Giáo trình Công nghệ CNC

Nội dung text: Giáo trình Công nghệ CNC

1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1Điều khiển số 1.1.1 Định nghĩa điều khiển số 1.1.2 Kỹ thuật NC và CNC 1.1.3 Ưu điểm của điều khiển số 1.2 Các qui ước chung của máy CNC 1.2.1 Qui tắc bàn tay phải trong xác định hệ toạ độ 1.2.2 Hệ toạ độ Đề-các trong máy phay CNC 1.2.3 Hệ toạ độ tuyệt đối trong phay CNC 1.2.4 Hệ toạ độ tương đối trong phay CNC 1.2.5 Hệ toạ độ trong máy tiện CNC 1.2.6 Lập trình theo đường kính và bán kính 1.2.7 Hệ toạ độ tuyệt đối và tương đối trong tiện CNC 1.3 Phương thức di chuyển dao CHƯƠNG 1 TỰ ĐỘNG HÓA QÚA TRÌNH SẢN XUẤT – SỰ RA ĐỜI CỦA MÁY CNC Trong nửa thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự ra đời và phát triển như vũ bão của KTĐK tự động. Và nhanh chóng KTĐK tự động đã được ứng dụng vào công nghệ chế tạo sản phẩm cơ khí. Sự phát triển của tự động hóa QTSX có thể được tóm lược như sau. I. NC (Numerical Control) 1.1 Lịch sử ra đời của NC. Cũng như các kỹ thuật tiên tiến khác, NC ra đời vào đầu thập niên 50 tại phòng thí nghiệm của học viện Massachusetts. Khi mới ra đời, máy NC chỉ có thể cắt được những đường thẳng chính xác và hiệu qủa. Điều này gây ra rất nhiều khó khăn vì máy phải thực hiện vô số các đường thẳng ngang, dọc (hình 1.1) Hình 1.1
2. Vấn đề này dẫn đến sự ra đời của APT (Automatically Programme Tools). Đây là loại ngôn ngữ lập trình đầu tiên cho NC, dùng các câu lệnh tiếng Anh để định nghĩa đường di chuyển hình học, dụng cụ và các chỉ thị cần thiết khác. Đây cũng là tiền đề cơ bản cho sự phát triển của NC. Ban đầu chương trình NC được mã hóa trên các băng đục lỗ, sau đó dùng các băng từ. Sau khi máy tính ra đời, các băng đục lỗ, băng từ được thay thế bởi thiết bị xử lý dự liệu của máy tính. 1.2. Máy NC là gì Máy NC bao gồm 2 bộ phận chính. a) Bộ điều khiển máy (Machine Control Unit : MCU) Là bộ phận thực hiện các chức năng sau: - Đọc và giải mã chương trình - Đưa ra các lệnh điều khiển - Nhận các tín hiệu phản hồi và xử lý. MCU bao gồm 2 bộ phận sau. DPU ( Data processing Unit): Bộ xử lý dữ liệu CLU ( Control Loop Unit) : Bộ thực hiện điều khiển DPU: Đọc các dữ liệu từ chương trình trên băng đục lỗ, đĩa từ, và giải mã các tín hiệu này thành các dự liệu số. Sau đó gửi tín hiệu đến CLU. CLU: nhận các dự liệu được giải mã từ DPU, đưa ra các lệnh điều khiển máy, nhận các tín hiệu phản hồi so sánh và xử lý cho đến khi đạt độ chính xác yêu cầu. DPU sau đó sẽ đọc khối lệnh tiếp theo. b) Máy công cụ (Machine Tool): Tương tự như các máy công cụ thông thường, nhưng các chuyển động của các trục được thực hiện bởi động cơ servo hoặc động cơ bước thông qua truyền động vitme đai ốc bi (sẽ trình bày ở chương sau). Trên hình 1.2 là sơ đồ các thành phần cấu tạo của máy NC Số xung = vị trí của trục Tần số xung: tốc độ các trục
