CHƯƠNG 1 Tổng quan về hệ thống máy CNC 1.1Giới thiệu chung về CNC 1.1 Khái niệm CNC (Computer Numeric Controlled – điều khiển bằng máy tính) – là điểu khiển các loại máy móc sản xuất bằng cách sử dụng các chương trình viết kí hiệu chuyên biệt bằng máy tính. Ta có thể bắt gặp các loại máy CNC thường gặp như: máy tiện, máy phay, máy cắt lazer, máy cắt tia nước, máy đột dập.2 Lịch sử phát triển của hệ thống máy CNC Năm 1947, John Parsons nảy ra ý tưởng áp dụng điều khiển tự động vào quá trình chế tạo cánh quạt máy bay trực thăng ở Mỹ. Trước đó, việc gia công và kiểm tra biên dạng của cánh quạt phải dùng các mẫu chép hình, sử dụng dưỡng, do đó rất lâu và không kinh tế. Ý định dùng bìa xuyên lỗ để doa các lỗ bằng cách cho tín hiệu để điều khiển hai bàn dao, đã giúp Parsons phát triển hệ thống Digital của ông.
Với kết quả này, năm 1949, ông ký hợp đồng với USAF ( US Air Force) nhằm chế tạo một loại máy cắt theo biên dạng tự động. Parsons yêu cầu trợ giúp để sử dụng phòng thí nghiệm điều khiển tự động của Viện Công Nghệ Massachusetts (M.) nơi được chính phủ Mỹ tài trợ để chế tạo một loại máy phay 3 tọa độ điều khiển bằng bằng chương trình số. Sau 5 năm nghiên cứu, J. Parsons đã hoàn chỉnh hệ thống điều khiển máy phay và lần đầu tiên trong năm 1954, M.
đã sử dụng tên gọi “Máy NC”. Trong những năm 60, thời gian đã chín mùi cho việc phát triển và ứng dụng các máy NC. Rất nhiều thành viên của ngành công nghiệp hàng không Mỹ đã nhanh chóng ứng dụng, phát triển và đã sản sinh ra thế hệ máy mới (CNC) cho phép phay các biên dạng phức tạp, tạo hình với hai, ba hoặc bốn và năm trục (ba tịnh tiến và hai quay). Các nước châu Âu và Nhật Bản phát triển có chậm hơn một vài năm, nhưng cũng có những đặc điểm riêng, chẳng những về mặt kỹ thuật, mà cả về kết cấu như kết cấu trục chính, cơ cấu chứa dao, hệ thống cấp dao v.v… Từ đó đến nay, hàng loạt máy CNC ra đời với đủ chủng loại và phát triển không ngừng.
Sự phát triển đó dựa vào thành tựu của các ngành: máy tính điện tử, điện tử công nghiệp và điều khiển tự động … Nhất là trong thập niên 90, máy CNC đã đổi mới nhanh chóng chưa từng có trong lãnh vực tự động.3 Những đặc điểm cơ bản của máy CNC Tính năng tự động hóa cao: Tiện CNC có năng suất cắt cao và giảm được tối đa thời gian phụ, do mức độ tự động hóa được nâng cao vượt bậc. Tùy từng mức độ tự động, Tiện CNC có thể thực hiện cùng một lúc nhiều chuyển dộng khác nhau, có thể tự động thay dao, hiệu chỉnh sai số dao cụ, tự động kiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự động hiệu chỉnh sai lệch vị trí tương đối giữa dao và chi tiết, tự động tưới nguội, tự động hút phoi ra khỏi khu vực cắt. Tính năng linh hoạt cao: Chương trình có thể thay đổi dễ dàng và nhanh chóng, thích ứng với các loại chi tiết khác nhau. Do đó rút ngắn được thời gian phụ và thời gian chuẩn bị sản xuất, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tự động hóa sản xuất hàng loạt nhỏ, bất cứ lúc nào cũng có thể sản xuất nhanh chóng những chi tiết đã có chương trình.
