Tập bài giảng môn học Máy công cụ điều khiển chương trình số

Nội dung text: Tập bài giảng môn học Máy công cụ điều khiển chương trình số

1. Tập bài giảng Môn học Máy Công Cụ Điều Khiển Chương Trình Số
2. ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Tập bài giảng Môn học Máy Công Cụ Điều Khiển Chương Trình Số Biên soạn theo đề cương môn học chuyên ngành cơ khí ĐHBK ĐN Người biên soạn : Bùi trương Vỹ Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà nẵng. Đà Nẵng - Năm 2007
3. MỤC LỤC Phần mở đầu 3 Chương 1 Điều Khiển Số ( ĐKS ) và hệ thống ĐKS Máy Công Cụ 1.1. Các khái niệm 8 1.2. Hệ thống ĐKS Máy công cụ 9 1.2.1. Các đặc điểm tạo hình bề mặt trên các máy công cụ ĐKS 9 1.2.2. Hệ thống dữ liệu ĐKS 13 1.2.3. Hệ thống đo vị trí trên máy công cụ ĐKS 17 1.2.4. Các nguồn động lực dùng cho máy công cụ ĐKS 22 Chương 2 Lập trình các máy công cụ ĐKS 2.1. Mở đầu về điều khiển các máy công cụ ĐKS 29 2.2. Lập trình gia công trên máy công cụ ĐKS 33 2.2.1. Cấu trúc chương trình 33 2.2.2. Lập trình nâng cao 46 Chương 3 Máy công cụ ĐKS- Phân tích động học và kết cấu 3.1. Cấu trúc tổng thể các máy công cụ ĐKS 54 3.2. Phân tích đặc điểm động học Máy 54 3.3. Phân tích đặc điểm kết cấu 58 3.4. Các máy 4 và 5 trục - Các trung tâm gia công ĐKS 76 Chương 4 Chế tạo được hỗ trợ bằng máy tính 4.1. Ngôn ngữ APT 80 4.2. Các hệ thống liên kết CAD/CAM/CNC 87 4.3. Chế tạo liên kết qua máy tính- CIM 91 Chương 5 Truyền dữ liệu đến các Máy công cụ ĐKS 94 Tài liệu tham khảo 102 Chương 6 Phụ chương: Bảng phụ lục- Bài tập thực hành 1 và 2- Phụ lục I & II Bảng phụ lục mã máy G & M (Máy PC Mill 155) 103 Bài tập thực hành 1- Bài tập thực hành 2 106 Phụ lục I & II : Bảng tra chế độ cắt & Hướng dẫn sử dụng Máy 118 2
4. Phần mở đầu NC,CNC CNC viết tắt của các từ Computer Numerical Control, xuất hiện vào khoảng đầu thập niên 1970 khi máy tính bắt đầu được dùng ở các hệ điều khiển máy công cụ thay cho NC, Numerical Control (Điều Khiển Số). Trước khoảng thời gian nầy, các chương trình NC thường phải được mã hoá và xử lý trên các băng đục lỗ, hệ điều khiển phải có bộ đọc băng để giải mã cung cấp tín hiệu điều khiển các trục máy chuyển động. Cách nầy đã cho thấy nhiều bất tiện, chẳng hạn khi sữa chữa, hiệu chỉnh chương trình, băng chóng mòn, khó lưu trữ, truyền tải, dung lượng bé Hệ điều khiển CNC khắc phục các nhược điểm trên nhờ khả năng điều khiển máy bằng cách đọc hàng ngàn bít thông tin được lưu trong bộ nhớ, cho phép giao tiếp, truyền tải và xử lý, điều khiển các quá trình một cách nhanh chóng, chính xác. Cho đến nay, các máy CNC đã có mặt ở hầu hết các ngành công nghiệp. Đây có thể nói là một lĩnh vực mới có sự kết hợp chặc chẽ giữa máy tính và máy công cụ, điều khiển các hoạt động gia công trên máy dựa vào việc khai thác các thành tựu kỹ thuật số hiện đại, mở ra nhiều triển vọng phát triển sản xuất. Tuy mục đích và phạm vi ứng dụng của từng loại máy công cụ CNC có thể khác, các lợi ích mà các máy nầy mang lại khá giống nhau. Lợi ích đầu tiên là nâng cao mức độ tự động hóa. Sự tham gia của người trong quá trình chế tạo được giảm bớt hay loại trừ. Nhiều máy CNC có thể hoạt động suốt cả chu trình gia công không cần đến sự có mặt của người thợ, như vậy giúp làm giảm sự mệt mỏi, ít lỗi sai sót gây ra do người. Thời gian máy cho mỗi sản phẩm hầu như xác định. Máy hoạt động tự động theo chương trình nên không cần đến bậc thợ cao mỗi khi gia công các chi tiết phức tạp trên máy truyền thống. Lợi ích thứ 2 của công nghệ CNC là cung cấp sản phẩm bảo đảm, tin cậy. Một khi chương trình đã qua kiểm tra được đưa vào sản xuất, hàng loạt các chi tiết cùng loại có thể được tạo ra một cách chính xác và ổn định. Một lợi ích nữa mà các máy CNC mang lại là tính linh hoạt. Gia công các chi tiết khác nhau trên máy chỉ cần thay đổi chương trình. Cũng có thể lưu, sữa đổi và dùng chương trình cho lần khác khi cần đến, làm dễ thay đổi mặt hàng. Ngoài ra, không phải mất nhiều thời gian chuẩn bị gia công trên các máy CNC, do vậy rất phù hợp với kỹ thuật sản xuất hiện đại. 3
5. Máy CNC và máy truyền thống Các máy CNC thay thế cho các thao tác bằng tay của quá trình sản xuất trên các máy truyền thống. Lấy 1 ví dụ đơn giản nhất: trường hợp khoan lỗ . Một máy khoan thông thường, muốn khoan lỗ trước hết phải gá, kẹp chặc mũi khoan vào đầu trục chính, sau đó lựa chọn (bằng tay) số vòng quay mong muốn cho trục chính ( ví dụ đổi vị trí dây đai trên puly bậc) và bật trục chính. Để khoan lỗ, phải di chuyển đầu khoan đến vị trí tâm lỗ chi tiết (chẳng hạn xoay tay gạt dịch chuyển đầu khoan) trước khi thực hiện ăn dao. Nói một cách khác, muốn khoan lỗ cần đến nhiều động tác can thiệp của người. Nếu số lượng lỗ tăng lên hoặc loạt chi tiết lớn, công việc trở nên tẻ nhạt, mệt mỏi. Hơn thế nữa, nếu là công việc phức tạp, rõ ràng trên các máy truyền thống không những đòi hỏi kỹ năng người thợ mà còn tiềm ẩn nhiều nguy cơ mắc lỗi, dễ gây phế phẩm do phải lặp đi lặp lại một cách đơn điệu . Trong khi đó một máy khoan CNC để khoan lỗ, các thao tác cần thiết đều có thể lập trình được, ví dụ ở đây bao gồm: gá đặt mũi khoan vào đầu trục chính, bật trục chính, đưa mũi khoan định vị tâm lỗ gia công, thực hiện khoan lỗ, và dừng trục chính. Vài nét về hoạt động của CNC Như đã đề cập, hầu hết các thao tác trên máy truyền thống đều lập trình được với các máy CNC. Sau khi chuẩn bị, công việc còn lại khá đơn giản với người vận hành, chẳng hạn đo đạc, kiểm tra và hiệu chỉnh máy bảo đảm chất lượng gia công. Các chức năng có thể được lập trình trên các máy CNC: Lập trình điều khiển chuyển động Các kiểu máy CNC đều có 2 hay nhiều trục chuyển động theo lập trình. Một trục chuyển động có thể là thẳng (dọc theo một đường thẳng) hay tròn ( xoay quanh 1 trục). Một trong những đặc điểm kỹ thuật đầu tiên cho biết độ phức tạp của một máy CNC chính là số trục chuyển động nó hiện có. Nói chung, càng nhiều trục, máy có độ phức tạp càng cao, dụng cụ càng dễ tiếp cận với bề mặt gia công có hình dạng bất kỳ. Số trục của một máy CNC dùng để cung cấp chuyển động chạy dao cần thiết trong quá trình gia công. Ở ví dụ khoan lỗ, cần 3 trục: Định vị dụng cụ cắt ( mũi khoan) ở tâm lỗ theo 2 trục và gia công lỗ (với trục thứ 3). Các trục được ký hiệu với các chữ cái. X, Y, Z là 3 trục tịnh tiến và A, B, C là 3 trục quay. Lập trình theo chức năng cho các trang bị, cơ cấu máy Khả năng công nghệ của một máy CNC bị giới hạn nếu chỉ có thể dịch chuyển chi tiết 4
6. theo 2 hay nhiều trục, do vậy, cần phải lập trình được cho nhiều chức năng khác nữa. Hầu hết các máy phay CNC chứa nhiều dụng cụ trong ổ trữ và khi cần, một dụng cụ bất kỳ trong ổ trữ có thể được gá đặt một cách tự động vào trục chính. Điều khiển thay đổi tốc độ trục chính (v/ph) cũng như đổi chiều quay dễ dàng. Bật, tắt trục chính cho phép thực hiện qua lập trình. Nhiều nguyên công gia công cần đến dung dịch làm nguội, và thao tác nầy phải được cấp, ngắt một cách tự động trong quá trình gia công. Chương trình CNC Một chương trình CNC là 1 tập hợp các chỉ dẫn gia công theo từng bước, được viết dưới dạng câu chữ và hệ điều khiển thực hiện chương trình theo trình tự đó. Một số các từ CNC (mã CNC) quy định các chức năng cần thiết của máy. Các mã CNC bắt đầu với các địa chỉ theo chữ cái ( như F-tốc độ chạy dao, S-số vòng quay trục chính, và X,Y & Z với chuyển động trục ). Khi được đặt cùng nhau theo thứ tự, nhóm các mã CNC tạo thành lệnh. Hệ điều khiển CNC Hệ điều khiển CNC nhập và cắt nghĩa 1 chương trình CNC để thực hiện các lệnh theo thứ tự đã được thiết lập. Khi đọc chương trình, hệ điều khiển kích hoạt thích hợp các chức năng máy, tạo chuyển động trục và thực hiện theo các chỉ dẫn cho trước trong chương trình. Các hệ điều khiển CNC hiện đại đều cho phép sữa đổi các chương trình nếu tìm thấy lỗi, thực hiện các chức năng kiểm tra (như chạy mô phỏng) trước khi gia công thật trên máy, ngoài ra còn cho phép tách 1 số dữ liệu quan trọng không cần đưa vào chương trình, chẳng hạn các giá trị chiều dài, bán kính dụng cụ Nói chung hệ điều khiển CNC cho phép người sử dụng lập và kiểm tra chương trình gia công, cũng như điều khiển máy một cách thuận tiện nhất. Hệ thống CAM Ở các ứng dụng đơn giản ( như ví dụ khoan lỗ), chương trình CNC có thể được lập bằng tay. Với các ứng dụng phức tạp, nếu thường xuyên phải lập các chương trình mới, viết chương trình bằng tay trở nên bất tiện. Để làm đơn giản quá trình lập trình, cần đến một hệ thống hỗ trợ chế tạo qua máy tính (CAM). Đây là 1 chương trình phần mềm chạy trên máy tính ( ví dụ máy tính cá nhân) giúp người lập trình thực hiện lựa chọn, kiểm tra các phương án gia công trước khi chế tạo. Các hệ thống CAM thường phối hợp với bản vẽ thiết kế từ hệ thống CAD, nhờ đó loại trừ sự cần thiết phải chuẩn bị lại dữ liệu về kích thước và biên dạng hình học chi 5
7. tiết. Người lập trình chỉ ra trình tự các nguyên công gia công cần thực hiện và hệ thống CAM tạo chương trình CNC một cách tự động. Hệ thống DNC Khi đã có chương trình (hoặc bằng tay hoặc qua hệ thống CAD/CAM), chương trình nầy phải được tải đến hệ điều khiển CNC. Mặc dù người vận hành máy có thể nhập trực tiếp vào hệ điều khiển, tuy nhiên công việc như vậy rõ ràng mang tính thủ công, ví dụ với các chương trình dài Chương trình CNC có được qua hệ thống CAM đang ở dạng file văn bản trên máy tính, còn nếu lập bằng tay, có thể nhập vào máy tính bằng chương trình xử lý văn bản thông thường. Với chương trình đang ở dạng file văn bản, muốn chuyển đến hệ điều khiển máy CNC cần có hệ thống DNC (Direct/Distributive Numerical Control). Một hệ thống DNC cho phép máy tính được nối mạng với 1 hay nhiều máy CNC. Mãi cho đến gần đây, giao thức truyền thông nối tiếp qua cổng RS232C vẫn được dùng để truyền chương trình. Các hệ điều khiển mới có khả năng truyền thông hiện đại hơn, được nối mạng theo nhiều cách ( Ethernet, ), xử dụng một trong các cách nầy, có thể tải chương trình CNC đến máy thực hiện quá trình gia công một cách nhanh chóng, thuận tiện. Các loại máy CNC Như đã đề cập ở trên, các loại máy công cụ CNC đến nay đã chứng tỏ có vai trò quan trọng ở hầu hết các ngành sản xuất, đáp ứng được yêu cầu đặt ra trong quá trình chế tạo sản phẩm. Nhiều quá trình gia công được cải thiện trong thực tế và mang lại hiệu quả rõ rệt qua việc sử dụng công nghệ CNC. Thử điểm qua một số lĩnh vực sản xuất có ứng dụng CNC. Gia công cắt gọt kim loại Các quá trình gia công cắt gọt kim loại trên các máy truyền thống đều có thể tiến hành trên các máy CNC ví dụ như tất cả các dạng phay ( phay mặt phẳng, phay theo đường bao, phay rãnh, ), khoan, khoét, doa lỗ, và cắt ren. Cũng tương tự, tất cả các dạng tiện như tiện mặt đầu, khoét, tiện ngoài, cắt rãnh, khía nhám, tiện ren đều gia công được trên các máy tiện CNC. Các máy mài CNC cho phép thực hiện các nguyên công mài như mài tròn ngoài, tròn trong. CNC còn mở ra một triển vọng mới khi dùng cho mài, đó là mài theo biên dạng theo cách tương tự như tiện mà trước đây chỉ có thể tiến hành bằng phương pháp chép hình trên các máy truyền thống. 6
8. Gia công bằng biến dạng dẻo Các nguyên công biến dạng tạo hình đối với các sản phẩm cơ khí bao gồm xén, cắt bằng lửa hàn hay plasma, đột lỗ, cắt bằng tia laser, uốn, và hàn. Công nghệ CNC có thể ứng dụng cho từng thao tác của ngành gia công biến dạng dẻo kim loại, ví dụ hệ thống CNC trên các máy xén để xác định chính xác chiều dài tấm được xén. Cắt CNC bằng tia laser hoặc plasma cũng được dùng. Các máy đột dập liên hợp CNC có thể gia công các lỗ có hình dạng, kích thước tùy ý, và tạo thành phẩm dạng tấm với các máy uốn CNC Gia công ăn mòn tia lửa điện Gia công bằng phương pháp ăn mòn phóng điện qua điện cực (Electrical Discharge Machining-EDM) là quá trình lấy đi kim loại qua việc sử dụng các tia lửa điện đốt chảy kim loại. CNC-EDM có 2 dạng, EDM thẳng đứng và EDM dây điện cực. EDM thẳng đứng dùng 1 điện cực riêng biệt (thường được gia công trên máy CNC) có dạng giống hình dạng của lỗ sâu hoặc hốc lõm cần gia công trên chi tiết. EDM dây điện cực ứng dụng để chế tạo chày, cối, các bộ khuôn Hình dạng yêu cầu của chi tiết đạt được thông qua sự điều khiển hành trình liên tục NC của điện cực dây. Bằng cách nầy mà các khuôn dập, các tấm mẫu có thể được cắt theo chương trình. Gia công gỗ Các máy CNC dùng nhiều ở các xưởng chế biến gỗ để thực hiện các công việc như phay theo biên dạng, khoan Nhiều máy phay gỗ có thể chứa nhiều dao và thực hiện được các nguyên công khác nhau trên cùng chi tiết. Các kiểu máy CNC khác Các hệ thống viết chữ và chạm trỗ cũng mang lại hiệu quả kinh tế khi ứng dụng công nghệ CNC, cắt vật liệu dạng đĩa bằng tia nước áp lực cao, ngay cả ở các ngành sản xuất chi tiết trong ngành điện như các máy quấn dây CNC, các mỏ hàn CNC Kết luận Có thể nói rằng với sự xuất hiện của các máy CNC, bộ mặt của các ngành sản xuất nhìn chung đã thay đổi. Đối với nước ta, những năm gần đây các máy CNC đã được từng bước trang bị trong một số nhà máy, viện nghiên cứu và các công ty liên doanh. Hiểu biết một cách đầy đủ và khai thác triệt để các ưu thế của loại máy nầy là một nhiệm vụ thiết thực trong việc chế tạo sản phẩm nói riêng cũng như thúc đẩy và phát triển sản xuất nói chung. 7
