CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT 1. Khái niệm CNC là viết tắt của các từ Computer Numerical Control, xuất hiện vào khoảng đầu thập niên 1970 khi máy tính bắt đầu được dùng ở các hệ điều khiển máy công cụ thay cho NC, Numerical (Điều khiển số). CNC đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc với mục đích sản xuất (có tính lặp lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi mã G. CNC được phát triển cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950 ở trong phòng thí nghiệm Servomechanism của trường MIT.
Trước khoảng thời gian này, các chương trình NC thường phải được mã hoá và xử lý trên các băng đục lỗ, hệ điều khiển các trục máy chuyển động. Cách này đã cho thấy nhiều bất tiện, chẳng hạn khi sửa chữa, hiệu chỉnh chương trình, khó lưu trữ, truyền tải, dung lượng bé. Hệ điều khiển CNC khắc phục các nhược điểm trên nhờ khả năng điều khiển máy bằng cách đọc hàng loạt ngàn bit thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ, cho phép giao tiếp, truyền tải và xử lý, điều khiển các quá trình một cách nhanh chóng, chính xác. Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp.
Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác do con người thực hiện được giảm thiểu. Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát triển đáng kể về chính xác và chất lượng. Kĩ thuật tự động của CNC giảm thiểu các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các công việc khác. Ngoài ra còn cho phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác.
Trong môi trường sản xuất, một loạt các máy CNC kết hợp thành một tổ hợp, gọi là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận. Máy CNC ngày ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CĐT-TBTĐ nay được điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM, vì thế một bộ phận hay lắp ráp có thể trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần các bản vẽ in của từng chi tiết. Có thể nói CNC là các phân đoạn của các hệ thống robot công nghiệp, tức là chúng được thiết kế để thực hiện nhiều thao các sản xuất (trong tầm giới hạn). Các loại máy tiện CNC phổ biến hiện nay gồm có: Máy tiện CNC Máy phay CNC Máy khoan tia lửa điện CNC Máy cắt dây CNC Hình 1.1: Máy phay CNC Hình 1.
Kết cấu và nguyên lý hoạt động máy CNC Gồm 2 phần chính: + Phần chấp hành: Đế máy, thân máy, bàn máy, bàn xoay, trục vít me bi, ổ tích dụng cụ, cụm trục chính và băng dẫn hướng. + Phần điều khiển: các loại động cơ, các hệ thống điều khiển và máy tính trung tâm. Mô hình tổng quan một máy CNC: ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CĐT-TBTĐ Hình 1.3: Mô hình tổng quan một máy CNC Hình 1.4: Sơ đồ động máy CNC 3 trục Nguyên lý hoạt động: ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CĐT-TBTĐ Ta xuất File thiết kế CAD 2D/3D sau đó lập trình trên phầm mềm CAM để lên chương trình chạy dạo của máy. Chương trình được đưa vào bộ xử lý sẽ biến chương trình CAM thành mã G-Code mà máy có thể đọc.
Mã G-Code được tải lên máy CNC cùng với tất cả các công cụ cắt gọt cần thiết như dao phay ngón, dao lăn ren, mũi khoan. Sau đó, máy sẽ được đưa vào chế độ tự động và khởi động chương trình, điều khiển tất cả các tính năng của máy như di chuyển, tốc độ tiến dao, tốc độ trục chính, công cụ cắt,.để gia công chi tiết. Việc còn lại của người đứng máy là theo dõi quá trình vận hành nhằm đảm bảo mọi thứ đều đi đúng với lập trình và xử lí khi có sự cố xảy ra. Các thành phần cơ bản của hệ thống Thân máy và đế máy Thường được chế tạo bằng các chi tiết gang vì gang có độ bền nén cao gấp 10 lần so với thép và đều được kiểm tra sau khi đúc để đảm bảo không có khuyết tật đúc.
Bên trong thân máy chứa hệ thống điều khiển, động cơ của trục chính và rất nhiều hệ thống khác. Yêu cầu: - Phải có độ cứng vững cao. - Phải có các thiết bị chống rung động. - Phải có độ ổn định nhiệt.
Mục đích: - Phải đảm bảo độ chính xác gia công. - Đế máy để đỡ toàn bộ máy tạo sự ổn định và cân bằng cho máy. Bàn máy Bàn máy là nơi để gá đặt chi tiết gia công hay đồ gá. Nhờ có sự chuyển động linh hoạt và chính xác của bàn máy mà khả năng gia công của máy CNC ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CĐT-TBTĐ được tăng lên rất cao, có khả năng gia công được những chi tiết có biên dạng phức tạp.
Đa số trên các máy CNC hay trung tâm gia công hiện đại thì bàn máy đều là dạng bàn máy xoay được, nó có ý nghĩa như trục thứ 4, thứ 5 của máy. Nó làm tăng tính vạn năng cho máy CNC. Yêu cầu của bàn máy: Phải có độ ổn định, cứng vững, được điều khiển chuyển động một cách chính xác. àn máy và vị trí thực của bàn máy được hồi tiếp về hệ điều khiển.