3. Hình 1.2. thành phần của máy NC Máy NC đã khắc phục được những hạn chế mà các máy công cụ truyền thống không thực hiện được. Với máy NC, độ chính xác gia công cao hơn, tiết kiệm dụng cụ hơn, dễ tự động hóa hơn. Sự ra đời của NC cũng đã đưa đến sự ra đời của hàng loạt các phương pháp gia công hiện đại, tiên tiến khác như: EDM Laser Cutting Electron Beam welding Water jet II. DNC ( Direct NC): Vào giửa thập niên 60, với sự ra đời của máy tính, người ta đã nghĩ đến việc thay đổi việc mã hóa dữ liệu trên băng đục lỗ, băng từ bằng máy tính nhằm giảm bơt các yêu cầu về phần cứng, lập trình đơn giản hơn, nhanh chóng và linh hoạt hơn. Vào thời điểm này, máy tính rất mắc tiền nên người ta dùng một máy chủ (host) để điều khiển chung nhiều máy NC qua mạng kết nối.Hệ thống trên gọi là DNC(h.1.3)
4. Hình 1.3. Hệ thống DNC III. CNC ( Computer Numerical Control) Vào cuối thập niên 60, sự ra đời của công nghệ vi xử lý đã đưa đến sự xuất hiện của PLC, Microcomputer. Các thiết bị này ngay sau khi ra đời đã được ứng dụng trên các máy NC . và thế hệ máy CNC đã ra đời. Với CNC, mỗi máy NC được phục vụ bởi 1 PLC hoặc Computer riêng. Điều này cho phép chương trình có thể nhập và lưu trữ riêng trên mỗi máy CNC. Nhưng lại xuất hiện các vấn đề mới đó là quan lý dữ liệu (giữa các máy không có sự liên hệ chặt chẽ với nhau). Một máy CNC bao gồm các bộ phận sau.Hình 1.4 • Chương trình gia công (Part program ) • Thiết bị đọc chương trình(Program input device ) • Machine control unit (MCU) • Hệ thống truyền động (Drive system ) • Máy công cụ (Machine tool) Hệ thống phản hồi (Feedback system)
5. Hình 1.4. Cấu trúc của máy CNC
6. DNC II ( Distributed NC) Để việc quản lý dữ liệu giửa các CNC tốt hơn, hệ thống DNCII đã được đưa vào ứng dụng trong sản xuất, là sự kết hợp giửa DNC và CNC. Hệ thống DNC II bao gồm các máy tính chủ (Host Computer) và các máy tính cục bộ (Local computer) kết nối với nhau. Nó cho phép các chương trình gia công được lưu trên máy chủ nên việc quản lý tốt hơn. Các chưưng trình này có thể được download xuống các local computer hoặc PLC. Và ta cũng có nhập chương trình và dao diện trực tiếp từ các máy cục bộ (local). Và nếu máy chủ bị ngưng thì các máy CNC vẫn có thể hoạt động bình thường. Đây là ưu điểm cơ bản của DNC II so với DNC.