9. Chương 1: Điều Khiển Số ( ĐKS ) và hệ thống ĐKS Máy Công Cụ 1.1. Các khái niệm : – Hệ thống ĐKS Máy Công Cụ: là hệ thống cho phép điều khiển các hoạt động của máy công cụ (có thể từng phần hay toàn bộ ) thực hiện gia công chi tiết theo cách truyền lệnh số. Hệ thống nầy nhận và biến đổi các chỉ dẫn chuyển động cho trước thành các tín hiệu số, thường ở dạng thế hiệu (hệ điều khiển) để cấp cho các động cơ dẫn động cơ cấu chấp hành (bộ phận truyền động). – Cấu trúc và phân loại: Các hệ thống ĐKS thường được phân thành 2 loại theo bản chất của phương pháp điều khiển chuyển động: hệ thống điều khiển vòng hở ( không có liên hệ ngược ) và hệ thống điều khiển vòng kín (có liên hệ ngược). Băng đục lỗ(bộ phận nạp dữ liệu) X o o o o o 4 o o o 12 3 M HGT o o o o o o o o H1.1a. Hệ thống ĐKS (NC) vòng hở 1: Bộ đọc 2: Bộ giải mã (bộ phận xử lý dữ liệu) 3: Bộ khuếch đại 4: Bàn máy M : Động cơ của cụm truyền động; HGT : Hộp giảm tốc Sự khác nhau giữa vòng điều khiển kín và hở là ở chỗ, đối với vòng điều khiển hở tín hiệu tác động điều khiển không được so sánh với kết quả thực hiện, trong khi ở vòng điều khiển kín luôn có sự kiểm tra một cách liên tục giữa tín hiệu tác động điều khiển và kết quả thực hiện, khi có sai lệch phát hiện nhờ các thiết bị đo, ngay lập tức hệ có tác động hiệu chỉnh dựa trên các mối quan hệ của vòng điều khiển kín. Điều khiển chuyển động theo cách của hệ vòng hở là điều khiển thuận- không có liên hệ ngược, còn với hệ vòng kín được gọi là điều khiển có phản hồi-có liên hệ ngược. Đối với hệ thống điều khiển vòng hở, nguồn động xử dụng là các loại động cơ bước. Tín hiệu tác động điều khiển chính là số bước trong một đơn vị thời gian và kết quả 8
10. thực hiện phụ thuộc vào góc bước động cơ cũng như các thông số động học của hệ thống truyền động. X Băng đục lỗ(bộ phận nạp dữ liệu) 6 o o o o o 4 o o o + 125 3 M HGT o o - o o o o o o H1.1b. Hệ thống ĐKS(NC) vòng kín 1: Bộ đọc 5: Bộ so sánh 2: Bộ giải mã (bộ phận xử lý dữ liệu) 6: Cảm biến đo vị trí 3: Bộ khuếch đại 4: Bàn máy M : Động cơ của cụm truyền động ; HGT : Hộp giảm tốc Hầu hết các hệ thống truyền động Máy công cụ ĐKS hoạt động theo cách điều khiển vòng kín, với các thành phần tối thiểu của mạch động lực bao gồm 1 cảm biến (6) và 1 nguồn động ( động cơ M ). Động cơ truyền dẫn thường xử dụng là động cơ dòng 1 chiều có thể điều chỉnh vô cấp tốc độ bằng dòng kích từ, còn nếu là động cơ dòng xoay chiều, điều chỉnh vô cấp tốc độ bằng bộ biến đổi tần số. Các loại động cơ nầy cho phép đảo chiều quay đơn giản, dễ thay đổi số vòng quay, và ít phụ thuộc vào tải bên ngoài. Cảm biến đo vị trí trên các máy công cụ ĐKS phải nhạy với lượng dịch chuyển cơ học nhỏ, do vậy thích hợp nhất là các loại làm việc theo nguyên lý cảm ứng, hoặc sử dụng các thước (đĩa) khắc vạch dùng kèm với hệ thống quang học và các tế bào quang điện. Các dụng cụ đo như trên có thể cho phép đạt độ chính xác đo được đến hàng µm. 1.2. Hệ thống ĐKS Máy công cụ 1.2.1 Các đặc điểm tạo hình bề mặt trên các máy công cụ ĐKS: Trên máy công cụ ĐKS, chuyển động tạo hình bề mặt được thực hiện dựa vào các dịch chuyển tọa độ theo nhiều trục, phụ thuộc vào số trục máy hiện có, và sự phối hợp chuyển động giữa các trục nầy. Có thể phân thành các dạng điều khiển chuyển động tạo hình như sau : 9
11. 1.2.1.1 Dạng điều khiển theo điểm : Dụng cụ cần thực hiện chuyển động chạy dao nhanh đến các toạ độ điểm đã được lập trình, và chỉ khi đạt tới các điểm đích, quá trình gia công mới được thực hiện. Cần chú ý là các trục có thể chuyển động kế tiếp nhau hoặc tất cả các trục có thể chuyển động đồng thời tuy nhiên giữa các trục không có mối quan hệ hàm số. Nếu các trục có chuyển động đồng thời, hướng chuyển động tạo thành góc 450 và khi một trong hai toạ độ đã đạt được, trục thứ hai được kéo theo đến điểm đích. Điều khiển điểm được ứng dụng cho các máy gia công lỗ ( khoan , doa ) hoặc thực hiện các chuyển động định vị ở các thiết bị hàn điểm a) Điều khiển điểm b) Điều khiển 2D c) Điều khiển 21/ D ( mở rộng theo đường ) 2 z d) Điều khiển 4D e) Điều khiển 5D H1.2 : Các dạng điều khiển[I] Điều khiển điểm mở rộng theo đường (H1.2a ) tạo ra các đường chạy song song với các trục máy, và bề mặt gia công được hình thành trong quá trình chạy dao. Do vậy, khi 2 trục của máy chuyển động với tốc độ như nhau đồng thời, ta có thể gia công bề mặt côn có góc 450. Các lượng chạy dao có thể được lựa chọn với tốc độ khác nhau, nhưng yêu cầu chỉ thực hiện trên từng trục một ( các trục vẫn không bị ràng buộc bởi quan hệ hàm số ). Dạng điều khiển nầy dùng cho gia công các bề mặt trụ đơn giản, hay ở máy phay khi gia công các biên dạng song song với các trục. 1.2.1.2 Dạng điều khiển theo biên dạng Đây là dạng điều khiển cho phép tạo ra các đường bao tùy ý trong mặt phẳng hay trong không gian nhờ chuyển động đồng thời theo hai hoặc nhiều trục toạ độ, giữa các trục tọa độ nầy có mối quan hệ hàm số. 10
12. Dựa trên số lượng các trục được điều khiển đồng thời, điều khiển theo biên dạng 1 được phân chia thành các nhóm: điều khiển 2D ( H1.2b ), điều khiển 2 /2D (H1.2c ), điều khiển 3D và điều khiển có nhiều hơn 3 trục điều khiển đồng thời (H1.2 d,e ). Đối với dạng điều khiển theo biên dạng, các hệ thống truyền động độc lập trên mỗi trục tọa độ phải điều chỉnh được vị trí theo thời gian thực đảm bảo quan hệ phụ thuộc hàm số giữa các chuyển động đồng thời trên các trục. Giá trị biến vào - ứng với một vị trí tức thời trên 1 trục - được xác định một cách tuần tự ( theo nhịp điều khiển ) đúng với ràng buộc hàm số của biên dạng cần gia công. Việc xác định các vị trí tức thời nầy thực hiện bởi một chương trình nội suy thích hợp làm nhiệm vụ tính toán cung cấp các giá trị toạ độ vị trí trung gian (có mật độ đủ dày ) theo các trục sao cho chuyển động phối hợp giữa chúng là chuyển động tạo hình của biên dạng gia công. Các giá trị tọa độ vị trí trung gian từ các chương trình nội suy nầy chính là các dữ liệu mới điều khiển chuyển động các trục máy. 1.2.1.3 Các chương trình nội suy 1.2.1.3.a Nội suy thẳng Giả sử cần dịch chuyển theo 1 đoạn thẳng có chiều dài L trong hệ toạ độ xOy với tốc độ chạy dao không đổi V (H1.3a). Để tính toán cho những điểm trung gian, chọn cách mô tả phương trình đường thẳng theo tham số phụ thuộc vào thời gian thực. Ở đây thời gian được chia thành các khoảng thời gian nhỏ thích hợp ∆t thông qua 1 tần số chu kỳ fT ( ∆t = 1/fT với fT là tần số chu kỳ do nguồn vào cung cấp). Các biểu thức dùng cho quá trình nội suy : ⎧ n−1 ⎪x = x 0 + ∑ Vx ∆t ⎪ i=1 (1.1) ⎨ n−1 ⎪ y = y0 + ∑ Vy∆t ⎩⎪ i=1 trong đó Vx, Vy : các tốc độ thành phần ; x0, y0 : giá trị toạ độ điểm xuất phát ⎧Vx .∆t = ∆x ⎨ là các gia số đoạn đường thực hiện ở khoảng thời gian ∆t ⎩Vy.∆t = ∆y Các tốc độ thành phần được tính theo tỉ lệ giữa đoạn chạy dao và chiều dài L: ⎧ L V = x V ⎪ x L ⎨ ; do đó gia số đoạn đường theo từng trục toạ độ sẽ là : L ⎪V = y V ⎩⎪ y L 11
13. ⎧ L x L x 1 ⎪∆x = V∆t = V. ⎪ L L f T ⎨ trong đó Lx/L; Ly/L : độ dốc các đoạn chạy dao thành phần. L L 1 ⎪∆y = y V∆t = x V. ⎪ ⎩ L L f T Các gia số được xác định như trên ∆x và ∆y không được lớn hơn đơn vị đo của hệ thống đo (ví dụ 0,01mm hay 0,001mm) để cho trong quá trình nội suy không có vị trí nào về mặt tính toán lại vượt quá giới hạn sai lệch ± 1 đơn vị dịch chuyển. Một bộ đếm sẽ kết thúc quá trình nội suy khi đoạn đường đạt được. 1.2.1.3.b Nội suy đường cong ⎧x = R cosφ Giả sử ta có phương trình đường cong biểu diễn theo tham số: ⎨ ⎩y = R sin φ R: bán kính đường cong . (H1.3b) Cần dịch chuyển theo đường cong trên với tốc độ chạy dao không đổi V. Biểu diễn đường cong trên theo thời gian bằng tọa độ góc : ⎧ V ⎧ V φ& = x = R cos t ⎪ R ⎪ R ⎨ hay ⎨ . V V ⎪φ = t ⎪y = R sin t ⎩⎪ R ⎩⎪ R Vi phân phương trình trên: ⎧dx V V ⎧ t V = − R sin φ = − y x = x 0 − ydt ⎪ dt R R ⎪ ∫0 R ⎨ . Như vậy : ⎨ (1.2) ⎪dy V V ⎪ t V = R cosφ = x y = y0 + xdt ⎩⎪ dt R R ⎩⎪ ∫0 R Chuyển qua tích phân số (thay các lượng vi phân bởi các số gia): ⎧ n−1 V V V 1 x = x − y∆t ⎧ ⎪ 0 ∑ ⎪ y∆t = y = ∆x ⎪ i=1 R ⎪R R f T ⎨ (1.3) trong đó ⎨ là các gia số thực hiện n−1 V V V 1 ⎪y = y + x∆t ⎪ x∆t = x = ∆y ⎪ 0 ∑ ⎩ i=1 R ⎩⎪R R f T được của các đoạn đường thành phần trong 1đơn vị thời gian ∆t và chúng phải nhỏ hơn 1 đơn vị dịch chuyển. Phép nội suy vòng sử dụng bộ tích phân số nên có xuất hiện sai lệch, nghĩa là mỗi điểm tính toán thông qua nội suy không nằm chính xác trên đường cong mà có thể ở lân cận. Điều kiện để giới hạn sai lệch là các điểm nội suy không được vượt quá giá trị cho phép thể hiện bởi góc [φ] ( H1.3c ). 12
14. y x y 5 V Ly 4 L ∆x L 3 x y ∆y 2 P(x0,y0) ∆t 1 1 ∆t x t t O 1 2435 O 1 2435 O 1235 4 Lx a. L=f(x,y) b. x=x(t) c. y=y(t) a) Nội suy tuyến tính y y tol_max α ⎛ R − tol _ max ⎞ [φ] = a cos⎜ ⎟ a 2 ya a ⎝ R ⎠ R ya φi α O x φi xa O x xa b) Nội suy vòng c) Điều kiện nội suy vòng H1.3a,b,c) Phép nội suy 1.2.2 Hệ thống dữ liệu ĐKS 1.2.2.1 Chương trình gia công chi tiết: Những dữ liệu thông tin cần thiết để gia công chi tiết được tập hợp một cách hệ thống gọi là chương trình gia công chi tiết. Chương trình nầy có thể : – Được soạn thảo và lưu trữ trong vật mang tin ( băng đục lỗ, băng từ, đĩa từ hoặc đĩa CD) và được đưa vào bộ nhớ hệ ĐKS qua bộ phận nạp tương ứng. – Được đưa vào hệ ĐKS thông qua các phím điều khiển bằng tay trên bảng điều khiển . – Được chuyển trực tiếp từ bộ nhớ của một máy tính bên ngoài đến hệ ĐKS của từng trạm gia công (điều khiển DNC). Các dữ liệu chương trình gia công chi tiết hiện nay đã được tiêu chuẩn hoá và quản lý theo tiêu chuẩn ISO 6983, bao gồm 3 lớp dữ liệu : – Dữ liệu hình học (dữ liệu tạo hình hay các số liệu về đường dịch chuyển của dụng cụ cắt). – Dữ liệu công nghệ (số vòng quay trục chính, chiều quay, lượng chạy dao, chiều sâu cắt, gọi dao, hiệu chỉnh máy và dao, bơm tưới dung dịch làm nguội ). – Các dữ liệu hỗ trợ khác. Mã hoá dữ liệu thực hiện với hệ nhị phân theo bảng mã tiêu chuẩn ISO-7bit, mỗi một ký tự mã hoá được trình bày qua sự tổ hợp của 7 bit, và bổ sung thêm bit thứ 8 - bit chẵn lẻ dùng để kiểm tra - ví dụ nếu số bít dữ liệu là chẵn bít kiểm tra sẽ là số chẵn và 13
15. ngược lại( bảng 1.1 ). Bảng 1.1 Bit- Nr. (K= bit kiểm tra) K 7 6 5 4 3 2 1 Số rãnh (T= rãnh chu kỳ) 8 7 6 5 4 T 3 2 1 Mã nhị phân 24 23 22 21 20 Nr Ký tự Tổ hợp các số 0 và 1 1 NUL 0 0 0 0 0 o 0 0 0 2 BS 1 0 0 0 1 o 0 0 0 3 HT 0 0 0 0 1 o 0 0 1 4 LF 0 0 0 0 1 o 0 1 0 5 CR 1 0 0 0 1 o 1 0 1 6 SP 1 0 1 0 0 o 0 0 0 7 ( 0 0 1 0 1 o 0 0 0 8 ) 1 0 1 0 1 o 0 0 1 9 % 1 0 1 0 0 o 1 0 1 10 : 0 0 1 1 1 o 0 1 0 11 / 1 0 1 0 1 o 1 1 1 12 + 0 0 1 0 1 o 0 1 1 13 - 0 0 1 0 1 o 1 0 1 14 0 0 0 1 1 0 o 0 0 0 15 1 1 0 1 1 0 o 0 0 1 16 2 1 0 1 1 0 o 0 1 0 17 3 0 0 1 1 0 o 0 1 1 18 4 1 0 1 1 0 o 1 0 0 19 5 0 0 1 1 0 o 1 0 1 20 6 0 0 1 1 0 o 1 1 0 21 7 1 0 1 1 0 o 1 1 1 22 8 1 0 1 1 1 o 0 0 0 23 9 0 0 1 1 1 o 0 0 1 24 A 0 1 0 0 0 o 0 0 1 25 B 0 1 0 0 0 o 0 1 0 26 C 1 1 0 0 0 o 0 1 1 14
16. 27 D 0 1 0 0 0 o 1 0 0 28 E 1 1 0 0 0 o 1 0 1 29 F 1 1 0 0 0 o 1 1 0 30 G 0 1 0 0 0 o 1 1 1 31 H 0 1 0 0 1 o 0 0 0 32 I 1 1 0 0 1 o 0 0 1 33 J 1 1 0 0 1 o 0 1 0 34 K 0 1 0 0 1 o 0 1 1 35 L 1 1 0 0 1 o 1 0 0 36 M 0 1 0 0 1 o 1 0 1 37 N 0 1 0 0 1 o 1 1 0 38 O 1 1 0 0 1 o 1 1 1 39 P 0 1 0 1 0 o 0 0 0 40 Q 1 1 0 1 0 o 0 0 1 41 R 1 1 0 1 0 o 0 1 0 42 S 0 1 0 1 0 o 0 1 1 43 T 1 1 0 1 0 o 1 0 0 44 U 0 1 0 1 0 o 1 0 1 45 V 0 1 0 1 0 o 1 1 0 46 W 1 1 0 1 0 o 1 1 1 47 X 1 1 0 1 1 o 0 0 0 48 Y 0 1 0 1 1 o 0 0 1 49 Z 0 1 0 1 1 o 0 1 0 50 DEL 1 1 1 1 1 o 1 1 1 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (1): Bit kiểm tra (2): Vùng bit dành cho các ký tự chữ cái (3) (4): Vùng bit dành cho các ký tự chữ số thập phân (5): Các giá trị số trong hệ nhị phân (6): Rãnh dẫn băng (7) (8) (9): Các giá trị số trong hệ nhị phân 15
