CHƢƠNG I: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ
1.1 Lịch sử phát triển của kỹ thuật điều khiển số
1.1.1 Các giai đoạn phát triển:
1952 Viện công nghệ Massachussets (MIT)- Mỹ chế tạo máy gia công CNC
đầu tiên dùng đèn điện tử và băng lỗ mã nhị phân để ghi chương trình NC, gia công
kích thước theo 3 chiều (3D)
1958 Ngôn ngữ lập trình APT (Automatically Programmed Tool) dùng với
máy IBM704
1960 Hệ NC dùng đèn bán dẫn (Transistor)
1965 Thay dao tự động ATC (Automatic Tool Change)
1968 Mạch tích hợp IC (Intergrated Circuits) dùng trong hệ NC
1969 Điều khiển NC trực tiếp/ phân tán DNC (Direct NC/Distributed NC) với
máy tính IBM
1970 Thay bệ (bàn) gá phôi tự động APC (Automatic Pallet Change)
1972 Hệ NC dùng với máy tính nhỏ (Minicomputer) được chế tạo hang loạt,
tạo thành hệ CNC (Computerised NC). Sau đó hệ NC dùng Vi xử lý
(MicroProcessor) cũng được gọi là hệ CNC
1978 Hệ thống gia công linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System)
1979 Kết nối liên hoàn CAD/CAM đầu tiên
1984 Hệ CNC với công cụ trợ giúp đồ họa (graphics), tạo khả năng mô phỏng
(simulation) trên máy tính và lập trình tại phân xưởng
1986/1987 Giao diện tiêu chuẩn hóa (Standard Interfaces) tạo khả năng tích hợp
hóa và tự động hóa sản xuất theo mô hình CIM (Computer Intergrated
Manufacturing)
1990 Giao diện số (Digital Interfaces) giữa hệ điều khiển NC và các hệ khởi
động đã cải thiện độ chính xác cũng như đáp ứng điều khiển của các trục NC (NC
axes) và các trục máy
1993 Động cơ tuyến tính (Linear Motor) ở các trung tâm gia công MC
(Manufacturing Center)
1994 Khép kín chuỗi quá trình CAD/CAM/CNC bằng cách dùng hệ NURBS
(Non Uniform Rational B-Spline) làm phương pháp nội suy trong các hệ NC. Hệ
NURBS dùng để diễn tả toán học các bề mặt gia công bằng các điểm và các thông
số tạo thành mô hình lưới bề mặt gồm nhiều nút, diễn tả bề mặt với độ mịn (sắc nét)
cao, truy cập trực tiếp từ hệ CAD. Giải pháp này có tác dụng giảm dung lượng dữ
liệu lưu trữ, tăng độ chính xác và tốc độ xử lý, tạo chuyển động đều đặn của máy,
tăng tuổi thọ của máy gia công và dụng cụ cắt.
1996
Điều khiển bộ khởi động số (Digital Motor Control) và nội suy chính
xác (Fine Interpolation) với độ phân giải nhỏ hơn 0.001 m, lượng tiến dao đạt tới
100 m/ph.
1997
Kỹ thuật Hiện thực ảo VR (Virtual Reality) tạo khả năng mô phỏng
không gian hiệu quả hơn.
Công nghệ tạo mẫu nhanh RPT (Rapid Prototyping Technology): dựa trên kỹ
thuật CAD và LASER cho phép tạo ra hiện vật có hình thù phức tạp một cách
nhanh chóng (sau vài giờ) từ chất có khả năng kết đông dưới tác dụng của tia cực
tím UV (UltraViolet) từ đầu phát LASER.
Kỹ thuật ngược RE (Reverse Engineering): quá trình tái tạo lại vật thể thực đã
tồn tại mà không sử dụng bản thiết kế cũ của chúng, gồm 2 bước chính: (1) số hóa
hoặc đo kích thước vật mẫu để thu được mô hình CAD 3D, sau đó: (2) dùng thiết bị
tạo mẫu nhanh để tạo ra bản sao chi tiết.
1.1.2 Sự phát triển của CNC:
Trước những năm 1950, trên thế giới xuất hiện hai loại hình sản xuất công
nghiệp chính: (1) sản xuất loạt nhỏ và vừa, đặc trưng bởi các máy công cụ vạn năng
thao tác bằng tay, năng suất thấp, các chi tiết (sản phẩm) có tính đa dạng cao; (2)
sản xuất loạt lớn, thao tác tự động, sử dụng các máy công cụ được thiết kế chuyên
dụng và được điều khiển tự động nhằm tạo ra một chủng loại chi tiết ở số lượng lớn,
năng suất cao, chất lượng đồng nhất.
Một sản phẩm sẽ không thể tồn tại lâu trên thị trường nếu như không có sự cải
tiến về chất lượng, đặc tính và mẫu mã, hay nói cách khác, nếu như không có sự
thay đổi về thiết kế của nó. Nhìn chung, các máy công cụ và các hệ thống sản xuất
tự động thế hệ cũ đã không còn đáp ứng được nhu cầu .
Yêu cầu cấp thiết đặt ra tại thời điểm này là phải có một hệ điều khiển máy công
cụ mới, dựa trên các nguyên lý mới và dễ dàng thích nghi được với các biến thể
trong thiết kế và các tình huống sản xuất thực tế.
Hệ thống điều khiển mới này còn phải có khả năng điều khiển tự động với độ
chính xác cao chuyển động của dao cắt trong khi gia công biên dạng chi tiết, đặc
biệt là với các chi tiết lớn, phức tạp trong công nghiệp chế tạo ôtô và máy bay
những năm 1950. Muốn vậy hệ điều khiển phải xử lý nhanh các tín hiệu thu nhận
được. Sự xuất hiện của các máy tính điện tử số với tốc độ tính toán nhanh gấp hàng
trăm lần so với trước đây đã cho phép phát triển loại hệ thống điều khiển kể trên.
Năm 1940, William Webster cùng các kỹ sư tại Air Material Command kết luận:
sự tích hợp giữa máy tính số và các cơ cấu sécvô hiệu năng cao (high-performance
2
servo-mechanism) là cần thiết cho sự ra đời của kỹ thuật gia công chính xác biên
dạng chi tiết.