7. Hình 1.5. Hệ thống DNCII V. Hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS: Flexible Manufacturing System) Vào giửa thập niên 60, công ty Molins Ltd (anh) đã phát triển hệ thống 24, là tiền thân của hệ thống FMS. Tuy nhiên do hạn chế về kỹ thuật nên hệ thống sản xuất linh hoạt vẫn chỉ dừng lại ở mức độ lý thuyết, ý tưởng trong suốt những năm 60s, 70s. vào cuối thập niên 1970, đầu thập niên 1980s, với sự phát triển mạnh của công nghệ điều khiển phức tạp nhờ máy tính, hệ thống FMS đã được ứng dụng thành công. Hệ thống FMS dược ứng dụng chủ yếu ở US trong các lĩnh vực chế tạo ô tô, xe cơ giới, máy bay Hệ thống FMS điển hình bao gồm: thiết bị xử lý: Maý công cụ, hệ thống lắp ráp, Rôbot. Thiết bị xử lý phôi: Robot, băng tải, Hệ thống vận chuyển tự động (AGV : Automated guided vehicles). Hệ thống trao đổi thông tin. Hệ thống điều khiển bằng máy tính FMS tạo nên một bước tiến mới hướng đến việc tích hợp hoàn toàn qúa trình sx, dựa trên các hệ thống, quan điểm tự động hóa sau. CNC DNC II Hệ thống xử lý phôi liệu tự động (Automated material handling system.) Công nghệ nhóm (Group Technology) Về cơ bản FMS bao gồm các thành phần sau. • Máy gia công tự động (Automated NC machining operations) • Hệ thống xử lý phôi tự động ( robots, AGVS và hệ thống lưu kho tự động (AS:Automated storage)/ Hệ thống truy xuất (RS: Retrieval System) • Hệ thống thay dao tự động (automated tool changers) • Hệ thống điều khiển bằng máy tính (Computer controlled system) • Con người ( Human operator)
8. • Công nghệ nhóm (Group technology) Một số mô hình FMS điển hình như sau. Hình 1.6. Single machine cell ( tế bào sản xuất đơn)
9. Hình 1.7. Tế bào sản xuất gồm nhiều trạm (multiple workstation Cell)
10. Hính.8. FMS với hệ thống lưu, xuất kho tự động. AS/RS Hình 1.9. FMS ở hãng sản xuất Vought Aircraft
11. Hệ thống FMS hở Hệ thống FMS kín Hệ thống FMS bậc thang Hình 10. Các sơ đồ FMS VI. Hệ thống sản xuất tích hợp – CIM( Computer Intergated Manufacturing) Ý tường về hệ thống sx tích hợp được Josheph Harington đề cập đến vào năm 1974, nhưng phải qua hàng chục năm đến đầu thập niên 1990s, hệ thống này mới được ứng dụng thành công ở Mỹ. CIM là hệ thống tích hợp toàn bộ các thành phần của qúa trình sx, được xử lý và điều khiển bởi máy tính. Từ việc phân tích thị trường,thiết kế, chuẩn bị phôi liệu, chuẩn bị và tổ chức sx, kiểm tra chất lượng sản phấm cho đến cả việc phân phối ra thị trường. Tóm lại. Lịch sử phát triển của sản xuất xã hội trải qua các giai đoạn sau: - Sản xuất thủ công - Cơ khí hóa, chuyên môn hóa - Tự đông hóa. - Tích hợp
12. Với việc tích hợp qúa trình sản xuất, năng xuất tăng lên nhiều lần, tính linh hoạt của hệ thống rất cao giúp đáp ứng nhanh nhu cầu của thị trường. Tăng lợi thế cạnh tranh. Chương 2: MÁY ĐIỀU KHIỂN CHƯƠNG TRÌNH SỐ I. Khái Niệm Cơ Bản 1. Điều khiển - Các đại lượng đầu vào - Các đại lượng đầu ra : Là các đại lượng phụ thuộc vào các đại lượng vào theo quy luật nhất định nào đó. 2. Điều khiển số NC ( Numeric Control ) - Là hệ thống các hoạt động được điều khiển trực tiếp bởi dữ liệu số. - Là hình thức tự động hóa bằng lập trình. Chương trình gồm các chỉ thị được mã hóa dưới dạng số, kí tự chữ, và các kí tự đặc biệt khác. Các chỉ thị này bao gồm: + Chỉ thị điều khiển: được chuyển thành 2 dạng: Tín hiệu xung điện (Pulse): điều khiển tốc độ, số vòng quay của động cơ truyền động. + Tín hiệu đóng/ngắt (ON/OFF) : cung cấp chất bôi trơn và làm nguội, chọn và thay dao, dừng máy, kẹp nhả fôi. + Thông tin hình học ( Geometrical Information) Là hệ thống thông tin điều khiển các chuyển động tương đối giữa dao cụ và chi tiết, còn gọi là thông tin về đường dịch chuyển. + Thông tin công nghệ ( Technological Information ) Là hệ thống thông tin cho phép máy thực hiện gia công với những giá trị công nghệ yêu cầu. Vd: chuẩn hóa gốc tọa độ, chiều sâu cắt, tốc độ chạy dao, số vòng quay trục chính, chiều quay trục chính, đóng hay tắt dung dịch trơn nguội 3. điều khiển số bằng máy tính (CNC) + định nghĩa: CNC là hệ thống NC sử dụng máy tính thiết lập trực tiếp trên hệ điều khiển máy. + Đặc điểm: - Được điều khiển bởi các chỉ thị lưu trữ trên bộ nhớ máy tính để thực hiện một phần hay toàn bộ các chức năng điều khiển số. - Được phát triển dựa trên những thành tựu của công nghệ vi điện tử, vi xử lí .
