Bài giảng Điều khiển số máy công cụ

- Xuất các tín hiệu điều khiển cho các cơ cấu t−ơng ứng: trục chính, chạy dao, thay dao và các thiết bị phụ trợ khác; - Giám sát quá trình để đảm bảo yêu cầu công nghệ và sự an toàn của thiết bị. Chức năng giám sát và một phần chức năng điều khiển th−ờng đ−ợc thực hiện thông qua PLC. Các khối chức năng t−ơng đ−ơng các nhiệm vụ trên đ−ợc thể hiện trên hình 2.1.111 Dữ liệu đ−ợc nhập vào bộ nhớ của máy nhờ bàn phím hay các ph−ơng tiện đọc khác, nh− đọc đĩa, đọc băng. Các máy CNC hiện đại có thể trao đổi dữ liệu với các thiết bị l−u trữ bên ngoài qua giao diện truyền thông chuẩn, nh− RS 232, RS 485. Chức năng xử lý dữ liệu do bộ xử lý trung tâm (CPU) thực hiện. Trên cơ sở các dữ liệu trong ch−ơng trình, CPU tính toán các thông số điều khiển hệ thống. Các thông tin công nghệ, nh− chọn dao, chiều và tốc độ quay trục chính, t−ới dung dịch hoặc dừng,... đ−ợc chuyển tới hệ thống t−ơng ứng thông qua bộ hiệu chỉnh 4, th−ờng là PLC. Hình 2. 1: Các khối chức năng của bộ CNC Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 45 Thông tin hình học của đ−ờng chạy dao (dạng, h−ớng, tốc độ) đ−ợc phân tích thành chuyển động độc lập của các trục. Bộ phận thực hiện việc đó gọi là bộ nội suy 3 (Interpolator). Đó là bộ phận quan trọng bậc nhất trong CPU. Lệnh chạy dao từ bộ nội suy đ−ợc đ−a đến mạch điều khiển vị trí (gọi là Position Control Loop), gồm các bộ điều khiển động cơ, động cơ, thiết bị đo vị trí, mạch phản hồi vị trí nh− trình bày trong mục 1.3.3. Trên hình 2.2 là sơ đồ của một hệ điều khiển vị trí cho 1 trục. Nó nhận tín hiệu (lệnh chuyển động) từ bộ nội suy, so sánh với tín hiệu phản hồi từ sensor giám sát vị trí thực của dao. Chênh lệch giữa 2 tín hiệu trên đ−ợc dùng làm tín hiệu điều khiển, qua khuyếch đại điều khiển và khuyếch đại công suất, biến đổi thành đại l−ợng t−ơng tự (ví dụ điện áp), làm cho động cơ chuyển động. Sensor giám sát vị trí của dao th−ờng dùng là các Encoder (quay hoặc thẳng). Hình 2. 2: Sơ đồ điều khiển vị trí cho 1 trục 2.1.1. Các ph−ơng pháp nội suy Trong kỹ thuật, bất cứ một đ−ờng thẳng hay đ−ờng cong nào cũng đ−ợc thể hiện gần đúng d−ới dạng một chuỗi các đoạn thẳng nối tiếp nhau hình thành một đ−ờng gãy khúc. Các đoạn thẳng càng ngắn thì sai số càng nhỏ, nghĩa là đ−ờng gãy khúc càng bám sát đ−ờng thực. Đó là nền tảng của phép nội suy. Một cách trực quan, chúng ta xem xét tr−ờng hợp chuyển động đơn giản nh− trên hình 2.3. Chuyển động của dao trong mặt phẳng XY là tổng hợp các chuyển động riêng rẽ của 2 trục X và Y, do 2 động cơ thực hiện (tất nhiên là thông qua bộ truyền vít me - đai ốc). Tuỳ theo quan hệ giữa vận tốc của 2 động cơ này mà chúng ta nhận đ−ợc góc nghiêng khác nhau của đ−ờng thẳng. Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 46 Hình 2. 3: Sự hình thành chuyển động thẳng từ 2 trục Để đơn giản, chúng ta hình dung quá trình làm việc với động cơ b−ớc. Tốc độ quay của các động cơ chạy dao đ−ợc điều khiển thông qua tần số xung mà động cơ nhận đ−ợc từ bộ nội suy. Giả thiết độ phân giải (góc quay ứng với mỗi xung) của các động cơ nh− nhau thì động cơ nào nhận đ−ợc số xung trong một đơn vị thời gian lớn hơn sẽ quay nhanh hơn. Còn độ dài quãng đ−ờng cần dịch chuyển cũng đ−ợc khống chế thông qua tổng số xung phát cho mỗi động cơ. Điều đó cũng xảy ra đối với các động cơ servo. Điểm khác là trong mạch điều khiển của các động cơ này có bộ chuyển đổi số - t−ơng tự để chuyển tín hiệu số thành điện áp điều khiển động cơ, còn vị trí điểm đích là do hệ thống đo vị trí giám sát. Hình 2. 