Tài liệu Thiết kế và chế tạo hệ thống chấp hành mô hình máy phay cnc

i NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Họ tên: Trần Văn Châu Lớp: 50CKCD Chuyên ngành: Công nghệ Cơ Điện Tử Mã ngành: Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo hệ thống chấp hành mô hình máy phay CNC” Số trang: 102 Số chương: 4 Tài liệu tham khảo: 12 Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02CD, 01 mô hình Nhận xét ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ Kết luận: ............................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ Nha Trang, ngày… tháng … năm… Cán bộ hướng dẫn (Kí và ghi rõ họ tên) ii NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Họ tên: Trần Văn Châu Lớp: 50CKCD Chuyên ngành: Công nghệ Cơ Điện Tử Mã ngành: Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo hệ thống chấp hành mô hình máy phay CNC” Số trang: 102 Số chương: 4 Tài liệu tham khảo: 12 Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02CD, 01 mô hình Nhận xét ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... Kết luận: ......................................................................................................................... ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... Nha Trang, ngày… tháng … năm… Cán bộ phản biện (Kí và ghi rõ họ tên) Điểm phản biện Điểm chung Bằng số Bằng chữ Nha Trang, ngày … tháng … năm … Chủ tịch hội đồng (Kí và ghi rõ họ tên) iii LỜI NÓI ĐẦU Trong công cuộc đổi mới đất nước, với mục tiêu chiến lược Công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, nhằm đưa nền kinh tế phát triển với tốc độ cao nhằm sánh vai cùng với các quốc gia phát triển trên thế giới, trong đó lĩnh vực tự động hóa đóng vai trò rất quan trọng. Cơ - Điện tử là ngành khoa học tổng hợp liên ngành của cơ khí chính xác, điện tử, điều khiển và tư duy hệ thống trong thiết kế và phát triển sản phẩm. Đây là ngành rất quan trọng và không thể thiếu trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại. Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ điều khiển kỹ thuật số và điều khiển bằng máy tính vào trong các lĩnh vực công nghiệp đang trở nên ngày càng phổ biến đặc biệt là việc ứng dụng các máy CNC. Điều này dẫn đến việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các máy điều khiển số là một điều tất yếu trong công cuộc công nghệp hóa hiện đại hóa đất nước. Theo xu hướng đó, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công máy CNC là một việc vô cùng cấp thiết, để từ đó có thể thực hiện cải tiến các máy công cụ truyền thống vẫn còn đang tồn tại ở một số cơ sở sản xuất trở thành máy CNC với một giá thành chấp nhận được trong điều kiện nền công nghiệp còn non kém như ở nước ta. Hơn nữa, những công trình nghiên cứu như thế này còn cho phép ta nắm bắt được những công nghệ đang được sử dụng trong những máy CNC do các tập đoàn công nghiệp hàng đầu thế giới sản xuất; để từ đó có thể làm chủ được những chiếc máy này một cách toàn diện hơn. Từ những cơ sở trên, chúng em quyết định chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo hệ thống chấp hành mô hình máy phay CNC” làm đề tài nghiên cứu. Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Văn Hùng và các thầy trong bộ môn Cơ điện tử đã giúp đỡ trong suốt thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn, và kính chúc Quý thầy dồi dào sức khỏe. Nha Trang, tháng 6 năm 2012 Sinh viên thực hiện TRẦN VĂN CHÂU iv MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................... iii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iv DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................... vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .............................................................................1 1.1.GIỚI THIỆU CHUNG...........................................................................................2 1.1.1. Giới thiệu sơ lược về CAD ............................................................................2 1.1.1.1. Khái niệm về CAD. .................................................................................2 1.1.1.2. Công cụ của hệ thống CAD.....................................................................2 1.1.1.3. Lợi ích của CAD. ....................................................................................2 1.1.1.4. Tương lai của CAD. ................................................................................3 1.1.2.Tổng quan về máy CNC..................................................................................3 1.1.2.1.Sự ra đời và phát triển của máy CNC.......................................................3 1.1.2.2.Máy CNC ngày nay..................................................................................5 1.1.2.3. Hiệu quả kinh tế của máy CNC...............................................................6 1.2. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI MÁY CNC ĐANG DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP HIỆN NAY...................................................................................................7 1.2.1. Máy khoan CNC (Drilling Machine). ............................................................7 1.2.2. Máy phay CNC (Milling Machine)................................................................7 1.2.3. Máy tiện CNC (Turning Machine).................................................................8 1.2.4. Máy doa CNC (Boring Machine)...................................................................9 1.2.5. Máy mài CNC (Grinding Machine) .............................................................10 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ...............................11 2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................................12 2.2. CÁC KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC ......13 2.2.1. Các khái niệm máy CNC .............................................................................13 2.2.1.1. Định nghĩa máy và trục máy .................................................................13 2.2.2.2. Cấu trúc hệ trục máy CNC ....................................................................13 2.2.2.3. Tọa độ quy chiếu ...................................................................................15 2.2.2. Phân loại hệ thống điều khiển máy CNC.....................................................16 2.2.2.1. Phân loại theo dạng điều khiển..............................................................16 2.2.2.2. Phân loại theo cấu trúc điều khiển.........................................................17 v 2.2.2.3. Phân loại theo kiểu điều khiển ..............................................................18 2.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU...............................................................................20 2.3.1. Các phương án thiết kế.................................................................................20 2.3.1.1. Phương án 1...........................................................................................20 2.3.1.2. Phương án 2...........................................................................................21 2.3.1.3. Phương án 3...........................................................................................22 2.3.1.4. Kết luận .................................................................................................23 2.3.2. Phân tích, lựa chọn động cơ và trục vít me..................................................23 2.3.2.1. Động cơ dẫn động hai trục chính X, Y và trục Z ..................................23 2.3.2.3. Bộ truyền, biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến ..........26 2.3.2.2. Động cơ phay ........................................................................................27 2.3.3. Thiết kế, chế tạo phần cơ khí .......................................................................28 2.3.3.1. Vật liệu chế tạo máy phay CNC............................................................28 2.3.3.2. Thiết kế, chế tạo máy phay CNC ..........................................................32 2.3.3. Giới thiệu về bộ truyền trục vít me – bi. ......................................................35 2.3.4. Thiết kế, chế tạo phần điều khiển ................................................................39 2.3.4.1. Động cơ bước (stepping motor) ............................................................39 2.3.4.2. SƠ LƯỢC VỀ NGÔN NGỮ AUTOLISP.............................................49 2.3.4.3. Giới thiệu về Vi điều khiển AVR..........................................................51 2.3.4.4. Truyền thông ........................................................................................62 2.3.4.5. Sơ lược các linh kiện dùng trong mạch.................................................65 2.3.4.5. Sơ đồ nguyên lý động cơ bước..............................................................68 2.3.4.6. Thiết kế mạch. .......................................................................................68 2.3.5. Sơ đồ giải thuật ............................................................................................74 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ .....................................82 3.1.CHUẨN BỊ ..........................................................................................................83 3.1.1.Phần khung....................................................................................................83 3.1.2. Bộ phận dẫn động, dẫn hướng .....................................................................83 3.1.3.Phần động cơ và bộ phận truyền động ..........................................................83 3.1.4.Dây điện, tấm phíp đồng, mũi phay… ..........................................................83 3.2.THI CÔNG VÀ LẮP RÁP ..................................................................................83 3.2.1. Thi công mạch..............................................................................................83 3.2.1.1. Vẽ mạch in.............................................................................................84 vi 3.2.1.2.In mạch lên bảng đồng ...........................................................................84 3.2.1.3.Hàn linh kiện và kiểm tra mạch..............................................................85 3.2.1.4.Lắp mạch vào hộp ..................................................................................85 3.3. SẢN PHẨM THỰC TẾ......................................................................................86 3.3.1.Hình ảnh các mạch ........................................................................................86 3.3.2.Các chi tiết cơ khí..........................................................................................86 3.3.3.Hệ thống mô hình..........................................................................................89 3.4.CHO CHẠY THỬ VÀ KIỂM NGHIỆM ĐỘ ỔN ĐỊNH ...................................92 3.4.1.Kiểm tra trước khi đưa vào hoạt động ..........................................................92 3.4.1.1.Kiểm tra nguồn .......................................................................................92 3.4.1.2.Kiểm tra mạch điều khiển ......................................................................92 3.4.1.3.Kiểm tra phần cơ khí ..............................................................................93 3.4.1.4.Kiểm tra động cơ ....................................................................................95 3.4.2.Cấp dữ liệu cho vi điều khiển .......................................................................95 3.4.3.Mô hình lúc hoạt động ..................................................................................96 3.4.3.1.Mô hình lúc reset về vị trí 0 ...................................................................96 3.4.3.2.Mô hình lúc phay đường thẳng ..............................................................97 3.4.3.3.Mô hình lúc phay hình tròn ....................................................................98 3.4.3.4.Mô hình lúc phay đường cong bất kỳ.....................................................98 3.4.3.5.Sản phẩm hoàn chỉnh .............................................................................99 3.5.BẢNG THÔNG SỐ SAU KHI CHẠY THỬ HỆ THỐNG...............................100 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT .................................................................101 4.1. KẾT LUẬN.......................................................................................................102 4.2. ĐỀ XUẤT .........................................................................................................102 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Máy khoan CNC..............................................................................................7 Hình 1.2. Máy phay CNC................................................................................................8 Hình 1.3. Máy tiện CNC..................................................................................................9 Hình 1.4. Máy doa ngang CNC .....................................................................................10 Hình 1.5. Máy mài đứng CNC ......................................................................................10 Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát..............................................................................................12 Hình 2.2. Quy tắc bàn tay phải. .....................................................................................14 Hình 2.3. Hệ tọa độ Descartes. ......................................................................................14 Hình 2.4. Ví dụ về việc xác định chiều dương cho các trục quay.................................15 Hình 2.5. Hai phương án chuyển động dụng cụ song song trục của hệ tọa độ .............16 Hình 2.6. Phương án chuyển động dụng cụ nghiêng góc 45° .......................................16 Hình 2.7. Phương án chuyển động dụng cụ theo đường thẳng .....................................17 Hình 2.8. Sơ đồ khối hệ điều khiển hở dùng động cơ bước ..........................................18 Hình 2.9. Sơ đồ khối hệ điều khiển kín .........................................................................19 Hình 2.10. Mô hình thiết kế 1 máy CNC. .....................................................................20 Hình 2.11. Mô hình thiết kế 2 máy CNC. .....................................................................21 Hình 2.12 Cơ cấu trượt ..................................................................................................21 Hình 2.13. Mô hình thiết kế 3 máy CNC. .....................................................................22 Hình 2.14.Cơ cấu trượt bằng ổ trượt bi .........................................................................22 Hình 2.15 .Động cơ bước ..............................................................................................24 Hình 2.16. .