Tới năm 1952, máy phay đứng đầu tiên với 3 trục NC điều khiển đồng thời
nhằm gia công kích thước 3D đã được MIT chế tạo thành công, có tên gọi là máy
điều khiển số- Numerical(ly) Control(led) Machine.
Trong những năm 1952-1955, các nghiên cứu sâu hơn được tiến hành dựa trên
sự phối hợp giữa MIT và Cơ quan Không lực Hoa Kỳ (U.S. Air Force- AF) nhằm
kiểm định và đánh giá hệ thống điều khiển máy NC mới này và khảo sát các ứng
dụng của nó trong các máy công cụ khác. Năm 1957, AF đã quyết định tự tài trợ
cho đề án sản xuất 100 máy phay NC cỡ lớn để chuyên chế tạo các thiết bị hàng
không với tổng trị giá lên tới 60 triệu USD.
Các máy NC kể trên đã được đưa vào hoạt động từ 1958-1960 tại một vài hãng
hàng không. Tuy nhiên chúng không phát huy được hiệu quả do các mạch điện tử
hệ điều khiển thời kỳ này hoạt động kém tin cậy, những sai sót trong khâu cài đặt và
vận hành máy, và cả sự yếu kém về kỹ thuật lập trình của người sử dụng.
Những khó khăn trên đã từng bước được khắc phục bằng việc cải tiến dần thiết
kế của hệ điều khiển NC (từ phía nhà chế tạo máy công cụ) và bằng việc đào tạo
nâng cao trình độ cho các lập trình viên, người vận hành và chuyên gia bảo dưỡng
(từ phía người sử dụng). Vấn đề trên hoàn toàn được giải quyết trong những năm
1961-1962. Bị thuyết phục trước những ưu thế vượt trội của kỹ thuật NC, các hãng
hàng không đã bắt đầu mua hoặc tự chế tạo các máy NC mới bằng nguồn kinh phí
riêng của mình.
Sự phát triển của kỹ thuật máy tính kéo theo sự giảm giá thành liên tục các thiết
bị phần cứng, và đến cuối những năm 1960, bộ nhớ ROM (Read Only Memory) đã
được áp dụng cho bộ điều khiển NC. Một chuỗi các chỉ dẫn thao tác được lưu trữ
trong bộ nhớ ROM, và có thể được truy cập, thực hiện bằng Đơn vị điều khiển máy
MCU (Machine Control Unit).
Khi kích thước của các bộ vi xử lý và máy vi tính ngày càng trở nên nhỏ gọn, thì
vào những năm 1970, một kỹ thuật mới đã xuất hiện nhằm tích hợp một máy tính
chuyên dụng vào bộ điều khiển NC-mang tên Điều khiển Số Máy tính bằng CNC
(Computer Numerical Control). Ngoài băng đục lỗ hay băng từ, chương trình NC
còn có thể được lưu trữ trên đơn vị bộ nhớ của bộ điều khiển hoặc được tiếp nhận từ
một máy tính riêng biệt khác. Hơn nữa, chương trình này hoàn toàn có thể được
chỉnh sửa và tối ưu hoá- một tiện ích không thể có tại các bộ điều khiển thế hệ cũ.
Bộ điều khiển NC còn cung cấp chẩn đoán lỗi trực tuyến về tình trạng máy và
truyền tin dễ dàng với nhiều thiết bị vào-ra và các máy tính khác.
3
Hai hướng tiếp cận đã được phát triển để thực hiện truyền tin (communication)
giữa bộ điều khiển CNC và máy tính. Với Điều khiển Số Phân tán DNC
(Distributed Numerical Control), một chương trình gia công chi tiết hoàn chỉnh có
thể được gửi đến từ một máy tính và lưu trữ trên bộ điều khiển CNC trước khi nó
được thực hiện. Trong Điều khiển số Trực tiếp DNC (Direct Numerical Control),
chương trình còn có thể được gửi tới bộ điều khiển NC từng lệnh một (statement by
statement) trong khi đang thực hiện việc gia công chi tiết (theo thời gian thực). Sự
khác biệt giữa hai hướng tiếp cận này là kích thước chương trình NC cho hệ Điều
khiển Số Phân tán bị giới hạn bởi dung lượng đơn vị bộ nhớ bộ điều khiển NC. Còn
với hệ Điều khiển Số Trực tiếp, các thao tác trên máy NC phụ thuộc các tín hiệu gửi
đi từ máy tính. Thông thường một máy tính trung tâm (central computer) được
dùng để điều khiển một vài máy NC, vì thế hoạt động của các máy NC này sẽ phụ
thuộc nhiều vào mức độ hoạt động của máy tính trung tâm đó.
Bên cạnh sự phát triển của hệ điều khiển NC còn phải kể đến các phần mềm trợ
giúp lập trình NC. Như đã trình bày ở các phần trên, dữ liệu chính xác liên quan đến
các vị trí dịch chuyển dao liên tiếp trong quá trình gia công cần phải được đưa vào
chương trình NC. Đối với các chi tiết có hình dạng phức tạp, việc tính toán bằng tay
các số liệu này là không khả thi hoặc quá tốn kém. Sự khó khăn trong lập trình NC
còn do nhu cầu dịch dữ liệu vào các mã yêu cầu bởi nhiều bộ điều khiển NC khác
nhau.
