ đồ gá phải cĩ độ cứng vững lớn hơn so với trên máy thơng thường.
- Hệ thống kẹp phải cĩ khả năng được điều khiển tự động. Ví dụ, trên các máy CNC, hệ thống kẹp tự động dùng điện cơ, thu lực, khí nén tác động nhanh từ chương trình hoặc từ rơ-bốt hay được dùng.
- Thường cơ cấu kẹp phơi được nối ghép và làm việc với cơ cấu cấp phơi tự động. - Do máy CNC được sử dụng chủ yếu trong sản xuất nhỏ nên đồ gá phải cĩ tính
vạn năng cao, linh hoạt trong tháo lắp. Do đĩ đồ gá thể hiện một số đặc tính của đồ gá gia cơng nhĩm hoặc đồ gá vạn năng - điều chỉnh.
Nội dung chi tiết của mục này cĩ thể tham khảo trong giáo trình đồ gá do Trần Hữu Quang và Tạ Đăng Doanh, giảng viên Bộ mơn Chế tạo máy, Khoa Cơ khí biên soạn.
52
Chƣơng 2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ 2.1. Khái niệm về hệ thống điều khiển số
Điều khiển số (Numerical Control - NC) là một trong những thành tựu quan trọng nhất của những biến đổi trong sản xuất cơng nghiệp kể từ cuộc cách mạng kỹ thuật cơng nghiệp lần thứ nhất. Ra đời trong những năm đầu của thập k 50 của thế k XX, cơng nghệ NC đã trải qua một số mốc phát triển quan trọng cả về phần cứng lẫn phần mềm. Ngày nay hàng trăm ngàn máy cơng cụ NC làm việc trong các phân xưởng của rất nhiều nước trên thế giới. Vậy điều khiển số là gì ? Hiệp hội cơng nghiệp điện tử (EIA, Mỹ) định nghĩa về NC như “là một hệ thống mà hoạt động của nĩ được điều khiển bằng dữ liệu số được mã hĩa và lưu trữ, được đưa vào trực tiếp tại một thời
điểm nào đĩ. Hệ thống này cần biên dịch tự động ít nhất là một phần dữ liệu này”.
Điều khiển số là tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại, rơ-bốt, băng tải vận chuyển phơi liệu hoặc chi tiết gia cơng, các kho quản lý phơi và sản phẩm...) trên cơ sở các dữ liệu dạng chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số ký tự đặc biệt được cung cấp ở dạng mã số nhị phân trong chương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống. Ngày nay điều khiển số được hiểu là phương pháp điều khiển quá
trình sản xuất nhờ trực tiếp đưa vào máy các lệnh dạng mã số3.Cũng cĩ thể coi NC là
một hình thức thơng minh của các hệ thống tự động khả trình (cĩ khả năng lập trình), trong đĩ máy cơng cụ được điều khiển bởi một loạt các lệnh (chỉ dẫn) đã được mã hố bằng các chữ cái, số, kí hiệu, biểu tượng (symbol)... Những lệnh đã mã hố này được chuyển đổi thành hai dạng tín hiệu điều khiển: tín hiệu ra dạng xung điện và tín hiệu điều khiển dạng đĩng/mở (ON/OFF). Các xung điện điều khiển vị trí của dao cắt so với phơi và tốc độ dịch chuyển của nĩ. Chức năng của các tín hiệu ON/OFF bao gồm: điều khiển tốc độ và hướng quay của trục chính, điều khiển đĩng mở dung dịch trơn nguội, lựa chọn dao cắt, dừng máy hoặc các tác động khác như tháo và kẹp phơi, tạm dừng...
Trong những năm 70 của thế k trước, điều khiển số đã nhanh chĩng áp dụng các thành tựu phát triển của kỹ thuật vi điện tử, mạch tích hợp, vi xử lý... Những phần cứng chuyên dụng của hệ thống NC to lớn nối cứng đã được thay thế bằng các cụm vi tính và các phần mềm linh hoạt hơn. Dung lượng nhớ ngày càng mở rộng, tạo điều kiện lưu trữ trong hệ điều khiển số trước hết là từng chương trình, sau đĩ là cả thư viện chương trình, lại cĩ thể sửa đổi chương trình đã lập một cách dễ dàng nhờ phần mềm soạn thảo trong hệ điều hành của máy. Trong thời gian này giao diện của hệ thống thay đổi triệt để: sử dụng màn hình màu, độ phân giải cao, hiển thị nhiều thơng tin; bảng
3
Nguyên văn tiếng Anh: Numerical Control (NC) refers to the method of controlling the manufacturing operation by means of directly inserted coded numerical instructions into the machine tool.