Hệ điều khiển vòng kín và hệ điều khiển vòng hở khá giống nhau ngoại trừ vị trí của thiế bị giám sát được lắp ở bàn máy hay ở trục của động cơ và độ chính xác của thiết bị nhận biết vị trí của của hệ điều khiển vòng kín rất cao. Bộ phát hiện lỗi tạo ra một tín hiệu lỗi, vì vậy đây là sự biến đổi của đầu vào cũng như tín hiệu phản hồi. Tín hiệu phản hồi này có thể nhận được từ các thiết bị giám sát trong hệ thống điều khiển bằng cách coi đầu ra của hệ thống là đầu vào. Là một thay thế cho đầu vào, tín hiệu lỗi này có thể được đưa ra làm đầu vào của bộ điều khiển 5.
Hệ thống điều khiển vòng hở Bộ điều khiển vòng hở, còn được gọi là một bộ điều khiển không-phản hồi, là một dạng của bộ điều khiển dùng để tính toán đầu vào của nó vào 1 hệ thống chỉ sử dụng dòng trạng thái và mô hình của nó cho hệ thống. Một đặc tính của bộ điều khiển vòng hở là nó không sử dụng hồi tiếp để xác định liệu đầu ra của nó có đạt được mục đích mong muốn của đầu vào hay không. Điều này có nghĩa là hệ thống này không giám sát đầu ra của quá trình mà nó điều khiển. Do đó, một hệ thống vòng hở thực sự không thể được sử dụng trong máy học và cũng không thể hiệu chỉnh bất kỳ sai số có thể mắc phải nào.
Nó cũng không thể bù nhiễu trong hệ thống. ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CĐT-TBTĐ Hình 5.2- Mô hình cơ bản của hệ thống điều khiển vòng hở 5. Các dạng điều khiển máy CNC Một số dạng điều khiển máy CNC hiện nay là: Điều khiển điểm (điều khiển vị trí): Được dùng để gia công lỗ bằng các phương pháp như khoan, khoét, doa, … Điều khiển đường: Dùng trong các máy để gia công các chi tiết mà dụng cụ cắt thực hiện lượng chạy dao song song với một trục tọa độ của máy, thường áp dụng trên các máy phay, máy điện đơn giản. Điều khiển theo đường viền: Cho phép thực hiện chạy dao trên nhiều trụ 1 lúc, để có thể gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp.
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CĐT-TBTĐ a, Điều khiển điểm b, Điều khiển đoạn c, Điều khiển đường Hình 5.3- Hình ảnh minh họa các dạng điều khiển 5. Các phần tử cơ bản và thông số kỹ thuật Các phần tử cơ bản của hệ ĐK kín được mô tả qua sơ đồ cấu trúc vật lý sau: ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CĐT-TBTĐ Hình 5.4- Cấu trúc hệ điều khiển kín Các phần tử cơ bản của hệ thống bàn chạy dao CNC gồm (H1.3): Encoder, động cơ, hệ thống PLC, công tắc, nút ấn, v. Các thiết bị đo và giám sát vị trí (Encoder) Hình 5.5- Hệ thống đo vị trí gián tiếp Encoder hay còn gọi là Bộ mã hóa quay hoặc bộ mã hóa trục, là một thiết bị cơ điện chuyển đổi vị trí góc hoặc chuyển động của trục hoặc trục thành tín hiệu đầu ra analog hoặc kỹ thuật số. Encoder được dùng để phát hiện vị trí, hướng di chuyển, tốc độ, v.
của động cơ bằng cách đếm số vòng quay được của trục. ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CĐT-TBTĐ Trong máy CNC encoder được dùng gia công cơ khí chính xác hoàn toàn tự động. Điều khiển và xác định các góc quay của dao hoặc bàn gá, hiển thị trên máy tính là đường thẳng hoặc góc bao nhiêu độ. Trong cấu tạo của máy CNC thì encoder là một bộ phận rất quan trọng.
Có thể hình dung nó giống bộ phận công tơ mét ở xe máy hay ô tô. Nó sẽ đo đạc và hiển thị các thông số về tốc độ của máy cho người sử dụng biết thông qua hệ thống giám sát của máy tính điều khiển. Thông số kỹ thuật: Encoder Omron E6B2-CWZ6C: - Pha đầu ra: A, B và Z - Đường kính trục: 6mm - Đường kính thân: 40mm - Điện áp hoạt động: 5-24 V - Dòng tiêu thụ: max 80mA Hình 5.6- Encoder Omron - Tần số đáp ứng: 100KHz E6B2-CWZ6C [*] - Tiêu chuẩn: IEC 60529 IP50 - Chiều dài cable: 2m - Trọng lượng: 195g - Nhiệt độ làm việc: -10~70oC - Độ ẩm làm việc (%RH): 35-85% - Loại: Tương đối - Ngõ ra: NPN cực thu hở (cần mắc trở để kéo lên VCC để tạo mức cao) Động cơ servo: Động cơ Servo là một trong những dòng động cơ phổ biến và thường được dùng trong các máy cắt cnc thời điểm hiện nay rất nhiều nhờ vào hiệu suất làm ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CĐT-TBTĐ việc và khả năng làm việc chính xác cũng như tự động hoàn toàn được lập trình bằng máy tính, do đó động cơ SERVO đang dần thay thế động cơ thường trong các ngành công nghiệp. Động cơ servo là một phần của hệ thống vòng kín và bao gồm một số bộ phận là mạch điều khiển, động cơ servo, trục, chiết áp, bánh răng truyền động, bộ khuếch đại và bộ mã hóa hoặc bộ giải.
Động cơ servo là một thiết bị điện khép kín.