Tài liệu Bg - c 1,2

  • Số trang: 24 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 118 |
  • Lượt tải: 0
tranvantruong

Đã đăng 3224 tài liệu

Mô tả:

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) n1  V x  x  yt  0  i 1 R  n1  y  y0   V xt  i 1 R Trong đó V V  R yt  R y V V  xt  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 < 45C. - 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 -