Chương I: ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY CNC 1. Khái niệm về máy điều khiển số 1.1 Điều khiển: Điều khiển là phương pháp hiệu chỉnh dòng năng từ nguồn cho đến cấp cơ cấu chấp hành hoặc qui trình công nghệ nào đó để có thể đạt được một kết quả mong muốn.2 Điều khiển số 1.1 Bản chất của điều khiển số Khi gia công trên các máy công cụ thì chi tiết và dụng cụ cắt chuyển dộng tương đối với nhau. Những chuyển dộng lặp lại nhiều lần khi gia công chi tiết được gọi là chu kì gia công. Mỗi chu kì gia công được đặc trung bởi hai thành phần.
Đó là phần kích thước và phần điều khiển. Đây là hai thông tin không thể thiếu trong bất kì một máu điều khiển nào. Thông tin về kích thước cho phép xác định hành trình của chu kì; trong khi đó thông tin về sự điều khiển cho phép xác định thứ tự của hành trình theo thời gian.2 Phân loại hệ thống điều khiển máy công cụ Người ta chia hệ thống điều khiển máy công cụ thành hai loại: Điều khiển theo kiểu truyền thống (điều khiển không theo số) Điều khiển số 1.1 Điều khiển theo kiểu truyền thống Hệ thống điều khiển (HTDK) theo kiểu này gồm: điều khiển bằng cam, điều khiển theo quãng đường, điều khiển theo thời gian, điều khiển theo chu kì,. Nhìn chung các loại điều khiển này có chung đặc điểm điều khiển chính sau đây: Điều khiển máy có sự tham gia phần lớn của người vận hành từ khâu cấp phôi, gá phôi, hiệu chỉnh dụng cụ cho đến khâu kiểm tra sản phẩm.
Các thao tác của HTDK thường khó thay đổi (chính xác là không thay đổi được). Do vậy, nó không thích ứng với sự thay đổi sản phẩm. Nếu không có sự tham gia của người vận hành thì cơ cấu máy thực hiện chu trình làm việc liên tục như máy tự động. Với các loại máy này không thay đổi được hoặc muốn thay đổi cũng rất phức tạp.
Do vậy khuynh hướng phát triển chung là người ta muốn có những HTDK mà nó dễ dàng thích nghi với sự thay đổi sản phẩm. Nhìn chung các HTDK theo kiểu truyền thống tuy càng lúc càng được cải thiện tùy theo mức độ cơ khí hóa, tự động hóa cảu nhà máy sản xuất nhưng chưa thực sự đáp ứng được nhu cầu thực tế.2 Điều khiển số Điều khiển số NC (Numerical Control) là một hình thức tự động hóa đặc biệt. Máy công cụ được lập trình để thực hiện một dãy có thứ tự các sự kiện với một tốc độ xác định trước nhằm gia công một chi tiết máy với toàn bộ những kết quả và tham số vật lí hoàn toàn có thể đoán được. Điều này được thực hiện nhờ các bộ vi xử lí.
Nó có thể tiếp nhận và chuyển đổi các dữ liệu gia công thành các tín hiệu điều khiển máy hoạt động và có thể thay đổi chức năng của nó bằng chương trình ngoài, chứ không phải chỉ thực hiện một số chức năng cố định như trước đây. Hệ thống điều khiển số Là hệ thống mà trong đó các hoạt động được điều khiển là dữ liệu số đưa vào trực tiếp ở một điểm nào đó. Hệ thống đó phải tự động dịch chuyển tối thiểu một phần nào đó của dữ liệu này. Dữ liệu số là thông tin cung cấp bởi tín hiệu mã nhị phân.
Nó được biểu diễn dưới dạng mã số hoặc kí tự. Đây là thông tin cần thiết để tạo ra một chương trình, gọi là chương trình gia công chi tiết. Phân loại HTDK Có 2 loại HTDK: hệ thống hở và hệ thống kín. Hệ thống hở 1: Bộ đọc 2: Bộ giải mã 3: Bộ khuếch đại 4: Bàn máy * Đặc điểm: - Các hệ thống điều khiển được vận hành theo nhịp thời gian của một đồng hồ và độc lập với biến ra.