Vì thế, không cần sản xuất chi tiết dự trữ, mà chỉ giữ lấy chương trình của chi tiết đó. Tiện CNC gia công được những chi tiết nhỏ, vừa, phản ứng một cách linh hoạt khi nhiệm vụ công nghệ thay đổi và điều quan trọng nhất là việc lập trình gia công có thể thực hiện ngoài máy, trong các văn phòng có sự hỗ trợ của kỹ thuật tin học thông qua các thiết bị máy tính, vi xử lý… Hình 1.1 Hệ thống máy CNC Tính năng tập trung nguyên công: Đa số các máy tiện CNC có thể thực hiện số lượng lớn các nguyên công khác nhau mà không cần thay đổi vị trí gá đặt của chi tiết. từ khả năng tập trung nguyên công, các Tiện CNC đã được phát triển thành các trung tâm gia công CNC. 5 Tính năng chính xác: Đảm bảo chất lượng cao: giảm được hư hỏng do sai sót của con người.
đồng thời cũng giảm được cường độ chú ý của con người khi làm việc. có khả năng gia công chính xác hàng loạt. Độ chính xác lặp lại, đặc trưng cho mức độ ổn định trong suốt quá trình gia công là điểm ưu việt tuyệt đối của Tiện CNC. Tiện CNC có hệ thống điều khiển khép kín có khả năng gia công được những chi tiết chính xác cả về hình dáng đến kích thước.
những đặc điểm này thuận tiện cho việc lắp lẫn, giảm khả năng tổn thất phôi liệu ở mức thấp nhất.2 Các phương pháp điều khiển trên máy CNC 1.1 Điều khiển 2D Điều khiển biên dạng 2D cho phép thực hiện chạy dao trên 2 trục đồng thời trong một mặt phẳng gia công. Nếu một máy phay CNC có 3 trục thì điều khiển biên dạng 2D có thể phay được với 2 trục. Trục thứ 3 phải được tiến dao độc lập với trục kia.2 Điều khiển 21/2D Dạng điều khiển biên dạng này cho phép chuyển ăn dao đồng thời theo 2 trục nào đó để gia công bề mặt trong mặt phẳng nhất định. Điều khiển biên dạng 2,5D khác với các điều khiển 2D ở yếu tố 2 trục được điều khiển đồng thời có thể đổi vị trí cho nhau.
Trên máy phay CNC 3 trục, có thể điều khiển đồng thời trục X và Y, trục Y và Z hoặc X và Z. Tùy theo mặt phẳng gia công được chọn mà các trục khác nhau được điều khiển đồng thời. Do vậy các chuyển động có thể ở các mặt phẳng như: X0Y, Y0Z, X0Z.3 Điều khiển 3D Đây là dạng điều khiển cho khả năng chạy dao đồng thời ở cả 3 trục X, Y, Z theo một quan hệ ràng buộc. Điều khiển 3D thường được ứng dụng trong gia công khuôn mẫu, gia công các chi tiết có bề mặt gia công không gian phức tạp.3 Cấu trúc tổng thể máy CNC Hình 1.5 Các cấu trúc trên máy CNC 7 1.1 Phần điều khiển Phần điều khiển của máy CNC gồm chương trình điều khiển và thiết bị điều khiển: 1.
Chương trình điều khiển: là tập hợp các tín hiệu để điều khiển máy được mã hóa các chữ cái, số và một số ký hiệu khác (cộng, trừ, chấm, gạch nghiêng). Chương trình này được ghi vào cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã số (mã thập phân, nhị phân, bảng đục lỗ). Cơ cấu điều khiển: có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực hiện các biến đổi cần thiết để điều khiển được cơ cấu chấp hành và kiểm tra sự hoạt động của cơ cấu chấp hành thông qua các cảm biến liên hệ ngược. Cơ cấu điều khiển gồm: cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuếch đại, cơ cấu hành trình, cơ cấu đo vận tốc các thiết bị xuất nhập tín hiệu.2 Phần chấp hành Phần chấp hành gồm máy cắt kim loại và một số cơ cấu phục vụ vấn đề từ động hóa như cơ cấu chứa dao, cơ cấu tay máy, hệ thống bôi trơn, hệ thống hút thổi phoi, cấp phôi.