53
điều khiển truy nhập lệnh trực tiếp, soạn thảo, sửa đổi chương trình... Các hệ thống điều khiển số ngày nay cho phép ghép nối mạng cục bộ hay mạng mở rộng để quản lý điều hành tổng thể hệ thống sản xuất.
2.1.1. Điều khiển số trực tiếp và điều khiển số phân phối (DNC)
Vì thiết bị đọc dữ liệu từ băng đục lỗ của các máy NC được chế tạo từ các linh kiện cơ điện tử hoặc quang điện tử nên chúng rất hư hỏng rất nhanh, khơng thích hợp với mơi trường phân xưởng. Hai hướng phát triển để khắc phục tình trạng này như sau:
- Ghi thơng tin từ băng đục lỗ lên băng từ.
- Sử dụng máy tính trực tiếp điều khiển máy cơng cụ.
Hình 2-1. Hệ thống điều khiển số trực tiếp DNC
Giữa thập k 60 hai hãng Cincinnati Milacron và General Electric (Mỹ) độc lập nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển số trực tiếp (Direct Numeral Control - DNC), trong đĩ một số máy NC hoạt động dưới sự điều khiển trực tiếp của một máy tính. Hệ thống DNC đã được trình diễn vào năm 1966. Máy tính đặt cách máy phay NC trên 900 mét (3000 feet), và truyền dữ liệu cho MCU qua đường dây điện thoại. Rất nhiều hệ thống DNC đã nhanh chĩng phát triển sau đĩ và được triển lãm năm 1970. Hiệp hội sản xuất máy cơng cụ quốc gia (National Machine Tool Builders Association - NMTBA, Mỹ) thể hiện hệ thống điều khiển số trực tiếp như trên hình 2- 1, trong đĩ máy tính dùng chung sẽ lưu trữ và nạp các chương trình gia cơng cho máy các máy NC.
54
Hình 2-2. Mạng của hệ thống điều khiển số phân phối DNC
Hai khả năng mong muốn của các hệ điều khiển CNC là khả năng thực hiện một chương trình từ bộ nhớ và cĩ thể lưu trữ nhiều chương trình khác nhau trong bộ nhớ. Điều này làm cho các máy CNC trở nên độc lập so với máy tính chủ. Sự phát triển nhanh chĩng của cơng nghệ máy tính trong những năm 80 của thế k XX và xu thế phát triển trong các ứng dụng DNC đã đưa đến sử dụng mạng máy tính. Hình thức này của DNC (thường được gọi là hệ thống điều khiển số phân phối – Distribute Numerical Control) rất khác với những hệ thống DNC trước kia khi mà chỉ cĩ một máy tính chủ được sử dụng (hình 2-2). Trong các hệ thống điều khiển phân phối, mạng máy tính được sử dụng để phối hợp các hoạt động của một nhĩm máy CNC và các thành phần khác như CAD/CAM... Hệ thống DNC hiện nay cho ta nhiều khả năng mới để kết nối máy CNC và làm cho mạng máy tính trở nên linh hoạt hơn và hiệu quả hơn. Hơn nữa mạng DNC đã trở thành một bộ phận của mạng mở rộng của nhà máy, trong đĩ tích hợp nhiều thành phần từ khu vực sản xuất (các máy CNC), khu vực thiết kế (CAD), khu vực chuẩn bị sản xuất (CAM) và khu vực kinh doanh.
Một số chức năng mới của hệ thống DNC là: - Quản lý chương trình gia cơng.
- Bảo mật và soạn thảo chương trình. - Phân phối dữ liệu cho các máy CNC.
- Kết nối các máy CNC của các hãng khác nhau. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
55
- Tổng hợp và quản lý dữ liệu gia cơng liên quan đến thời gian kết thúc, thời gian gia cơng, tuổi thọ dao, thống kê chất lượng sản phẩm, số lượng chi tiết đã gia cơng...
Cấu hình cơ bản của một hệ DNC kiểu mới bao gồm cĩ phần cứng và phần mềm. Phần cứng cĩ:
- Máy chủ với cấu hình mạnh, tốc độ cao, bộ nhớ rất lớn.
- Các máy tính đầu cuối sử dụng trực tiếp tại xưởng sản xuất. Chúng kết nối với máy chủ và với một nhĩm máy CNC.
- Giao tiếp DNC. Đây là các cổng RS-232-C để kết nối máy CNC vào mạng. Một số máy NC địi hỏi cĩ giao tiếp bằng đầu đọc băng đục lỗ.