17. Các thông tin cần thiết cho hoạt động của máy công cụ ĐKS được mô tả theo các ký tự ( mã NC ) như sau: % : Ký tự bắt đầu chương trình L : Số hiệu chương trình con N : Số thứ tự lệnh G : Chức năng dịch chuyển M : Chức năng phụ trợ A : Góc D : Hiệu chỉnh dụng cụ F : Tốc độ chạy dao I, J, K: Các thông số vòng tròn P : Số lần chạy chương trình con R : Tham số chu trình S : Tốc độ trục chính T : Gọi dao U : Bán kính vòng tròn X, Y, Z : Dữ liệu vị trí LF(hoặc ";"): Đổi dòng 1.2.2.2 Các hệ thống hỗ trợ gia công tự động Sự ứng dụng rộng rãi các máy tính cá nhân hiện nay đã góp phần đáng kể vào việc phát triển các hệ thống hỗ trợ gia công tự động trên máy công cụ ĐKS. Hoạt động của các hệ thống hỗ trợ nầy có thể chia làm 3 tiến trình: – Đầu tiên, dựa vào dữ liệu thông tin hình học để tạo ra vật thể chi tiết qua hệ thống CAD. – Tiếp theo, là quá trình lựa chọn gia công trong đó các dữ liệu về chế độ cắt, về đường dịch chuyển của dao cụ được tính toán và xử lý ( tiền xử lý ). – Cuối cùng, sau khi kiểm tra và sữa đổi, chuyển thành mã NC có thể hiểu được bởi 1 máy công cụ ĐKS cụ thể (xử lý tiếp theo). 1.2.2.2.a Hệ thống CAD (Computer Aided Design) Các hệ thống CAD phát triển dựa trên các phương pháp mô tả hình học trong lĩnh vực đồ họa máy tính (computer graphics) cho phép mô hình hóa vật thể chi tiết. Dữ liệu từ quá trình nầy là cơ sở thực hiện các phân tích kỹ thuật cần thiết kể cả khâu tổ chức, 16
18. quản lý sản xuất. Sử dụng hệ thống hỗ trợ CAD có các ưu điểm nỗi bật – Năng suất và chất lượng thiết kế cao hơn. – Tính toán, phân tích chi tiết nhanh chóng, chính xác hơn – Có thể lưu trữ, cập nhật thông tin liên tục do vậy dễ cải thiện chất lượng sản phẩm – Tạo điều kiện chế tạo và tổ chức sản xuất dễ dàng 1.2.2.2.b Hệ thống CAM (Computer Aided Manufacturing) Các hệ thống CAM làm việc trực tiếp trên dữ liệu của mô hình hình học vật thể để cung cấp dữ liệu về đường dịch chuyển của dụng cụ, cùng với các dữ liệu tổ chức sản xuất (lượng vật liệu được cắt gọt, thời gian gia công ). Nếu sử dụng các giao tiếp dữ liệu theo định dạng chuẩn : DXF, IGES có thể nối kết CAD/CAM và tạo mã NC chuẩn bị chương trình gia công chi tiết một cách tự động. 1.2.2.2.c Hệ thống CAD/CAM/NC Muốn gia công được trên một máy công cụ ĐKS nhất định, các mã NC tương ứng của máy đó phải được tạo ra ở giai đoạn xử lý tiếp theo NC ( post processor). Với các hệ thống hỗ trợ gia công tự động, có thể lập chương trình gia công tự động, mô phỏng quá trình sản xuất gia công trên máy, cũng như quản lý dữ liệu một cách hệ thống cho nhiều mục đích khác nhau , như vậy toàn bộ thời gian thực hiện quy trình thiết kế và gia công chi tiết giảm đi đáng kể. 1.2.2.3 Các đặc điểm kinh tế- kỹ thuật của hệ thống ĐKS máy công cụ Những lợi ích mà hệ thống ĐKS mang lại : – Thời gian chuẩn bị cho gia công giảm mạnh, có thể tự động hóa trong sản xuất đơn chiếc và loạt nhỏ. – Có khả năng thay đổi mặt hàng nhanh, ngay cả với sản phẩm có hình dáng hình học phức tạp. – Chất lượng sản phẩm dễ được cải thiện. – Độ chính xác gia công cao nhờ ứng dụng các hệ thống điều khiển phản hồi (có liên hệ ngược). – Giá thành sản phẩm hạ, dễ ổn định giá thành sản xuất. Mặc dù vốn đầu tư ban đầu lớn nhưng thời gian hoàn vốn thường ngắn. 1.2.3 Hệ thống đo vị trí trên máy công cụ ĐKS Độ chính xác dịch chuyển theo các trục tọa độ trên máy công cụ ĐKS phụ thuộc chủ 17
19. yếu vào độ chính xác của hệ thống đo. Các hệ thống nầy ghi và biến đổi các thông số đo được thành các tín hiệu tương thích phản hồi đến hệ ĐKS để thực hiện nhiệm vụ điều khiển, do vậy còn gọi chúng là các cảm biến. Các đại lượng đo vị trí có thể là chuyển vị dài hoặc chuyển vị góc. 1.2.3.1 Các phương pháp đo vị trí trên máy : Có các phương pháp đo vị trí như sau : 1.2.3.1.a Phương pháp đo vị trí tuyệt đối Theo phương pháp đo nầy, mỗi một giá trị đo đều được so với điểm 0 của thước đo và có dấu hiệu riêng được mã hoá, do vậy cần giải mã để có giá trị đo Đối với phương pháp đo vị trí tương tự / tuyệt đối, ứng với mỗi gia số vị trí trong phạm vi đường dịch chuyển là một thang điện áp đặc biệt. Trường hợp phạm vi dịch chuyển lớn, người ta thường chia toàn bộ phạm vi thành những khoảng tăng có độ lớn bằng nhau, trong phạm vi một khoảng tăng, phép đo được thực hiện theo phương pháp tuyệt đối. Giá trị đo tại vị trí đang đo được tính bởi : x = n.i + xabs (1.4) ( n =1,2,3 ); với i : giá trị một khoảng tăng ; n : số khoảng tăng. Đối với phương pháp đo vị trí số / tuyệt đối, mỗi một gia số vị trí được đánh dấu bằng mã nhị phân. Ưu điểm của phương pháp đo vị trí tuyệt đối là tại mỗi thời điểm đo hoặc sau mỗi lần mất điện áp, vị trí tuyệt đối so với điểm 0 được nhận biết ngay. Nhưng mặt khác, các hệ thống đo vị trí tuyệt đối thường có giá thành chế tạo cao, bởi thế trong các thiết kế mới chúng hầu như không còn được ứng dụng nữa. 1.2.3.1.b Phương pháp đo vị trí kiểu gia số Toàn bộ phạm vi dịch chuyển được chia thành các bước tăng (khoảng gia số) có độ lớn như nhau, không có dấu hiệu riêng nên chúng không cần giải mã, chỉ cần bộ đếm. Vị trí thật nhận biết bởi tổng các bước tăng đếm được, các gia số vượt qua phải được cọng với nhau hoặc trừ đi cho nhau tùy theo chiều chuyển động. Gốc đo có thể chọn bất kỳ ở điểm nào bằng cách đặt lại bộ đếm. Nhược điểm của phương pháp đo nầy là khi mất nguồn điện làm mất gốc 0 của hệ thống đo. Muốn đo phải xác định lại gốc 0. Ngoài ra, không đo được vị trí tuyệt đối mà chỉ đo sự thay đổi gia số vì vậy sai số đo có tính tích lũy. Giá thành của các hệ thống đo kiểu gia số là rẻ hơn so với hệ thống đo vị trí tuyệt đối. 18
20. 1.2.3.2 Đo vị trí bằng đại lượng tương tự: Đoạn đường hay góc cần đo được chuyển đổi liên tục thành 1 đại lượng vật lý tương ứng hay còn gọi là đại lượng tương tự, ví dụ chuyển đổi thành điện áp hoặc cường độ dòng. Để đo vị trí theo đại lượng tương tự, trên các máy công cụ ĐKS thường xử dụng các loại dụng cụ hoạt động theo nguyên lý cảm ứng, dựa trên hiện tượng khi có một cuộn dây dẫn di chuyển trong từ trường, một hiệu điện thế cảm ứng E được sản ra trong cuộn dây và có cường độ phụ thuộc vào khoảng cách 2 vật dẫn. 1.2.3.2.a Đầu đo Resolver : Còn gọi là thước đo góc quay cảm ứng, có cấu tạo gồm 2 phần: Stato và rô to (H1.4a). Trên stato bố trí 2 cuộn dây quấn cố định, các cuộn dây của nó đặt vuông góc và được cấp các điện áp xoay chiều lệch pha về điện là 900: Usinθ và Ucosθ. Thông qua chuyển động của cơ cấu dẫn (vít me), góc quay rô to thay đổi làm cảm ứng trên cuộn dây rô to một hiệu điện thế UF có độ lớn phụ thuộc vào góc quay rô to đối với véc tơ từ trường. Tín hiệu điện áp tỉ lệ với góc quay rô to từ đầu đo Resolver cung cấp một tập thứ tự các giá trị đo tuyệt đối trong phạm vi 1độ chia trên rô to. Thông thường, một biến đổi thẳng trên độ dài 2mm ứng với một vòng quay rô to của Resolver. H1.4a: Nguyên lý làm việc của đầu đo Resolver 1.2.3.2.b Đầu đo Inductosyn: Còn gọi là đầu đo cảm ứng tuyến tính (đo chuyển vị dài)(H1.4b). Nguyên tắc tác dụng của nó tương đương với một đầu đo Resolver quấn dây phẳng, cấu tạo bao gồm một thước đo với một cuộn dây phẳng quấn theo dạng gấp khúc chữ nhật được lắp cố 19
21. định trên thân máy. Với mục đích đo lường, bước dây quấn là τ = 2mm. Bên trên thước đo có một đoạn thước dẫn có 2 cuộn dây phẳng đặt lệch nhau 1/4 độ chia. Đoạn thước dẫn được lắp trên bàn máy di động mà ta cần đo các biến thiên vị trí của nó. Con trượt cùng với đoạn thước dẫn luôn cách đều 0,1mm so với mặt thước đo. Trong cuộn dây của thước đo chính có một điện áp tần số cao U. Qua lớp cách, trên cuộn dây của thước dẫn cảm ứng một điện áp có cường độ phụ thuộc vào vị trí của nó so với cuộn dây trên thước đo chính. Mức điện áp nầy được đánh giá trong hệ điều khiển và đưa ra giá trị đo vị trí bàn máy theo bước τ của thước. H1.4b: Nguyên lý làm việc của đầu đo Inductosyn 1.2.3.3 Đo vị trí với hệ thống quang điện: Thước đo chiều dài làm việc theo nguyên tắc quang điện (H1.5a). H1.5a trình bày 1 đầu kích quang gồm thiết bị chiếu sáng, một thấu kính hội tụ, một lưới chia kích quang và các phần tử tiếp thụ kích thích ( tế bào quang điện). Trên thước đo có những vạch soi thấu và không thấu đặt kế tiếp nhau. Tia sáng gặp phải vạch soi thấu sẽ được tế bào quang điện hấp thụ. Khi đầu kích quang có chuyển động tương đối so với thước đo, thước nầy chạy giữa thấu kính hội tụ và lưới chia, nhờ các tế bào quang điện bố trí thành hai hàng lệch nhau 1/4 bước τ, ta nhận được 2 tín hiệu lệch pha 900, qua đó hệ điều khiển biết được chiều chuyển động (chiều sớm hoặc trễ pha giữa 2 tín hiệu). Cũng tương tự như thước đo số vị trí dài, H1.5b là thước đo số vị trí góc. Trong các hệ thống đo vị trí kiểu số/gia số, khi mất điện áp nguồn, các giá trị đo vị trí bàn máy cũng mất theo. Để tái hiện số đo nầy, thước đo có thể được trang bị thêm một 20
22. hay nhiều mốc đo chuẩn . 2 1 3 τ 5 4 6 1 Nguồn sáng 4 Lưới chia 2 Thấu kính hội tụ 5 Tế bào quang điện 3 Thước đo 6 Mã chuẩn H1.5a:Thước đo chiều dài theo nguyên tắc quang-điện H1.5b: Thước đo góc theo nguyên tắc quang điện Cường độ sáng nhận được của hệ thống đo chiều dài theo phương pháp quang-điện (H1.5c) được khuếch đại thành dạng xung chữ nhật nhờ một bộ tạo xung điện tử và tùy theo chu kỳ chia cũng như độ chia đòi hỏi, các tín hiệu được nội suy tương tự và chia nhỏ thêm từ 5 đến 25 lần. 1.2.3.4 Đo vị trí bằng kiểu số/tuyệt đối: Trong các hệ thống đo vị trí kiểu số/tuyệt đối, mỗi gia số vị trí của thước trên đường dịch chuyển đều được vạch dấu riêng. Nếu ở các hệ thống đo vị trí kiểu số/ gia số chỉ cần thước đo 1 khoảng chia là đủ, thì các hệ thống đo kiểu số/tuyệt đối cần thước đo nhiều khoảng chia ứng với các gia số vị trí khác nhau. Những vùng soi thấu trên thang 21
23. đo ứng với giá trị 0, còn những vùng không soi thấu trên thang đo tương đương với giá trị 1 của hệ nhị phân. Theo cách đó, thước đo được chia vạch theo mã nhị phân và trên các khoảng chia đều được kích quang thích hợp. Do giá thành chế tạo cao, các hệ thống đo với phương pháp đo vị trí kiểu số / tuyệt đối hiện nay không còn được sử dụng rộng rãi. H1.5c: Biểu đồ hình thành xung điện áp của hệ thống đo quang-điện 1.2.4 Các nguồn động lực dùng cho Máy công cụ ĐKS Thường sử dụng các loại động cơ sau để làm nguồn động lực: 1.2.4.1 Động cơ điện một chiều Nhờ khả năng điều chỉnh vô cấp tốc độ động cơ một cách dễ dàng, đảo chiều quay đơn giản, nhanh chóng, tác dụng nhanh, các động cơ điện một chiều được ứng dụng rộng rãi trên máy công cụ ĐKS, đặc biệt đối với truyền động chạy dao. Có 2 kiểu chính : 1.2.4.1.a Loại có từ trường không đổi (điều khiển tốc độ bằng dòng điện phần ứng): Stato của động cơ bao gồm đế, ổ trục, mạch từ. Các mạch từ của stato tạo ra một từ trường ngang qua rô to. Rô to gồm trục và các cuộn dây quấn phần ứng. Cổ góp với các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện nối với các đầu dây theo cách để động cơ có chiều quay không đổi. Nguyên tắc làm việc của động cơ dựa trên định luật Lorentz qua biểu thức : r r r F = qV × B (1.5) Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng một sức điện động có chiều theo quy tắc bàn tay phải. Do chiều của sức điện động cảm ứng ngược với chiều 22
24. dòng điện ia nên còn gọi là sức phản điện Eb, với : Eb = Keω (1.6) ke : hằng số phản điện ; ω : tốc độ quay của động cơ. ⎛ R ⎞ ⎜ a ⎟ Bỏ qua điện áp trên cuộn cảm, thế hiệu vào Vi = Raia +keω =⎜ ⎟M1 + k eω (1.7) ⎝ k m ⎠ ⎛ k ⎞ ⎛ k k ⎞ ⎛ k ⎞ ⎡ k ⎤ ⎛ k ⎞ ⎡ ω ⎤ ⎜ m ⎟ ⎜ e m ⎟ ⎜ m ⎟ e ⎜ m ⎟ M1 = kmia = ⎜ ⎟Vi − ⎜ ⎟ω=⎜ ⎟Vi ⎢1− ω⎥ =⎜ ⎟Vi ⎢1− ⎥ (1.8) ⎝ R a ⎠ ⎝ R a ⎠ ⎝ R a ⎠ ⎣ Vi ⎦ ⎝ R a ⎠ ⎣ ωmax ⎦ Vi ⎛ k m ⎞ trong đó : ω = ; Ms = ⎜ ⎟V và Ms được gọi là ngẫu định mức. max k ⎜ ⎟ i e ⎝ R a ⎠ Quan hệ giữa ngẫu và tốc độ động cơ: M (ω) = M ⎛ ω ⎞ (1.9) 1 s ⎜1− ⎟ ⎝ ωmax ⎠ Vi Ms R a Tốc độ không tải : ωmax = = (1.10) k e k e k m ⎛ ⎞ Công suất : P(ω) = M ω = ωM ω 1 s ⎜1− ⎟ ⎝ ωmax ⎠ 1 Tốc độ khi công suất cực đại : ω∗ = ω (1.11) 2 max Vi Dòng định mức : Is = (1.12) R a Phương trình mô tả hoạt động của động cơ từ khi cấp Vi đến khi đạt tốc độ ω: ⎧Jω& + bω − k m i a = M t ⎪ ⎨ di (1.13) L a + R i + k ω = V ⎩⎪ a dt a a e i dω Có thể viết lại như sau : Ngẫu M = k i = J +M -M (1.14) 1 m a dt f t trong đó, M1 : Ngẫu sinh ra do động cơ ; Mf : Ngẫu ma sát ; Mt: Ngẫu tải; km: hằng số ngẫu của động cơ ; Ra , La: Điện trở và cuộn cảm ở mạch điện động cơ. J= Ja + JL với Ja: Momen quán tính của động cơ; JL: Momen quán tính của tải. Giải phương trình (1.21) ta có thể tìm được quan hệ giữa ω và thế hiệu đặt vào Vi có kể đến sự trễ của các thành phần. 1.2.4.1.b Loại có từ trường quay (điều khiển tốc độ bằng điều khiển trường) Với các động cơ loại nầy, rô to (phần quay) là một nam châm vĩnh cửu và stato (phần tĩnh ) là lõi thép và các cuộn dây quấn cố định (không có chổi điện). Khi có dòng điện cung cấp trên cuộn dây stato sẽ tạo nên từ trường quay. Các phép tính cũng tương tự như loại có từ trường cố định, chỉ khác ở đây không có sức phản điện tạo nên trong mạch trường của nó (Eb = 0) 23