13. - Các hệ điều khiển CNC có khả năng thực hiện các chức năng điều khiển bởi phần mềm -> đơn giản các mạch điều khiển CNC -> giảm giá thành , tăng độ tin cậy. Hầu hết các hệ điều khiển số thế hệ mới đều ở dạng CNC. 4. Máy công cụ điều khiển theo chương trình số (M-CNC) Là thế hệ máy công cụ được điều khiển theo chương trình viết bằng mã kí tự số, chữ cái và các kí tự chuyên dụng khác và được điều khiển bằng máy tính . II. Cấu trúc hệ thống CNC: Hệ thống CNC gồm 6 phần chính: Hình 2.1 - Chương trình gia công(part program) - Thiết bị đọc chương trình ( program input device) - Hệ điều khiển máy (MCU) - Hệ thống truyền động ( drive system) - Máy công cụ(machine tool)
14. - Hệ thống phản hồi ( feedback system) Hình 2.1. Cấu trúc của máy CNC
15. III . khả năng của CNC + Hiển thị chương trình và mô phỏng bằng đồ họa quá trình gia công + Nhập dữ liệu + Lưu trữ chương trình + Biên tập chương trình + Kiểm tra chương trình + Chẩn đoán lỗi + Tiện ích giao tiếp + Quản lí dữ liệu + Hệ tọa độ và hệ đơn vị + Định dạng mã điều khiển + Khả năng tính toán + Bù trừ đường kính và chiều dài dao + Nội suy hình học + Chức năng lập trình IV. ưu và nhược điểm của CNC ưu điểm của cnc + Nâng cao năng suất + Độ chính xác và độ chính xác lặp lại cao + Hạ giá thành sản xuất + Giảm giá thành điều hành gián tiếp + Đáp ứng nhanh nhu cầu thị trường, gia công nhiều bề mặt phức tạp Nhược điểm của CNC. + Chi phí đầu tư ban đầu cao. + Chi phí lập trình và máy tính kèm theo. + Chi phí bảo trì cao và cần phải có thợ bảo trì chuyên nghiệp. V. Một số ứng dụng của máy CNC Máy CNC ngày nay đã được ứng dụng rất rộng rãi trong chế tạo cơ khí như: - Máy phay CNC - Máy tiện CNC - Máy gia công tia lửa điện CNC dùng điện cực nhúng - Máy gia công tia lửa điện dùng dây cắt CNC - Máy khoan CNC - Máy mài CNC - Máy gia công dùng tia laser CNC - Máy gia công tia nước CNC - Máy hàn CNC - Máy đo ba chiều CNC
16. Hình 2.2. Máy Phay CNC đứng (Vertical Milling CNC)
17. Hình 2.3. Trung tâm phay đứng CNC (CNC Vertical machining center )
18. Hình 2.4. Trung tâm phay CNC ngang (CNC Horizontal machining center )
19. Hình 2.5: Máy khoan ngang CNC (horizontal Drilling CNC) Hình 2.6. Máy Khoan CNC đứng
20. Hình 2.7. Máy tiện CNC
21. Hình 2.8. Máy tiện CNC hai đầu dao (CNC Dual turret turning center ) Hình 2.9. Máy đo toạ độ 3 chiều CNC ( CNC Measuring machine)
22. Hình 2.10. Máy gia công tia lửa điện EDM Wire Cut.