Phần máy cắt kim loại là bộ phận trực tiếp tham gia vào quá trình cắt gọt để tạo thành chi tiết. Phần máy cắt kim loại cũng bao gồm hộp tốc độ, hộp chạy dao thân máy, sóng trượt, bàn máy, trục chính,… Các bộ phận này về cơ bản cũng chính là những bộ phận trong máy vạn năng thông thường. Tuy nhiên để phù hợp với quá trình điều khiển tự động, có độ chính xác, năng suất cao và mở rộng khả năng công nghệ của máy thì những bộ phận trên có những khác biệt so với máy thông thường. • Hộp tốc độ: thường là điều chỉnh vô cấp nmin đến nmax, hoặc vô cấp trong một khoảng giá trị nhất định trong hộp tốc độ.
• Hộp chạy dao: có nguồn dẫn động riêng, thông thường mỗi chuyển động chạy dao được dẫn động bởi một động cơ riêng lẻ. Xét về mặt cơ khí thì giữa chúng hoàn toàn độc lập với nhau. Trong xích truyền động thường sử dụng các phương pháp khử khe hở của bộ truyền vít me- đai ốc bi… • Thân máy: được thiết kế sao cho dễ thải phoi, tưới trơn, dễ thay dao tự động, một số máy còn có thiết bị thay dao tự động hiệu chỉnh tự động khi dao bị mòn… 8 1.4 Hệ trục toạ độ trên máy CNC 1.1 Hệ trục tọa độ trên máy CNC là gì? Các hệ trục tọa độ máy CNC cho phép bạn mô tả chính xác tất cả các điểm trên bề mặt gia công cũng như trong không gian. Cũng như có thể tính toán quỹ đạo chuyển động của các dụng cụ.
Trên các máy CNC, người lập trình thường sử dụng hệ tọa độ Descartes OXYZ. Chúng được xác định theo quy tắc bàn tay phải và được gắn vào chi tiết gia công.6 Hệ trục tọa độ trên máy CNC Gốc của hệ trục tọa độ có thể đặt tại bất kỳ một điểm nào đó trên chi tiết. Nhưng thông thường sẽ chọn tại những điểm thuận lợi cho việc lập trình. Đồng thời dễ dàng kiểm tra kích thước theo bản vẽ của chi tiết gia công mà không phải thực hiện nhiều bước tính toán.7 Hệ trục tọa độ trên máy CNC theo quy tắc bàn tay phải Trên các máy điều khiển theo chương trình số, chi tiết gia công luôn luôn là cố định và gắn với hệ thống tọa độ cố định.
Mọi chuyển động tạo hình và cắt gọt đều do dụng cụ thực hiện. 9 Phương trục chính của máy là phương của trục OZ. Chiều dương của nó được quy ước khi dao tiến ra xa chi tiết. Đối với các chuyển động quay xung quanh các trục tương ứng X, Y, Z được xác định bằng các địa chỉ A, B, C.
Chúng sẽ được xác định là dương, khi chiều quay đó có hướng thuận chiều kim đồng hồ. Ngoài ra, còn một số chuyển động phụ song song với các trục tương ứng với các trục X, Y, Z là các địa chỉ U, V, W.2 Hệ trục tọa độ trên các loại máy CNC * Hệ trục tọa độ máy phay CNC - Hệ trục tọa độ máy phay đứng CNC Trục chính của máy phay đứng CNC có phương thẳng đứng và trùng với phương của trục OZ trong hệ tọa độ Decart. Trục OX và OY được gắn trên bàn máy. Trục OX có thể dịch chuyển một đoạn dài hơn.