25. Các động cơ điện một chiều có thể được chế tạo với công suất lên đến 7KW. Hằng số thời gian về cơ trong khoảng (20÷50)ms . Khi dùng cho các hệ thống truyền động giảm tốc lớn, quán tính của rô to động cơ tăng mạnh do vậy không thích hợp trong các trường hợp nầy. 1.2.4.2 Động cơ bước Động cơ bước rất thích hợp với tín hiệu số do máy tính cung cấp, thường dùng làm nguồn động lực cho các hệ thống điều khiển vị trí vòng hở với công suất truyền động nhỏ. Cấu tạo của động cơ bước gần giống với động cơ điện một chiều không chổi điện với stato đa cực và rô to không có cuộn kích thích. Gọi là stato đa cực bởi vì trên stato có thể có hai cực, ba cực hoặc bốn cực Rô to cũng có nhiều cực, còn gọi là răng. Số răng (cực) của rô to phối hợp với số cực của stato xác định kích thước của bước - gọi là góc bước. Góc bước bằng 3600 chia cho số bước trên một vòng quay. Động cơ bước có 3 loại chính : kiểu từ trở biến đổi (variable reluctance), kiểu nam châm vĩnh cửu (permanent magnet) và kiểu hỗn hợp (hybrid). – Động cơ bước kiểu từ trở biến đổi không dùng nam châm vĩnh cửu, do vậy rô to động cơ có thể di chuyển tự do. Khi dòng điện chạy qua 1 cuộn cảm trên stato, sinh ra 1 từ trường làm cho răng trên rô to đứng thẳng hàng với răng trên stato. Khi dòng điện được chuyển sang 1 cuộn khác, rô to chuyển dịch 1 góc bước và tạo ra một sự thẳng hàng mới của răng. Loại động cơ nầy được dùng nhiều ở những trường hợp không cần ngẫu cao . H1.6: Động cơ bước kiểu từ trở biến đổi Ví dụ ở H1.6 mô tả một động cơ bước kiểu từ trở biến đổi với rô to có 4 răng và stato có 6 cực (3 đôi cực) . Động cơ có 3 cuộn cảm, với mỗi cuộn quấn quanh 2 cực đối diện theo sơ đồ hình vẽ. Các cuộn được cấp điện theo thứ tự, giả sử cuộn 1 có điện, răng X của rô to quay đến các cực của cuộn nầy. Nếu cuộn 1 ngắt, cuộn 2 có điện, rô to quay 300 theo chiều kim 24
26. đồng hồ để cho các răng Y nằm thẳng hàng với các cực 2 và tương tự cho cuộn 3. Quá trình tiếp diễn, động cơ sẽ quay liên tục, với góc bước 300. – Động cơ bước kiểu nam châm vĩnh cửu có rô to dạng đĩa mỏng, không có răng (cực), và được làm bằng vật liệu từ tính. Khi các cuộn dây stato được cấp điện theo thứ tự, từ trường thay đổi sẽ làm cho rô to quay 1 góc bước. Loại động cơ nầy có kết cấu đơn giản, giá thành rẻ, làm việc ở tốc độ thấp và ngẫu nhỏ, nhưng có đặc tính ngẫu khá ổn định. – Động cơ bước kiểu hỗn hợp kết hợp các đặc tính tốt nhất của 2 loại động cơ trên với 1 stato đa cực và 1 rô to nam châm vĩnh cửu. Các động cơ bước kiểu hỗn hợp tiêu chuẩn có rô to 200 răng, quay với góc bước 1,80, ngoài ra còn có thể thiết kế sẵn sơ đồ đấu dây cho phép tạo góc bước 0,90 và 3,60. Loại động cơ nầy có ngẫu tĩnh và động cao, và làm việc với tốc độ bước rất cao, do vậy chúng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. 1.2.4.2.a Các phương án tạo bước Có các phương án tạo bước khác nhau tùy thuộc vào cách cấp xung điện điều khiển. Nếu cấp xung lần lượt theo thứ tự, ta có bước đầy. Tuy nhiên có thể tạo vi bước, ví dụ rô to có thể dừng lại giữa 2 vị trí đầy bước khi cung cấp dòng điện đồng thời cho cả 2 vòng pha. H1.7a,b,c trình bày minh họa về cách tạo bước (loại động cơ bước kiểu nam châm vĩnh cửu unipolar 4 pha). H1.7a: Cấp điện 1 cuộn H1.7b: Cấp điện 2 cuộn đồng thời 25
27. H1.7c: Điều khiển tạo nửa bước 1.2.4.2.b Các đặc tính chính: − Công thức chung dùng cho xác định góc bước : 360 0 δ[ 0 ] = (1.15) αSZ trong đó S : số cặp cực của stato ; Z: số răng rô to α : hệ số kể đến chu kỳ điều khiển, ví dụ α = 1 khi tạo đầy bước; α = 2 khi tạo nửa bước fδ – Số vòng quay của động cơ : n = [v/s] (1.16) đc 360 f: tần số chu kỳ điều khiển hay số xung điện cấp vào trong 1 giây [Hz]. 1.2.4.2.c Động cơ bước và bộ khuếch đại momen Sử dụng động cơ bước kết hợp với các bộ khuếch đại thủy lực chuyển động quay là giải pháp phổ biến để tận dụng tính dễ điều khiển và khả năng nâng cao công suất truyền động thích hợp với nguồn động lực ở các Máy công cụ ĐKS (H1.8) Trục vào 3 nhận chuyển động từ tần số nguồn cung cấp của 1 động cơ điện bước. Trục nầy được gắn cố định với chạc 1 trong khi bạc 2 ghép cứng với trục ra 5. Ở vị trí trung gian của chạc 1, dầu từ bơm qua các lỗ 6 và 10 đi vào các buồng tương ứng như 26
28. hình vẽ. H1.8: Động cơ bước dùng với bộ khuếch đại momen Khi chạc 1 quay 1 góc bằng góc bước δđ/c , dầu từ các buồng qua lỗ 13 và 9 nối với đường dầu cao áp, và dầu ra qua lỗ 7, 8,11,12 nối với đường xả. Bạc 2 cùng với trục 5 quay theo chiều kim đồng hồ cho đến khi chạc trở về vị trí trung gian bắt đầu 1 góc bước tiếp theo. Các bộ khuếch đại momen có độ chính xác vị trí đạt đến 0,01mm ứng với mỗi góc vg bước và số vòng quay trục ra 5 lên đến (500-1000) /ph . Để giảm miền không nhạy của bộ khuếch đại, tại vị trí trung gian của chạc 1 khe hở không quá (0,05-0,08)mm. M Hệ số khuếch đại momen của bộ khuếch đại k = 2 (1.17) M1 trong đó, M2: Momen trục ra 5; M1 : Momen quay của động cơ bước. 1.2.4.3 Động cơ điện xoay chiều Đối với động cơ điện xoay chiều, việc thay đổi vô cấp số vòng quay dựa vào bộ biến tần theo công thức: 60f (1− s) n = (1.18) p trong đó f là tần số dòng điện; p: số đôi cực; s: hệ số trượt Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi hệ số trượt làm giảm độ cứng của đường đặc tính cơ và không áp dụng cho truyền dẫn Máy . Ngày nay do giá thành phải chăng của bộ biến tần mà loại động cơ điện xoay chiều được ứng dụng trong mọi trường hợp, trong đó việc không cần bảo dưỡng ( kết cấu không cần đến cổ góp, chổi quét) là một ưu điểm nỗi bật. 27
29. Các câu hỏi Chương 1: 1. Phân biệt đặc điểm tạo hình bề mặt trên các máy công cụ truyền thống và các máy công cụ ĐKS. 2. Mô tả cấu trúc khối của 1 hệ thống ĐKS Máy công cụ và giải thích các thành phần. Cho biết một vài chương trình nội suy thường gặp. 3. CNC, DNC, CAD, CAM, CAD/CAM, CAD/CAM/NC là gì ? Vai trò của chúng trong sản xuất cơ khí ? 4. Phân biệt các dạng điều khiển trên Máy công cụ ĐKS và phạm vi ứng dụng. 5. Trình bày nguyên tắc hoạt động của 1 loại cảm biến đo vị trí được ứng dụng cho Máy công cụ ĐKS 6. Phân biệt độ chính xác vị trí(v/d ±3µm), độ chính xác lặp lại(v/d ±8µm) và độ phân giải(bước dịch chuyển nhỏ nhất đo được(v/d ±2,5µm)) trên máy công cụ ĐKS. 7 Liệu động cơ có khởi động và gia tốc đủ nhanh ? Quán tính tải là gì ? α = (Mm - Mt)/J 8 Giải thích ý nghĩa của công thức (1.18 ) dùng để xác định tốc độ lớn nhất mà động cơ có thể cung cấp. 9 Có cần ghép thêm một bộ truyền hay một hộp tốc độ ? 2 ⎛ ω ⎞ J = ⎜ t ⎟ tđ J t ⎜ ⎟ ⎝ ωm ⎠ 28
30. Chương 2 Lập trình các máy công cụ ĐKS 2.1 Mở đầu về điều khiển các Máy công cụ ĐKS 2.1.1 Hệ trục tọa độ: Để xác định các tương quan hình học trong vùng làm việc của máy cũng như trong phạm vi chi tiết gia công , cần một hệ trục tọa độ và các điểm gốc chuẩn. +Z +C +Y -X +B +A -Y +X -Z a) Hệ trục toạ độ theo quy tắc bàn tay phải Khi trục Z nằm ngang Khi trục Z thẳng đứng H2.1: Hệ trục toạ độ Hệ thống các trục toạ độ vuông góc được xác định theo quy tắc bàn tay phải (H2.1a). Các chuyển động chính của máy công cụ ĐKS thiết lập theo các trục tọa độ X,Y và Z ( H2.1b,c ) trong đó : – Trục Z chạy song song trục chính của máy, có chiều dương chạy từ chi tiết đến dụng cụ (hay dụng cụ chạy xa khỏi chi tiết ) – Trục X có phương theo phương bàn trượt dài nhất và luôn luôn vuông góc trục Z – Trục Y cùng với các trục X và Z lập thành hệ trục tọa độ tuân theo quy tắc bàn tay phải. Hệ trục tọa độ cơ bản được gắn với chi tiết, và khi lập trình, quy ước rằng dụng cụ chuyển động tương đối so với hệ thống trục tọa độ, chi tiết đứng yên. Trên các máy công cụ ĐKS còn có các trục quay như trục của bàn quay, ụ quay Chuyển động quay quanh các trục được ký hiệu bằng các chữ cái A, B và C và có thứ tự tương ứng với các trục tịnh tiến X,Y và Z. Ngoài các trục tọa độ X,Y, Z, còn có thể có các trục tọa độ khác song song với chúng. 29
31. Các trục nầy được ký hiệu U ( song song với X ),V ( song song với Y ) và W ( song song với Z ) hoặc P,Q và R tương ứng . o Các điểm chuẩn : Để xác định vị trí gốc hệ trục tọa độ cơ bản gắn lên chi tiết trong vùng làm việc của máy, cần một số điểm chuẩn sau: R OT PT Ow OM H2.2a: Các điểm chuẩn trên máy phay H2.2b: Các điểm chuẩn trên máy tiện + Điểm 0M cuả máy : Các điểm 0M là điểm gốc ở các thước đo trục tọa độ máy và thường là vị trí giới hạn dịch chuyển.Ví dụ với các máy tiện ĐKS đó là giao điểm của trục Z với mặt tỳ của mâm cặp trên bích trục chính, hoặc trên các máy phay ĐKS, điểm 0M nằm ở các điểm giới hạn dịch chuyển của bàn máy. + Điểm 0W của chi tiết: Điểm 0W của chi tiết là gốc hệ trục tọa độ gắn lên 30
32. chi tiết. Vị trí của điểm 0W do người lập trình tự lựa chọn sao cho dễ xác định biên dạng trên bản vẽ chi tiết gia công nhất. Trước khi gia công cần điều chỉnh điểm gốc hệ tọa độ chi tiết và điểm gốc hệ tọa độ máy sao cho 0W ≡ 0M + Điểm 0P của chương trình : Đây là điểm xuất phát hay trở về của dụng cụ khi gia công chi tiết. Thường điểm 0P được chọn sao cho dụng cụ có thể thay đổi một cách thuận tiện và an toàn. + Điểm chuẩn R ( Reference Point ) : Là một điểm xác định của hệ điều khiển trong vùng làm việc của máy để hệ điều khiển đồng bộ với vị trí của máy. Muốn vậy, ngay khi khởi động, các trục phải được chạy về điểm chuẩn của nó trên từng trục, sau đó hệ điều khiển mới bắt đầu đếm các khoảng gia số cũng như thông báo nếu bàn trượt hay trục dụng cụ thực hiện hành trình vượt quá giới hạn Với mục đích nầy, các hệ điều khiển máy công cụ ĐKS đều có yêu cầu đặt các trục máy về điểm chuẩn R khi bắt đầu vận hành. Dịch chuyển trở về điểm chuẩn R được thực hiện nhờ một phím chuyên dùng trên bảng điều khiển hoặc là nhờ một lệnh chương trình chuyên dùng. + Điểm chuẩn gá dao OT : Đây là điểm do nhà chế tạo quy định ( ví dụ khoảng cách từ điểm nầy đến vai trục gá máy phay ĐKS được cho trước trong thuyết minh máy, dùng như là một điểm xuất phát của tất cả các kích thước lắp dao khác ) nhằm để hiệu chỉnh chiều dài khi lắp đặt các dụng cụ cắt có kích thước khác nhau. + Các điểm chuẩn khác : Tuỳ theo từng loại máy công cụ ĐKS còn có thể có thêm các điểm chuẩn khác. 2.1.2 Chuẩn hóa kích thước : Trên một bản vẽ, thường các số đo kích thước không được đưa vào trực tiếp, chúng phải được tính lại để tìm ra các thông tin về đường dịch chuyển dùng cho lập trình, ví dụ chuyển cách ghi kích thước đo theo chuỗi thành các kích thước đo tuyệt đối hoặc tính toán thêm các tọa độ chưa rõ Thông tin về kích thước của chi tiết gia công được thể hiện trong bản vẽ theo hệ thống ghi kích thước tuyệt đối hoặc ghi kích thước theo gia số. a) Ghi kích thước tuyệt đối : Trong cách ghi kích thước tuyệt đối, tất cả các kích thước được ghi xuất phát từ những đường thẳng chuẩn, còn gọi là ghi kích thước theo chuẩn. Giao điểm của những đường chuẩn là điểm gốc tọa độ và nên trùng với 31
33. điểm 0W của chi tiết ( H2.3a). 25 17,677 7,232 25 OW2 17,677 17,677 17,677 48 7,232 10 20 10 10 OW1 12 12 18 13 17,677 30 68 7,232 17,677 7,232 a) Ghi kích thước tuyệt đối b) Ghi kích thước theo gia số H2.3 : Ghi kích thước cho gia công ĐKS b) Ghi kích thước theo gia số: Trong cách ghi kích thước theo gia số, mỗi một kích thước được ghi luôn xuất phát từ vị trí kích thước trước nó, còn gọi là ghi kích thước tương đối (H2.3b). Cách ghi kích thước nầy ảnh hưởng nhiều đến kết quả gia công, do đó trong thực tế ít dùng. c) Ghi kích thước nhờ các bảng: H2.3c): Ghi kích thước nhờ các bảng Khi ghi kích thước qua các bảng, người ta thay thế các kích thước trên bản vẽ bằng các số thứ tự vị trí. Những giá trị riêng của các điểm tọa độ được điền vào trong các bảng tọa độ như là các số liệu bổ sung, ví dụ như đường kính hoặc dung sai ( Ví dụ H2.3c - Bảng 2.1 ) 32
34. Bảng 2.1 Gốc Bảng tọa độ (mm) tọa Toạ độ Đường kính Số vị trí độ A B lỗ 1 1 0 0 - 1 1.1 12 10 5H7 1 1.2 30 20 10H7 2 2 68 50 - 2 2.1 0 25 5H7 2 2.2 17,677 17,677 5H7 2 2.3 25 0 5H7 2 2.4 17,677 17,677 5H7 2 2.5 0 -25 5H7 2 2.6 17,677 17,677 5H7 2 2.7 -25 0 5H7 2 2.8 17,677 27,677 5H7 2.2 Lập trình gia công trên máy công cụ ĐKS Tính kinh tế của các máy công cụ ĐKS phụ thuộc nhiều vào hệ thống lập trình sử dụng để tạo ra các lệnh điều khiển. Yêu cầu đối với ngôn ngữ lập trình phải đơn giản, dễ nhớ, mô tả đầy đủ hệ thống dữ liệu và sử dụng bảng mã tiêu chuẩn. Các chương trình hoàn hảo ( không lỗi ) được tạo ra và nạp vào máy càng nhanh, càng dễ dàng thì quá trình gia công ĐKS càng trở nên linh hoạt và kinh tế. 2.2.1 Cấu trúc chương trình Chương trình gia công là toàn bộ các chỉ dẫn gia công cần thiết khi gia công 1 chi tiết. Các chỉ dẫn gia công nầy được sắp xếp dưới dạng một dãy các câu lệnh mô tả đường dịch chuyển dụng cụ cũng như các điều kiện gia công Mỗi một chương trình gia công thường được bắt đầu bằng một ký tự bắt đầu chương trình (ví dụ ký tự %), tất cả các lệnh đứng trước ký tự % sẽ không được hệ điều khiển để ý đến. Mã ký tự NC tuân theo tiêu chuẩn EIA RS-274. Kết thúc chương trình được đánh dấu bởi một chức năng phụ. • Ký tự bắt đầu chương trình Ví dụ: %1234 trong đó 1234 là số hiệu chương trình. 33