- Không có cảm biến với bộ so sánh. Do đó muốn đảm bảo chính xác cho biến ra cho cơ cấu chấp hành thì cần có yêu cầu cao về độ chính xác của hệ truyền động. - Cấu trúc đơn giản và giá thành thấp. Bộ khuếch đại 4.
Cảm biến 7 * Đặc điểm: - Độ chính xác của biến ra ít phụ thuộc vào hệ truyền động mà phụ thuộc vào cảm biến. - Làm việc chính xác và độ tin cậy cao. Do vậy, hầu hết các HTĐKS hiện nay là hệ thống kín. Các hoạt động điều khiển được vận hành qua các sai lệch điều khiển giữa biến vào và biến ra.
Cấu trúc từng phần của HTĐKS - Bộ đọc: bao gồm các dữ liệu gia công, mô tả các hoạt động của máy kể cả hiệu chỉnh dụng cụ dưới dạng từng câu lệnh của chương trình. Nó được in vào băng đục lỗ. Và chỉ khi nào mỗi một dòng lệnh được hoàn thành nhiệm vụ thì một dòng lệnh khác được đọc. - Bộ giải mã: nhiệm vụ biến nội dung dòng lệnh thành tín hiệu điều khiển.
- Bộ so sánh: so sánh giá trị thực hiện của biến ra để chấp hành với giá trị biến vào của hệ điều khiển. Sai lệch này nếu có sẽ được biến thành tín hiệu điều khiển. - Cảm biến: dùng đo giá trị thực của biến ra. Sau đó, cung cấp cho bộ so sánh dưới dạng tín hiệu, thường là tín hiệu điện.
Quá trình phát triển của máy CNC Điều khiển số NC (Numerical Control) là phương pháp tự động điều chỉnh các máy công tác (máy công cụ, Robot, băng tải vận chuyển phôi liệu, chi tiết gia công, sản phẩm,.) trong đó các hành động bị điều khiển dựa trên cơ sở cung cấp dữ liệu dưới dạng mã nhị phân. Nó được biểu diễn dưới dạng con số thập phân, các dải chữ cái và kí hiệu đặc trưng tạo thành một chương trình làm việc của thiết bị hay của hệ thống. Trước đây cũng đã có những quá trình gia cồn cắt gọt được điểu khiển theo chương trình bằng các kĩ thuật chép hình theo mẫu, chép hình bằng hệ thống thủy lực,. Ngày nay, với sự tiến bộ của KH-KT, nhất là trong lĩnh vực ĐKS và tin học đã tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà chế tạo máy và nghiên cứu và ứng dụng đưa vào các máy công cụ truyền thống các HTĐK tự động.
Biến các máy công này thành các máy điều khiển theo chương trình số, gọi là máy CNC (Computrized Numerical Control). Việc sử dụng các máy CNC cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tế, đồng thời rút ngắn chu kì sản xuất. Do đó, hiện nhiều nước trên thế giới đã và đang ứng dụng rộng rãi công nghệ này vào chế tạo cơ khí. Đặc biệt là chế tạo các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết đòi hỏi độ chính xác và độ phức tạp cao.
Xuất phát từ ý tưởng điều khiển một dụng cụ thông qua một chuỗi lệnh kế tiếp, liên tục như các máy công cụ ĐKS ngày nay được thực hiện mãi từ thế kỉ XIV. Khi ở châu Âu người ta dùng các chốt hình trụ để điều khiển các chuyển động của các hình trang trí trên đồng hồ lớn của nhà thờ. Jacquard dùng những tấm tôn đục lỗ điều khiển tự động máy dệt. Fourmenx phát minh ra đàn Piano nổi tiếng thế gới.