- Dây cáp mạng dùng để truyền dữ liệu trong mạng. - Các máy CNC và cĩ thể cĩ máy NC, PLC.
Phần mềm gồm cĩ:
- Phần mềm quản trị mạng.
- Các phần mềm ứng dụng: Phần mềm soạn thảo, phần mềm đồ hoạ, phần mềm APT, phần mềm CAD/CAM...
- Hệ quản trị dữ liệu.
2.1.2. Điều khiển số cĩ máy tính (CNC)
Ý tưởng phát triển hệ thống này được hình thành từ hệ thống điều khiển số trực tiếp DNC khi xuất hiện khả năng đưa máy tính (cụm vi xử lý P - microprocessor) vào cụm điều khiển máy cơng cụ MCU. Nhờ các máy vi tính dựa trên các mạch tích hợp nhỏ gọn và các màn hình giá rẻ mà hệ thống CNC mới trở thành hiện thực: máy vi tính trở thành hạt nhân của MCU để điều khiển một máy cơng cụ. Hiện nay hầu hết các máy cơng cụ điều khiển số là máy CNC. Các máy CNC cĩ bộ nhớ lớn để chứa nhiều chương trình để gia cơng và tích hợp nhiều chức năng thơng minh khác. Máy CNC đọc, lưu và thực hiện tồn bộ chương trình trong bộ nhớ.
Chương trình điều hành cơ bản (phần cứng = Hardware) được cài đặt để xử lý nhiệm vụ vốn cĩ của một hệ thống điều khiển số bao gồm:
- Nạp dữ liệu chương trình. - Ghi nhớ các dữ liệu.
- Xử lý các dữ liệu để nhận được các chuyển động của máy và các chức năng phụ.
- Điều khiển các chuyển động trên máy.
- Cụm xử lý trung tâm CPU (Central Procesing Unit) cĩ thể là một cụm vi tính đơn chức (Mono - Microprocesing) hoặc một cụm vi tính đa chức năng (Multi - Microprocesing).
56
Chương trình hoạt động trên các máy tính này được lập ra từ bảng điều khiển và các cụm tự động lập trình trên máy.
Những phần từ khác nhau của hệ thống điều khiển số được tập hợp thành nhĩm, được xếp đặt trong một tủ điều khiển gắn liền với bảng phím điều khiển và đầu đọc thơng tin.
Cấu trúc CNC cĩ thể được mơđun hố như sau:
- Mơđun hố các cụm chức năng điều khiển số và các bộ nối ghép cĩ thể lập trình tự động.
- Mơđun hố bảng điều khiển nối ghép hai địa chỉ với hàng loạt quan hệ. Cụm này cĩ thể gắn trên cần cơnxon di động được.
Các mơđun nĩi trên được gắn trực tiếp trên thân máy. Nhờ sự giảm tối đa kích thước của các phần tử tự động, đã cho phép thu nhỏ kích thước của cụm CNC và cĩ thể cài đặt thẳng vào bảng điều khiển gắn trên cơnxon di động.
2.2. Phân loại điều khiển số
- Các hệ thống điều khiển số được phân loại theo: - Dạng đường chạy dao cĩ thể điều khiển được. - Cấu trúc hệ thống.
- Nguồn thơng tin điều khiển.
- Số trục cĩ thể điều khiển đồng thời.
Theo dạng đường chạy dao cĩ thể điều khiển được ta cĩ: điều khiển điểm (point to point - PTP) và điều khiển đường liên tục (continuouse-path). Theo cấu trúc hệ thống ta cĩ điều khiển NC và CNC. Theo nguồn thơng tin điều khiển ta cĩ điều khiển hở và điều khiển kín (cĩ phản hồi) và điều khiển thích nghi. Theo số trục cĩ thể điều khiển đồng thời ta cĩ hệ điều khiển 2D, 2,5D và 3D, 4D, 5D... (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.2.1. Điều khiển điểm PTP
Các hệ thống điều khiển điểm cịn được gọi là hệ thống điều khiển vị trí (positioning). Chức năng chủ yếu của chúng là là dịch chuyển dao từ điểm này đến điểm khác. Ví dụ dịch chuyển từ A đến B. Cĩ 3 cách dịch chuyển khác nhau:
Dịch chuyển dọc theo từng trục toạ độ. Đầu tiên dao dịch chuyển theo trục toạ
độ nào đĩ (ví dụ theo trục Y đến điểm A', hình 2-3), sau đĩ dao mới dịch chuyển đến điểm đích B dọc theo trục toạ độ thứ hai (trục X).