35. • Ký tự kết thúc chương trình Ví dụ M30 • Các lệnh NC Ví dụ : N0100 G01 X25 Y20 Z-17 • Từ lệnh Ví dụ : Z-17 • Địa chỉ Ví dụ : Z • Các phối hợp số (đối với địa chỉ trục thỉnh thoảng kèm theo dấu) Ví dụ : -17 Mỗi một câu lệnh là một tập hợp các thông tin điều khiển, bắt đầu bằng số thứ tự câu, gồm 1 chữ cái N và một con số tự nhiên đứng đằng sau. Số thứ tự câu lệnh chỉ đơn thuần giúp người lập trình dễ theo dõi, kiểm tra chương trình, chứ không ảnh hưởng đến sự làm việc của hệ điều khiển. Tiếp theo số thứ tự câu lệnh là các từ lệnh có chứa đựng các thông tin hình học và công nghệ của chương trình. Mỗi từ lệnh bao gồm một ký tự ( địa chỉ ) và một dãy số có hoặc không có dấu. Dấu nằm giữa ký tự và dãy số ( ví dụ X-25). Dãy các con số có thể là số thập phân, người ta tách phần nguyên và phần thập phân bằng một dấu chấm (ví dụ X 173.45). Khi ghép tối thiểu các từ lệnh, ta được một câu lệnh thực hiện một chuyển động hay một chức năng của máy. Theo quy chuẩn, các ký tự có một ý nghĩa xác định. Có 5 nhóm lệnh ( nhóm địa chỉ theo ký tự mã NC ) sau đây : • Các lệnh hình học điều khiển chuyển động tương đối giữa dao và phôi là X,Y,Z,A,B,C,U,V,W,P,Q,R • Các lệnh công nghệ quy định tỷ số tiến dao ( F ), số vòng quay của trục chính ( S ), và các loại dao ( T ) • Các lệnh dịch chuyển theo hành trình quyết định kiểu chuyển động ( G ), chẳng hạn hành trình nhanh, nội suy đường thẳng, nội suy đường tròn • Các lệnh dịch chuyển thay dụng cụ; các chức năng phụ như đóng, mở dung dịch trơn nguội; quay, dừng trục chính ; chiều quay trục chính ( M ) , các lệnh hiệu chỉnh để bù chiều dài dụng cụ, bán kính dao cắt, bán kính mũi dao cũng như các xê dịch điểm chuẩn, thiết lập vị trí gốc tọa độ 34
36. • Các lệnh chu trình hay chương trình con. Thứ tự, địa chỉ và cấu trúc của từng từ lệnh riêng lẻ trong một chương trình gia công ĐKS được xác định theo tiêu chuẩn ISO 6983. Tuy vậy, do sự phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực chế tạo máy công cụ ĐKS nên có thể có sự khác biệt giữa các nhà chế tạo hệ điều khiển khác nhau. 2.2.1.1 Các lệnh thiết lập vị trí gốc toạ độ: • Thiết lập vị trí gốc toạ độ: Hầu hết các hệ điều khiển đều có khả năng cho phép dịch chuyển dụng cụ đến một vị trí và sau đó qua 1 phím chuyên dùng, đặt điểm 0w cho vị trí dụng cụ đang ở. Cũng có các hệ điều khiển sử dụng lệnh chương trình chuyên dùng theo mã G dành cho thiết lập vị trí gốc toạ độ 0w. Ví dụ: Các lệnh G54,G55,G56,G57 dùng để hiệu chỉnh các tọa độ OM ≡ OW hoặc được dùng khi gia công các chi tiết khác nhau ở một lần gá đặt . • Các chức năng xê dịch gốc chuẩn: Lập trình xê dịch ( hoặc xoay ) gốc chuẩn trên chi tiết G58 & G59 Việc sử dụng nhiều lần xê dịch ( hoặc xoay ) gốc chuẩn trên chi tiết cho phép ta lặp lại chương trình gia công nhiều lần tại các vị trí bất kỳ trên chi tiết gia công, ví dụ khoan các dãy lỗ giống nhau hoặc gia công các đường bao như nhau ( H2.4). Mẫu lệnh: OM OW1 G58/G59 A X Y OW2 G59 X H2.4: Lập trình có xê dịch điểm chuẩn trên chi tiết Hủy bỏ xê dịch gốc chuẩn bằng chức năng G53 35
37. • Các chức năng mô tả phương pháp ghi kích thước: Lập trình theo kích thước tuyệt đối và tương đối G90 & G91 G90 biểu thị dạng lập trình theo vị trí các điểm đích, còn G91 biểu thị dạng lập trình có điểm đích với các giá trị tọa độ của nó luôn gắn với vị trí của dụng cụ cắt đã đến trước đó, nghĩa là vị trí của các điểm xuất phát có một ý nghĩa quyết định để đạt được các điểm đích mong muốn. G91 được ứng dụng chủ yếu cho các chu trình hoặc chương trình con ( H2.5) OM OW G90 X tuyệt đối G91 X tương đối H2.5: Lập trình theo kích thước tuyệt đối-tương đối 2.2.1.2 Các lệnh dịch chuyển 30 G00 Chạy dao nhanh Mẫu lệnh N G00 X Y Z +Y 40 30.5 Các bàn trượt chạy dao nhanh đến điểm có tọa độ được lập trình ( vị trí thay đổi dụng cụ, điểm bắt đầu cho gia công ) Chú ý ·1 lượng chạy dao F bị vô hiệu hóa nếu đang thực hiện G01 · Tốc độ chạy dao nhanh được xác định theo máy sẵn có 56 · Nút chạy dao ưu tiên đang hoạt động Ví dụ : Tuyệt đối G90 Oct +X N50 G00 X40 Y56 Gia số G91 N50 G00 X-30 Y-30.5 H2.6 : Chạy dao nhanh G00 36
38. Các lệnh dịch chuyển được biểu thị bằng ký tự (địa chỉ) G và một con số 2 chữ số từ 00 đến 99 đứng sau. Các lệnh dịch chuyển theo mã G hầu hết đã được chuẩn hóa . • Một số lệnh dịch chuyển G thường gặp : G00 Chạy dao nhanh G01 Nội suy đường thẳng +Y 40 20 G01 Nội suy đường thẳng S Mẫu lệnh N G01 X Y Z F 25.9 E Các chuyển động thẳng với lượng chạy dao được lập trình theo mm/vòng (trạng thái ban đầu) Ví dụ : Tuyệt đối G90 20.1 +X N20 G01 X40 Y20.1 F0.1 Gia số G91 Oct N20 G01 X20 Y-25.9 F0.1 H2.7: Nội suy đường thẳng G01 Z G02 Nội suy đường tròn theo chiều kim đồng hồ G03 Nội suy đường tròn ngược chiều kim đồng hồ Mẫu lệnh G02 G03 G17 N G02/G03 X Y Z I J K F G03 hay N .G02/G03 X Y Z U F G03 G18 X,Y,Z điểm cuối của cung ( tuyệt đối hay gia số ) G02 I,J,K tham số vòng tròn theo gia số ( khoảng cách từ G02 điểm bắt đầu đến tâm cung , I theo phương X, J theo phương Y Y và K theo phương Z ) G19 U bán kính của cung có thể nhập thay cho tham số I,J,K 1 1 ( cung nhỏ hơn /2 vòng tròn : +U, lớn hơn /2 vòng tròn : -U ) S X Chú ý : ·Nội suy vòng tròn được thực hiện chỉ trong mặt phẳng U gia công I · I,J,K có giá trị 0 có thể không cần nhập ·Vị trí điểm cuối cung tròn sẽ được kiểm tra, với khoảng E J dung sai cho phép ( các sai số tính toán và làm tròn ) M · Chiều của G02, G03 luôn được nhìn từ trục vuông góc với mặt phẳng gia công H2.8: Nội suy đường tròn G02 Nội suy đường tròn theo chiều kim đồng hồ G03 Nội suy đường tròn ngược chiều kim đồng hồ 37
39. Các nội suy đường dịch chuyển:G00 , G01, G02 & G03 có liên quan đến việc cung cấp đường dịch chuyển dụng cụ cần thiết cho bề mặt tạo hình, trong đó: G00, là chức năng chạy dao nhanh đến tọa độ được xác định theo tốc độ lớn nhất có sẵn trên máy. G01, nội suy đường thẳng; G02 & G03, nội suy đường tròn cùng chiều & ngược chiều kim đồng hồ, tương ứng. 2.2.1.3 Lập trình với hệ toạ độ cực Một số hệ điều khiển máy cho phép lập trình trong hệ tọa độ cực bên cạnh hệ tọa độ Cartesian. Khi đó muốn xác định đường dịch chuyển dụng cụ, hệ điều khiển cần biết gốc toạ độ tâm cực, bán kính và góc. Các mã lệnh : G10 : Chạy dao nhanh trong hệ tọa độ cực G11 : Nội suy đường thẳng G12 : Nội suy đường tròn theo chiều kim đồng hồ G13 : Nội suy đường tròn ngược kim đồng hồ B +Y Ví dụ 1 G11 G10 A A2 A1 G10 X1Y1A1U P G11 A2 Y1 X1 +X G42 D01 G00 Z10 +Y Ví dụ 2 G00 X145Y75 3 2 G01 Z-7 F200 G11 X100Y75U45A60 / điểm 2 / P 1 4 A120 / điểm 3 / 56 A180 / điểm 4 / 75 A240 / điểm 5 / 45 100 A300 / điểm 6 / A0 / điểm 1 / +X • Bán kính dùng ký tự ( địa chỉ ) : U • Góc : A , góc tính là 00 theo chiều dương của hệ trục tọa độ Cartesian. • Toạ độ tâm cực xác định khi lập trình ban đầu theo hệ toạ độ Cartesian với hệ thống ghi kích thước tuyệt đối. 38
40. 2.2.1.4 Các lệnh vận hành máy : Các lệnh vận hành máy bao gồm các từ lệnh biểu thị chế độ cắt ( số vòng quay của trục chính S, lượng chạy dao F ), dụng cụ cắt và các chức năng phụ M. Phần lớn các lệnh nầy thể hiện phần công nghệ của 1 chương trình gia công ĐKS. Từ lệnh biểu thị thay dụng cụ cắt bao gồm chữ cái địa chỉ T và 1 con số đứng sau nó. Trên các máy công cụ ĐKS không có bộ phận thay dao tự động và không có ổ chứa dao, từ lệnh T có thể làm phát ra một tín hiệu quang học hoặc một tín hiệu âm thanh báo cho người vận hành máy thay dao bằng tay. Từ lệnh biểu thị các chức năng phụ bao gồm chữ cái địa chỉ M và một số mã 2 chữ số ( 00-99), còn gọi là chức năng vận hành máy. Các chức năng phụ có thể là một thao tác đóng mở đơn giản, ví dụ đóng mở dung dịch trơn nguội hoặc là các quá trình phức tạp hơn ví dụ thay dao Ví dụ 1.a: Lập trình gia công biên dạng rãnh theo bản vẽ chi tiết kèm theo (H2.9) Chuẩn bị cho lập trình cần lựa chọn phương pháp ghi kích thước, hệ toạ độ, gá đặt phôi, dụng cụ, chế độ cắt Chú ý điểm bắt đầu ăn dao và điểm thoát dao. N00 %VD1a N05 G54G90 N10 M06T04 / Thay dụng cụ T4/ v N15 M03S ⎯ /Quay trục chính theo chiều kim đồng hồ ở tốc độ ⎯ /ph/ N20 G00X50Y-10Z12 / Chỉ dẫn điểm bắt đầu của dụng cụ / N25 Z2M08 /Chạy nhanh đến điểm X50Y-10Z2, mở d/d làm nguội / mm N30 G01Z-7F ⎯ /Chạy dao đến Z -7 với lượng chạy dao F ⎯ /ph / N35 Y0 / Chạy dao đến điểm 1 / N40 X⎯ Y⎯ / Chạy dao đến điểm 2/ N45 Y⎯ / Chạy dao đến điểm 3/ N50 G02X52I20 / Nội suy đường tròn đến điểm 4/ N55 G01X⎯ / Chạy dao đến điểm 5 / N60 Y⎯ / Chạy dao đến điểm 6 / N65 G02X75Y0I-12 / Nội suy đường tròn đến điểm 7/ N70 G01X50 / Chạy dao đến điểm 1/ N75 G00Z12 / Chỉ dẫn điểm rút dao nhanh đến Z12 / N80 M09 / Tắt dung dịch làm nguội / 39
41. N85 M05 / Dừng trục chính / N90 M30 / Kết thúc chương trình / Y X H2.9 : Biên dạng rãnh Thường ghi nhận xét ở các câu lệnh để dễ kiểm tra. Ví dụ 1.b: Lập trình gia công biên dạng trục X Z H 2.10 : Biên dạng trục N00 %VD1b N05 G54G90G95 / Lượng chạy dao mm/vg / N10 M06T01 N15 M03S1200 40
42. N20G00X0Z1M08 / Điểm bắt đầu ăn dao / N25 G01Z0F0.8 / Điểm 1/ N30 X15 / Điểm 2/ N35 G03X20Z-5I0K-5 N40 G01Z-12 N45 G02X30Z-22I10K0 / Kết thúc gia công / N50 G01X40 N55 G00X70M09 / Điểm thay dụng cụ / N60 Z100 N65 M05M30 2.2.1.5 Hiệu chỉnh dụng cụ Để có thể gia công được với nhiều dụng cụ cắt có kích thước khác nhau mà không cần viết lại chương trình mới, cần hiệu chỉnh dụng cụ. Z Lz a OT a Lx X OT Lz P P Z a) Phay b) Tiện H2.11 : Hiệu chỉnh dụng cụ − Các vấn đề về hiệu chỉnh dụng cụ Các giá trị bán kính và chiều dài của dụng cụ cắt được xác định trước bằng một đầu đo dao chuyên dùng hoặc bằng một dụng cụ so dao lắp trên đầu chứa dao nhằm xác định vị trí điểm cắt thực tế của dụng cụ, chúng được đưa vào hệ điều khiển dùng làm các giá trị hiệu chỉnh. Khi lệnh hiệu chỉnh được gọi trong chương trình, hệ điều khiển có nhiệm vụ tính toán lại quỹ đạo chuyển động của dụng cụ theo các giá trị hiệu chỉnh nầy, do vậy tạo ra 41
43. được chuyển động chính xác của điểm cắt trên dao dọc theo đường bao gia công mà không cần phải xác định lại tọa độ biên dạng hình học của chi tiết nếu kích thước dao thay đổi. Khi lập trình, lựa chọn các số liệu hiệu chỉnh khác nhau phụ thuộc vào phương pháp gia công (ví dụ tiện hay phay ). Trên các máy phay và các trung tâm gia công cần hiệu chỉnh chiều dài và bán kính dao, còn trên máy tiện, cần hiệu chỉnh vị trí dao ( hiệu chỉnh chiều dài dao theo hướng X và Z ) và hiệu chỉnh bán kính đỉnh dao. − Các lệnh hiệu chỉnh dụng cụ Hướng hiệu chỉnh khi hiệu chỉnh bán kính ( dao bên trái hoặc phải đường bao gia công nhìn theo đường chạy của dao ) được biểu thị bằng lệnh G41 hoặc G42, tương ứng (H2.12). Hủy hiệu chỉnh nầy bằng lệnh G40. Các chú ý : • Thường không cho phép thay đổi trực tiếp giữa G41 và G42 mà trước đó phải hủy với G40 • Khi sử dụng hiệu chỉnh dụng cụ, có thể dùng với G00 hay G01. G40 thường được lập trình ở lệnh thoát dao khỏi vùng gia công để đến điểm thay dao. Cũng cần chú ý phải thiết lập đường dịch chuyển dụng cụ khi vào và ra khỏi biên dạng chi tiết sao cho dụng cụ không cắt lẹm vào chi tiết (H2.13). R R R R G42 R G42 G41 G41 a) Đường dịch chuyển dụng cụ c) Đường dịch chuyển dụng cụ khi cắt biên dạng trong 1 chi khi cắt biên dạng ngoài 1 chi tiết tiết với góc biên dạng > 900 G42 Đường dịch chuyển đã lập trình R R Đường dịch chuyển thực tế R R R: Bán kính dao phay G41 b) Đường dịch chuyển dụng cụ H2.12: Hướng hiệu chỉnh khi cắt biên dạng ngoài 1 chi với G41 & G42 tiết với góc biên dạng < 900 42
44. OP R G42 R G40 G42 R OP a) Đường vào và ra phía trước 1 biên dạng góc G40 G42 OP Đường dịch chuyển đã lập trình R Đường dịch chuyển thực tế R c) Đường vào và ra phía sau 1 biên dạng góc R R G40 H2.13 : Hủy hiệu chỉnh b) Đường vào và ra phía sau với G40 1 biên dạng góc Đối với trường hợp gia công trên máy tiện, hướng hiệu chỉnh cũng giống như trong hiệu chỉnh bán kính dao phay, cả hai điều kiện dịch chuyển G41 và G42 xác định theo quỹ đạo của dao ở bên trái hoặc bên phải đường bao gia công ( H2.14a). 8 X G42 4 3 5 7 G41 Z 12 6 a) Hướng hiệu chỉnh khi tiện c) Các góc phần tư của dao d) Góc phần tư thứ 3 và 7 H2.14 : Hiệu chỉnh dao tiện b) Các thông số hiệu chỉnh của dao tiện Ngoài ra khi lập trình vị trí của điểm cắt P nằm trên một đỉnh nhọn lý thuyết, trong khi thực tế dao có góc lượn nên không thể cắt ở vị trí nầy. Do vậy để cho đỉnh mũi dao trùng với vị trí cắt thực tế ( không làm sai lệch biên dạng gia công), cần hiệu chỉnh bán kính mũi dao(H2.14b). 43
