CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm cơ bản về điều khiển và điều khiển số 1.1 Khái niệm điều khiển Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống gần với mục đích định trước. Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không cần sự tác động của con người [1].2 Phân loại hệ thống điều khiển trên máy công cụ Người ta chia hệ thống điều khiển trên máy công cụ ra làm hai loại: Điều khiển theo kiểu truyền thống. Điều khiển số.1 Điều khiển theo kiểu truyền thống Hệ thống điều khiển theo kiểu này gồm: điều khiển theo quãng đường, điều khiển theo thời gian, điều khiển theo chu kì,… Nhìn chung các loại điều khiển này có chung các đặc điểm 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 hệ thống điều khiển thường khó thay đổi.
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 các 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 hệ thống điều khiển mà nó dễ dàng thích nghi với sự thay đổi của sản phẩm.
Nhìn chung, các hệ thống điều khiển theo kiểu truyền thống tuy càng lúc càng được cải thiện tuỳ theo mức độ cơ khí hoá, tự động hoá của nhà máy sản xuất nhưng vẫn chưa thực sự đáp ứng được nhu cầu của thực tế. SVTH: Đặng Hoài Bảo 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.2 Điều khiển số Điều khiển số NC (Numerical Control) là một hình thức tự động hoá 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 dự đoán được. Điều này được thực hiện là nhờ các bộ vi xử lý.
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 [2].2 Khái niệm về CNC CNC – viết tắt cho Computer Numerical Control (điều khiển bằng máy tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc khác 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 là mã G [3].3 Nghiên cứu của nước ngoài Máy tiện gia công kim loại thực tế đầu tiên được Henry Maudslay phát minh vào năm 1800. Nó đơn giản là một công cụ máy giữ mẩu kim loại đang được gia công trong một bàn kẹp hay trục quay và quay mẩu kim loại này. Công cụ cắt này được nhân viên vận hành vận dụng qua việc sử dụng cái quay tay hay vô lăng [4, 5].1 Máy tiện do Henry Maudslay chế tạo SVTH: Đặng Hoài Bảo 2 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN Độ chính xác về kích cỡ được nhân viên vận hành điều khiển bằng cách quan sát đĩa chia độ trên vô lăng và di chuyển công cụ cắt theo số lượng hợp lý. Mỗi chi tiết được sản xuất ra đòi hỏi vận hành viên lặp lại những cử động trong cùng trình tự và với cùng kích thước.
Chiếc máy phay đầu tiên được vận hành theo cách thức tương tự như vậy, ngoại trừ công cụ cắt được đặt ở trục chính đang quay. Phôi được lắp trên bệ máy hay bàn làm việc và di chuyển theo công cụ cắt, qua việc sử dụng vô lăng để gia công đường mức của phôi. Chiếc máy phay này do Eli Whitney phát minh năm 1818. Những chuyển động được sử dụng trong các công cụ máy được gọi là trục và đề cập đến 3 trục: “X” (thường từ trái qua phải), “Y” (trước ra sau) và “Z” (trên và dưới).
Bàn làm việc cũng có thể được quay theo mặt ngang hay dọc, tạo ra trục chuyển động thứ tư. Một số máy còn có trục thứ năm, cho phép trục quay theo một góc.2 Máy phay do Eli Whitney chế tạo Một trong những vấn đề của những dòng máy ban đầu này là chúng đòi hỏi nhân viên vận hành phải sử dụng vô lăng để tạo ra mỗi chi tiết. Ngoài tính nhàm chán và gây mệt mỏi về thể chất, khả năng chế tạo các chi tiết của vận hành viên cũng bị hạn chế. Chỉ một khác biệt nhỏ trong vận hành sẽ dẫn đến những thay đổi trong kích thước trục và khi đó, tạo ra những chi tiết không phù hợp.
Mức độ kim loại vụn được tạo ra từ những hoạt động như vậy là khá cao, lãng phí nguyên liệu thô và thời gian lao SVTH: Đặng Hoài Bảo 3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN động. Khi số lượng sản xuất tăng lên, càng có nhiều chi tiết bị hỏng. Do đó, điều cần thiết ở đây là một phương tiện vận hành các chuyển động của máy một cách tự động. Những nỗ lực ban đầu để “tự động hóa” các hoạt động này sử dụng một loạt cam để di chuyển dao cụ hay bàn làm việc qua những liên kết (linkage).
