Bài giảng công nghệ Cad/Cam - Chương 7: Điều khiển số và lập trình gia công điều khiển số

C7 CAD-CAM> CNC 1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH CHƯƠNG 7 ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ LẬP TRÌNH GIA CÔNG ĐIỀU KHIỂN SỐ 7.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ 7.1.1. Khái niệm điều khiển số (NC). Điều khiển số (Numerical Control - NC) là hoạt động điều khiển trực tiếp một hệ thống bởi dữ liệu số. Điều khiển số trong gia công cắt gọt là một hình thức tự động hoá bằng lập trình, trong đó máy công cụ được điều khiển bởi chương trình bao gồm các chỉ thị được mã hoá dưới dạng ký tự chữ, số và các ký tự đặc biệt khác, trong đó chỉ thị điều khiển được chuyển đổi thành hai dạng tín hiệu: - Tín hiệu xung điện: điều khiển tốc độ các động cơ truyền động tạo nên chuyển động tương đối giữa dao cắt và chi tiết gia công. - Tín hiệu đóng / ngắt (ON/OFF): thực hiện chức năng chuyển mạch, đổi chiều quay trục chính; điều khiển các thiết bị phụ trợ như bôi trơn làm nguội, chọn và thay dao; và các chức năng khác như dừng máy, kẹp phôi, nhả phôi,... Theo phương thức truyền thông dữ liệu điều khiển, ta phân biệt 3 phương thức điều khiển số: 1. Điều khiển số trực tiếp (Direct Numerical Control - DNC) Điều khiển trực tiếp máy công cụ điều khiển số (máy NC) từ bên ngoài bởi máy tính thực hiện chức năng lập trình, truyền chương trình, điều khiển quá trình gia công. Đây là những hệ điều khiển dạng mạch cố định (hard-wirred), trong đó tất cả các chức năng như nội suy, đọc băng, đọc chỉ thị, định vị được thực hiện bởi các mạch điện tử. Hình 7.1- Điều khiển số trực tiếp C7 CAD-CAM> CNC 2 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 2. Điều khiển số bằng máy tính (Computer Numerical Control - CNC) Nhờ ứng dụng các thành tựu của công nghệ vi điện tử, vi xử lý trong thiết lập trực tiếp máy tính trên hệ điều khiển máy (Machine Control Unit - MCU) để điều khiển máy NC ngày nay hình thành nên phương thức điều khiển và thế hệ máy điều khiển số bằng máy tính (máy CNC). Do đó, CNC là hệ thống NC sử dụng máy tính thiết lập trực tiếp trên hệ điều khiển máy và được điều khiển bởi các chỉ thị lưu trữ trên bộ nhớ máy tính để thực hiện một phần hoặc toàn bộ các chức năng điều khiển số. Các hệ điều khiển CNC có khả năng thực hiện các chức năng điều khiển bởi phần mềm (soft-wired), do đó làm đơn giản mạch điều khiển CNC, giảm giá thành, tăng độ tin cậy đồng thời có khả năng điều khiển linh hoạt và thông minh, có khả năng hiệu chỉnh nhanh chóng và tiện ích, có khả năng lưu trữ dữ liệu gia công ngay trên máy. 3. Điều khiển số phân phối (Distributive Numerical Control) Nhờ khả năng thực hiện và lưu trữ đồng thời nhiều chương trính trên bộ nhớ cho phép vận hành máy CNC không phụ thuộc vào máy tính chủ nên có thể giải phóng máy tính chủ để thực hiện nhiệm vụ khác của hệ thống. Với sự phát triển của khoa học máy tính, kỹ thuật điều khiển logic khả lập trình (Programmable Logic Control - PLC), kỹ thuật truyền thông, phương thức điều khiển số phân phối ra đời trong đó mạng máy tính được sử dụng để phối hợp hoạt động của nhiều máy CNC. Ngoài chức năng truyền chương trình tới các máy CNC, phương thức này còn có khả năng giám sát và điều khiểntoàn bộ hệ thống, như hiển thị thông tin về trạng thái làm việc của hệ thống, xuất thông tin hay chỉ thị điều khiển, điều hành,... Hình 7.2- Điều khiển số phân phối C7 CAD-CAM> CNC 3 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 7.1.2. Điều khiển số bằng máy tính (CNC). 