45. Trên nhiều hệ điều khiển của các máy tiện có trang bị các loại hệ thống phụ trợ hiệu chỉnh, cho thấy khi gia công lưỡi cắt của dao ăn vào chi tiết dưới góc độ nào, qua đó dễ dàng xác định được các điểm cắt thực tế trên dao tùy theo góc điều chỉnh của dao tiện (H2.14c, d). Tất cả các số liệu nêu trên về kích thước dụng cụ được ghi vào bộ nhớ hiệu chỉnh. Thường chọn bộ nhớ hiệu chỉnh thông qua ký tự T ( phương pháp gia công tiện ), hoặc D ( phương pháp gia công khoan, phay ) kèm theo nhóm chữ số đằng sau các ký tự trên ứng với bộ nhớ đã cài đặt các giá trị hiệu chỉnh của dụng cụ đó. Ví dụ 2.a : Lập trình có hiệu chỉnh dụng cụ khi phay ( H2.15) Y X H2.15 : Hình ví dụ 2.a N00 %VD2a N05 G54G90 N10 M06T01 N15 M03S1200 N20 G41D01 N25 G00X10Y10 N30 Z2M08 / điểm bắt đầu ăn dao / N35 G01Z-10F150 N40 Y60 N45 X16Y90 N50 X80 44
46. N55 G02X90Y80I0J-10 N60 G01X90Y60 N65 X70Y10 N70 X9 / Kết thúc gia công / N75 G00Z10M09 N80 G40D00 / Về điểm thay dao / N85 X0Y0 / Hủy hiệu chỉnh dụng cụ / N90 M05 N95 M30 Ví dụ 2.b : Lập trình có hiệu chỉnh dụng cụ khi tiện ( H2.16 ) X Z H 2.16: Hình ví dụ 2.b N00 %VD2b N05 G54G90 N10 M06T0101 N15 M03S1200 N20 G42G00X0Z2M08 / điểm bắt đầu ăn dao / N25 G01Z0F120 N30 X15 N35 X18Z-3 N40 Z-35 N45 X21 45
47. N50 G03X25Z-39I0K-4 N55 G01X25Z-71.7 N60 G02X27.35Z-77.3I8K0 N65 G01X35Z-85 N70 Z-92 N75 X41M09 N80 G40G00X100Z20T0100/ Về điểm thay dao, hủy hiệu chỉnh / N85 M05M30 2.2.2. Lập trình nâng cao 2.2.2.1 Các chu trình và chương trình con: Chu trình là một tập hợp các thao tác nhất định được thực hiện chỉ với 1 mã G duy nhất, ví dụ các chu trình gia công lỗ đã được tiêu chuẩn, thường có 6 thao tác: 1. Định vị tâm lỗ theo các trục X và Y 2. Chạy nhanh đến mặt phẳng R 3. Khoan, doa hay cắt ren 4. Thao tác ở đáy lỗ 5. Lùi nhanh về mặt phẳng R 6. Trả nhanh về vị trí xuất phát ( nếu không gia công lỗ tiếp theo) Lùi nhanh để lấy phoi Lùi nhanh Tiến chậm Tiến nhanh Tiến chậm Mặt phẳng chuẩn R Mặt phẳng chuẩnR Dừng tạm thời d • d • Q Q Z • Z Điểm đến Điểm đến N G83 Z R Q F N G87 Z R P F a) Chu trình G83(khoan lỗ sâu) b) Chu trình G87(khoét rộng) H2.17: Ví dụ đường dịch chuyển của 1 số chu trình gia công lỗ Ngoài chu trình gia công lỗ, nhiều hệ điều khiển máy CNC còn có thể có các chu trình phay, tiện khác nhau tuy chúng chưa được tiêu chuẩn. 46
48. Điểm kết thúc Điểm bắt đầu Điểm O Điểm O biên dạng tinh p biên dạng tinh p D W G00 W G00 D U U Điểm bắt đầu Điểm kết thúc biên dạng tinh biên dạng tinh a) Tiện thô dọc trụcb) Tiện thô mặt đầu Điểm kết thúc K biên dạng tinh W G00 Điểm Op Bắt đầu tiện thô U IBắt đầu tiện tinh H2.18 : Ví dụ đường dịch chuyển c) Tiện thô song song biên dạng của 1 số chu trình tiện Chương trình con là một dãy các thao tác do người sử dụng tự soạn thảo theo các yêu cầu đặc biệt của mình và lưu lại vào bộ nhớ của hệ điều khiển, khi cần, có thể gọi qua tên chương trình con đã lưu, từ bên trong chương trình chính hay cũng có thể gọi từ bên trong 1 chương trình con khác. Nó được dùng làm giảm thời gian lập trình đối với các thao tác lặp đi lặp lại. %1234 %1234 L222P5 L222 5x L222P5 L222 L333P2 M30 L333 5x 2x M17 M30 M17 M17 a) Cấu trúc chương trình con bên trong b) Cấu trúc chương trình con chương trình chính bên trong chương trình con H2.19: Cấu trúc chương trình con Các hệ điều khiển dùng một ký tự ( ví dụ ký tự L) với dãy số tùy chọn để gọi chương trình con. Cấu trúc lệnh bên trong chương trình con giống như chương trình chính, và 47
49. khi kết thúc chương trình con (bằng một chức năng M hoặc một chức năng G, ví dụ M17 hoặc G99 ), lại nhảy trở về chương trình chính. Bảng tọa độ chương trình con Chương trình chính Chương trình con L90 N00 G90 N901 G00 X0Y0 N05 G59 X20Y8 N902 G01Z-5 N10 L90 N903 Y14 N15 G59 X42Y33 N904 X10 N20 L90 N905 G00Z2 N25 G59 X75Y15 N906 G53 N30 L90 N907 M17 H2.20: Ví dụ chương trình con Lời gọi chương trình con ở chương trình chính : Ví dụ : L123P1LF L: Gọi chương trình con ; 123 Số hiệu chương trình con P1 Số lần chạy chương trình con (lớn nhất 99) 2.2.2.2. Lập trình gia công đối với một số nguyên công đặc biệt 1.) Gia công ren : H/8 K Điểm kết thúc Điểm bắt đầu h cắt ren (X3,Z3) cắt ren (X ,Z ) A X 0 0 H/6 Chiều sâu ren: h = H-H/8-H/6 Z Điểm kết thúc A cắt ren(X3,Z3) a. Ren trụ Điểm bắt đầu (X ,Z ) cắt ren(X0,Z0) Ví dụ 1 chu trình tiện ren 2 2 X G76X- Z-D- K-A-F- X: đường kính chân ren (X1,Z1) Z: vị trí cuối chiều dài ren Z D: gia số chiều sâu cắt G90G00X(X1) K: chiều cao ren G33X(X2)I(α)K(P) A: góc duṇg cụ b. Ren côn G00X(X ) F: bước ren [mm/ ] 3 vg H2.21 : Cắt ren Z(Z0) a. Lệnh gia công ren: G33 X/Z I/K Ví dụ G33Z-122K2M08 48
50. trong đó X/Z: Chiều dài ren theo trục X/Z; I/K: Bước ren theo trục X/Z. Chức năng G33 xác định sự phụ thuộc giữa số vòng quay trục chính và lượng chạy dao. Trong trường hợp Máy không có chức năng G33, phải tính toán sự phụ thuộc nầy. 1000v vg mm n = [ /ph] ⇒ chọn nt có trên máy và tính F= nt × tp [ /ph] πd b. Các sơ đồ cắt ren : Khi cắt ren thường phải chia thành nhiều bước. Tùy theo sơ đồ cắt ren (cắt bằng 1lưỡi cắt hay 2 lưỡi cắt ) để xác định đường dịch chuyển dụng cụ và tính toán các thông số cần thiết, ví dụ gia số ∆xi cho mỗi lần cắt ∆xi =h/i với h: chiều cao ren, i: số bước; vị trí đầu và cuối của ren ở mỗi bước (các toạ độ Xi và Zi). c. Các chú ý khi cắt ren : • Điểm xuất phát cắt ren nên có khoảng cách so với điểm bắt đầu ren thực là 3 bước ren • Khi cắt ren không có rãnh thoát, điểm kết thúc ren lý thuyết phải nằm ngoài điểm hết ren một khoảng bằng 2 bước ren • Các loại ren vuông, ren thang giai đoạn đầu cũng thường cắt tam giác, sau đó dùng dao định hình để sửa đúng. • Tiến dao với 2 lưỡi cắt chịu lực lớn nhưng cả 2 cạnh ren đều nhẵn, được dùng cắt tinh trong khi tiến dao với 1 lưỡi cắt tham gia cắt giảm được lực tuy nhiên bề mặt ren kém nhẵn, do vậy thường dùng khi cắt thô. d. Gia công ren bằng mũi tarô (H2.22) R09 R07 4 R10 R02 1 - Cắt ren bằng ta rô hết chiều dài ren (từ 1 → 2) R04 - Dừng trục chính X giây (từ 2 → 3) R03 23- Trục chính quay ngược đưa dụng cụ R06 trả về mặt phẳng thoát dao (từ 3 → 4) - Đảo chiều trục chính nếu muốn ta rô lỗ tiếp theo H2.22 : Cắt ren bằng dụng cụ ta rô ren 49
51. 2.) Cắt rãnh a. Tiện rãnh (H2.23a) b. Phay rãnh (H2.23b,c) : Có 2 trường hợp • Dao có kích thước ∅d < b (bề rộng rãnh):Với 0,5b < ∅d < 0,9b, đường dịch chuyển dụng cụ như H2.23b. • Dao có kích thước ∅d =b(bề rộng rãnh): Đường dịch chuyển dụng cụ như H2.23c Dic̣h chuyển nhanh đaṭ kích thước bề rộng rãnh Điểm bắt đầu Điểm kết thúc ăn dao (X0,Z0) ăn dao (X1,Z1) a. Tiện rãnh Dừng tiến dao X giây, phôi quay 1 - Ăn dao từ điểm 1 → 2 - Phay rãnh từ điểm 2 → 3 → 2 2 b 3 - Rút dao về điểm xuất phát 1 b. Phay rãnh với dao có kích thước 0,5b < d <0,9b 1 - Khoan 2 lỗ ∅d. Thay dao 23- Ăn dao từ điểm 1→ 2→ 3 - Rút dao về điểm xuất phát 1 c. Phay rãnh với dao có kích thước b = ∅d H2.23 : Đường dịch chuyển gia công rãnh của dụng cụ c. Phay rãnh tròn đồng tâm: Tương tự với các dao ∅d = bvà 0,5b<∅d< 0,9b Chú ý phương pháp ăn dao vào chi tiết : Trường hợp đơn giản nhất là ăn dao dọc trục dao theo lỗ khoan đã có sẵn. Ngoài ra, khi gia công tinh với biên dạng là đường bao, điểm bắt đầu ăn dao nên chọn tại vị trí theo cung tròn tiếp tuyến với biên dạng, có ưu điểm lực cắt thay đổi từ từ, giảm sai số gia công. 3.) Phay định dạng hố lõm chữ nhật (H2.24a) Đối với hố lõm chữ nhật : • đường kính dao phải nhỏ hơn cạnh ngắn của hố (∅d < b) • góc lượn của hố phải bằng hay lớn hơn bán kính dao – ăn dao từ điểm giữa 1→ 2 – phay mở rộng 2→ 3, bước mở rộng khoảng (0,6÷0,8)∅d – mở rộng kế tiếp 3→ 4 (mở kiểu lò xo: bản chất quá trình phay không thay 50
52. đổi, được phân biệt với mở kiểu ziczắc). – rút dao nhanh về mặt phẳng an toàn, chạy nhanh về điểm giữa ăn dao lần 2 (nếu nhiều lần ăn dao) hoặc rút dao nhanh về điểm 1 (nếu một lần ăn dao) 4.) Phay định dạng khoang tròn (H2.24b) Đối với khoang tròn : – ăn dao từ điểm giữa 1→ 2 – phay mở rộng 2→ 3 (cung tròn có B là tâm, với AB = h/2) – phay cung tròn 3→ 4 (nội suy tròn có A là tâm ) – mở rộng kế tiếp 4→ 5 (cung tròn có B là tâm), mở kiểu lò xo, bước mở rộng khoảng (0,6÷0,8)∅d – phay cung tròn 5→ 6 (nội suy tròn có A là tâm ) – mở rộng kế tiếp 6→ 7 (cung tròn có B là tâm ) – phay cung tròn 7→ 8→ 7 (nội suy tròn có A là tâm ) – rút dao nhanh về mặt phẳng an toàn, chạy nhanh về điểm giữa ăn dao lần 2 (nếu nhiều lần ăn dao) hoặc rút dao nhanh về điểm 1 (nếu một lần ăn dao). 1 1 ' d 2' d 2 d d 4 2 2 4 3 2 b B h 4 3 8 6 A 5 7 9 a. Phay định dạng hố lõm chữ nhật d: khoảng gia số theo chiều sâu hố A,B: các tâm cực b. Phay khoang tròn H2.24: Đường dịch chuyển của dụng cụ Bước xoắn h= (0,6 ÷0,8)Ød khi phay định dạng hố lõm và khoang tròn 2.2.2.3 Lập trình với các tham số ( Lập trình Macros) Một chương trình tham số ( hay 1 macros) là một dãy các thao tác tương tự như một chương trình con. Sự khác nhau giữa chương trình con và macro là các giá trị bằng số ở các địa chỉ có thể thay bằng những tham số tượng trưng, và khi dùng, khai báo giá trị 51
53. cụ thể cho các tham số nầy ở phần đầu chương trình, nhờ vậy thuận tiện hơn chương trình con trong trường hợp cần phải thực hiện các đường dịch chuyển dụng cụ tương tự về mặt hình học, chẳng hạn gia công một họ các chi tiết ( giống về hình dáng hình học nhưng khác về kích cỡ) chỉ cần với một chương trình tham số. Do việc lập trình macros chưa được tiêu chuẩn hóa nên thao tác lập trình rất khác nhau giữa các nhà sản xuất hệ điều khiển. Thông thường, các tham số của 1 macro cho phép mô tả các thông tin như các giá trị toạ độ, lượng chạy dao F, số vòng quay trục chính S, dữ liệu chu trình thay vì dùng các giá trị cố định. Các macros còn có thể thực hiện các phép toán giữa các tham số, các điều kiện lôgic cần thiết trong lập trình gia công như vậy giúp cho việc lập trình trở nên linh hoạt và phong phú hơn. 52
54. Các câu hỏi Chương 2: 1. Lập trình : • Bài 1: Vẽ bản vẽ và viết chương trình mã G • Bài 2: Tạo file ∗.ncl, nhập chương trình TH.C, chạy chương trình và nhận xét kết quả của chương trình mã G. Mở rộng cho thuật giải 2. Phân biệt giữa chu trình và chương trình tham số 3. Chuyển động G00 được dùng để a. thực hiện các nguyên công gia công nhanh trên chi tiết b. định vị nhanh dụng cụ đến và đi khỏi các vị trí cắt gọt. c. tạo các chuyển động theo đường vòng trên chi tiết. d. gia công với một tốc độ chạy dao nhất định theo một đường thẳng. 4. Chuyển động G01 được dùng để a. thực hiện các nguyên công gia công nhanh trên chi tiết b. định vị nhanh dụng cụ đến và đi khỏi các vị trí cắt gọt. c. tạo các chuyển động theo đường vòng trên chi tiết. d. gia công với một tốc độ chạy dao nhất định theo một đường thẳng. 5. Tốc độ chạy dao không cần phải được lập trình ở từng lệnh dịch chuyển, ngay cả giữa các lệnh chuyển động thẳng và tròn. ( Đ , S ) 6. Một khi một kiểu chuyển động nhất định đã được lựa chọn ( bởi G00, G01, G02 hay G03), không cần phải được lập trình lại cho đến khi kiểu chuyển động thay đổi. ( Đ , S ) 7. Liệt kê 3 yếu tố mà tất cả các kiểu chuyển động đều có chung. a. Chúng đều có chung mẫu lệnh b. Điểm cuối của chuyển động được lập trình ở mỗi lệnh chuyển động. c. Tất cả các chuyển động đều phụ thuộc vào chế độ tuyệt đối/gia số (G90/G91) d. Chỉ có các trục chuyển động mới cần được đưa vào lệnh dịch chuyển. 8. Công tắc đóng/ ngắt nào làm việc theo mã M01 trong chương trình? Dừng có chọn lọc (Optional Stop) 53
55. Chương 3 Máy công cụ ĐKS- Phân tích động học và kết cấu 3.1 Cấu trúc tổng thể các Máy công cụ ĐKS Các Máy công cụ ĐKS cũng có bố cục tương tự như ở các máy công cụ truyền thống, trừ ở một số trường hợp, cấu trúc tổng thể Máy có những thay đổi nhất định phù hợp với vị trí của nó trong hệ thống sản xuất, ví dụ tính thuận tiện khi bố trí các cơ cấu cấp và thay thế tự động dụng cụ hoặc cấp, tháo phôi tự động H3.1: Máy phay điều khiển chương trình số PC Mill 155 3.2 Phân tích đặc điểm động học hệ thống truyền động Máy công cụ ĐKS Ngoài nhiệm vụ truyền được công suất cắt gọt hay công suất chạy dao cần thiết, các hệ thống truyền động Máy còn phải cung cấp 1 phạm vi điều chỉnh tốc độ vô cấp đủ rộng cũng như đáp ứng được các tiêu chuẩn đối với đặc tính động lực học Máy. Để thoả mãn các yêu cầu trên, các nguồn động lực được chọn thường là các loại động cơ điện 1 chiều hoặc động cơ bước, hoặc có thể là động cơ điện xoay chiều dùng kèm với các thiết bị biến tần. 3.2.1 Các đặc điểm của hệ thống truyền động dùng động cơ 1 chiều (DC) Hệ thống truyền động loại nầy cung cấp phạm vi điều chỉnh tốc độ cần thiết bằng cách mắc nối tiếp nguồn động lực điều chỉnh vô cấp với một hộp tốc độ truyền động phân cấp. Nhờ vậy, hệ có đường truyền ngắn nhưng vẫn bảo đảm được phạm vi tốc độ trục ra. • Mắc nối tiếp nguồn vô cấp với 1 hộp tốc độ phân cấp Đây là phương pháp được ứng dụng rộng rãi. Giả sử nguồn vô cấp có phạm vi điều ' n max chỉnh RB = ' được ghép nối tiếp với 1hộp tốc độ phân cấp có q tỉ số truyền i1, i2, ,iq. n min 54