Dịch chuyển thẳng nghiêng 450. Đầu tiên dao dịch chuyển theo cả 2 trục toạ
độ X và Y cho đến khi đạt được toạ độ nào đĩ của điểm đích (ví dụ YB, tại điểm C, hình 2-3), sau đĩ dịch chuyển theo trục toạ độ cịn lại (X) để đến điểm đích B.
57
Hình 2-3. Hệ thống điều khiển PTP
Dịch chuyển theo đường thẳng. Hệ thống điều khiển phải đồng bộ các chuyển
động theo 2 trục toạ độ sao cho dao dịch chuyển theo đường thẳng từ điểm đầu tới điểm đích. Cách này đạt được quãng đường ngắn nhất giữa 2 điểm nhưng phải cĩ thiết bị cần thiết để bảo đảm tốc độ dịch chuyển theo các trục để duy trì đường thẳng. Như vậy các chi phí cĩ thể khơng hợp lý đối với những hệ điều khiển điểm đơn giản.
Hầu hết các ứng dụng của hệ thống điều khiển điểm đều thuộc về các nhĩm máy khoan, khoét, doa và đột lỗ. Hoạt động của các máy này thường diễn ra trong 4 bước:
- ịnh vị. Dao dịch chuyển đến vị trí cần thiết nhưng khơng gia cơng.
- Gia cơng. Thơng thường các chuyển động gia cơng tiến hành dọc theo trục
Z với tốc độ cắt V, lượng chạy dao s và chiều sâu nào đĩ.
- Lùi dao nhanh. Khi đạt được chiều sâu gia cơng dao lùi nhanh lên độ cao
ban đầu.
- Lặp lại chu kỳ. Dao dịch chuyển sang điểm khác và quá trình gia cơng được
lặp lại cho đến khi kết thúc.
Hình 2-3 thể hiện ứng dụng hệ thống điều khiển điểm để gia cơng các lỗ trên chi tiết. Ngồi khả năng địng vị khi gia cơng lỗ, các hệ thống điều khiển điểm cĩ thể sử dụng để gia cơng các cạnh thẳng dọc theo các trục toạ độ X và Y và các cạnh thẳng nghiêng 450 khi kiểm sốt được tốc độ chạy dao4. Các hệ điều khiển này thường dùng trên các máy tiện (để tiện bậc) và máy phay đơn giản. Các hệ thống điều khiển điểm khơng thể gia cơng các biên dạng cung trịn, đường trịn hoặc cạnh thẳng khác 450
. Trong trường hợp sai lệch lớn cĩ thể xấp xỉ các cung trịn hoặc đường thẳng bằng các
4
Một số tài liệu [1, 2] coi khả năng này của hệ điều khiển PTP là một phương thức điều khiển khác gọi là hệ điều khiển đoạn thẳng.
58
đoạn thẳng ngắn mật độ lớn và lập trình gia cơng theo các đoạn thẳng này. Tuy nhiên chương trình gia cơng sẽ rất lớn.
Theo quan điểm cơng nghệ thì để giảm thời gian định vị đồng thời vẫn bảo đảm độ chính xác gia cơng cần phải sử dụng hệ truyền động phân cấp (hình 2-4).
Nhiều cơng trình nghiên cứu cho thấy quá trình định vị chính xác cần được thực hiện theo ba cấp tốc độ V1, V2, V3 ứng với t lệ sau:
3 1
2 V.V
V (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Người ta cũng đưa ra nhiều phương pháp tính tốn chính xác các cấp độ trung gian nhiều tuỳ ý. Vận tốc và thời gian chạy chậm được lựa chọn sao cho độ chính xác định vị nằm trong phạm vi cho phép. Trong những hệ điều khiển NC đắt tiền, nhằm nâng cao độ chính xác định vị, số liệu ở giai đoạn quá độ được hệ thống đo thu thập nhằm tính tốn hỗ trợ cho các quá trình tiếp theo. Cũng cần nĩi thêm là dẫn động phân cấp được ứng dụng trong các hệ điều khiển khác với mục đích nêu trên. Nhằm đạt vận tốc định vị hoặc vận tốc chạy khơng lớn hơn 10 m/ph, ngồi giải pháp trên người ta đặt ra những yêu cầu đặc biệt đối với động cơ dẫn động: rơto của động cơ phải cĩ mơmen quán tính nhỏ, mơmen khởi động lớn phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng (nmin/nmax
10000).
Hình 2-4. iều khiển chạy dao nhanh phân cấp
2.2.2. Điều khiển đường liên tục
Hệ thống điều khiển đường liên tục cịn được gọi là điều khiển biên dạng, điều khiển con-tua [1, 2]. Hệ điều khiển này phối hợp đồng bộ chuyển động theo các trục