Với băng giấy đục lỗ làm vật mang tin. Shanmon trong khi làm luậ án tiến sĩ đã đi đến kết luận rằng việc tính toán và truyền tải nhanh dữ liệu có thể thực hiện bằng mã nhị phân. Từ năm 1949 đến 1952, John Parsons và Học viện kĩ thuật Massachusett (Massachusett Institute Of Technology) đã thiết kế “một hệ thống điều khiển dành cho máy công cụ, để điểu khiển trực tiếp vị trí của các trục thông qua dữ liệu đầu ra của một máy tính, làm bằng chứng cho một chức năng gia công chi tiết” theo hợp đồng của Không lực Hoa Kì. Cũng trong thời gian này, Parsons cùng với đồng nghiệp của ông đã đưa ra 4 tiên đề cơ bản sau: 1.
Những vị trí được tính ra trên một biên dạng được ghi nhớ vào băng đục lỗ. Các đục lỗ được đọc trên một máy tự động. Những vị trí được đọc ra được liên tục truyền đi và được bổ sung thêm tính toán cho các giá trị trung gian nội tại. Các động cơ servo (vô cấp tốc độ) có thể điều khiển được chuyển động các trục.
Năm 1952, chiếc máy phay ĐKS đầu tiên ra đời mang tên là “ Cincinnate Hydrotel” có trục thẳng đứng do Học viện kỹ thuật Massachusett cung cấp. Đơn vị điều khiển được lắp bằng các bóng đèn điện từ chân không, điều khiển 3 trục nhận dữ liệu thông qua băng đục lỗ mã nhị phân. Năm 1954, Bendix mua bản quyền phát minh của Parsons và chế tạo được thiết bị điều khiển NC công nghiệp đầu tiên, nhưng vẫn còn dùng bóng đèn điện từ chân không. Năm 1958, “công cụ lập trình tự động APT” (Automatically Programmed Tool) ra đời.
Đánh dấu một bước phát triển mới về lập trình cho máy. Trong thời gian đó, giới công nghiệp nói chung đã nhận ra ưu thế tiềm tàng của kĩ thuật ĐKS. Điều đó buộc họ phải xem xét một cách nghiêm túc, chặt chẽ kĩ càng những vấn đề về ngành chế tạo máy của chính họ. Đồng thời họ phải suy nghĩ xem kĩ thuật công nghệ mới này giúp đỡ họ như thế nào để cải tiến phương pháp hiện có của họ.
Người ta nhanh chong nhận ra rằng, phần lớn các bài toán cắt gọt kim loại như: khoan lỗ, tiện phay đường thẳng không nhất thiết phải đòi hỏi tới bộ điều khiển hiện đại, sử dụng những phương pháp máy tính hóa. Thế nhưng, việc ứng dụng ngay cả dạng cơ bản nhất của APT cho những thành phần hình học cơ bản cũng vừa cồng kềnh vừa rắc rối và tốn kém. Do vậy, nhiều ngôn ngũ đơn giản hơn dùng cho mục đích đặc biệt đã được phát triển. Tuy nhiên, đa số các ngôn ngữ này đều lấy APT làm gốc.
Rồi cho đến giữa những thập niên 70, 80, với sự phát triển của công nghệ vi xử lí. Lần đầu tiên nó được đưa vào thiết bị điều khiển số có sự hỗ trợ của máy tính, tạo một bước nhảy khổng lồ trong lĩnh vực ĐKS. Từ các nhà máy ĐKS NC trở thành những nhà máy ĐKS CNC, tức là những máy điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính. Mặt khác, cùng với những mô đun điện tử dùng để xử lí dữ liệu và tạo xung, bộ vi xử lí thành trung tâm đóng ngắt và tính toán tất cả mội điều khiển 9 CNC hiện đại.
Tốc độ truyền nhanh các phần tử này đủ để đưa ra nhiều chức năng và nhiệm vụ tính toán khác nhau mà không ảnh hưởng đến nhịp độ làm việc máy công cụ ghép nối với chúng.