Năm 1955, một nguyên mẫu của hệ thống lập trình NC phát triển bởi MIT đã
được kiểm định trên máy tính Whirlwind nhằm chỉ ra tính khả thi của việc sử dụng
máy tính trợ giúp lập trình NC. Năm 1958, Công cụ Lập trình Tự động APT
(Automatically Programmed Tool) dùng trên máy tính IBM ra đời dựa trên sự hợp
tác giữa MIT và Hiệp hội Công nghiệp Hàng không (Aerospace Industries
Association). Là một phần mềm đóng gói lớn nhất được sử dụng trong công nghiệp
những năm 1960, APT đã được dùng phổ biến trên các máy tính lớn (mainframe
computer) được cài đặt trong các phân xưởng chế tạo máy bay. APT tạo ra Dữ liệu
về Vị trí Dụng cụ cắt CLDATA (Cutter Location Data) theo định dạng tiêu chuẩn
và độc lập với các hệ điều khiển NC, do vậy nó tạo thuận lợi cho việc chuyển giao
các chương trình NC giữa các hệ điều khiển. Tuy trong quá trình phát triển APT đã
xuất hiện nhiều phiên bản mới, nhưng hiện nay chỉ có APT và COMPACT II được
sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Riêng APT là ngôn ngữ lập trình NC duy nhất
được cả thế giới chấp nhận sau khi đã tiêu chuẩn hóa tại Mỹ năm 1974.
Sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật thiết kế với sự trợ giúp máy tính CAD
(Computer-Aided Design) vào những năm 1960 đã cho phép các nhà thiết kế xây
4
dựng các bản vẽ kỹ thuật trên màn hình CRT và tạo ra các mô hình hình học trên
máy tính.
Dữ liệu của mô hình CAD có thể còn được sử dụng để định nghĩa quỹ đạo cắt
NC với sự trợ giúp của các phần mềm lập trình NC xác định. Vì vậy nếu một hệ
CAD được cung cấp với các chức năng cần thiết cho việc biểu diễn một quỹ đạo cắt
NC dựa trên mô hình CAD đó, thì ta có thể xác định được một quá trình gia công
NC hiển thị trên màn hình CRT. Một hệ thống như vậy thường được gọi là hệ thống
Thiết kế có Trợ giúp Máy tính/ Sản xuất có Trợ giúp Máy tính CAD/CAM
(Computer-Aided Design/ Computer-Aided Manufacturing). Các hệ CAD/CAM
chưa được sử dụng rộng rãi cho tới trước năm 1980 do giá thành cao và độ tin cậy
còn thấp của các phần mềm CAD/CAM. Hiện nay các hệ CAD/CAM tổng quan
(general) và hướng NC (NC-oriented) với chất lượng tốt đã xuất hiện nhiều trên thị
trường.
1.2 Các khái niệm cơ bản:
1.2.1 Hệ trục tọa độ và trục NC:
Các trục điều khiển số (hay trục NC) là các hướng chuyển động chính (thẳng,
quay) mà theo các hướng đó thì chuyển dịch tương đối giữa máy, dao và phôi được
thực hiện và điều khiển bằng các lệnh NC.
Trong quá trình gia công, các điểm liên tiếp nhau mà dao cắt đi tới phải được
xác định trong chương trình NC. Để mô tả vị trí của các điểm này trong vùng
làm việc, người ta dùng một hệ tọa độ gồm 3 trục vuông góc từng đôi một X, Y,
Z giao với nhau tại điểm gốc 0. Với hệ tọa độ trên, bất kỳ điểm nào cũng đều
được xác định thông qua các tọa độ của nó. Hệ tọa độ máy do nhà chế tạo máy
xác định, thông thường nó không thể bị thay đổi.
Để xác định nhanh chiều của các trục tọa độ, ta có thể dùng quy tắc bàn tay
phải: ta đặt ngón tay giữa của bàn tay phải theo chiều của trục Z thì ngón tay cái
sẽ chỉ theo
+Y chiều trục X và ngón tay trỏ sẽ chỉ theo chiều trục Y.
+Z
+X
+C
+Z
Khi trôc Z n»m ngang
+Y
-X
+B
+Z
+Y
-Y
+A
+X
-Z
+X
Hình 1.1. Hệ thống các trục tọa độ theo quy tắc bàn tay phải.
Khi trôc Z th¼ng ®øng
5
1.2.2 Phần cứng:
CPU, thiết bị nhập dữ liệu, thiết bị xuất dữ liệu, thiết bị nhớ dữ liệu là những
phần cứng cơ bản của hệ thông điều khiển số.
1.2.3 Phần mềm:
Phần mềm cho phép điều khiển phần cứng để khai thác khả năng của cả hệ
thống. Phần mềm vận hành (operating software) thực hiện chức năng giám sát logic,
biên tập phỏng đoán…
Phần mềm giao diện/ kết nối (interface software)
Phần mềm ứng dụng (Application software)
1.2.4 Các dạng điều khiển:
Trên các máy gia công điều khiển theo chương trình số, quãng đường chạy của
các dụng cụ hoặc chi tiết đã được cho trước một cách chính xác thông qua các chỉ
dẫn điều khiển trong chương trình NC. Tùy theo dạng của chuyển động giữa điểm
đầu và cuối của quãng đường này chạy này, người ta phân chia thành 3 dạng điều
khiển: điều khiển theo điểm, điều khiển theo đường và điều khiển theo đường viền..
Điều khiển theo điểm
Hình 1.2. Các dạng điều khiển
a, Điều khiển theo điểm được ứng dụng khi gia công theo các tọa độ xác định
đơn giản. Dụng cụ cắt sẽ thực hiện chạy dao nhanh đến các điểm đã được lập trình,
trong hành trình này dao không cắt vào chi tiết. Chỉ khi đạt tới điểm đích, quá trình
gia công mới được thực hiện theo lượng chạy dao đã lập trình.
6
Ch¹y dao nhanh
Ch¹y dao c¾t
Z
Y
X
Hình 1.3. Điều khiển theo điểm
Tuỳ theo dạng điều khiển, các trục có thể chuyển động kế tiếp nhau hoặc tất cả
các trục có chuyển động đồng thời nhưng không có mối quan hệ hàm số giữa các
trục. Khi các trục có chuyển động đồng thời, hướng của chuyển động tạo thành góc
45. Sau khi một trong hai tọa độ đã đạt được thì trục thứ 2 sẽ được “kéo theo” đến
điểm đích.
Trên các máy CNC hiện đại đều có một cụm “nội suy chạy nhanh”. Điều đó có
nghĩa là việc định vị trong chuyển động chạy nhanh được thực hiện dưới một góc
bất kỳ trên một đoạn thẳng nối trực tiếp từ điểm bắt đầu tới điểm đích.