1. Cấu trúc hệ thống CNC. Hệ thống CNC bao gồm 6 thành phần chính: - Chương trình gia công (Part program) - Thiết bị đọc chương trình (Program input device) - Hệ điều khiển máy (MCU) - Hệ thống truyền động (Drive system) - Máy công cụ (Machine tool) - Hệ thống phản hồi (Feedback system) Chương trình gia công bao gồm các chỉ thị được mã hoá để điều khiển quá trình gia công chi tiết, hệ điều khiển chuyển đổi các chỉ thị này thành tín hiệu điện kích hoạt các chức năng hoạt động của máy. Hệ điều khiển máy thực hiện chức năng đọc và biên dịch mã lệnh và sau đó xuất các tín hiệu điện tương ứng truyền tới bộ khuếch đại servo để điều hành có cấu servo (động cơ điện hoặc động cơ thuỷ lực) của hệ thống truyền động. Thiết bị phản hồi như các cảm biến vị trí, chiều, tốc độ dịch chuyển và phản hồi các tín hiệu này về hệ điều khiển máy. Hệ điều khiển máy so sánh các tín hiệu này với tín hiệu tham chiếu cho trước bởi các mã lệnh điều khiển và xuất các tín hiệu điều chỉnh (sai lệch) tới bộ khuếch đại servo cho tới khi đạt đại lượng yêu cầu. Hệ MCU gồm hai phần: hệ xử lý dữ liệu (Data Processing Unit - DPU) và mạch điều khiển (Control Loop Unit - CLU) • DPU thực hiện các chức năng: - Đọc mã lệnh từ thiết bị nhập - Xử lý mã lệnh hay giải mã. - Truyền dữ liệu vị trí, tốc độ và các chức năng phụ trợ tới CLU. Hình 7.3- Cấu trúc hệ thống CNC C7 CAD-CAM> CNC 4 GVC NGUYỄN THẾ TRANH • CLU thực hiện các chức năng: - Nội suy chuyển động trên cơ sở các tín hiệu nhận từ DPU và xuất các tín hiệu điều khiển. - Truyền tín hiệu điều khiển tới mạch khuếch đại của hệ truyền động. - Nhận tín hiệu phản hồi về vị trí và tốc độ. - Điều khiển các thiết bị phụ trợ. Hệ thống truyền động thông thường bao gồm bộ khuếch đại servo, cơ cấu servo, bộ truyền đai răng, đai ốc-vít me bi và bàn trượt. Hệ thống này quyết định độ chính xác, công suất của máy. 2. Khả năng của CNC. CNC có nhiều chức năng xử lý và điều khiển linh hoạt hơn NC: a. Hiển thị chương trình và mô phỏng bằng đồ hoạ quá trình gia công. b. Nhập dữ liệu c. Lưu trữ chương trình: ROM lưu trữ chương trình hệ thống, RAM lưu trữ chương trình gia công. d. Biên tập chương trình. e. Kiểm tra chương trình: nhờ chức năng mô phỏng. f. Chẩn đoán lỗi. g. Tiện ích giao tiếp. h. Quản lý dữ liệu. i. Hệ toạ độ và hệ đơn vị. j. Định dạng mã điều khiển: EIA và ASCII. k. Khả năng tính toán. l. Bù trừ đường kính và chiều dài dao. m. Nội suy hình học. n. Chức năng lập trình: thực hiện được các phép biến đổi toạ độ. o. Khả năng hậu xử lý. 3. Ưu điểm của CNC. Ngày nay công nghệ CNC đã tạo nên cuộc cách mạng trong kỹ thuật chế tạo nhờ các ưu điểm chính sau đây: a. Nâng cao năng suất. b. Độ chính xác và độ chính xác lặp lại cao. c. Hạ giá thành sản xuất. d. Giảm giá thành điều hành gián tiếp. 7.2. CHUYỂN ĐỘNG NỘI SUY. Chức năng của hệ thống CNC hay cụ thể hơn là máy công cụ CNC là di chuyển dụng cụ hoặc bàn máy để thực hiện qui trình gia công theo chương trình. 7.2.1. Phương thức di chuyển dụng cụ. Có 2 phương thức di chuyển dao trong điều khiển số: - Di chuyển điểm tới điểm (Point-To-Point - PTP) - Di chuyển theo biên dạng (Contour). C7 CAD-CAM> CNC 5 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 1. Di chuyển theo PTP: Theo phương thức di chuyển PTP dao di chuyển theo các hành trình thẳng đến vị trí yêu cầu, thường dùng dể di chuyển nhanh hay định vị. Có 3 chế độ di chuyển: * Di chuyển hướng trục (Axial path). * Di chuyển theo phương xiên 450. * Di chuyển trực tiếp. 2. Di chuyển theo Contour. Theo phương thức này, dao di chuyển theo biên dạng yêu cầu để thực hiện qui trình công nghệ gia công. Về hình học, biên dạng bao gồm chuỗi các đường thẳng, đường cong, cung tròn, êlip, parabol, hypebôn, đường cong bậc ba và các đường cong bậc cao. Để đơn giản việc tính toán các điểm trên quĩ đạo di chuyển dao, các đường cong bậc cao được tuyến tính hoá, tức là các đường cong bậc cao được xấp xỉ bởi chuỗi đoạn thẳng. Với giả thiết này, quĩ đạo di chuyển dao tổng quát được xấp xỉ bởi chuỗi phần tử hình học