56. Chọn nhóm vô cấp làm nhóm cơ sở, do đó RB =ϕ Tương ứng với các tỉ số truyền i1, i2, ,iq ta có q phạm vi thay đổi tốc độ ở trục ra: ' ' i1n min → i1n max ' ' i 2 n min → i 2 n max KKKKKK ' ' i q n min → i q n max Cần tìm quy luật phân bố các tỉ số truyền i n' " ' min n max n max i3 i1 i2 nmin CB CB CBnmax H3.2: Lưới kết cấu Hộp Tốc Độ Ví dụ cho trường hợp hộp tốc độ có 3 tỉ số truyền i1, i2, i3 . Đối với nhóm truyền vô cấp, i phụ thuộc vào tải trọng, do đó khi chịu tải, bộ truyền phân cấp có thể tạo ra những khoảng trống không có tốc độ. Nhiệm vụ thiết kế là phải bảo đảm điều kiện tốc độ ra liên tục, hay nói một cách khác, nB ≡ nC ' Ta có : nB = n min i2 ' nC = n max i1 ' n max Điều kiện : nB ≤ nC ⇒ i2 ≤ ' i1 = RB i1 (3.1) n min 2 Tương tự : i3 ≤ RB i2 = R B i1 q−1 i q q−1 Một cách tổng quát : iq ≤ R B i1 ⇒ = R A ≤ R B (3.2) i1 q−1 ⇔ iq = ()kR B i1 với k ≤ 1 và q : số cấp tốc độ của hộp tốc độ phân cấp (3.3) 55
57. Do vậy, các tỉ số truyền của bộ phân cấp phân bố theo quy luật cấp số nhân có công bội ϕ = kRB . • Xác định q : Phạm vi điều chỉnh của các tỉ số truyền bộ phân cấp : i q q−1 RA= = ()kR B (3.4) i1 Nếu gọi R là phạm vi điều chỉnh chung : R=RARB , ta có : R q−1 q−1 lg R lg R = ()kR B ≤ R B ⇒ q ≥ hay q min = (3.5) R B lg R B lg R B R q−1 Cũng có thể xác định được giá trị hệ số k . Bởi vì = ()kR B , ta có : R B q−1 q 1 R q−1 k R B = R ⇒ k = và tỉ lệ trùng tương đối W trên các điểm tiếp giáp BC : R B R B ' ' % n maxi q−1 − n mini q W = ' ' 100 ; (n max − n min )i q−1 Thay iq=kRB iq-1 ' ' % n max − n min kR B R B (1− k) ⇒ W = ' ' 100 = 100 (3.6) (n max − n min ) R B −1 Ví dụ : Thiết kế hệ thống truyền động cho 1 máy CNC trong đó động cơ cho phép vg biến đổi vô cấp tốc độ từ (1200 ÷3000) /ph được ghép với 1 hộp tốc độ sao cho số vg vg vòng quay trên trục ra nmin = 40 /ph và nmax = 1600 /ph Giải : n max 1600 3000 Các phạm vi điều chỉnh R= = = 40 ; RB= = 2,5 n min 40 1200 lg R lg 40 Số cấp tốc độ của hộp tốc độ : q min = = = 4 lg R B lg 2,5 1 R 1 40 Hệ số k = q−1 = 3 ≈ 1 . R B R B 2,5 2,5 Do đó ϕ = kRB = 2,5 Hộp tốc độ có PAKG 2×2 PATT I II (1) (2) Lưới kết cấu nhận được như H3.3.Từ lưới kết cấu, tiến hành vẽ đồ thị vòng quay, tính 56
58. H3.3: Lưới kết cấu toán số răng trong hộp phân cấp, và vẽ sơ đồ động theo cách như đối với máy công cụ truyền thống (H3.4a,b). 3.2.2 Các đặc điểm của hệ thống truyền động dùng động cơ bước Đối với động cơ bước, góc bước δđ/c có mối quan hệ với chuyển vị đơn vị của cơ cấu chấp hành theo biểu thức : ∆s = δđ/c i kv (3.7) n c vg trong đó : i= với nc , số vòng quay trục ra hộp giảm tốc [ /s] n đc vg n đ/c, số vòng quay của động cơ bước [ /s] kv : hệ số phụ thuộc vào cơ cấu dẫn, nếu cơ cấu dẫn là vít me-đai ốc, ta có: kv=tx, còn với cơ cấu dẫn là bộ truyền bánh răng-thanh răng, kv= πmz , m và z là mô đun và số răng của bánh răng dẫn động thanh răng. 57
59. mm Gọi Vs [ /ph] : tốc độ chạy dao bàn máy, kv được xác định theo biểu thức: Vs kv= [mm] 60n c Lựa chọn các thông số động học của hệ thống truyền động dùng động cơ bước cần căn cứ vào : • Độ chính xác động học yêu cầu, tức là phải bảo đảm ∆s ≤ [∆s] [∆s] [∆s]: sai số cho phép lớn nhất của cơ cấu chấp hành, hay ikv ≤ (3.8) δđc M • Khả năng truyền được lực kéo cần thiết, hay ik ≤ 1 η (3.9) v Q M1: giá trị trung bình của momen động cơ bước Q : lực kéo lớn nhất ; η: hiệu suất truyền dẫn • Khả năng thực hiện tốc độ chạy dao nhanh nhất của bàn máy Vs max ikv ≥ (3.10) fδđc Chọn tỉ số truyền i của hộp giảm tốc cũng còn phải chú ý đến yếu tố động lực học hệ truyền động. 3.3 Phân tích đặc điểm kết cấu Cấu trúc một hệ truyền động Máy ĐKS bao gồm động cơ, các thành phần truyền động và một hệ điều khiển. Hệ điều khiển nhận dữ liệu đầu vào ở dạng lệnh, ví dụ lệnh nhiễu ĐẦU VÀO MÁY ĐẦU RA các chuyển động máy và các chuyển động ( mã hoá ) hệ điều khiển thực tế Các chuyển động của máy Đáp ứng của phần cứng được mô tả theo tín hiệu mã hoá theo lệnh đã gởi đến H3.5: Cấu trúc máy công cụ ĐKS chuyển động chỉ dẫn một tập hợp tọa độ các điểm trong không gian mà dụng cụ cần đi 58
60. qua , xử lý và biến đổi các dữ liệu nầy thành tín hiệu điều khiển động cơ sau khi qua một số hệ thống con của hệ chấp hành, ví dụ mạch khuếch đại công suất, mạch biến đổi dòng Tiếp đến là hệ truyền động cơ học, phần lớn sử dụng các bộ truyền bánh răng, đai răng, trục truyền, vít me và cơ cấu chấp hành (bàn máy mang phôi, trục gá dao )(H3.5) Đầu ra của hệ truyền động là chuyển động máy thực tế theo một trục, và là đáp ứng của hệ đối với đầu vào, sao cho khi đầu vào ( đại lượng dẫn ) biến đổi, đầu ra phải theo kịp sự biến đổi nầy trong thời gian ngắn nhất. Do vậy, muốn xác định đặc tính làm việc của hệ thống truyền động Máy, cần phân tích mô hình thiết lập cho hệ để tìm mối quan hệ giữa đại lượng đầu vào cung cấp và đại lượng đầu ra ( chuyển động thực tế ), qua đó chỉ ra các yếu tố chi phối sự hoạt động cũng như đánh giá chất lượng hoạt động của toàn hệ. Gọi biến đầu vào hệ u(t) là một đại lượng thay đổi theo thời gian t. Bài toán điều khiển cho biết với đầu vào u(t), ta nhận được một đáp ứng nhất định hay đầu ra y(t). • Hệ thống truyền động và phân loại bài toán điều khiển: Giả sử chuyển động tịnh tiến dọc một trục nào đó được thực hiện bằng cách dùng động cơ bước ghép nối tiếp với bộ truyền vít me - đai ốc bi cung cấp chuyển động cho bàn máy mang chi tiết. Để có lượng dịch chuyển cần thiết, phải chọn góc bước cho động cơ cũng như số bước trong một đơn vị thời gian và xác định các thông số động học của hệ thống truyền động. Các thành phần hệ bao gồm động cơ, trục, vít me và bàn máy ( H3.6). H3.6: Các thành phần của hệ thống truyền động Lượng dịch chuyển của bàn máy dễ dàng tìm ra dựa vào mối quan hệ giữa các thông 59
61. số động học của hệ đã chọn và như đã biết, đây là hệ thống vòng hở. Tuy nhiên, giá trị thực tế của số bước nhận được, tốc độ bước và do vậy quãng đường dịch chuyển thường khác hơn so với tính toán. Tốc độ đầu ra còn phụ thuộc vào tải kéo, khe hở trong hệ truyền động và sự trễ giữa thế hiệu đặt vào cho đến khi bàn máy bắt đầu chuyển động Có thể hiệu chỉnh các sai lệch như trên bằng cách chọn động cơ có chất lượng tốt hơn hoặc nếu biết nguồn gây ra sai lệch và ảnh hưởng của chúng như thế nào, ta có thể thiết kế một hiệu chỉnh cho chúng, chẳng hạn nếu biết nguồn nhiễu cùng với tác động của nó đến lượng dịch chuyển cần thiết, ta có thể thêm hoặc bớt đi một số bước động cơ để bù trừ. Đây là bài toán điều khiển thuận. Một phương pháp điều khiển khác được dùng trong hầu hết các máy công cụ là thay thế việc xác định số bước bằng cách đo liên tục vi ̣trí thực tế, so sánh nó với vị trí mong muốn và hiệu chỉnh sai lệch. Điều nầy có nghĩa là vị trí thực tế được kiểm tra và một tín hiệu nhận biết sự sai lệch, hệ sau đó có tác động hiệu chỉnh để làm giảm sai lệch nầy. Cũng lấy ví dụ cần thực hiện chuyển động tịnh tiến theo một trục, nhưng sử dụng hệ thống truyền động có phản hồi. Nguồn động dùng ở đây là loại động cơ điện một chiều cung cấp chuyển động cần thiết cho bàn máy hay dụng cụ cắt (H3.7). H3.7: Các thành phần của hệ thống truyền động có phản hồi Để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến lượng dịch chuyển bàn máy, cần thiết lập mô hình hệ. • Các mô hình thành phần và của hệ + Hệ bậc nhất : Đầu ra của hệ là vị trí góc trục động cơ θ hay tốc độ góc ω rad/s và 60
62. đầu vào là thế hiệu Vi(t). Ở động cơ, thế hiệu đặt vào Vi(t) cung cấp một dòng điện ia(t) qua cuộn dây quấn phần ứng trong một từ trường. Momen sinh ra tỉ lệ với dòng theo biểu thức: M1 = km i a (3.11) km : hằng số momen của động cơ Bỏ qua ma sát, toàn bộ momen được dùng để kéo trục động cơ mang tải, khi đó có thể mô tả hoạt động của động cơ như sau dω kmia(t) = J (3.12) dt với J: momen quán tính của động cơ cùng với trục mang tải. Mạch điện bên trong động cơ có các thành phần (như đã khảo sát ở Chương 1): Eb = keω . (3.13) Eb là sức phản điện. Coi điện áp rơi trên cuộn cảm là bé so với điện áp điện trở Ra, ta có thể viết: Vi- Eb = iaRa (3.14) Giải (3.14) để tìm ia và thay ia cùng với (3.13) vào (3.12): JR dω V a + ω = i (3.15) k m k e dt k e Phương trình trên là phương trình vi phân bậc một biểu thị quan hệ giữa thế hiệu cấp cho động cơ Vi và tốc độ đầu ra động cơ ω. JR Nhận xét về hệ số của số hạng đầu tiên a k m k e − mỗi thành phần là một hằng số do đó số hạng trên là hằng số − đơn vị của hệ số nầy là thời gian, ̣( giây nếu đơn vị của ω là rad/giây) − số hạng nầy được gọị là hằng số thời gian, T , của hệ. Mô hình động cơ được biểu thị dưới dạng tổng quát: dω cV T + ω = i (3.16) dt k e Ở trạng thái xác lập ( không có sự thay đổi chuyển động hay sự thay đổi thế hiệu), ta dω cVi có: = 0 và ω = ωss = dt k e trong đó c được gọi là hệ số khuếch đại của động cơ. Kết quả nầy là đáp ứng xác lập 61
63. của mô hình khi đầu vào dạng nấc. Điểm chú ý ở đây là đáp ứng của hệ phụ thuộc vào hệ số c của động cơ và hằng số thời gian hệ T. Khi mô tả hoạt động của hệ thống, thường xử dụng đặc tính đáp ứng nấc-đáp ứng của một đầu vào nấc hay nói một cách khác biến đầu vào hệ thay đổi rất nhanh từ giá trị cố định nầy sang giá trị cố định khác. Ứng dụng đáp ứng nấc cho mô hình động cơ để − xác định giá trị hệ số khuếch đại của đầu ra ( hệ số khuếch đại tĩnh) − đánh giá sự biến đổi của đầu ra trước khi hệ tiến đến trạng thái xác lập (đáp ứng quá độ). Với đầu vào nấc từ 0 → 1 tại thời điểm t= 0 ; điều kiện đầu của tốc độ góc ω = 0, đáp ứng lý thuyết của động cơ là lời giải của phương trình vi phân bậc một của mô hình động cơ : dω cVi T + ω = ; Vi = 0 khi t< 0; Vi = 1 khi t≥ 0 (3.17) dt k e t ⎛ − ⎞ = ω ⎜1− e T ⎟ Kết quả nhận được: ω ss ⎜ ⎟ (3.18) ⎝ ⎠ ω(t) Cũng có thể trình bày kết quả theo tỉ lệ tốc độ . Thời gian tính theo đơn vị của ωss hằng số thời gian T. Lời giải của phương trình mô tả mô hình còn được dùng để phân tích cho một số trường hợp cần thiết, ví dụ muốn đánh giá đáp ứng của động cơ khi đầu vào chịu kích thích hình sin ở tần số nào đó Phương trình (3.17) đặc trưng cho hệ khảo sát là phương trình vi phân bậc 1 có một đầu vào-một đầu ra với giả thiết các đáp ứng thành phần không có sự trễ. Một cách tổng quát, các hệ nầy được gọi là các hệ bậc nhất. + Hệ bậc hai: Hệ thống truyền động Máy gồm động cơ, các thành phần truyền động cùng với cơ cấu chấp hành là bàn máy hay trục dụng cụ (H3.8 )̣. Cấu trúc thu gọn của hệ thống truyền động có phản hồi trên H3.9. Vị trí bàn máy phải được đo một cách liên tục và thông tin nầy dùng để chỉ dẫn các lệnh chuyển động kế tiếp. Hệ thống truyền động quy đổi tính toán như H3.10, trong đó: b: hệ số ma sát tương đương ktđ : độ cứng tương đương của hệ. 62
64. θi θo Tín hiệu Hộp Động cơ giảm tốc Tải điều khiển Trục truyền H3.8: Mô hình hệ thống truyền động Bộ so sánh Bàn máy sai lệch tốc độ Tín hiệu chuẩn + Hộp Động cơ Bộ điều khiển KĐ giảm tốc − Vít dẫn Tốc kế Cảm biến vị trí Tín hiệu phản hồi và tốc độ H3.9: Cấu trúc của hệ thống truyền động có phản hồi Biến khảo sát là vị trí góc của trục truyền, θ. Vị trí cuối của bàn máy là đầu ra hệ θo và vị trí cuối của động cơ là đầu vào hệ θi. Momen xoắn cần truyền gây ra biến dạng đối với trục và do đó làm thay đổi chuyển động trục. Độ cứng của hệ được gộp vào trục ra với độ cứng xoắn tương đương ktđ . H3.10: Mô hình hệ quy đổi Momen xoắn trên trục Mt = ktđ( θi - θo) (3.19) Hầu hết các hệ truyền động thường xử dụng ma sát lăn giữa các bề mặt đối tiếp. dθo Momen ma sát khi đó là: Mms = − b (3.20) dt b: hệ số ma sát lăn Phương trình cân bằng mô tả chuyển động của hệ: J&θ&o = ktđ( θi - θo) - b θ& o (3.21) 63