C¸c trôc ch¹y ®ång thêi
C¸c trôc ch¹y lÇn luît
Y
Y
P2
P1
P2
X
P1
X
Hình 1.4. Các đường chạy trong điều khiển theo điểm.
Điều khiển theo điểm được ứng dụng trong các máy khoan tọa độ, các thiết bị
hàn điểm và các cơ cấu cấp chi tiết tự động đơn giản.
b, Điều khiển theo đường
Điều khiển theo đường bao hàm cả khả năng dịch chuyển của điều khiển điểm,
nghĩa là nó có thể đi tới một điểm bất kỳ nào trên mặt phẳng gia công bằng chuyển
động chạy dao nhanh. Ngoài ra nó còn cho phép thực hiện các chuyển động song
song với các trục máy với lượng chạy dao đã lập trình cho dao cắt gọt liên tục tạo
nên bề mặt gia công.
C¸c ® ¦ êng ch¹y khi phay
C¸c ® ¦ êng ch¹y khi tiÖn
Z
X
Z
Y
X
Hình 1.5. Điều khiển theo đường.
7
Trong các điều khiển theo đường mở rộng, 2 trục của máy chuyển động với tốc
độ như nhau đồng thời ta có thể gia công được bề mặt côn 45.
Dạng điều khiển này có ứng dụng chủ yếu trên các máy phay và máy tiện.
Ngoài ra còn dùng trên máy cắt bằng điện cực dây đơn giản.
c, Điều khiển theo đường viền
Điều khiển theo đường viền bao gồm cả khả năng của điều khiển theo điểm và
điều khiển theo đường. Bằng dạng điều khiển này, ta có thể tạo ra các đường viền
hoặc đường thẳng tùy ý trong một mặt phẳng hoặc không gian. Điều này đạt được
nhờ chuyển động đồng thời của các bàn trượt máy theo 2 hoặc nhiều trục và giữa
các trục này có mối quan hệ hàm số.
Các trường hợp ứng dụng điều khiển theo đường viền gồm có: các máy tiện,
phay; các trung tâm gia công; và các máy vẽ hoặc máy cắt bằng sợi đốt.
Tuỳ theo số lượng các trục được điều khiển đồng thời mà điều khiển theo đường
viền được chia thành: điều khiển 2D, điều khiển 2 ½ D, điều khiển 3D và dạng điều
khiển có nhiều hơn 3 trục điều khiển đồng thời (4D và 5D).
Điều khiển 2D cho phép thực hiện một đường viền nào đó của dụng cụ cắt trong
một mặt phẳng gia công, ví dụ chạy dao trong mặt phẳng XY. Còn trục thứ ba được
điều khiển độc lập với 2 trục kia.
TiÖn
Phay
Z
Z
Y
X
X
Hình 1.6. Điều khiển theo đường viền 2D.
Điều khiển 2 ½ D
Dạng điều khiển này cho khả năng thực hiện các chuyển động nào đó của dụng
cụ cắt theo bề mặt gia công. Chẳng hạn thông qua các chức G trong chương trình
NC ta có chuyển bề mặt gia công từ XY sang XZ. Trên máy phay đứng CNC, trục Z
được điều khiển từng nấc để gia công các bề mặt trên mặt phẳng XY có chiều sâu
khác nhau.
Z
Y
Gia c«ng trong
mÆt ph¼ng YZ
X
Gia c«ng trong
mÆt ph¼ng XY
Hình 1.7. Điều khiển theo đường viền 2 ½ D.
8
Điều khiển 3D
Bằng điều khiển 3D ta có thể thực hiện các chuyển động của dụng cụ cắt trong
một không gian 3 kích thước. Bằng việc điều khiển tất cả các trục máy chuyển động
đồng thời, người ta có thể tạo ra bất cứ đường viền 3D trên máy phay.
Z
Y
X
Hình 1.8. Điều khiển theo đường viền 3D.
Điều khiển 4D và 5D
Ở dạng điều khiển này, ngoài các trục tịnh tiến X, Y, Z thì ở đây còn có các trục quay,
các bàn quay cũng được điều khiển số. Nhờ điều khiển 4D và 5D người ta có thể gia công
các chi tiết phức tạp như các khuôn rèn dập, các khuôn đúc áp lực hoặc cánh tuabin.
X
Z
C
A
Y
B
X
Y
Z
C¸nh tuabin thuû lùc
(a)
(b)
Hình 1.9. Điều khiển theo đường viền 4D và 5D.
1.3 Các hệ thống điều khiển số máy công cụ:
Trong các hệ thống điều khiển số, mỗi dịch chuyển hành trình đều được cơ cấu
chấp hành thực hiện ứng với các “giá trị xung”- nghĩa là được điều khiển theo số.
Sử dụng hệ thống điều khiển số nhằm các mục đích:
- Tự động hóa các thiết bị sản xuất với khả năng linh hoạt cao (điều chỉnh nhanh
các máy, dây chuyền để thay đổi đối tượng gia công)
- Hiệu chỉnh nhanh chóng, dễ dàng chương trình gia công khi chi tiết có sự thay
đổi về kết cấu
- Tổ chức lập trình tập trung (có thể ngoài phân xưởng) và chuyển chương trình
gia công từ trung tâm tới phân xưởng bằng điện thoại, fax ...
- Lưu trữ và sử dụng lại các chương trình
9
- Lập trình tự động (với sự trợ giúp của máy tính) để nâng cao năng suất và độ
chính xác gia công
Hệ thống điều khiển số được chia thành các loại: hệ thống điều khiển NC, hệ
thống điều khiển CNC, hệ thống điều khiển DNC (trực tiếp, phân tán) và hệ
thống thích nghi.
1.3.1. Hệ thống điều khiển NC
Ngày nay các máy công cụ trang bị hệ thống điều khiển NC vẫn còn thông
dụng. Đây là hệ điều khiển đơn giản với số lượng hạn chế các kênh thông tin. Trong
hệ thống NC này các thông số hình học của chi tiết, các lệnh điều khiển máy được
cho dưới dạng dãy các con số.
