CHƯƠNG 1 Tổng Quan Về Cơ Sở Lý Thuyết 1.1 Giới thiệu chung về CNC 1.1 Định nghĩa và phân loại 1) Định nghĩa CNC[1] được viết tắt của cụm từ Computer Numerical Control là một dạng máy được điều khiển tự động dưới sự trợ giúp của máy tính. Các bộ phận trong đó tự động lập trình để hoạt động theo chuỗi sự kiện mà người dùng thiết lập để tạo ra được sản phẩm có hình dạng và kích thước theo yêu cầu. 2) Phân loại máy CNC a) Theo dạng máy công cụ Máy tiện CNC, máy khoan CNC, máy doa CNC, máy mài CNC, máy cắt bánh răng CNC, máy phay CNC, máy bào CNC, máy chuốt CNC, máy cưa CNC. b) Theo phương pháp cắt gọt ❖ Máy CNC Router: Máy CNC router là máy cắt CNC điều khiển bằng máy tính được sử dụng để cắt gỗ, nhựa và vật liệu tổng hợp.
Nó cũng thường được sử dụng để cắt nhôm và kim loại mềm khác. Độ cứng vững của máy CNC router kém hơn so với loại máy CNC được sử dụng để cắt kim loại cứng hoặc làm các bộ phận đòi hỏi độ chính xác lắp ghép cao. Máy CNC router được thiết kế để tối đa hóa hành trình làm việc và chi phí. ❖ Máy cắt plasma CNC và máy khắc (cắt) laser CNC: Máy cắt laser dùng nguồn laser công suất cao, qua hệ thống quang học tập trung chùm tia laser đầu ra để cắt vật liệu.
Có ba loại máy cắt laser chính thường được sử dụng. - Laser khí, chẳng hạn như CO2 hoặc Nd/Nd-YAG, tạo ra laser bằng cách tạo ra một dòng điện thông qua một loại khí. Chúng được sử dụng trong công nghiệp để cắt các vật liệu bao gồm thép nhẹ, nhôm, thép không gỉ, titan, giấy, sáp, nhựa, gỗ và vải. Hoàng Đình Đức Page 10 Khoa Điện – Điện Tử - Laser rắn, chẳng hạn như laser sợi quang (laser fiber), sử dụng vật chứa rắn để sản xuất chùm tia laser, sau đó được khuếch đại bằng sợi thủy tinh.
Với bước sóng laser cực ngắn, kích thước điểm nhỏ của laser sợi quang để cắt vật liệu kim loại phản chiếu. - Máy cắt plasma CNC thường được xếp chung với máy cắt laser do chúng dùng tia hồ quang làm nóng chảy giữa 2 điện cực để cắt kim loại. Vật liệu tiêu biểu trong cắt bằng máy CNC plasma là thép, thép không gỉ, nhôm, đồng và đồng thau. ❖ Máy in 3D: In 3D là một quá trình tạo các vật thể rắn từ một file mẫu trên máy tính.
Máy tính sẽ chia đối tượng in ra làm rất nhiều lớp mỏng, quá trình in 3D chính là liên tục chồng các lớp vật liệu lên nhau. ❖ Máy CNC nhiều trục: Gia công nhiều trục là một quy trình sản xuất mà máy tính điều khiển công cụ di chuyển theo 4 hoặc nhiều hướng, máy này được sử dụng để chế tạo các bộ phận bằng kim loại hoặc các vật liệu khác. Các máy công cụ CNC điển hình hỗ trợ 3 trục gọi là X , Y, Z. Máy CNC nhiều trục cũng hỗ trợ chuyển động xoay quanh một hoặc nhiều trục.
Hoàng Đình Đức Page 11 Khoa Điện – Điện Tử 1.2 Cấu tạo máy khoan CNC Hình 1. 1 Máy CNC Trên thị trường hiện nay có nhiều loại máy CNC được sản xuất từ nhiều nước với những tiêu chuẩn khác nhau. Nhưng nhìn chung, một máy CNC đều phải có những bộ phận cơ bản gồm 2 phần chính: 1) 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. 2) Phần điều khiển: các loại động cơ, các hệ thống điều khiển và máy tính trung tâm.
❖ Phần chấp hành. • 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. • 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 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 Hoàng Đình Đức Page 12 Khoa Điện – Điện Tử thì bàn máy đều là dạng bàn máy xoay được, nó có ý nghĩa như trục thứ 4, thứ 5 của máy. • Cụm trục chính: Là nơi lắp dụng cụ, chuyển động quay của trục chính sẽ sinh ra lực cắt để cắt gọt phôi trong quá trình gia công. Trục chính được điều khiển bởi các động cơ.
Thường sử dụng động cơ Servo theo chế độ vòng lặp kín, bằng công nghệ số để tạo ra tốc độ điều khiển chính xác và hiệu quả cao dưới chế độ tải nặng. Hệ thống điều khiển chính xác góc giữa phần quay và phần tĩnh của động cơ trục chính để tăng momen xoắn và gia tốc nhanh. Hệ thống điều khiển này cho phép người sử dụng có thể tăng tốc độ của trục chính lên rất nhanh. • Băng dẫn hướng: Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động của ban theo X,Y và chuyển động theo trục Z của trục chính.
• Trục vit me, đai ốc: Trong máy công cụ điều khiển số người ta thường sử dụng hai dạng vit me cơ bản đó là: vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi: Vít me đai ốc thường: là loại vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc mặt. Vít me đai ốc bi: là loại mà vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc lăn • Ổ tích dụng cụ: Dùng để tích chứa nhiều dao phục vụ cho quá trình gia công. Nhờ có ổ tích dao mà máy CNC có thể thực hiện được nhiều nguyên công cắt gọt khác nhau liên tiếp với nhiều loại dao cắt khác nhau. Do đó quá trình gia công nhanh hơn và mang tính tự động hoá cao.
• Các xích động của máy: Tất cả các đường chuyền động đến từng cơ cấu chấp hành của máy công cụ điều khiển số đều dùng những nguồn động lực riêng biệt, bởi vậy các xích động học chỉ còn 2 loại cơ bản sau: Xích động học tốc độ cắt gọt. Xích động học của chuyền động chạy dao. Hoàng Đình Đức Page 13 Khoa Điện – Điện Tử ❖ Phần điều khiển. Các cụm điều khiển chính trên máy CNC: Cụm điều khiển máy MCU (Machine Control Unit) được hình thành trên cơ sở thiết bị điều khiển điện tử, thiết bị vào ra và các thiết bị số.
Nó được coi là trái tim của máy công cụ điều khiển số CNC. Lệnh CNC thực hiện bên trong bộ điều khiển sẽ thông báo cho mô tơ chuyển động quay đúng số vòng cần thiết → trục vit me bi quay đúng số vòng quay tương ứng → kéo theo chuyển động thẳng của bàn máy và dao. Thiết bị phản hồi ở đầu kia của vit me bi cho phép kiểm soát kết thúc lệnh đúng khi số vòng quay cần thiết được thực hiện. Cụm dẫn động (Driving Unit): Là tập hợp những động cơ, sensor phản hồi, phần tử điều khiển, khuếch đại và các hệ dẫn động.
Động cơ truyền động và cảm biến - Thuật ngữ “động cơ truyền động” bao gồm động cơ di chuyển bàn máy và động cơ trục chính. - Đông cơ trục chính là thiết bị tạo ra tốc độ và mômen cắt bằng cách quay dao hoặc phôi gia công. Mô men xoắn cao và tốc độ cao là rất quan trọng đối với động cơ trục chính do đó động cơ không đồng bộ thường được sử dụng. - Động cơ di chuyển bàn máy của máy là các thiết bị cơ điện được sử dụng để điều khiển chuyển động của các trục X, Y và Z trong máy CNC cần đặc điểm như mô men xoắn cao, khả năng tăng tốc tức thời và phản ứng nhanh ở tốc độ thấp và có thể điều khiển đồng thời vận tốc và vị trí.
Động cơ di chuyển bàn máy có hai loại chính là động cơ sevor và động cơ bước. Hoàng Đình Đức Page 14 Khoa Điện – Điện Tử • Hệ dẫn hướng cho các trục: Trục vít me bi được sử dụng để di chuyển bàn máy do chúng có ma sát thấp và độ rơ rất nhỏ nên hiệu suất truyền động cao và đạt được độ chính xác vị trí cao. Dẫn hướng được dùng là thanh ray trượt hay còn gọi là ray trượt tuyến tính (LM), được sử dụng để tăng độ chính xác và độ mượt của chuyển động tuyến tính. 2 Hệ dẫn hướng cho các trục 1.3 Hệ điều khiển máy CNC 1) Điều khiển bán kín Trong loại này, cảm biến vị trí được gắn vào trục của động cơ servo và phát hiện góc quay, do đó độ chính xác vị trí của trục động cơ có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của vít me bi.
Với kiểu điều khiển này thì vít me bi cần có độ chính xác cao để đảm bảo được độ chính xác vị trí của bàn máy. Vòng điều khiển bán kín được sử dụng rộng rãi trong máy CNC do tính chất khá đơn giản và độ chính xác tương đối cao. 2) Điều khiển kín Cảm biến vị trí được gắn vào bàn máy và vị trí thực tế được đưa trở lại hệ thống điều khiển. Vòng lặp kín và vòng bán kín là tương tự ngoại trừ vị trí của cảm biến và độ chính xác vị trí của vòng khép kín là rất cao.
Tuy nhiên, tần số cộng hưởng của thân máy, thanh trượt, và chuyển động bị mất có ảnh hưởng đến các đặc tính servo vì thân máy được bao gồm trong vòng điều khiển vị trí. Hoàng Đình Đức Page 15 Khoa Điện – Điện Tử 3) Vòng điều khiển lai Trong vòng lặp lai, có hai loại điều khiển vòng lặp; vòng bán khép kín, nơi vị trí được phát hiện từ trục của động cơ, và vòng khép kín, dựa trên thước tuyến tính. Trong vòng bán khép kín, có thể kiểm soát tốt vì thân máy không được bao gồm trong hệ thống điều khiển. Các vòng khép kín tăng độ chính xác bằng cách bù lỗi cho vòng bán kín không thể kiểm soát.
Bằng cách kết hợp vòng khép kín và vòng bán khép kín, có thể đạt được độ chính xác cao kể cả trong môi trường hoạt động không tốt. 4) Vòng điều khiển hở Vòng điều khiển hở có thể được áp dụng trong trường hợp độ chính xác của điều khiển không cao và sử dụng với động cơ bước được sử dụng. Vì vòng lặp mở không cần thiết bị dò và mạch phản hồi, cấu trúc rất đơn giản.