65. b k tđ k tđ hay &θ& + θ& + θo = θi (3.22) o J o J J Đây là phương trình đặc trưng của mô hình hệ cho biết mối quan hệ giữa đầu ra θo và đầu vào θi - (3.22) có dạng phương trình vi phân tuyến tính bậc hai. Phương trình cuối thường được viết lại dùng các số hạng mô tả bản chất vật lý của 2 2 hệ. &θ&o + 2ξωn θ& o + ωn θo = g ωn θi (3.23) với tần số riêng không cản của hệ là ωn. Ảnh hưởng của yếu tố ma sát được mô tả bằng giá trị ξ, hay tỉ số cản. Hệ số khuếch đại g, tần số riêng ωn và tỉ số cản ξ đặc trưng cho hoạt động của hệ thống khảo sát. Một cách tổng quát, các hệ nầy được gọi là các hệ bậc hai. Lời giải của phương trình (3.23) cho biết hoạt động của hệ trong miền thời gian. Ngoài ra, dựa vào lời giải, có thể phân tích đặc tính dao động của hệ trong nhiều trường hợp ứng dụng cụ thể . Đối với các hệ thống truyền động máy công cụ nói chung và máy CNC nói riêng, thành phần truyền động thường sử dụng là các cặp truyền động bánh răng, truyền động đai, ly hợp, khớp nối , chúng có yêu cầu cao về độ cứng, độ bền mòn và tính chịu nhiệt, trong đó yếu tố đặc trưng của thành phần là độ cứng. Độ cứng của thành phần truyền động được đánh giá qua chuyển vị (chuyển vị dài hoặc chuyển vị góc). Tuỳ theo các thành phần của hệ được ghép nối tiếp hay song song, độ cứng tương đương của hệ truyền động được tính toán khác nhau. k k 1 2 1 1 1 ghép nối tiếp = + k k1 k 2 k1 k= k +k ghép song song 1 2 k2 H3.11 : Mô hình các thành phần truyền động 3.3.1 : Đặc điểm tính toán Độ cứng của các thành phần truyền động thường gặp : 64
66. 1. Trục : Độ cứng của trục có tiết diện tròn : 4 Gπd Nm k = [ /rad] (3.24) 32l trong đó d : đường kính trục; l : chiều dài trục; G : mô đun đàn hồi chống xoắn 10 N G ≅ 7,5×10 /m2 đối với thép 10 N ≅ 2,5×10 /m2 đối với nhôm 2. Bánh răng : Giả sử bánh răng chủ động đủ cứng, độ cứng của bánh răng bị động : 2 Nm k = Cgbr [ /rad] (3.25) trong đó b : bề rộng răng ; r : bán kính vòng chia của bánh răng bị động ; 10 N Cg : hệ số tiếp xúc bề mặt răng; Cg ≅ 1,34 ×10 /m2 đối với thép 3. Độ cứng trục ra của hệ truyền động Ta có : M = k δ M 1 1 1 1 k 1 M2 = k2 δ 2 I x N J2 J1 trong đó k x 2 II M2 δ1 , δ 2 là chuyển vị góc củatrục I H3.12 : Hệ truyền động và trục II, tương ứng M2 = NM1 1 δ = δ1 2 N N>1: tỉ số truyền hộp giảm tốc M NM 2 = 1 = N 2 k (3.26) Do vậy: k2 = 1 δ 2 1 δ1 N Nm Ví dụ : Cho k1 = 500 /rad , bộ truyền bánh răng có tỉ số truyền giảm tốc N=10. Bánh Nm răng bị động có độ cứng kbr = 5000 /rad . Tìm độ cứng của hệ. Giải : 65
67. 2 Do độ cứng trục ra k2 = N k1 , ta có khệ được xác định theo độ cứng của 2 thành phần truyền động ghép nối tiếp : 1 1 1 1 1 1 1 = + = + 2 = + 2 k Σ k br k 20 k br N k10 5000 10 (500) 50000 ⇒ k = ≅ 4545 Nm/ Σ 11 rad ∗ Nhận xét : Khi thành phần cuối của hệ thống truyền động là thành phần giảm tốc lớn, độ cứng của các thành phần trước đó có thể bỏ qua 4. Đai truyền : Độ cứng của bộ truyền đai : AE k = (3.27) B l 2 N 2 trong đó A : tiết diện đai [mm ] ; E : mô đun đàn hồi của đai [ /mm ] 1 l : chiều dài của đoạn dây đai tự do giữa các puly cọng với /3 chiều dài đai tiếp xúc với các puly [mm] 5. Nối trục Coi nối trục như 1 dầm chịu uốn và tính độ cứng ở điểm cuối. Đối với nối trục có tiết diện tròn, độ cứng của nối trục được tính theo công thức 3πE(d 4 − d 4 ) k = 2 1 (3.28) 64l3 trong đó d1, d2 : đường kính trong và ngoài của nối trục; l : chiều dài trục 11 N 2 E : mô đun đàn hồi chống uốn E ≅ 2 × 10 /m đối với thép 2 11 N 2 ≅ /3 × 10 /m đối với nhôm Đối với nối trục tiết diện vuông, độ cứng k được tính E(w 4 − w 4 ) k = 2 1 (3.29) 4l3 trong đó w1, w2 : các kích thước trong và ngoài của nối trục 6. Hệ thống truyền động tương đương Khảo sát hệ thống truyền động H3.12. Viết phương trình chuyển động cho hệ thống trên với các giả thiết : θ1, θ2 :chuyển vị góc tại vị trí đặt khối lượng 1 và 2 . b1, b2 : hệ số ma sát trên trục 1 và 2, tương ứng . 1 (J1 &θ& +b1 θ& )+ (J2 &θ& +b2 θ& ) = M1 1 1 N 2 2 66
68. θ thay θ = 1 , ta được: 2 N J 2 b 2 M 2 (J1+ ) &θ& +(b1+ ) θ& = M1= (viết theo biến θ1 ) N 2 1 N 2 1 N 2 2 hoặc : (J2+N J1)&θ&2 +(b2+N b1) θ& 2 = M2 (viết theo biến θ2 ) Như vậy, hệ thống trên có thể quy về 1 hệ thống thu gọn, với quán tính tương đương J của đĩa 2 so với đĩa 1 là 2 ( hoặc quán tính tương đương của đĩa 1 so với đĩa 2 là N 2 2 b 2 2 N J1) và các hệ số cản tương đương hoặc N b1 tùy theo biến chuyển vị cần xét. N 2 Để xác định độ cứng tương đương của hệ quy đổi, có thể dựa theo phương pháp xác định độ cứng chung của hệ phụ thuộc vào độ cứng thành phần và cách ghép. • Với bộ truyền bánh răng-thanh răng dùng làm cơ cấu chấp hành:(H3.13a) • Với bộ truyền vít me-đai ốc dùng làm cơ cấu chấp hành : (H3.13b) J Giả sử J0 : momen quán tính của bánh răng 0 ăn khớp với thanh răng m : khối lượng bàn máy θ& R J 0 x Khi đó m = m + m & tđ R 2 2 hoặc Jtđ = J0 + mR H3.13a : Cơ cấu Bánh Răng-Thanh Răng Giả sử J0 : momen quán tính của vít me bàn máy x& m m : khối lượng bàn máy 2 Khi đó m = m + 4π J tđ J 0 0 s 2 s 2 θ& hoặc J = J + ms tđ 0 2 H3.13b : Cơ cấu Vít me-Đai ốc 4π s : bước vít me bàn máy 3.3.2 Đặc tính chất lượng của hệ truyền động Giá trị hằng số thời gian tương đương của các hệ thống truyền động ( hệ bậc hai) có thể được tính theo các công thức sau : – Đối với hệ truyền động thực hiện chuyển động quay 2J T = tđ [s] (3.30) b tđ – Đối với hệ truyền động thực hiện chuyển động tịnh tiến 67
69. 2m T = tđ [s] (3.31) b tđ T = 4,6T T = 4T T = 3T Chú ý : s 1% ; s 2% ; s 5% Các ví dụ ứng dụng: Phần lớn các trường hợp khi khảo sát hệ truyền động thu gọn, có thể quy về sơ đồ tính toán gồm 2 khối lượng H3.14: Sơ đồ tính toán hệ quy đổi 2 khối lượng Phương trình chuyển động có dạng: ⎪⎧j1&θ&1 = M1 − b(θ& 1 − θ& 2 ) − k(θ1 − θ2 ) ⎨ (3.32) ⎩⎪j2&θ&2 = k()θ1 − θ2 − b(θ& 2 − θ& 1 ) ⎪⎧j1&θ&1 + b(θ& 1 − θ& 2 ) + k(θ1 − θ2 ) = M1 hay ⎨ (3.33) ⎩⎪j2&θ&2 − b(θ& 1 − θ& 2 ) − k()θ1 − θ2 = 0 b k M1 ⇒ &θ&1 + (θ& 1 − θ& 2 ) + (θ1 − θ2 ) = j1 j1 j1 b k và &θ&2 − (θ& 1 − θ& 2 ) − (θ1 − θ2 ) = 0 j2 j2 ⎛ b b ⎞ ⎛ k k ⎞ M ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ 1 Do đó (&θ&1 − &θ&2 ) + ⎜ + ⎟()θ& 1 − θ& 2 + ⎜ + ⎟()θ1 − θ2 = (3.34) ⎝ j1 j2 ⎠ ⎝ j1 j2 ⎠ j1 ⎛ 1 1 ⎞ ⎛ 1 1 ⎞ M1 hay Ψ&& + b⎜ + ⎟Ψ& + k⎜ + ⎟Ψ = ⎝ j1 j2 ⎠ ⎝ j1 j2 ⎠ j1 ⎛ j1 + j2 ⎞ ⎛ j1 + j2 ⎞ M1 Ψ&& + b⎜ ⎟Ψ& + k⎜ ⎟Ψ = (3.35) ⎝ j1 j2 ⎠ ⎝ j1 j2 ⎠ j1 2j j Khi đó T = 1 2 (3.36) b(j1 + j2 ) Ví dụ : Xác định quán tính tương đương và độ cứng tương đương của hệ thống truyền động sau 68
70. Các giả thiết : Jm : Momen quán tính của rô to động cơ j1, j2, j3, j4 : Momen quán tính của các bánh răng trong hộp N1, N2 : Các tỉ số truyền giảm tốc ( >1) b1, b2, b3 : Các hệ số ma sát trên các trục I, II, III j k 1 I 1 J x m j b N1 3 M1 1,θ& 1 k2 x x θ& 3 N θ& b II 2 III 2 2 x J j t 2 k3 b3 j4 H3.15 : Hệ thống truyền động có giảm tốc 2 cấp Giải : Viết phương trình chuyển động của hệ, trong đó giả sử chuyển vị góc tại đầu và cuối trục I (trục động cơ )là như nhau (θ1), chuyển vị góc tại đầu và cuối trục II là như nhau (θ2 = θ3 ), chuyển vị góc tại đầu và cuối trục III là θ4 . 1 1 (J +j ) +b + [(j + j )&θ& + b θ& ]+ [(j + j )&θ& + b θ& ]=M (3.37) m 1 &θ&1 1 θ& 1 2 3 2 2 2 4 t 4 3 4 1 N1 N1N 2 θ1 θ1 Thay θ2 = ; θ4 = ta có : N1 N1N 2 j + j j + j b b [(J +j )+ 2 3 + 4 t ] +(b + 2 + 3 ) = M (3.38) m 1 2 2 2 &θ&1 1 2 2 2 θ& 1 1 N1 N1 N 2 N1 N1 N 2 Như vậy, quán tính tương đương viết theo chuyển vị góc θ1 là j2 + j3 j4 + jt Jtđ1= (Jm+j1) + 2 + 2 2 (3.39a) N1 N1 N 2 hoặc nếu viết theo chuyển vị góc θ4, ta có : 2 2 2 Jtđ2 = N1 N 2 (J m + j1 ) + N 2 (j2 + j3 ) + (j4 + jt ) (3.39b) Độ cứng tương đương của hệ thống : 1 1 1 = + (3.40) k k k Σ br4 III0 trong đó 69
71. 1 1 1 1 1 = + với = k k k k N 2 k III0 IIIi III IIIi 2 II0 1 1 1 1 1 1 1 và = + + = + + k k k k k N 2 k k II0 br2 IIi II br2 1 I0 II 1 1 1 ⎛ 1 1 1 ⎞ Do đó = + ⎜ + + ⎟ k k N 2 ⎜ k k N 2 k ⎟ III0 III 2 ⎝ br2 II 1 I0 ⎠ 1 1 1 1 1 1 hay = + + + + (3.41) k k k N 2 k N 2 k N 2 N 2 k Σ br 4 III 2 br 2 2 II 1 2 I0 ⇒ khệ 3.3.3 Một số cơ cấu đặc biệt trong Máy công cụ ĐKS 3.3.3.1. Cơ cấu vít me - đai ốc bi Vít me là phần dẫn động cuối cùng của truyền động chạy dao trong phần lớn các máy công cụ ĐKS, do vậy cần sử dụng các vít me có độ chính xác cao, chịu mòn, và đảm bảo cứng vững. Loại cơ cấu vít me- đai ốc bi (H3. 16) có tiếp xúc giữa vít me và đai ốc là tiếp xúc lăn nên có thể coi ma sát không đáng kể và đáp ứng được các yêu cầu làm việc kể trên. H3.16: Cơ cấu vít me đai ốc bi Cả vít me và đai ốc đều có profil ren dạng cung tròn được gia công chính xác để dẫn bi. Các rãnh dẫn bi chạy theo đường ren và vòng trở lại theo một đường dẫn bên trong của đai ốc bi. Rãnh của vít me và đai ốc được chế tạo có hình dạng cung nửa vòng tròn bán kính r1 và r2, tỉ số r1/ r2 chọn từ (0.95 ÷ 0,97), với r1: bán kính bi, r2 : bán kính của rãnh đai ốc. Khe hở đường kính chọn sao cho góc tiếp xúc 450 . Các ưu điểm chính : 70
72. – Tổn thất ma sát bé, hiệu suất của cơ cấu vít me-đai ốc bi có thể đạt tới 0,9 trong khi các vít me-đai ốc trượt chỉ đạt từ (0,2 ÷0.4) – Độ cứng dọc trục cao nhờ các biện pháp tạo lực căng sơ bộ ban đầu. – Lực ma sát không phụ thuộc vào vận tốc, do đó đảm bảo chuyển động ổn định. – Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài. H3.17a, b, c: Kết cấu rãnh hồi bi và profil ren Đặc điểm tính toán : 1. Xác định lực kéo cho phép Q : Xuất phát từ điều kiện bền tiếp xúc giữa vật thể lăn bi-rãnh xoắn ốc, trị số ứng suất tiếp xúc lớn nhất được cho bởi công thức Hertz 2 2 PE (r2 − r1 ) σ = 1,43 ⎡kg ⎤ (3.42) k 2 2 ⎢ cm 2 ⎥ r1 r2 ⎣ ⎦ trong đó P: tải trọng tĩnh tác dụng lên 1 viên bi [kg]; E: mô đun đàn hồi của vật liệu [ kg 2 11 N 2 6 kg 2 /cm ]. Đối với thép E ≈ 2×10 [ /m ] = 2×10 [ /cm ]; r1, r2 [cm] Với r1 bằng 0,96 và chọn vật liệu thép, thay vào công thức trên: r2 3 P σ = 4,3×10 3 ⎡kg ⎤ (3.43) k 2 ⎢ cm 2 ⎥ d1 ⎣ ⎦ trong đó, d1: đường kính bi [cm] Ứng suất tiếp xúc cho phép phụ thuộc vào độ cứng bề mặt tiếp xúc: 4 HRC kg [σk ] = (2,5 ÷ 3) 10 ⎡ ⎤ 60 ⎣⎢ cm2 ⎦⎥ 71
73. 4 kg Giả sử lấy σk ≤ [σk ] = 2,5 × 10 ⎡ ⎤ (ứng với bề mặt tiếp xúc đạt HRC= 60), từ ⎣⎢ cm2 ⎦⎥ công thức (3.43), có thể xác định tải trọng giới hạn đối với 1 viên bi: 2 P ≤ 200 d1 [kg] (3.44) Lực kéo cho phép tác dụng lên vít me: Q ≤ Pzt sinα cosλ[kg] 2 hay Q ≤ 200zt d1 sinαcosλ [kg] (3.45) trong đó, zt : số bi tính toán, có thể lấy zt = 0,7z α : góc tiếp xúc, lấy α = 450 λ : góc nâng đường vít, λ ≈ ( 2 ÷ 3 )0, do đó coi cosλ ≈ 1 Thay các giá trị bằng số, cuối cùng ta có : 2 Q ≤ 100z d1 [kg] (3.46) Tính toán theo tuổi thọ của bộ truyền : quy về việc xác định hệ số tuổi thọ k0: 60TnC k = k 3 i (3.47) 0 Q 107 với, T : thời hạn phục vụ[g], ví dụ T = 5000giờ ; n[v/ph]: số vòng quay tính toán của bộ truyền, tính theo công thức n = ( nmax + nmin ) / 2 r1 Ci : số chu kỳ tải trọng trong 1 vòng quay, được tính: Ci = 0,5zt ( 1 + cosα ) r0 trong đó, r0 : bán kính tâm bi. kQ : hệ số biến đổi tải trọng, lấy kQ ≈ 0,9 3 Nếu T = 5000 g, Ci ≈ 20/2 = 10, kQ ≈ 0,9, ta có : k0 = 0,6 n (3.48) Chú ý rằng khi k0 ≤ 1thì theo (3.48), số vòng quay trung bình n 1, dẫn đến công thức cuối cùng là: 100zd 2 Q ≤ 1 (3.49) k 0 2. Xác định độ cứng vít me a. Độ cứng dọc trục dQ k = (3.50) dδ với δ : chuyển vị dọc trục của vít me. k phụ thuộc vào các tham số hình học của bề mặt tiếp xúc và mô đun đàn hồi của vật 72
74. liệu. Có thể chứng minh được rằng [9] 3 2 k = 0,8 d1Qc z t (3.51) Qc: lực căng sơ bộ [kg]. Theo kinh nghiệm, lấy Qc = 0,35 Q, do vậy thay zt = 0,7z, ta nhận được : ⎡kg ⎤ k = 2 d1z (3.52) ⎣⎢ µm ⎦⎥ b. Độ cứng xoắn của vít me Giá trị độ cứng xoắn của vít me được xác định theo chiều dài vít và đường kính trung Gπd 4 bình của ren : k = tb (3.53) 32l vm Các thông số kích thước chính của bộ truyền vít me- đai ốc bi có thể tham khảo trong các bảng (5.1) và (5.2) [11]. 3.3.3.2. Các cơ cấu cấp và thay thế tự động dụng cụ Yêu cầu chung đối với cơ cấu cấp và thay thế tự động dụng cụ: – Chứa được nhiều dao – Thời gian thay dao tối thiểu – Thay dao theo chu trình tự động, ví dụ ở đầu Rơ vôn ve : + Tháo lỏng dao vừa gia công xong + Quay thuận thay dao + Quay nghịch kẹp chặc dao mới, kết thúc thay dao. 1. Cấp dụng cụ bằng đầu Rơ vôn ve Thường gặp trên các máy phay, khoan, tiện Loại nầy có nhược điểm là số lượng dao ít, từ (6 ÷ 12) dao. Dao quay chiếm không gian làm việc và có thể gây trở ngại cho các thao tác điều khiển. Thời gian thay dao vào khoảng (4 ÷ 6 )s 2. Cấp dao bằng tay máy Loại nầy thường có 2 bộ phận chính : Ổ trữ dụng cụ và tay máy. Ổ trữ dụng cụ có thể lắp trực tiếp lên thân máy, ụ trục chính, hoặc lắp ngoài máy khi cần bố trí số lượng dao lớn. Tay máy đặt giữa ổ trữ dụng cụ và trục chính. Các dao trong ổ trữ đều được mã hoá. Thời gian thay dao vào khoảng (1 ÷ 2)s. Các ổ trữ dụng cụ mới nhất có mạch điều khiển được sắp xếp chặc chẽ vào một vi mạch EPROM ( Electrically Programmable Read-Only Memory) trong đó chứa cả hai: 73