Nguyên tắc làm việc của hệ thống điều khiển NC như sau: sau khi mở máy,
các lệnh thứ nhất, thứ hai được đọc. Chỉ sau khi kết thúc quá trình đọc máy mới
thực hiện lệnh thứ nhất, trong khi đó thông tin của lệnh thứ hai vẫn nằm trong bộ
nhớ của hệ điều khiển. Sau khi hoàn thành xong lệnh thứ nhất, máy bắt đầu thực
hiện lệnh thứ hai (lấy ra từ bộ nhớ). Trong khi thực hiện lệnh thứ hai thì hệ điều
khiển sẽ đọc lệnh thứ ba (đưa vào chỗ của bộ nhớ mà lệnh thứ hai vừa giải
phóng ra).
Nhược điểm chính của hệ thống điều khiển NC:
Khi gia công chi tiết tiếp theo trong loạt, hệ điều khiển phải đọc lại tất cả
các lệnh từ đầu, do vậy có thể gặp phải sai số của bộ tính toán dẫn đến chất lượng
gia công không đạt yêu cầu.
-
Do có nhiều câu lệnh được chứa trong băng đục lỗ hay băng từ mà khả
năng chương trình bị dừng lại (không chạy) có thể xảy ra thường xuyên.
-
Do làm việc trong chế độ như vây mà băng đục lỗ hay băng từ sẽ nhanh
chóng bị bẩn và mòn, gây lỗi chương trình.
1.3.2. Hệ thống điều khiển CNC
Các hệ thống điều khiển NC có nhược điểm là kém linh hoạt. Những thay đổi về
chương trình chỉ có thể tiến hành thông qua việc sửa lại các băng đục lỗ tại phòng
lập trình vốn tốn nhiều thời gian và công sức. Điều này tất yếu dẫn đến làm tăng
thời gian dừng máy NC và giảm năng suất gia công.
Ngày nay các hệ thống điều khiển NC đã được thay thế ngày càng rộng rãi bằng
các hệ thống điều khiển CNC, mà đặc điểm chính của chúng là có sự can thiệp của
máy vi tính. Trong các hệ thống điều khiển này có 1 chương trình hệ thống CNC do
chính nhà sản xuất máy CNC cài đặt vào máy tính. Thông qua các phần mềm riêng
lẻ, ví dụ chương trình giải mã và hệ điều hành mà các chức năng CNC riêng lẻ được
thực hiện.
10
Chương trình gia công có thể được nạp tất cả vào bộ nhớ một lúc hoặc từng lệnh
bằng tay từ bàn điều khiển. Các lệnh điều khiển không chỉ viết cho từng chuyển
động riêng biệt mà còn cho nhiều chuyển động cùng lúc. Điều này cho phép làm
giảm số câu lệnh của chương trình, nâng cao độ tin cậy làm việc của máy.
Sau khi đã được đưa vào hệ thống điều khiển, chương trình gia công có thể
được gọi ra bất cứ lúc nào từ bộ phận lưu giữ chương trình mà không cần phải đọc
lại băng đục lỗ. Việc sửa chữa, thay đổi hay làm tối ưu chương trình có thể tiến
hành ngay tại máy bất cứ lúc nào. Các câu lệnh có thể được bổ sung, thay thế hoặc
chỉnh sửa lại.
Hệ thống điều khiển CNC có kích thước nhỏ gọn hơn, giá thành thấp hơn, đồng
thời lại có những đặc tính mới mà hệ thống điều khiển NC trước đó chưa có, chẳng
hạn cho phép hiệu chỉnh sai số cố định của máy (là nguyên nhân gây ra sai số gia
công). Ngoài ra trên các hệ thống điều khiển CNC hiện đại còn trang bị màn hình
đồ họa giúp mô phỏng động học quá trình cắt gọt trên máy công cụ CNC.
1.3.3. Hệ thống điều khiển DNC
DNC (Direct Numerical Control) biểu thị một hệ thống trong đó nhiều máy NC
được nối với 1 máy vi tính gia công thông qua đường dẫn dữ liệu.
Đặc điểm cơ bản của các hệ thống DNC hiện nay là cung cấp cho các máy NC
riêng biệt các thông tin điều khiển (hay các chương trình). Tất cả các chương trình
NC sẽ được sử dụng được lưu giữ trên các đĩa cứng của máy vi tính gia công (bố trí
trên hệ thống DNC) và có thể được gọi ra trực tiếp tùy theo nhu cầu của từng máy
NC.
1
CNC
M¸y tÝnh
trung t©m
M¸y c«ng cô
CNC
CNC
CNC
2
Hình 1.10. Hệ thống điều khiển DNC.
Trong sơ đồ trên, mỗi máy công cụ có hệ điều khiển CNC mà bộ tính toán của
nó có nhiệm vụ chọn lọc, phân phối các thông tin (chiều mũi tên 1)- nghĩa là bộ tính
toán đóng vai trò là cầu nối giữa các máy công cụ và máy tính trung tâm.
11
Đồng thời máy tính trung tâm có thể nhận được những thông tin từ các bộ điều
khiển CNC (chiều mũi tên 2) để hiệu chỉnh chương trình hoặc để đọc dữ liệu từ máy
công cụ.
Trong các phân xưởng có hệ thống DNC, các chương trình NC do phòng lập
trình làm và đưa thẳng vào trong máy tính. Phần lớn các hệ điều khiển NC có các
ngôn ngữ lập trình khác nhau, do vậy khi lập trình bằng tay cần phải có phần mềm
tương ứng cho việc biên dịch NC. Ngược lại, đối với lập trình bằng máy thì ứng với
từng kiểu điều khiển đòi hỏi phải có chương trình dịch riêng (bộ hậu xử lýpostprocessor).
Ngoài ra, nếu phân xưởng có nhiều máy NC thì việc chuẩn bị tốt đồ gá và các
dụng cụ phụ chiếm vai trò hết sức quan trọng. Thông tin về các trang bị công nghệ
này được lưu giữ và điều hành trong một ngân hàng dữ liệu trung tâm của máy tính,
nên khi cần chúng có thể được gọi ra trên màn hình và được sử dụng để hiệu chỉnh
kích thước dụng cụ cắt khi chạy chương trình.