cơ bản thuộc 3 nhóm: * Đường cong bậc nhất (đoạn thẳng). * Đường cong bậc hai (cung tròn, êlip, paraboon, hyperboon). * Đường cong bậc ba. Trong điều khiển số, các di chuyển cơ bản này được gọi là chuyển động nội suy (interpolated motion). Di chuyển theo biên dạng đòi hỏi hệ điều khiển phải có khả năng điều khiển phối hợp các động cơ truyền động, như vậy mỗi trục truyền động yêu cầu có mạch điều khiển định vị và mạch điều khiển tốc độ riêng biệt. Hình 7.4- Các chế độ dịch chuyển trong chuyển động PTP Hình 7.5 - Điều khiển 2,5 trục Hình 7.7 - Điều khiển 5 trục Hình 7.6 - Điều khiển 3 trục C7 CAD-CAM> CNC 6 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 4.2.2. Nội suy chuyển động. Điều khiển số sử dụng 5 chế độ nội suy chuyển động: nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn, nội suy đường xoắn, nội suy parabol và nội suy bậc 3. Từ dữ liệu hình học quĩ đạo di chuyển dao và chế độ nội suy yêu cầu, bộ nội suy tính toạ độ các điểm trung gian trên quĩ đạo chuyển động. Bộ nội suy (là thiết bị điện tử đối với hệ NC hoặc phần mềm đối với hệ CNC), ngoài chức năng nội suy hình học còn có chức năng tính toán tốc độ của các trục tương ứng để thực hiện chuyển động theo quĩ đạo và tốc độ di chuyển yêu cầu. 1. Nội suy đường thẳng. Dao được di chuyển từ điểm đầu tới điểm cuối hành trình theo chuỗi đoan thẳng. Khi lập trình chuỗi chuyển động thẳng, chỉ cần xác định toạ độ cuối của mỗi đoạn, bởi vì điểm cuối của đoạn trước là điểm đầu của đoạn tiếp theo. Nội suy đường thẳng theo 2 và 3 trục là phương pháp thông dụng nhất. Có thể nội suy đường thẳng phối hợp đồng thời tối đa 5 trục (3 chuyển động thẳng, 2 chuyển động quay) để 5thực hiện quĩ đạo chuyển động bất kỳ. Nội suy đường thẳng yêu cầu 3 thông số: toạ độ điểm đầu, toạ ssộ điểm cuối và tốc độ di chuyển trên mỗi trục. Với điều khiển 2 trục, bộ nội suy tính tần số xung điều khiển tốc độ trục x và y sao cho tỷ lệ tốc độ trên trục x vày bằng tỷ lệ gia lượng dịch chuyển tương ứng (dx/dy). Thí dụ, để điều khiển chuyển động di chuyển theo đường thẳng từ S đến E, gia lượng dịch chuyển theo phương x và y là 8 và 4 đơn vị chiều dài; như vậy bộ nội suy phải xuất đồng thời 8 xung cho mạch điều khiển tốc độ trục x và 4 xung cho mạch điều khiển tốc độ trục y hoặc theo tỷ lệ 2:1. Tương tự, với điều khiển 3 trục, bộ nội suy tính gia lượng di chuyển dx, dy và dz theo các trục tương ứng. Gia lượng dịch chuyển được sử dụng như dữ liệu vào cho các mạch điều khiển định vị và tỷ lệ của chúng được sử dụng để điều khiển tốc độ. Trên hình 10.9 ở mạch điều khiển vị trí: dx = 4-1 = 3 ; dy = 4-2 = 2 ; dz = 9-3 = 6 và trên mạch điều khiển tốc độ: Vx : Vy : Vz = dx : dy : dz = 3 : 2 : 6 Hình 7.8- Nội suy đường thẳng điều khiển 2 trục Hình 7.9- Nội suy đường thẳng điều khiển 3 trục C7 CAD-CAM> CNC 7 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 2. Nội suy cung tròn. Nội suy cung tròn điều khiển chuyển động theo quĩ đạo cung tròn bởi một câu lệnh (block) đon giản, thay thế cho hàng ngàn câu lệnh nội suy đường thẳng. Khả năng nội suy cung tròn của một số hệ điều khiển giới hạn bởi cung 900, như vậy để lập trình đường tròn cần 5 câu lệnh. Phần lớn các hệ điều khiển theo chuẩn công nghiệp đều có khả năng điều khiển theo quĩ đạo đường tròn bởi 1 câu lệnh. Đối với vòng tròn có tâm ở gốc O và bán kính R trong mặt phẳng (x,y), ta có: x = Rcosθ ; y = Rsinθ với θ = ωt Thành phần vận tốc: Vx = dx/dt = -Rωsin(ωt) = -Vsin(ωt) Vy = dy/dt = Rωcos(ωt) = Vcos(ωt) V = Rω là tốc độ dài ứng với lượng chạy dao theo cung tròn. 3. Nội suy đường xoắn. Nội suy đường xoắn bao gồm nội suy cung tròn theo 2 trục và nội suy đường thẳng theo trục thứ 3. Nội suy đường xoắn là phép nội suy trong không gian bởi vì cả 3 chuyển động đồng thời để tạo nên quĩ đạo