Động cơ Servo ............................................................................................24 Hình 2.17 động cơ điều khiển trục Z.............................................................................25 Hình 2.18. Kết cấu vít me –bi chuyên dùng cho máy CNC. .........................................26 Hình 2.19. Động cơ phay...............................................................................................27 Hình 2.20. Thép hình hộp..............................................................................................28 Hình 2.21. Thép ống ......................................................................................................29 Hình 2.22. Que hàn........................................................................................................29 Hình 2.23. Các loại bulông – đai ốc ..............................................................................30 Hình 2.24. Kết cấu ổ lăn ................................................................................................31 Hình 2.25. Một số loại ổ lăn ..........................................................................................31 Hình 2.26. Một số loại thanh trượt, ổ trượt trên thị trường. ..........................................31 viii Hình 2.27. Khung dưới của máy ...................................................................................32 Hình 2.28. Khung dưới của máy ...................................................................................32 Hình 2.29. Trục Z ..........................................................................................................33 Hình 2.30. Trục dẫn hướng ...........................................................................................33 Hình 2.31. Cơ cấu trượt .................................................................................................33 Hình 2.32. Cơ cấu giữ....................................................................................................34 Hình 2.33. Cơ cấu cố định động cơ ...............................................................................34 Hình 2.34. Khớp nối ......................................................................................................34 Hình 2.35. Cơ cấu dẫn động động cơ phay tịnh tiến theo trục Z ..................................35 Hình 2.36. Quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi .........................................................................................................................36 Hình 2.37. Profin ren nửa tròn.......................................................................................37 Hình 2.38. Rãnh hồi bi kiểu ống....................................................................................38 Hình 2.39. Rãnh hồi bi theo lỗ khoan trong đai ốc Rãnh hồi bi nối giữa hai vòng ren kê tiếp nhau được bô trí trên máng lót đặc biệt.......................................................38 Hình 2.40. Rãnh hồi bi theo lỗ khoan trong đai ốc. ......................................................39 Hình 2.41. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu ..........41 Hình 2.42. Sơ đồ cấu trúc động cơ bước nam châm vĩnh cửu 2 pha. ...........................42 Hình 2.43. Động cơ bước biến từ trở ba pha, bốn cặp cực............................................43 Hình 2.44. Cấu trúc trong động cơ lai. ..........................................................................44 Hình 2.45. Cách quấn dây trong động cơ lai. ................................................................45 Hình 2.46. Kết cấu thực tế của động cơ lai. ..................................................................45 Hình 2.47. Đồ thị quan hệ giữa momen – tần số bước..................................................47 Hình 2.48. Giản đồ thời gian – điều khiển động cơ bước. ............................................48 Hình 2.49. Cấu trúc bộ nhớ của AVR ...........................................................................52 Hình 2.50. Thanh ghi 8 bit.............................................................................................53 Hình 2.51. Register file .................................................................................................53 Hình 2.52. Cấu trúc bên trong của AVR .......................................................................55 Hình 2.53. Cấu trúc chân trong PORT của Vi điều khiển AVR ...................................55 Hình 2.54. Thanh ghi DDRA ........................................................................................56 Hình 2.55. Thanh ghi PORTA.......................................................................................56 Hình 2.56. Thanh ghi PINA ..........................................................................................56 Hình 2.57. Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 8bit...............................................................57 ix Hình 2.58. Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 16 bit............................................................57 Hình 2.59. Thanh ghi TCCR0 .......................................................................................58 Hình 2.60. Thanh ghi TCNT0 .......................................................................................59 Hình 2.61. Thanh ghi 0CR0 ..........................................................................................59 Hình 2.62. Thanh ghi mặt nạ ngắt .................................................................................59 Hình 2.63. Thanh ghi cờ ngắt ........................................................................................59 Hình 2.64. Sơ đồ thời gian của chế độ so sánh .............................................................60 Hình 2.65. Sơ đồ chân của ATMEGA 32......................................................................61 Hình 2.66. Hình dạng bên ngoài của ATMEGA32 .......................................................62 Hình 2.67. Tín hiệu tương đương của UART và RS232...............................................62 Hình 2.68. Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp. ...............................63 Hình 2.69. Cấu tạo và hình dáng của Diode bán dẫn. ...................................................66 Hình 2.70. Ký hiệu của Transistor.................................................................................66 Hình 2.71. Transistor .....................................................................................................66 Hình 2.72. Linh kiện Opto.............................................................................................67 Hình 2.73. Linh kiện IRF540 ........................................................................................67 Hình 2.74. Rơle 8 chân ..................................................................................................67 Hình 2.75. Sơ đồ nối dây trong động cơ bước đơn cực 2 pha.......................................68 Hình 2.76. Nguồn máy tính ...........................................................................................68 Hình 2.77. Nguồn nối giữa nguồn máy tính với vi điều khiển......................................69 Hình 2.78. Nguồn nối giữa nguồn máy tính với mạch công suất..................................69 Hình 2.79. Sơ đồ mạch vi điều khiển và các header kết nối .........................................70 Hình 2.80. Sơ đồ mạch Max232....................................................................................70 Hình 2.81. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước 1(trục X) .........................................71 Hình 2.82. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước 2(trục Y) .........................................71 Hình 2.83. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước 3(trục Z) ..........................................72 Hình 2.84. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ phay..........................................................73 Hình 2.85. Mạch kết nối công tắc hành trình ................................................................73 Hình 2.86. Sơ đồ mạch layout .......................................................................................74 Hình 2.87. Minh họa thuật toán Bresenham..................................................................74 Hình 2.88. Lưu đồ giải thuật toán Bresenham...............................................................76 Hình 2.89 Lưu đồ giải thuật toán Bresenham vẽ đường cong bất kỳ............................77 Hình 2.90. Lưu đồ giải thuật toán trên CAD.................................................................78 x Hình 2.91. Lưu đồ giải thuật tách đoạn bằng autolisp ..................................................79 Hình 2.92 Lưu đồ giải thuật trên VB.............................................................................80 Hình 2.93. Lưu đồ giải thuật trên VDK.........................................................................81 Hình 3.1. Vẽ mạch in trên Layout plus .........................................................................84 Hình 3.2.In mạch lên bảng đồng ...................................................................................84 Hình 3.3. Hàn linh kiện .................................................................................................85 Hình 3.4. Kiểm tra mạch ...............................................................................................85 Hình 3.5. Lắp mạch vào hộp .........................................................................................85 Hình 3.6. Hình ảnh máy phay CNC ..............................................................................86 Hình 3.7. Mạch điều khiển chính ..................................................................................86 Hình 3.8. Bu lông ..........................................................................................................86 Hình 3.9. Ổ trượt ...........................................................................................................87 Hình 3.10. Trục dẫn hướng ...........................................................................................87 Hình 3.11. Vitme bi .......................................................................................................88 Hình 3.12. Khớp nối mềm .............................................................................................88 Hình 3.13. Hệ thống trục Y ...........................................................................................89 Hình 3.14. Hệ thống trục X ...........................................................................................90 Hình 3.15. Hệ thống trục Z............................................................................................91 Hình 3.16. Toàn bộ hệ thống .........................................................................................91 Hình 3.17. Kiểm tra nguồn ............................................................................................92 Hình 3.18. Kiểm tra mạch điều khiển............................................................................93 Hình 3.19. Kiểm tra công tắc hành trình .......................................................................93 Hình 3.20. Canh chỉnh trục Y........................................................................................94 Hình 3.21. Kiểm tra và vệ sinh vitme............................................................................94 Hình 3.22. Kiểm tra động cơ phay ................................................................................95 Hình 3.23. Thiết kế hình cần gia công trên Auto CAD.................................................96 Hình 3.24. Giao diện VB khi load dữ liệu xong............................................................96 Hình 3.25. Mô hình ở vị trí 0.........................................................................................97 Hình 3.26. Mô hình đang phay đường thẳng.................................................................97 Hình 3.28. Mô hình đang phay đường cong bất kỳ.......................................................98 Hình 3.29. Sản phẩm sau khi gia công ..........................................................................99 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 2 1.1.GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1. Giới thiệu sơ lược về CAD 1.1.1.1.Khái niệm về CAD. CAD là chữ viết tắt (Computer Aided Design) chính là việc sử dụng hệ thống máy tính để tạo ra các bản vẽ thiết kế, khả năng sửa chữa và phân tích nhờ tính năng đồ họa và các chương trình phần mềm của máy tính. Hệ thống máy tính gồm phần cứng và phần mềm để thiết kế tùy theo yêu cầu sử dụng. - Phần cứng: bao gồm máy tính, thiết bị trình bày đồ họa và thiết bị ngoại vi. - Phần mềm: là các chương trình đồ họa và các chương trình tính toán. 1.1.1.2. Công cụ của hệ thống CAD. Là phần giao của ba tập hợp sau: - Khái niệm đồ họa máy tính - Các công cụ thiết kế - Mô hình hóa hình học Công cụ CAD đòi hỏi nhanh chóng và đáng tin để có thể thiết kế chi tiết một cách có hiệu quả mặt khác còn phải có nhiều tiện ích để quá trình thiết kế đạt hiệu quả cao. 1.1.1.3. Lợi ích của CAD. Có rất nhiều lợi ích từ CAD: chất lượng công việc tốt hơn, có nhiều thông tin bổ ích hơn, điều kiện điều khiển tốt hơn. Sau đây là những lợi ích mà hệ thống CAD có thể mang lại. - Năng suất thiết kế tăng - Thời gian thiết kế giảm - Giảm được số người thiết kế - Dễ đáp ứng nhu cầu khách hàng - Đáp ứng nhu cầu nhanh hơn - Ít có lỗi hơn trong quá trình làm việc - Chính xác hơn - Dễ nhận ra sự đụng nhau giữa các bộ phận - Phân tích tốt hơn, giảm được thử mẫu - Giúp chuẩn bị sơ đồ - Thiết kế hợp tiêu chuẩn hơn - Tiết kiện được vật liệu và thời gian nhờ quá trình thiết kế tối ưu - Đảm bảo kết quả làm việc 3 - Quản lý đội ngủ thiết kế dự án hiệu quả hơn - Giúp kiển tra các chi tiết phức tạp - Giúp cho kỹ sư công nghệ, thiết kế, vẽ, quản lý và các nhóm khác tạo thành một ê kip làm việc hiệu quả và hiểu biết nhau nhiều hơn. 1.1.1.4. Tương lai của CAD. Xu thế phát triển chung của các ngành công nghiệp chế tạo theo ông nghệ tiên tiến là liên kết các thành phần của quy trình sản xuất trong một hệ thống tích hợp điều khiển bởi máy tính điện tử Các thành phần của hệ thống tích hợp điều khiển bởi máy tính được quản lý và điều hành dựa trên cơ sỡ dữ liệu trung tâm mà thành phần quan trọng là các dữ liệu từ quá trình CAD không chỉ là cơ sở dữ liệu để thực hiện phân tích kỹ thuật, lập qui trình chế tạo, gia công điều khiển số mà nó chính là dữ liệu điều khiển thiết bị sản xuất điều khiển số, như các loại máy công cụ, máy gia công , người máy và các thiết bị phụ trợ khác. Rộng hơn, dữ liệu từ quá trình CAD là cơ sở để hoạch định sản xuất và điều khiển quá trình kiểm soát chất lượng sản phẩm. 1.1.2.Tổng quan về máy CNC 1.1.2.1.Sự ra đời và phát triển của máy CNC. Máy CNC – (CNC) là từ viết tắt cho Computer Numerical Control (điều khiển bằng máy tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc khác với mục đích sản xuất (có tính lập lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng kí hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G. Cùng với việc phát triển máy tính, khoàng cuối năm 50 máy CNC ra đời. Ở máy cắt kim loại thông thường, việc điều khiển các chuyển động cũng như thay đổi vận tốc của các bộ phận máy đều thực hiện bằng tay. Với cách điều khiển này thời gian phụ khá lớn, nên không thể