Các ưu điểm chính của hệ thống DNC:
-
Có 1 ngân hàng dữ liệu trung tâm cho biết các thông tin về chương trình chi
tiết gia công và dụng cụ.
-
Truyền dữ liệu nhanh, tin cậy và phát huy tốt hiệu quả của các máy NC.
-
Điều khiển và lập kế hoạch gia công.
-
Có khả năng ghép nối vào các hệ thống gia công linh hoạt FMS.
1.3.4. Điều khiển thích nghi AC (Adaptive Control)
Điều khiển thích nghi là điều khiển tự động quá trình gia công không có sự tác
động của người vận hành máy. Mục đích chính của nó là nhằm tự động thay đổi các
thông số gia công theo ảnh hưởng không thể dự kiến trước trong quá trình gia công.
Ví dụ khi kích thước các phôi đúc, rèn thay đổi hoặc lượng dư gia công cơ không
đều thì có thể gây biến dạng đàn hồi cho hệ thống công nghệ, sinh ra sai số gia
công. Muốn khắc phục điều này thì thiết bị điều khiển thích nghi phải thay đổi tốc
độ chạy dao cho phù hợp.
Tuỳ theo mục đích sử dụng, người ta phân chia các hệ thống điều khiển thích
nghi thành 2 loại:
Điều khiển thích nghi cưỡng bức ACC (Adaptive Control Constrain):
dùng để điều khiển giới hạn của các thông số cắt gọt. Ví dụ, khi tiện côn hay phay
bề mặt hình chêm thì chiều sâu cắt thay đổi, do vậy lượng chạy dao và số vòng quay
của dao phải được điều khiển sao cho đảm bảo công suất cắt tối đa cho phép.
Điều khiển thích nghi tối ưu ACO (Adaptive Control Optimation): dùng
cho việc tối ưu hóa các quá trình gia công nhằm giảm thời gian gia công và giảm
12
chi phí gia công nhưng có chú ý đến nhiều yếu tố ảnh hưởng ngược nhau (như công
suất cắt cao sẽ làm giảm tuổi bền của dụng cụ cắt).
Hệ thống điều khiển thích nghi được ứng dụng rộng rãi cho các chức năng
bổ sung thêm của hệ điều khiển CNC như tự động theo dõi dụng cụ cắt và đo chi
tiết trong quá trình gia công.
Chi
tiÕt
Py
Dao
c¾t
§Çu
®o
C¬
ch¹y
cÊu
dao
Bé biÕn
®æi
Hình 1.11. Ứng dụng điều khiển thích nghi.
1.4. Nội suy (Interpolation)
Nội suy là việc tính toán các tọa độ trung gian dọc theo biên dạng cần gia
công. Các giá trị trung gian này sẽ làm đại lượng dẫn cho mạch điều khiển vị trí. Vì
vậy cần phải tính toán được giá trị trung gian của biên dạng gia công từ các dữ liệu
cho trước như: tọa độ điểm đầu cuối, tốc độ di chuyển….
1.4.1 Nội suy đường thẳng:
Dao được di chuyển từ điểm đầu tới điểm cuối hành trình theo chuỗi đoan
thẳng. Khi lập trình chuỗi chuyển động thẳng, chỉ cần xác định toạ độ cuối của mỗi
đoạn, bởi vì điểm cuối của đoạn trước là điểm đầu của đoạn tiếp theo.
Nội suy đường thẳng theo 2 và 3 trục là phương pháp thông dụng nhất. Có thể nội
suy đường thẳng phối hợp đồng thời tối đa 5 trục (3 chuyển động thẳng, 2 chuyển
động quay) để 5thực hiện quĩ đạo chuyển động bất kỳ. Nội suy đường thẳng yêu
cầu 3 thông số: toạ độ điểm đầu, toạ ssộ điểm cuối và tốc độ di chuyển trên mỗi
trục.
Giả sử dao cần chuyển động từ điểm đầu PA đến điểm cuối PB theo một đường
thẳng với tốc độ chạy dao u xác định. Trong thời gian T
L
, các đoạn đường thành
u
phần là x E x A và y E y A phải được thực hiện. Tọa độ vị trí của các điểm trung
gian cần được tính như một hàm số theo thời gian:
t
t
0
0
t
t
0
0
x t x A V X dt x A
y t y A V y dt y A
13
xE x A
dt
T
yE y A
dt
T
x xA
xt x A E
n
T
N
Chia thời gian T thành các khoảng t
đủ nhỏ ta được:
N
y y yE y A n
A
t
N
Hình 1.12. Nội đường thẳng (A là điểm xuất phát, E là điểm đích)
N càng lớn thì độ chính xác của phép nội suy càng cao.
Về lý thuyết, sử dụng nội suy đường thẳng có thể lập trình quĩ đạo chuyển động
cong bất kỳ nhưng lượng dữ liệu cần xử lý rất lớn. So với nội suy đường thẳng, nội
suy cung tròn, parabôn, đường xoắn hoặc đường cong bậc ba làm giảm đáng kể
lượng dữ liệu cần lập trình cho cùng quĩ đạo chuyển động.
Phần lớn các hệ CAD/CAM đều sử dụng phương pháp nội suy đường thẳng cho các
mặt cong phức tạp.
Hình 1.13. Các phương pháp nội suy trong hệ CAD/CAM
(a, Nội suy đường thẳng cho đoạn thẳng; b, Xấp xỉ đường tròn bằng đa giác
c, Xấp xỉ đường cong bởi nội suy đường thẳng)
1.4.2 Nội suy cung tròn:
x R.Cos
y R.Sin
Giả sử phương trình đường cong được biểu diễn theo theo tham số:
R: Bán kính đường cong (Hình 1.14)
14
Hình 1.14. Nội suy vòng
Cần dịch chuyển theo đường cong trên với tốc độ chạy dao không đổi V. Biểu diễn
đường cong trên theo thời gian bằng tọa độ góc :
V
x R.Cos R .t
V
y R.Sin .t
R
Vi phân phương trình trên:
t
V
x
x
ydt
0
R
0
Như vậy:
t
y y V xdt
0
0 R
V
V
dx
.