chuyển động xoắn. Phép nội suy này thường được sử dụng để gia công ren kích thước lớn hay các trục xoắn. 4. Nội suy Parabôn. Nội suy parabol sử dụng 3 điểm không thẳng hàng để xấp xỉ các đường cong tự do. Phương pháp nội suy này cho phép điều khiển chuyển động theo quĩ đạo đường cong phẳng hoặc đường cong 3 D. Sử dụng nội suy parabol để xấp xỉ các đoạn đường Về lý thuyết, sử dụng nội suy đường thẳng có thể lập trình quĩ đạo chuyển động cong bất kỳ nhưng lượng dữ liệu cần xử lý rất lớn. So với nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn, parabôn, đường xoắn hoặc đường cong bậc ba làm giảm đáng kể lượng dữ liệu cần lập trình cho cùng quĩ đạo chuyển động. Hình 4.10-13 minh hoạ một số thí dụ ứng dụng nội suy đường thẳng. Phần lớn các hệ CAD/CAM đều sử dụng phương pháp nội suy đường thẳng cho các mặt cong phức tạp. Hình 7.10- Nội suy đường thẳng cho đoạn thẳng Hình 7.12- Xấp xỉ đường cong bởi nội suy đường thẳng Hình 7.11- Xấp xỉ đường tròn bằng đa giác C7 CAD-CAM> CNC 8 GVC NGUYỄN THẾ TRANH cong có ưu điểm làm giảm 50% số điểm lập trình so với phương pháp nội suy đường thẳng. Nội suy Parabol được sử dụng chủ yếu trong gia công khuôn mẫu, khi các hình dáng tự do mang tính thẩm mỹ quan trọng hơn nhiều so với những định nghĩa chính xác về mặt toán học. 5. Nội suy bậc 3. Phương pháp nội suy này không chỉ có khả năng xấp xỉ đường cong mà còn có khả năng kết nối trơn láng các đường cong kế cận. Chương trình nội suy bậc 3 rất phức tạp, đòi hỏi khả năng xử lý cũng như yêu cầu về dung lượng bộ nhớ cao hơn các Hình 7.13- Xấp xỉ mặt cong bởi nội suy đường thẳng Hình 7.14 Hình 7.15 Hình 7.16- Nội suy Parabol Hình 7.17- Xấp xỉ đường cong bậc cao bởi cung Parabol C7 CAD-CAM> CNC 9 GVC NGUYỄN THẾ TRANH phương pháp nội suy khác. Với công nghệ máy tính hiện đại có khả năng tính toán và xử lý dữ liệu mạnh và giá thành không cao, sử dụng nội suy bậc 3 hoàn toàn không có trở ngại. 7.3. CƠ SỞ LẬP TRÌNH NC. 7.3.1. Chương trình NC. Chương trình NC bao gồm chuỗi chỉ thị di chuyển dao, chỉ thị đóng ngắt và phụ trợ cần thiết để điều khiển máy tự động thực hiện công việc gia công. Công việc xác lập tiến trình di chuyển dao cùng các chỉ thị lập trình cụ thể và lưu trữ các thông tin này trên thiết bị mang tin dưới dạng mã lệnh phục vụ cho quá trình đọc dữ liệu tự động bởi hệ điều khiển, được gọi là lập trình NC. Có nhiều định dạng chương trình NC, phổ biến nhất là định dạng địa chỉ lệnh. Định dạng này bao gồm các mã lệnh được truyền đến hệ thống servo, các rơle, công tắc,... để thực hiện các di chuyển và tác vụ cần thiết cho việc gia công. Theo hệ tiêu chuẩn qui định, các mã lệnh này được liên kết theo trình tự logic để tạo thành khối thông tin. Mỗi khối thông tin bao gồm các thông tin vừa đủ để thực hiện một bước gia công. Hệ tiêu chuẩn EIA sử dụng các ký tự chữ cái alphabet, các ký tự số, ký tự đặc biệt khác để biểu diễn chương trình, trong đó ký tự chữ cái được sử dụng để phân biệt các lệnh trong khối lệnh. Chiều dài khối lệnh và lệnh phụ thuộc vào thiết kế của hệ điều khiển. G 01 Nội suy đường thẳng X 126.5 Y 0.5 Đồng thời theo trục X và Y tới vị trí (126.5, 0.5) F 180 Tốc độ chạy dao 180 mm/ph S 1200 Tốc độ trục chính 1200rpm T 12 M 06 Thay dao số 12 vàoổtục chính Hình 7.18- Cấu trúc chương trình Khối # 1 Khối # 2 Khối # 126 Đầu chương trình Kết thúc chương trình Khối # 127 Lệnh # 2 Số khối Lệnh # 1 Kết thúc khối lệnh Số cài đặt Tên chương trình Ngày Máy Địa chỉ Giá trị N2 G01 X126.5 C7 CAD-CAM> CNC 10 GVC NGUYỄN THẾ TRANH Hình 7.18 minh hoạ cấu trúc chương trình NC theo định dạng địa chỉ lệnh. Chương trình bao gồm chuỗi khối lệnh mô tả tiến trình hoạt động của máy. Mỗi khối lệnh tương ứng với một thủ tục di chuyển dụng cụ hoặc một tác vụ hoạt động của máy. Các khối lệnh được đánh số tuần tự và phân cách bởi mã kết thúc khối lệnh, thí dụ hệ điều khiển Fanuc sử dụng mã kết thúc là (;). 