Chương I: GIỚI THỆU VỀ MÁY CNC 1. Giới thiệu máy CNC 1. Khái niệm chung a. Khái niệm CNC (Computer Numerical Control) là một dạng máy điều khiển tự động dưới sự trợ giúp của máy tính, mà trong đó các bộ phận tự động được lập trình để hoạt động theo các sự kiện nối tiếp nhau với một tốc độ được xác định trước để có thể tạo ra được mẫu vật với hình dạng và kích thước yêu cầu.
Đặc điểm Nguyên lý cơ bản của việc điều khiển máy công cụ thông qua việc điều khiển số vẫn được duy trì không đổi từ khi nó bắt đầu xuất hiện. Tuy nhiên các chức năng và công việc của thiết bị điều khiển thì tăng lên liên tục qua các năm và hiện nay cho phép sử dụng ở mức tự động hóa cao. Máy công cụ NC khác máy công cụ thông thường một cách đáng kể vì máy thông thường được một người công nhân có tay nghề điều khiển bằng tay. Người công nhân đọc bản vẽ chi tiết rồi sử dụng các thông số của máy dựa trên kinh nghiệm bản thân, vì thế chất lượng và năng suất phụ thuộc rất lớn vào kỹ năng của người vận hành.
Các máy công cụ NC là các thiết bị gia công có thể lập trình tự do và phù hợp với việc sản xuất tự động loạt nhỏ và trung bình. Ưu điểm chính của chúng chính là tính linh hoạt và tốc độ thay đổi nhanh các chương trình gia công với sự can thiệp tối thiểu bằng tay. Tính linh hoạt của máy NC đạt được là do: + Khả năng lặp lại trong các chương trình thực hiện. + Khả năng đưa vào trực tiếp các kích thước chi tiết và các số liệu hành trình dao trên máy công cụ khi yêu cầu.
+ Không còn yếu tố hạn chế hành trình cơ khí như cam rãnh, chốt dừng hay tấm mẫu, nghĩa là không cần mọi sự điều chỉnh cơ khí. + Khả năng đưa các giá trị công nghệ. Phân loại Các máy CNC có thể phân chia theo loại và theo hệ thống điều khiển: - Theo loại máy cũng như các máy công cụ truyền thống, chia ra các loại như máy khoan CNC, máy phay CNC, máy tiện CNC.và các trung tâm CNC. Các trung tâm CNC có khả năng thực hiện gia công nhiều loại bề mặt và sử dụng nhiều loại bề mặt khác nhau.
- Phân chia theo hệ thống điều khiển có thể chia ra các loại: + Các máy điều khiển điểm tới điểm (máy khoan, máy khoét, máy dập.) + Các máy điều khiển đoạn thẳng: là các máy có khả năng gia công trong quá trình thực hiện di chuyển các trục. + Các máy điều khiển đường. * Điều khiển theo kiểu truyền thống Hệ thống điều khiển (HTĐK) 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 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 (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 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. Điều khiển số * Bản chất của điều khiển số Khi gia công trên các máy công cụ thì chi tiết và dụng cụ cắt thực hiện các chuyển động tương đối với nhau. Những chuyển động được lặp đi lặp lại nhiều lần khi gia công mỗi chi tiết gọi là chu kỳ gia công.
Mỗi chu kỳ gia công được đặc trưng bởi hai thành phần đó là: phần kích thước và phần điều khiển. Hai thông tin không thể thiếu trong bất kỳ một máy điều khiển nào. Thông tin về kích thước cho phép chúng xác định hành trình của chu kỳ; trong khi đó thông tin về sự điều khiển cho phép xác định thứ tự của hành trình theo thời gian. * Điều khiển số và hệ thống điều khiển số + 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. + 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.
Có 2 loại hệ thống điều khiển (HTĐK): + Hệ thống hở và hệ thống kín. Hệ thống điều khiển hở Hình 1.1: Hệ thống điều khiển số vòng hở 1: Bộ đọc 2: Bộ giải mã 3: Bộ khuếch đại 4: Bàn máy M: Động cơ Đặc điểm của hệ thống điều khiển số vòng kín như sau: - 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 và bộ so sánh. Do đó, muốn đảm bảo chính xác cho biến ra của 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. Hệ thống kín: Hình 1.2: Hệ thống điều khiển số vòng kín 1: Bộ đọc 2: Bộ giải mã 3: Bộ khuếch đại 4: Bàn máy 5: Bộ so sánh 6: Cảm biến đo vị trí M: Động cơ Đặc điểm của hệ thống điều khiển số vòng hở như sau: - 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 hệ thống điều khiển số 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 hệ thống điều khiển số - 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 thực của biến ra để chấp hành với giá trị biến vào của hệ điều khiển. Sai lệnh này nếu có sẽ được biến thành tín hiêụ điều khiển. - Bộ khuếch đại: Có nhiệm vụ dùng để biến đổi mức tín hiệu cần thiết cho mục đích 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. Ưu, nhược điểm của máy CNC * Ưu điểm cơ bản - So với các máy điều khiển công cụ bằng tay, sản phẩm từ máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung, chương được đưa vào máy. Người điều khiển chỉ chủ yếu theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động của máy.
- Độ chính xác làm việc cao. Thông thường các máy CNC có độ chính xác máy là 0.001mm do đó có thể đạt được độ chính xác cao hơn. - Tốc độ cắt cao. Nhờ kết cấu cơ khí bền chắc của máy, những vật liệu hiện đại như kim loại cứng hay gốm oxit có thể sử dụng tốt hơn.
- Thời gian gia công ngắn hơn. * Các ưu điểm khác - Máy CNC có tính linh hoạt cao trong việc lập trình, tiết kiệm thời gian chỉnh máy, đạt tính kinh tế cao trong việc gia công hàng loạt các sản phẩm nhỏ. - Ít phải dừng máy vì lỗi kỹ thuật, do đó chi phí dừng máy nhỏ. - Tiêu hao do kiểm tra ít, giá thành đo kiểm tra thấp.
- Thời gian hiệu chỉnh máy nhỏ. - Có thể gia công hàng loạt. * Nhược điểm: - Giá thành chế tạo máy cao hơn. - Giá thành bảo dưỡng, sửa chữa máy cũng cao hơn.
- Vận hành và thay đổi người đứng máy khó khăn hơn. Quá trình phát triển của máy CNC a. Quá trình phát triển: 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 được tạo ra trên cơ sở cung cấp các dữ liệu ở dạng mã nhị phân. Nó được biểu diển dưới dạng các con số thập phân, các 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 công cắt gọt được điều khiển theo chương trình bằng các kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình bằng hệ thống thuỷ lực. Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật, nhất là trong lĩnh vực điều khiển số và tin học đã tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà chế tạo máy nghiên cứu và ứng dụng đưa vào các máy công cụ truyền thống các hệ thống điều khiển tự động. Biến các máy công cu ̣ này thành các máy điều khiển theo chương trình số, gọi là các máy CNC (Computer Numerical Control).