R
.
sin
.y
dt
R
R
dy V
V
.R. cos .x
R
dt R
Chuyển qua tích phân số (thay các lượng vi phân bởi các gia số)
n1
V
x
x
yt
0
i 1 R
n1
y y0 V xt
i 1 R
Trong đó
V
V
R yt R y
V
V
xt x
R
R
1
x
fT
là các gia số thực hiện được của các đoạn đường
1
y
fT
thành phần trong 1đơn vị thời gian ∆t và chúng phải nhỏ
hơn 1 đơn vị dịch chuyển.
Phép nội suy vòng sử dụng bộ tích phân số nên có xuất hiện sai lệch, nghĩa
là mỗi điểm tính toán thông qua nội suy không nằm chính xác trên đường cong
mà có thể ở lân cận. Điều kiện để giới hạn sai lệch là các điểm nội suy không
được vượt quá giá trị cho phép thể hiện bởi góc [ ] ( H1.14 ).
1.4.3 Nội suy parabol
Một đường parabol không gian được tạo bởi 3 điểm (hình 1.8). Điểm P2 là
trung điểm của P4 và P5, còn P5 lại là trung điểm của P1 và P3. P1 được biết từ
khối dữ liệu trước, P2 và P3 được đưa vào cùng với hai khối dữ liệu tiếp theo.
15
Việc chuyển giữa hai hình parabol liên tục sẽ phối hợp tốt nếu biết rõ được tiếp
tuyến tại P3 của chung.
P4
L2
P2
L1
P3
P5
P1
Hình 1.15. Nội suy parabol
Nội suy parabol cơ bản chỉ được sử dụng khi gia công trên máy có 4, 5 trục tọa
độ, bởi vì dữ liệu dùng cho các chuyển động theo nhiều trục tọa độ này sẽ giảm
đi một cách đáng kể so với nội suy đường thẳng khi các bề mặt có độ phức tạp
cao.
1.4.4. Nội suy Spline
Phương pháp nội suy này không chỉ có khả năng xấp xỉ đường cong mà còn có
khả năng kết nối trơn láng các đường cong kế cận. Chương trình nội suy Spline rất
phức tạp, đòi hỏi khả năng xử lý cũng như yêu cầu về dung lượng bộ nhớ cao hơn
các phương pháp nội suy khác. Với công nghệ máy tính hiện đại có khả năng tính
toán và xử lý dữ liệu mạnh và giá thành không cao, sử dụng nội suy Spline hoàn
toàn không có trở ngại.
1.5 Chương trình chi tiết:
Những thông tin cần thiết để gia công một chi tiết được tập hợp một cách hệ thống
được gọi là chương trình gia công chi tiết.
1.5.1. Dữ liệu chương trình
- Dữ liệu hình học: Gồm các toạ độ xác định hình dáng và kích thước của chi tiết
gia công.
- Dữ liệu kỹ thuật: Là những dữ liệu xác định các điều kiện gia công: Tốc độ quay
trục chính, tốc độ chạy dao, bôi trơn.
1.5.2. Dạng chương trình
- Chương trình con
- Chương trình chính
1.5.3. Kích thước và các chức năng phụ
Các bản vẽ gia công thường dùng trong các phân xưởng trước đây phần lớn
không thích hợp cho việc lập trình NC. Do vậy trong các quy chuẩn về ghi kích
thước đã xác định rõ cần phải ghi kích thước theo tọa độ Đề-các đối với các chi
16
tiết gia công trên máy NC. Quy chuẩn này sẽ giúp cho người lập trình dễ dàng
biến đổi các kích thước trên bản vẽ thành các thông tin dịch chuyển trong
chương trình NC.
Các thông tin về kích thước chi tiết gia công được thể hiện trên bản vẽ theo
hệ thống ghi kích thước tuyệt đối hoặc ghi kích thước theo gia số (hay tương
đối).
1.5.4. Kích thước tuyệt đối và kích thước gia số
Các bản vẽ gia công thường dùng trong các phân xưởng trước đây phần lớn
không thích hợp cho việc lập trình NC. Do vậy trong các quy chuẩn về ghi kích
thước đã xác định rõ cần phải ghi kích thước theo tọa độ Đề-các đối với các chi
tiết gia công trên máy NC. Quy chuẩn này sẽ giúp cho người lập trình dễ dàng
biến đổi các kích thước trên bản vẽ thành các thông tin dịch chuyển trong
chương trình NC.
Các thông tin về kích thước chi tiết gia công được thể hiện trên bản vẽ theo
hệ thống ghi kích thước tuyệt đối hoặc ghi kích thước theo gia số (hay tương
đối).
a, Ghi kích thước tuyệt đối
Kích thước tuyệt đối được so sánh với một điểm gốc cố định (thường là điểm 0
của chi tiết W). Nghĩa là tọa độ của một điểm bất kỳ có thể được xác định thông
qua các khoảng cách có dấu (signed distance) tính từ W.
0
0
25
20
10
0
40
17.677
25
17.677
12
20
68
0
Hình 1.16. Ghi kích thước tuyệt đối
b, Ghi kích thước theo gia số (tương đối)
Kích thước tương đối được so sánh với điểm ngay trước nó. Nghĩa là giá trị tọa
độ của một điểm được xác định thông qua các khoảng dịch chuyển tương đối
tính từ vị trí hiện tại.
17
Hình 1.17. Ghi kích thước tương đối
Trên quan điểm gia công, việc lựa chọn hệ thống ghi kích thước nào phụ thuộc
vào dung sai kích thước yêu cầu cũng như mức độ dễ dàng khi tính toán hình
học phụ để viết ra chương trình NC. Vì vậy, người thiết kế khi ghi chuỗi kích
thước trên bản vẽ cần phải có quan điểm về gia công và kỹ thuật lập trình.