1. Địa chỉ lệnh. Chữ cái alphabet đầu lệnh chỉ vị trí lưu trữ dữ liệu, số theo sau được gọi là địa chỉ lệnh. Bảng 7.1 : giới thiệu các địa chỉ thông dụng và ý nghĩa của chúng. Bảng 7.1: Các lệnh cơ bản và địa chỉ tương ứng Nhóm lệnh Địa chỉ Ý nghĩa Số hiệu chương trình O Số hiệu chương trình Số thứ tự khối lệnh N Số thứ tự khối lệnh Lệnh G G Phương thức nội suy chuyển động X, Y, Z Trục chuyển động tịnh tiến chính U, V, W Trục chuyển động tịnh tiến phụ A, B, C Trục quay chính I, J, K Toạ độ tâm cung tròn Kích thước R Bán kính cung tròn Tốc độ chạy dao F Tốc độ chỵa dao FPM (FPR) Tốc độ trục chính S Tốc độ quay trục chính Chọn dao T Số hiệu dao M Lệnh đóng/ngắt (ON/OFF) Lệnh phụ B Điều khiển bàn xoay Số hiệu thanh ghi dịch chỉnh D, H Số hiệu thanh ghi dịch chỉnh Dừng tạm thời P, X Thời gian dừng tạm thời Lệnh gọi chương trình P Số hiệu chương trình con; Số lần lặp lại chương trình con. Tham số P, Q Tham số của chu trình 2. Lệnh. Lệnh là chuỗi ký tự chữ, số chỉ thị một đại lượng điều khiển nhất định, ví dụ: N10 số thứ tự khối lệnh G01 nội suy đường thẳng X2.0 toạ độ phương X Z10. toạ độ phương Z F300 tốc độ chạy dao S5000 tốc độ trục chính T07 số hiệu dao M09 ngắt thiết bị cung cấp chất làm nguội 3. Khối lệnh. Khối lệnh là chuỗi lệnh đầy đủ để thực hiện một thủ tục di chuyển hoặc một tác vụ hoạt động của máy và được coi là đơn vị cơ bản của chương trình. Mỗi khối lệnh C7 CAD-CAM> CNC 11 GVC NGUYỄN THẾ TRANH bắt đầu bởi lệnh thứ tự (N__) kết thúc bởi ký tự kết thúc khối lệnh (tiêu chuẩn ISO sử dụng ký tự (LF); tiêu chuẩn EIA sử dụng ký tự (CR); trong phần này chúng ta sử dụng ký tự (;), và có thể bao gồm nhiều lệnh khác nhau: N__ G__ X__ Y__ M__ S__ T__ ; ---------- --------- ----------------- ---------- ------------ ----------- -------- số thứ tự lệnh G lệnh kích thước lệnh phụ lệnh tốc độ lệnh chọn ký tự kết thúc khối lệnh trục chính dao cắt khối lệnh Xét một số thí dụ về khối lệnh: N05 G21; hệ mét N10 G90 G00 X0 Y0 toạ độ tuyệt đối, chạy dao nhanh tới (0,0) N15 G91 X30 Y20 toạ độ tương đối, chạy dao nhanh tới (30,20) N20 G94 G01 X20 Y40 F150 nội suy đường thẳng tới (20,40), tốc độ chạy dao 150mm/ph N25 X-30 Y-10 toạ độ tương đối, nội suy đường thẳng tới (-30,- 10) N30 G90 G00 X0 Y0 toạ độ tuyệt đối, chạy dao nhanh trở về (0,0). 4. Chương trình. Bao gồm 2 loại chương trình: chương trình chính (main program) và chương trình con (subprogram). Tiến trình điều khiển được thực hiện theo chương trình chính. Khi xuất hiện lệnh gọi chương trình con trong chương rình chính, tiến trình điều khiển được chuyển tới chương trình con, và khi lệnh trở về chương trình chính được khai báo trong chương trình con, tiến trình điều khiển được trả về chương trình chính. Cấu trúc chương trình bao gồm các thành phần như sau: a. Đầu tập tin: Ký tự khai báo bắt đầu tập tin chương trình. b. Nhãn tập tin: Tiêu đề tập tin chương trình. c. Đầu chương trình: Ký tự khai báo bắt đầu chương trình. d. Chương trình: Các lệnh gia công. e. Chú thích: Chỉ dẫn hoặc chú thích cho người vận hành. f. Cuối tập tin: Ký tự khai báo kết thúc tập tin chương trình. Chương trình chính Khối lệnh 1 Khối lệnh 2 Gọi chương trình con Khối lệnh n Khối lệnh n+1 Chương trình con Khối lệnh 1’ Khối lệnh 2’ Trở về chương trình chính Hình 7.19- Chương trình chính và chương trình con C7 CAD-CAM> CNC 12 GVC NGUYỄN THẾ TRANH Đầu tập tin: Mã chỉ thị bắt đầu tập tin chứa chương trình NC (ISO là mã %, EIA là mã ER). Không cần sử dụng mã này khi nhập chương trình bằng SYSTEM P hoặc qua đường truyền từ máy tính PC. Mã này cũng không được hiển thị trên màn hình điều khiển máy CNC, tuy nhiên khi xuất tập tin, mã này sẽ được xuất tự động ở đầu tập tin. Nhãn tập tin bao gồm các thông tin về tập tin. Chế độ nhảy nhãn (label skip) luôn luôn được cài đặt khi mở hoặc khởi động lại máy. Trong chế độ nhảy nhãn, mọi thông tin được bỏ qua cho tới khi hệ điều khiển đọc tới mã đầu tiên chỉ thị kết thúc khối lệnh (EOB). Khi tập tin được nạp từ thiết bị nhập xuất vào hệ điều khiển, nhãn tập tin được bỏ qua bởi chức năng nhay nhãn. Khi nhãn tập tin được nhảy cách, hệ điều khiển không thực hiện ngay cả chức năng kiểm tra TV check, do đó nhãn tập tin có thể bao gồm mọi mã, ngoại trừ mã kết thúc khối lệnh. 7.3.2. Phương thức lập trình NC. Theo sự trợ giúp của máy tính đối với việc lập trình, có thể phân biệt hai phương thức lập trình NC: - Lập trình trực tiếp: không có sự trợ giúp của máy tính. - Lập trình tự động: có sự trợ giúp của máy tính. 1. Lập trình trực tiếp. Phương thức lập trình trực btiếp thường được sử dụng cho các trường hợp gia công đơn giản - đường chạy dao bao gồm các đoạn thẳng, cung tròn và người lập trình có thể tự biên soạn chương trình NC trên cơ sở nhận dạng hoàn toàn chính xác toạ độ chạy dao. Khả năng lập trình trực tiếp được coi là yêu cầu cơ bqản đối với người lập trình NC, bởi vì có kỹ năng lập trình trực tiếp, người lập trình mới có khả năng hiểu, đọc và sửa đổi chương trình khi trực tiếp vận hành máy. Đối với phương thức lập trình này, có thể truyền chương trình NC vào hệ điều khiển máy (MCU) bằng 2 phương pháp: a. Nhập từ thiết bị mang tin trung gian như bìa đục lỗ, băng đục lỗ, băng từ, đĩa từ,... b. Nhập từ panel điều khiển theo chế độ MDI. % TITLE LF O0001 LF (COMMENT) M30 LF % Chương trình Chú thích Đầu tập tin Đầu chương trình Nhãn tập tin Cuối tập tin Hình 7.20- Cấu trúc chương trình (theo tiêu chuẩn ISO) C7 CAD-CAM> CNC 13 GVC NGUYỄN THẾ TRANH Ngày nay, hầu hết các cơ sở sản xuất sử dụng máy NC/CNC kết hợp các phương pháp trên để lập trình. Phương pháp ghi chương trình trên bìa đục lỗ, băng đục lỗ, băng từ hiện nay chỉ còn được sử dụng cho các thế hệ máy NC cũ. Lập trình theo chế độ MDI được thực hiện bằng cách nhập dữ liệu trực tiếp từ bàn phiểm hệ điều khiển. Phương pháp này được sử dụng phổ biến nhất do ngoài việc sử dụng cho các trường hợp gia công đơn giản, đây là phương thức vận hành máy NC/CNC cơ bản nhất. 2. Lập trình tự động. Phương thức lập trình tự động sử dụng ngôn ngữ lập trình hoặc phần mềm CAD/CAM như công cụ trợ giúp để chuyển đổi tự động dữ liệu hình học và dữ liệu công nghệ thành chương trình NC. Theo phương thức này có ba phương pháp: a. Lập trình bằng phần mềm NC. b. Lập trình bằng ngôn ngữ xử lý hình học. c. Lập trình bằng phần mềm CAD/CAM. BẢN VẼ LẬP TRÌNH Hình học & Công nghệ MÁY NC/CNC BẢN VẼ MÁY CNC Lập trình theo chế độ MDI PHÒNG THIẾT KẾ PHÒNG CÔNG NGHỆ XƯỞNG MÁY Bản vẽ Thiết bị mang tin Bản vẽ và các yêu cầu kỹ thuật a. b. Hình 7.21- Các phương pháp lập trình trực tiếp PHẦN MỀM CAD Dữ liệu Hình học DNC MÁY CNC + PHẦN MỀM NC Nhập thông số công nghệ MDI PHÒNG THIẾT KẾ PHÒNG CÔNG NGHỆ XƯỞNG MÁY Dữ liệu Hình học Dữ liệu Hình học a. PHẦN MỀM CAD/CAM NGÔN NGỮ XLHH Dữ liệu Hình học Công nghệ DNC Chương trình NC Chương trình NC MÁY CNC Hiệu chỉnh chương trình MDI b,c. Hình 7.22- Các phương pháp lập trình tự động C7 CAD-CAM> CNC 14 GVC NGUYỄN THẾ TRANH Lập trình bằng phần mềm NC được thực hiện trực tiếp trên hệ điều khiển. Phần lớn các phần mềm lập trình NC là sản phẩm của chính nhà sản xuất hệ điều khiển, thường được cung cấp kèm theo máy. Khả năng lập trình của những phần mềm này nói chung rất hạn chế. Phần lớn chỉ có khả năng lập trình cho những đường chạy dao 2D đơn giản và những chu trình gia công cơ bản. Ngôn ngữ xử lý hình học được sử dụng phổ biến nhất là APT (Automatically Programmed Tools). APT là ngôn ngữ lập trình cao