Khi cam quay, một liên kết lần theo bề mặt của mặt cam (cam face), di chuyển công cụ cắt hay phôi qua một dãy các chuyển động. Mặt cam được định hình để điều khiển khối lượng chuyển động liên kết và tốc độ mà cam quay điều khiển tốc độ cấp dao. Một số máy vẫn còn tồn tại cho tới ngày nay và được gọi là máy “Swiss” (máy kiểu Thụy Sĩ), một cái tên đồng nghĩa với gia công chính xác.3 Máy phay kiểu Swiss Bên cạnh đó việc điều khiển số cũng đang dần phát triển xuất phát từ ý tưởng điều khiển một dụng cụ thông qua một chuỗi lệnh kế tiếp, liên tục như các máy công cụ điều khiển số được thực hiện từ mãi 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 để điều khiển tự động các máy dệt. SVTH: Đặng Hoài Bảo 4 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN Năm 1863, M. Fourneaux phát minh ra đàn Piano nổi tiếng thế giới. Với băng giấy đục lỗ làm vật mang tin.
Shannon trong khi làm luận 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 kỹ thuật MIT (Massachusett Institute of Technology) đã thiết kế “một hệ thống điều khiển dành cho máy công cụ, để điều 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 Kỳ.4 Máy cắt của John T. Parsons Cũng trong thời gian này, Parsons cùng với đồng nghiệp của ông đã đưa ra 4 tiên đề cơ bản sau: Những vị trí được tính ra trên một biên dạng được ghi nhớ vào băng đục lỗ. Các đục lỗ được đọc trên máy một cách tự động.
Những vị đã 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) có thể điều khiển được chuyển động các trục. Năm 1952, chiếc máy phay điều khiển số đầu tiên ra đời mang tên là “Cincinnati Hydrotel” có trục thẳng đứng do Học viện kỹ thuật MIT cung cấp. Đơn vị điều khiển SVTH: Đặng Hoài Bảo 5 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN được lắp bằng các bóng đèn điện tử 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 tử 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 bắt đầu nhận ra những ưu thế tiềm tàng của kỹ thuật điều khiển số.
Điều đó buộc họ phải xem xét một cách nghiêm túc, chặt chẽ và kỹ càng những vấn đề về ngành chế tạo máy của chính họ. Đồng thời họ cũng phải suy xem cái kỹ thuật công nghệ mới này có thể giúp đỡ họ như thế nào để cải tiến phương pháp hiện có của họ. Người ta nhanh chóng nhận ra rằng, phần lớn các bài toán cắt gọt kim loại như: Khoan lỗ, tiện, phay đường thẳng, không nhất thiết đòi hỏi tới bộ điều khiển hiện đại, sử dụng những phương máy tính hoá. Thế nhưng, việc ứng dụng ngay cả dạng cơ bản nhất của APT cho những thành phần hình học đơn giản cũng vừa cồng kềnh, vừa rắc rối và vừa đắt tiền.
Do vậy, nhiều ngôn ngữ đơn giản hơn dùng cho mục đích đặc biệt đã được phát triển. Tuy nhiên, đa số các ngôn ngữ này điều lấy APT làm gốc.Rồi cho đến giữa những thập niên 70, 80, với sự phát triển của công nghệ vi xử lý. 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 điều khiển số. Từ các máy điều khiển số NC trở thành những máy điều khiển số CNC, tức là những máy công cụ điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính.
Mặc khác, cùng với những mô đun điện tử dùng để lưu trữ dữ liệu và tạo xung, bộ vi xử lý hình thành trung tâm đóng ngắt và tính toán của tất cả mọi điều khiển số CNC hiện đại. Tốc độ chuyển nhanh của các phần tử này đủ để đưa ra nhiều chức năng và nhiệm vụ tính toán khác nhau mà không làm ảnh hưởng đến nhịp độ làm việc của các máy công cụ ghép nối với chúng.