Chẳng hạn khi gia công các bộ giảm tốc, kích thước quan trọng thường là
khoảng cách giữa các trục truyền động (kèm dung sai chế tạo). Khi này người
thiết kế cần ghi kích thước theo hệ thống tương đối nhằm đảm bảo độ chính xác
kích thước yêu cầu. Tuy vậy, nếu ghi liên tiếp các kích thước trong chuỗi bằng
cách ghi tương đối thì lại có thể ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác gia công (do
có sai số tích lũy liên tiếp).
Ngoài hai cách ghi kích thước tuyệt đối và tương đối, người ta có thể sử dụng
cách ghi kích thước nhờ bảng trong trường hợp có quá nhiều các kích thước gia
công trên bản vẽ nhằm giúp việc biểu diễn chi tiết được rõ ràng, dễ hiểu hơn.
Khi này người ta thay thế các kích thước trên bản vẽ bằng các số thứ tự vị trí.
Những giá trị riêng của các điểm tọa độ được điền vào trong bảng tọa độ như là
các số liệu bổ sung, chẳng hạn: đường kính lỗ hoặc dung sai kích thước...
1.6. Thiết bị nhập dữ liệu
Thiết bị nạp chương trình trên máy CNC có thể là:
-
Bộ đọc băng đục lỗ gắn với hệ CNC (perforated paper tape reader).
-
Bộ đọc băng từ (magnetic tape reader).
-
Ổ đĩa mềm, cổng RS232C.
-
Ổ đĩa CD…
1.7. Giá thành và lựa chọn hệ thống CNC
Nhờ ứng dụng kỹ thuật vi điện tử, máy gia công CNC có các đặc trưng nổi bật
sau:
18
-
Mức độ tự động hóa cao.
-
Tốc độ dịch chuyển thẳng và góc lớn (tương ứng 102 mm/phút và 103
vòng/phút), do vậy năng suất gia công trên các máy CNC cao và có thể gấp
đến 3 lần máy thường.
-
Độ chính xác gia công cao, sai lệch giới hạn cỡ 10 -3 mm, với máy thường sai
lệch này là 10-2 mm.
-
Chất lượng gia công ổn định, độ chính xác lặp lại cao.
-
Giảm thời gian gia công so với máy thường.
-
Nhờ cấu trúc cơ khí cứng vững của máy, những vật liệu cắt hiện đại và năng
suất như hợp kim cứng hay gốm ôxit có thể được sử dụng trên máy CNC.
-
Có khả năng thích nghi cao khi điều kiện sản xuất thay đổi, ví dụ khi chuyển
từ sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ sang sản xuất loạt vừa, loạt lớn hoặc hàng
khối, việc gia công trên máy CNC vẫn đảm bảo năng suất và hiệu quả kinh
tế.
Ngoài ra còn phải kể đến các ưu điểm khác như:
-
Ít phải dừng máy vì lý do kỹ thuật, do vậy giảm đáng kể được chi phí tương
ứng.
-
Chi phí kiểm tra máy nhỏ, giá thành đo kiểm giảm.
-
Thời gian hiệu chỉnh máy ngắn.
-
Không cần dùng các đồ gá và dưỡng (ví dụ đồ gá khoan).
-
Gia công được các bề mặt phức tạp (cong, lồi, lõm 3D), các chi tiết rất lớn
(cánh máy bay) trên các trung tâm gia công mà không cần thiết phải thay đổi
đồ gá (cũng góp phần giảm chi phí gá đặt chi tiết và nâng cao độ chính xác
gia công).
-
Có thể lặp lại chương trình gia công tùy ý.
Tuy nhiên ta cần phải chú ý một số các đặc điểm sau trên máy CNC:
-
Việc chuẩn bị công nghệ gia công trên máy CNC khác với máy công cụ
thông thường, do phải lập trình NC theo ngôn ngữ máy.
-
Máy rất đắt tiền- 1 chiếc máy CNC 3 trục NC (3D) nhập từ các nước Âu- Mỹ
có thể giá hàng trăm nghìn USD.
-
Môi trường làm việc và chế độ bảo quản máy tương đối khắt khe. Các giá trị
cho phép về độ ẩm < 75%, nhiệt độ < 45C.
-
Vận hành máy tuy đơn giản (học các sử dụng nhanh), nhưng việc bảo dưỡng,
sửa chữa máy CNC lại khá phức tạp và tốn kém.
Do vậy khi khai thác vận hành máy CNC chúng ta phải đảm bảo được hiệu quả
kinh tế của chúng trong sản xuất. Cụ thể là:
19
-
Cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các khâu thiết kế, chuẩn bị sản xuất và
thực hiện gia công chế tạo.
-
Cần đào tạo nâng cao cho thợ chuyên môn. Các khoá đào tạo về kỹ thuật
CNC là hết sức cần thiết, vì máy móc chỉ hoạt động tốt nếu người sử dụng nó
có kiến thức đầy đủ và kỹ năng vận hành thành thục.
Ưu điểm chính của máy CNC chính là tính linh hoạt- thay đổi nhanh các chương
trình gia công với sự can thiệp tối thiểu bằng tay của con người, do các nguyên nhân
chính sau:
-
Khả năng lặp lại các chương trình gia công thực hiện.
-
Khả năng đưa vào trực tiếp các kích thước chi tiết và các số liệu hành trình
dao trên máy công cụ khi yêu cầu.
-
Không còn các yếu tố hạn chế hành trình cơ khí như cam rãnh, chốt dừng
hay tấm mẫu, nghĩa là không cần mọi sự điều chỉnh cơ khí.
-
Khả năng đưa vào các giá trị công nghệ tối ưu như tỷ số tiến dao, tốc độ trục
chính và tắt/mở dung dich trơn nguội mà thường bắt buộc do con người vận
hành.
-
Việc điều khiển được máy tính hóa tất cả các chức năng phụ của máy chẳng
hạn như việc thay dao và cấp phôi tự động.
-
Có khả năng lập trình các giá trị bù cho cả dụng cụ cắt và phôi khi chúng
được gắn trên miếng đỡ tiêu chuẩn.
20
- Xem thêm -