tăng năng suất lao động cũng như đảm bảo độ chính xác của vật gia công. Do đó để giảm thời gian phụ ta cần thiết tiến hành tự động hóa quá trình điều khiển. trong sản xuất hàng loạt, từ lâu người ta dùng phương pháp gia công tự động với việc tự động bằng các dấu tì, bằng cam trên trục phân phối …Đặc điển của loại máy tự động này là rút ngắn đựoc thời gian phụ, nhưng thời gian chuẩn bị sản xuất dài(thời gian thiết kế và chế tạo cam, thời gian điều chỉnh máy…) Nhược điểm này 4 không đáng kể nếu sản xuất với số lượng lớn. Trái lại với sản xuất nhỏ, mặt hàng phải thay đổi thường xuyên, loại máy tự động này trở nên không kinh tế. Do đó cần phải tìm ra phương pháp điều khiển mới, đảm bảo thời gian điều chỉnh máy để gia công tử loại chi tiết này sang loại chi tiết khác được nhanh. Yêu cầu này được thực hiện với việc điều khiển theo chương trình. Điều khiển theo chương trình là một dạng điều khiển tự động mà tín hiệu điều khiển(tín hiệu ra) thay đổi theo một quy luật đã định trước. Nói cách khác, trên máy điều khiển theo chương trình, thứ tự giá trị của chuyển động cũng như thứ tự chuyển động của các bộ phận của máy, đóng mở các hệ thống làm nguội, bôi trơn, thay giao… đều đưôc thực hiện theo một trình tự đã được lập trình sẵn. Các cơ cấu mang chương trình này được đặt vào thiết bị điều khiển và máy sẽ làm việc tự động theo chương trình đã chọn. Nếu các chương trình trên được ghi lại bằng các vấu tì, bằng hệ thống cam, bằng mẫu chép hình… ta gọi hệ thống điều khiển đó là hệ thống điều khiển vi số. Nếu các chương trình được biểu thị bằng các chữ số dưới dạng mã hiệu, ta gọi đó là chương trình điều khiển theo dạng số. Như vậy điều khiển theo chương trình số là một quá trình tự động cho phép đưa một cơ cấu di động từ vị trí này đến vị trí khác bằng một lệnh. Sự dịch chuyển này có thể là lượng di động thẳng hay góc quay theo các bậc tự do. Trong nhiều trường hợp phương pháp điều khiển theo chương trình số được thiết kế tự động hóa việc di chuyển một cơ cấu từ vị trí này đến vị trí khác, ta gọi là điều khiển theo điển. nhưng ta chũng thực hiện dễ dàng khi rút ngắn vô hạn khoảng cách giữa hai điển di động kế tiếp nhau và sẽ đạt được một quá trình điều khiển quĩ đạo gọi là “điều khiển theo đường”. Phương pháp điều khiển chương trình số có thể được dùng để di động bất kỳ một cơ cấu nào được truyền động bằng cơ. Phạm vi sử dụng của nó rất rộng, nhưng chủ ỵếu là tự động hóa máy công cụ. Chương trình ghi bằng các chữ số được thực hiện ở ngoài máy, dưới dạng băng xuyên lỗ, bằng từ. đĩa từ, film… Các chương trình này có thể cât giữ vào kho, khi cần sử dụng ta chỉ cần nạp vào máy để máy thực hiện chương trình và điều khiển các chuyển động theo yêu cầu. Vì làm các chương trình số có thể tiến hành xa máy và máy có hệ thống đo lường riêng, nên hệ thống này có thể thay đổi dễ dàng và nhanh chóng. 5 Hệ thống điều khiển theo chương trình số còn được gọi là hệ thống NC (Numerical Control) và máy điều khiển theo chương trình số được gọi là máy NC. Như thế máy NC là loại máy công cụ hoạt động tự động một phần hoặc toàn phần với các lệnh được thể hiện bằng dạng tín hiệu số được ghi trên phiếu đục lỗ, đĩa từ, băng từ… Công nghệ ngày càng được phát triển cao hơn nữa, đặc biệt là CAD (Computer Aided Design), CAM (Computer Aided Menufacturer) giúp cho công việc sản xuất diễn ra nhanh hơn và linh hoạt hơn, từ đó máy CNC ra đời. máy CNC là máy NC nhưng được hỗ trợ bằng máy tính. 1.1.2.2.Máy CNC ngày nay CNC- Computer Numerical Control Hệ thống dựa trên máy vi tính, chứa một hoặc một vài máy vi tính (bộ xử lý) trong đó phần mềm giữ chức năng thi hành các thuật toán của việc điều khiển máy công cụ. CNC là một loại máy điều khiển theo chương trình số, có cơ cấu vận hành tự động thực hiện nhiều công việc khác nhau sau mỗi lần phôi được gá với sự điều khiển của máy tính. Về cơ bản, hoạt động của may CNC do chương trình của máy tính lắp trên consol của máy điều khiển. Chương trình điều hành cơ bản được cài đặt để thực hiện các nhiệm vụ: – Nạp dữ liệu chương trình và ghi nhớ dữ liệu – Xử lý các dữ liệu để nhận được các chuyển động của máy và các chức năng phụ như hệ thống đóng ngắt. – Điều khiển các chuyển động của máy: chuyển dịch tọa độ, tính toán sai số và hiệu chỉnh. Ngày nay, người ta đã quen với máy CNC và không lấy làm ngạc nhiên về sự huyền diệu của nó. Điều này làm cho giá của nhiều loại máy CNC giảm xuống, nhiều cơ sở nhỏ và gia đình cũng đã có khả năng sử dụng nó. Tuy nhiên máy CNC sẽ không thể phát huy được hết các ưu điểm của nó nếu không có một phần mềm chuyên tạo các thiết kế một cách nhanh chóng và có độ chính xác cao. Các phần mềm CAD, chẳng hạn như Autocad , sẽ giúp được chúng ta trong việc tạo các bản vẽ đạt được những yêu cầu trên. Vậy tất cả những cái ta cần là một máy tính, phần mềm CAD, phần mềm CNC, mạch điều khiển và phần cơ khí dùng được tích hợp hàng loạt động cơ bước. 6 Các loại máy CNC sẽ có một tương lai bùng nổ mạnh mẽ. Một ý tưởng đang được phát triển là một chiếc máy có trục chính được treo lên bởi sáu thanh giằng vít me bi lồng vào nhau. Chuyển động của trục chính được điều khiển bởi một máy tính phức tạp có khả năng thực hiện hàng triệu phép tính để đảm bảo đường mức chi tiết chính xác. Phải mất vài triệu đô la để phát triển và sử dụng toán học độc quyền cấp độ cao, chiếc máy này hứa hẹn khả năng thực hiện những hoạt động chưa từng nghe thấy trong gia công kim loại. Sự tiến bộ trong máy tính và trí thông minh nhân tạo sẽ làm cho những chiếc máy CNC tương lai nhanh hơn và dễ vận hành hơn. Tất nhiên, giá của những chiếc máy như vậy chắc chắn sẽ không rẻ và có thể vượt quá tầm với của nhiều công ty. Tuy nhiên, nó sẽ đưa giá của những máy CNC cơ bản thực hiện những chuyển động 3 trục ban đầu xuống một mức độ nhất định. 1.1.2.3. Hiệu quả kinh tế của máy CNC. Hiệu quả kinh tế do máy CNC đem lại có thể chỉ ra ở các khía cạnh dưới đây:
Tự động hóa sản xuất: Máy CNC không chỉ quan trọng trong ngành cơ khí mà còn trong nhiều ngành khác như may mặc, giày dép, điện tử v.v. Bất cứ máy CNC nào cũng cải thiện trình độ tự động hóa của doanh nghiệp: người vận hành ít, thậm chí không còn phải can thiệp vào hoạt động của máy. Sau khi nạp chương trình gia công, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, và như vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác. Thứ nữa, ít xảy ra hỏng hóc do lỗi vận hành, thời gian gia công được dự báo chính xác, người vận hành không đòi hỏi phải có kỹ năng thao tác (chân tay) cao như điều khiển máy công cụ truyền thống.
Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm: Các máy CNC thế hệ mới cho phép gia công các sản phẩm có độ chính xác và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được. Một khi chương trình gia công đã được kiểm tra và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo cho “ra lò” hàng loạt sản phẩm phẩm với chất lượng đồng nhất. Đây là yếu tố vô cùng quan trọng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn.
Linh hoạt: Chế tạo một chi tiết mới trên máy CNC đồng nghĩa với nạp cho máy một chương trình gia công mới. Được kết nối với các phần mềm CAD/CAM, công nghệ CNC trở nên vô cùng linh hoạt giúp các doanh nghiệp thích ứng với các thay đổi nhanh chóng và liên tục về mẫu mã và chủng loại sản phẩm của khách hàng. 7 1.2. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI MÁY CNC ĐANG DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP HIỆN NAY 1.2.1. Máy khoan CNC (Drilling Machine). Hình 1.1. Máy khoan CNC Đặc điểm chính của máy khoan CNC là hệ tọa độ máy hình thành trên cơ sở hệ tọa độ Descartes vuông góc theo quy tắc bàn tay phải với ba trục vuông góc nhau đôi một. 1.2.2. Máy phay CNC (Milling Machine) Đặc điểm chính của máy phay CNC là hệ tọa độ máy cũng được hình thành trên cơ sở hệ tọa độ Descartes vuông góc theo quy tắc bàn tay phải với ba trục vuông góc nhau đôi một như máy khoan CNC. Máy phay CNC có thể có nhiều trục máy (trục 1 2 chuyển động), số trục ít nhất của máy phay CNC là 2 D. Máy phay CNC được trang bị hệ thống lưu trữ dụng cụ, thiết bị thay dụng cụ, cơ cấu kẹp, tháo phôi và thay phôi tự động. Máy phay CNC có cấu trúc trục chính bố trí thẳng đứng được gọi là máy phay đứng. Máy phay CNC có cấu trúc trục chính bố trí nằm ngang được gọi là máy phay nằm ngang. 8 Hình 1.2. Máy phay CNC 1.2.3. Máy tiện CNC (Turning Machine) Cấu trúc cơ bản của máy tiện CNC là trục chính thường được bố trí nằm ngang hoặc thẳng đứng, bàn máy có thể bố trí trên mặt phẳng ngang hoặc trên mặt phẳng nghiêng. Phôi được kẹp bằng mâm cặp hoặc được đặt trên hai đầu chống tâm mà một trong hai đầu có khía nhám để truyền momen xoắn. Máy tiện CNC có thể có nhiều trục chính, nhiều bàn xe dao và đầu revonver; nó có khả năng công nghệ rất rộng như: tiện trơn, tiện ren, khoan, khoét, doa, khoan tâm, cắt đứt, tiện mặt đầu, phay… 9 Hình 1.3. Máy tiện CNC 1.2.4. Máy doa CNC (Boring Machine) Trục chính máy doa CNC thường được bố trí nằm ngang hoặc thẳng đứng, tuy nhiên, khi nghiên cứu đặc trưng công nghệ thực hiện trên máy doa, người ta nhận thấy cấu trúc máy doa hợp lý nhất là trục chính nằm ngang. Đặc điểm của công nghệ doa đòi hỏi máy doa CNC phải có độ chính xác vị trí cao. Ngoài ra hệ điều khiển máy còn phải có khả năng tự động lựa chọn chế độ gia công phù hợp với vật liệu dao và vật liệu phôi, phải có khả năng tự động xác định lượng mòn dụng cụ để thực hiện hiệu chỉnh ngay trong lúc đang gia công và máy còn phải được trang bị phần mềm đồ họa đủ mạnh để mô phỏng quá trình gia công chi tiết trên máy. 10 Hình 1.4. Máy doa ngang CNC 1.2.5. Máy mài CNC (Grinding Machine) Dựa trên cơ sở công nghệ, máy mài CNC được phân chia thành các loại khác nhau như: máy mài phẳng, máy mài tròn ngoài, máy mài tròn trong, máy mài răng, máy mài định hình…. Công nghệ mài đòi hỏi độ chính xác, độ bóng bề mặt rất cao vì vậy độ chính xác của máy mài CNC luôn cao hơn các loại máy CNC khác. Để đạt đúng điều kiện gia công, hệ thống điều khiển của máy mài CNC phải đảm bảo được: bàn máy dịch chuyển êm, lượng dịch chuyển nhỏ và chính xác hơn nhiều so với các máy khác. Để đạt được độ bóng cao thì tốc độ cắt của máy mài phải cao nên tốc độ trục chính có thể đạt đến vài chục nghìn vòng/phút, tốc độ tiến dao thường vào khoảng 0,002 mm/phút đến 6 mm/phút. Hình 1.5. Máy mài đứng CNC