cấp, được phát triển bởi Viện Kỹ thuật Massachussets Mỹ để tự động lập trình cho máy công cụ NC. Nội dung cốt lõi của APT là trình xử lý mô tả hình học thành dữ liệu đường chạy dao và các thông tin cần thiết khác để điều khgiển máy NC. các dữ liệu này thông quaỷtình hậu xử lý được chuyển thành định dạng mã điều khiển phù hợp với máy NC cụ thể. Ngày nay, các ngôn ngữ xử lý hình học dần dần dược thay thế bởi các phần mềm CAD/CAM và việc sử dụng phần mềm này để lập trình NC đã trở thành phương pháp phổ biến nhất, hiệu quả nhất, đặc biệt cho các trường hợp gia công mặt cong phức tạp. 7.3.3. Lập trình theo công nghệ CAD/CAM Nguyên lý của công nghệ CAD/CAM là sử dụng cơ sở dữ liệu chung cho các chức năng thiết kế và lập kế hoạch sản xuất. Như vậy, theo công nghệ CAD/CAM, ta có thể truy xuất dữ liệu hình học và công nghệ về sản phẩm, lưu trữ trong cơ sở dữ liệu cho các chức năng quản lý và điều hành sản xuất, bao gồm chức năng lập trình NC. Trong các ứng dụng điều khiển số, các chức năng CAD cho phép xác lập hình học chi tiết gia công và các chức năng CAM cho phép sử dụng dữ liệu hình học sản phẩm để tạo đường chạy dao (quĩ đạo tâm dao) và thực hiện các chức năng quản lý, điều khiển sản xuất như lập qui trình chế tạo, lập kế hoạch sản xuất, quản lý chất lượng và hoạch định nguồn lực sản xuất. Qui trình lập trình NC theo công nghệ CAD/CAM thông thường gồm các bước cơ bản như sau: a. Thiết kế mẫu gia công trên hệ thống CAD. b. Xác lập tiến trình gia công (machining sequence). c. Lựa chọn công nghệ gia công NC (phương thức chạy dao) cho từng bước gia công. d. Xác lập các thông số NC cho chức năng gia công NC tương ứng. e. Thực thi trình xử lý đối với chức năng gia công NC để tạo đường chạy dao (toolpath generation). f. Thực thi trình hậu xử lý để biên dịch dữ liệu đường chạy dao thành chương trình NC. Công nghệ gia công NC là chức năng của các phần mềm CAD/CAM. Về lý thuyết, có thể thực hiện đường chạy dao bất kỳ. Tuy nhiên để quản lý được dữ liệu chạy dao cho mục đích biên dịch tự động thành chương trình NC, ngoài yêu cầu về tính công nghệ, phương thức chạy dao phải có qui luật toán học. Thông thường các chức năng gia công NC được thiết kế theo phương thức điều khiển 2,5 trục, 3 trục, 4 trục, 5 trục và theo qui luật hình học song song, xoắn ốc, tham số. Tuỳ thuộc vào yêu C7 CAD-CAM> CNC 15 GVC NGUYỄN THẾ TRANH cầu gia công, khả năng công nghệ của máy gia công, các phần mềm CAD/CAM cho phép lựa chọn phương thức chạy dao thích hợp cho từng công đoạn gia công. Đường chạy dao (toolpath) được xác định từ dữ liệu hình học chi tiết gia công, như hàm số phụ thuộc vào thông số NC. Về hình học, đường chạy dao là đường cong, được quản lý theo định dạng dữ liệu đồ hoạ như mọi đường cong hình học khác. Thông thường các phần mềm lập trình NC (hoặc CAD/CAM) quản lý đường chạy dao dưới dạng tập tin toạ độ chạy dao (Cutter Location - CL), bao gồm các điểm, đoạn thẳng, cung tròn cấu thành nên đường chạy dao. Thông qua trình trợ giúp, tập tin CL được cài đặt thêm các thông số NC. Cuối cùng, tập tin CL cùng với mọi dữ liệu NC liên quan được biên dịch bởi trình hậu xử lý thành chương rình NC tương ứng theo định dạng yêu cầu. Chương trình dù được biên soạn theo phương thức trực tiếp hay tự động đều cần được lưu giữ trên thiết bị mang tin và sau đó truyền vào hệ điều khiển máy (MCU) để phục vụ cho quá trình đọc dữ liệu tự động. Mặc khác, chương trình đã được hiệu chỉnh, đã được kiểm tra và đã được sử dụng để gia công trên các máy cũng cần được lưu trữ để sử dụng lại khi cần thiết. 7.3.4. Nhập/Xuất chương trình NC. Ngày nay kỹ thuật điều khiển số bằng máy tính phát triển nên các loại thiết bị lưu trữ tin để truyền chương trình NC vào hệ điều khiển cũng phát triển theo. Từ băng đục lõ, bìa đục lỗ, băng từ, đĩa từ đã được sử dụng để làm thiết bị lưu trữ. Các thế hệ máy CNC ngày nay đều có bàn phím máy tính theo hệ tiêu chuẩn ASCII để nhập trực tiếp chương trình NC vào hệ điều khiển. Để có thể nhập thông tin và từ đó điều khiển máy CNC trực tiếp từ panel điều khiển, cần phải có phần mềm truyền thông và sự kết nối tương thích giữa bàn phím máy tính và hệ điều khiển máy. Phương pháp nhập / xuất chương trình NC được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là dùng đường truyền trực tiếp (Direct NC) RS-232-C hoặc mạng điều khiển phân phối DNC (Distributive NC) bao gồm các máy tính và phần mềm truyền thông. Với đường truyền trực tiếp hay hay mạng DNC, bàn phím của panel điều khiển máy CNC chỉ còn chức năng hiệu chỉnh chương trình vì nhập chương trình từ máy tính riêng của mạng tiện lợi hơn nhiều so với việc nhập từ bàn phím panel điều khiển. Hình 7.23- Thiết bị nhập/xuất chương trình NC C7 CAD-CAM> CNC 16 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 7.3.5. Mạng DNC. 1. Cấu hình mạng DNC. Cấu hình mạng DNC có thể là đơn lớp hoặc đa lớp, phụ thuộc vào phạm vi điều khiển, số máy NC/CNC, yêu cầu mở rộng mạng, yêu cầu kết nối hệ thống DNC voà các nhánh khác trong mạng điều khiển. Theo phương thức kết nối, có thể phân biệt 3 loại cấu hình mạng DNC: a. Mạng đảo mạch. b. Mạng cục bộ (LAN) Có 3 cấu hình: - Mạng LAN tập trung - Mạng LAN phân phối - Mạng LAN hỗn hợp Hình 7.24- Mạng đảo mạch thường Hình 7.25- Mạng đảo mạch sử dụng đường truyền RS-232-C và bộ dồn kênh C7 CAD-CAM> CNC 17 GVC NGUYỄN THẾ TRANH c. Mạng diện rộng (WAN). Hình 7.26- Mạng LAN phân phối Hình 7.27- Mạng WAN C7 CAD-CAM> CNC 18 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 2. Kết nối máy NC/CNC với hệ DNC * Giao tiếp RS-232-C trực tiếp. Kết nối trực tiếp máy CNC có cổng giao tiếp RS-232-C với hệ thống DNC không cần bất kỳ thiết bị giao tiếp ngoại vi nào. * Giao diện DNC. Giao diện DNC được sử dụng để kết nối máy CNC có cổng RS-232-C với mạng DNC. Ngoài việc cho phép tải dữ liệu về máy CNC, thiết bị giao diện DNC cho phép khả năng gởi thông tin từ máy CNC về máy tính chủ như chương trình gia công đã được kiểm tra và các thông tin liên quan khác như yêu cầu gọi chương trình, dụng cụ mới, yêu cầu bảo trì... Giao diện DNC có ưu điểm về khả năng vận hành đồng thời. 7.4. MÁY CÔNG CỤ CNC 7.4.1. Đặc điểm kết cấu. Kết cấu của các máy công cụ điều khiển CNC có nhiều khác biệt so với các máy công cụ thông thường chủ yếu ở hệ truyền động và hệ điều khiển. Hình 7.28 Hình 7.29 C7 CAD-CAM> CNC 19 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 7.4.2.Đặc điểm của các động cơ và cơ cấu truyền dẫn. 1. Truyền động chính: Động cơ dòng một chiều hoặc xoay chiều. Động cơ dòng một chiều (DC): điều chỉnh vô cấp tốc độ bằng dòng kích từ, có đặc tính động học tốt cho quá trình gia tốc và phanh hãm, mômen quán tính nhỏ, độ chính xác điều chỉnh cao cho những đoạn đường dịch chuyển chính xác. Động cơ dòng xoay chiều (AC): điều chỉnh vô cấp tốc độ bằng bộ biến đổi tần số, cho phép thay đổi số vòng quay đơn giản, mômen truyền tải cao, khi thay đổi lực tác dụng số vòng quay vần giữ không đổi. 2. Truyền động chạy dao: Thường dùng động cơ dòng một chiều hay xoay chiều, trực tiếp hoặc qua bộ truyền đai răng đến bộ vít me đai ốc bi cho từng trục chuyển động độc lập X, Y, Z. Bộ vit me đai ốc bi có khả năng biến đổi truyền dẫn dễ dàng, ít ma sát và không có khe hở khi truyền dẫn với tốc độ cao. Hình 7.30 Hình 7.31 C7 CAD-CAM> CNC 20 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 7.4.3.Hệ toạ độ máy phay CNC. 7.4.4. Lợi ích trong sử dụng máy CNC. Phần thực hành trên phần mềm Pro/ENGINEER để mô phỏng quá trình gia công chi tiết và xuất file M-G code - chương trình gia công cho máy CNC Hình 7.32