4: Mô tả quá trình nội suy Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 47 Biên dạng của phần lớn các chi tiết trong kỹ thuật đều đ−ợc biểu diễn d−ới dạng đ−ờng thẳng hoặc cung tròn. Vì vậy các máy CNC đều dùng 2 kiểu nội suy là nội suy đ−ờng thẳng và nội suy cung tròn. Với nội suy đ−ờng thẳng, tỷ lệ vận tốc giữa các trục không đổi trên suốt quãng đ−ờng. Với lệnh nội suy cung tròn, toạ độ giữa 2 trục tuân theo quan hệ X = Rcosα; Y=Rsinα (hình 2.4). 2.1.2. Các kiểu điều khiển Tuỳ theo yêu cầu công nghệ, ng−ời ta dùng các bộ điều khiển với các kiểu điều khiển khác nhau. Theo dạng đ−ờng chạy dao có thể điều khiển đ−ợc, có kiểu điều khiển điểm - điểm, điều khiển đ−ờng và điều khiển contour (hình 2.5). Điều khiển điểm - điểm Đó là kiểu điều khiển đơn giản nhất: dụng cụ đ−ợc điều khiển chạy nhanh (với tốc độ quy định tr−ớc, không điều khiển đ−ợc từ ch−ơng trình) theo đ−ờng thẳng từ điểm này tới điểm kia. Quá trình công tác chỉ thực hiện tại các điểm dừng. Kiểu điều khiển này dùng trên các máy khoan, đột lỗ, hàn điểm,... Điều khiển đ−ờng Kiểu điều khiển này cho phép chạy dao có gia công (điều khiển đ−ợc tốc độ từ ch−ơng trình) theo từng trục. Tại một thời điểm chỉ có thể chạy dao tự động theo một trục, nên chỉ gia công tự động theo các đ−ờng song song với các trục toạ độ. Điều khiển theo contour Bộ điều khiển kiểu này có khả năng điều khiển có gia công đồng thời theo nhiều trục khác nhau. Nhờ vậy có thể gia công đ−ờng thẳng hoặc đ−ờng cong bất kỳ. Điều khiển kiểu này đắt tiền nhất trong 3 kiểu nói trên. Phần lớn các bộ điều khiển trong công nghiệp hiện nay là điều khiển contour. Cần l−u ý rằng bộ điều khiển contour có thể làm đ−ợc các việc của 2 kiểu điều khiển tr−ớc. Hình 2. 5: Điều khiển điểm - điểm, đ−ờng, contour. Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 48 Các bộ điều khiển contour lại tiếp tục đ−ợc phân loại theo số số trục có thể điều khiển đồng thời. Theo đặc điểm đó, chúng ta phân biệt kiểu điều khiển 2D, 2ẵD và 3D (hình 2.6) hoặc nhiều hơn. Điều khiển 2D Máy có khả năng điều khiển đồng thời 2 trục. Vì vậy chỉ có thể gia công đ−ờng thẳng hoặc đ−ờng cong trong một mặt phẳng. Trong ví dụ hình bên, máy có thể điều khiển đồng thời 2 trục X, Y. Chạy dao theo trục Z phải thực hiện bằng tay hoặc sau khi dừng 2 trục kia. Điều khiển 2ẵD T−ơng tự nh− điều khiển 2D, tại một thời điểm máy chỉ có thể điều khiển đồng thời 2 trục. Điểm khác là có thể thay đổi ph−ơng trục dao, nghĩa là có thể gia công trong mặt phẳng X-Y, X-Z, Y-Z. Trục thứ ba có thể đ−ợc điều khiển tự động khi dừng 2 trục kia. Điều khiển 3D Bộ điều khiển 3D có thể điều khiển đồng thời 3 trục. Nhờ vậy có thể gia công các đ−ờng, mặt không gian, ví dụ mặt cầu, mặt xoắn vít trụ. Tuy nhiên, trên một số máy chỉ có thể gia công đ−ờng thẳng 3D, đ−ờng xoắn ốc (nội suy cung tròn theo 2 trục và đ−ờng thẳng theo trục thứ ba). Chú ý rằng, số trục đ−ợc điều khiển đồng thời không nhất thiết bằng số trục của máy. Hình 2. 6: Các kiều điều khiển contour Ta có thể gặp các trung tâm gia công với số trục điều khiển đ−ợc lớn, ví dụ trung tâm tiện có 3, 4 trục hoặc trung tâm phay có 4, 5 hoặc 6 trục (xem thêm mục 1.3.5). Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 49 2.3. Đặc điểm kết cấu và điều khiển các hệ thống Sự thay đổi trong kết cấu chung của máy CNC chủ yếu do sự có mặt của bộ điều khiển. Một số đặc điểm dễ nhận thấy nh− sau: - Hệ truyền động cơ khí đ−ợc chế tạo cứng vững, chính xác, giảm thiểu ma sát. Các đ−ờng tr−ợt th−ờng đ−ợc nhiệt luyện, phủ hợp kim giảm ma sát và mài mòn hoặc dùng con lăn. Các truyền động vít me th−ờng đ−ợc dùng vít me - đai ốc bi để giảm ma sát và triệt tiêu khe hở. Hệ thống hộ số, hộp tốc độ gần nh− không còn vì các động cơ đều đ−ợc điều khiển vô cấp. - Vùng làm việc của máy CNC th−ờng đ−ợc bao kín để đảm báo an toàn tối đa cho ng−ời sử dụng. Việc thay dao, thay và kẹp phôi, tải phoi,... th−ờng đ−ợc thực hiện tự động. - Máy CNC hầu nh− không còn các tay quay, cần gạt cơ khí vì các chức năng thay đổi chế độ gia công, dịch chuyển bàn máy (hoặc dao) đều đ−ợc thực hiện tự động hoặc dùng các phím điều khiển, tay quay điện tử. - Thay vì kết cấu đúc, hệ thống khung s−ờn của máy CNC th−ờng có kết cấu khung hàn, cho phép giảm khối l−ợng, ít bị biến dạng nhiệt mà vẫn cứng vững và ổn định. - Các máy và các trung tâm gia công CNC th−ờng đ−ợc trang bị các hệ thống thay dao tự động, cấp phôi tự động, tải phoi tự động. Vị trí của đài dao th−ờng đ−ợc chuyển về phía sau máy để thuận tiện cho điều khiển và không cản trở quan sát của công nhân. Băng máy tiện th−ờng đ−ợc đặt nghiêng để tăng độ ổn định, giảm kích th−ớc chiều ngang và dễ thoát phoi. 2.3.1. Hệ thống điều khiển trục chính Cũng nh− trên các máy thông th−ờng, trục chính trên máy CNC đảm bảo chuyển động cắt chính. Trên máy phay, đó là trục mang dao phay, còn trên máy tiện là trục mang phôi. Trên máy mài, trục chính mang đá mài. Trục chính là bộ phận tiêu tốn năng l−ợng nhiều nhất trên máy. Vì vậy công suất trục chính th−ờng đ−ợc dùng làm chỉ tiêu đánh giá công suất gia công của máy. Yêu cầu cơ bản đối với trục chính là có khoảng thay đổi số vòng quay rộng, với momen lớn, ổn định và khả năng quá tải cao. Để đảm bảo điều đó, trên các máy thông th−ờng ng−ời ta hay dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ hoặc đồng bộ kèm hộp số cơ khí có cấp và vô cấp. Trên máy CNC, tốc độ trục chính cần đ−ợc điều khiển vô cấp, tự động theo ch−ơng trình, trong phạm vi rộng. Điều đó rất cần thiết, nhất là khi thay đổi đ−ờng kính dao phay hoặc đ−ờng kính phôi tiện mà lại cần duy trì vận tốc cắt không đổi. Một số công việc, ví dụ gia công ren bằng đầu ta rô cứng, gia công ren nhiều đầu mối,... còn đòi hỏi phải định Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 50 vị chính xác góc trục chính. Từ các yêu cầu trên, ng−ời ta sử dụng các loại động cơ dễ điều khiển tự động tốc độ, nh− động cơ một chiều, xoay chiều đồng bộ. Gần đây, nhờ tiến bộ về kỹ thuật điều khiển số, các động cơ không đồng bộ điều khiển bằng biến tần đ−ợc sử dụng rộng rãi. Khi cần định vị góc trục chính, ng−ời ta gắn encoder lên trục động cơ. So với trục chính của máy thông th−ờng, trục chính của máy CNC làm việc với tốc độ cao hơn (tới hàng vạn v/ph), th−ờng xuyên có gia tốc lớn. Vì vậy, yêu cầu cân bằng, bôi trơn đặc biệt cao ở các máy CNC. Ngoài ra, do nhu cầu thay dao nhanh, thay dao tự động, kết cấu kẹp dao trên máy phay CNC khác so với máy thông th−ờng. Cơ cấu kẹp dao, phôi trên các máy CNC th−ờng đ−ợc điều khiển tự động bằng khí nén hoặc thuỷ lực. 2.3.2. Hệ thống điều khiển chạy dao Hệ thống chạy dao đảm bảo chuyển động tạo hình, nên nó quyết định khả năng công nghệ (tức là kích th−ớc, hình dạng, độ chính xác của bề mặt gia công) của máy. Trên thực tế, chuyển động tạo hình có thể do dao hoặc phôi thực hiện, nh−ng ng−ời ta quy −ớc trong mọi tr−ờng hợp coi phôi đứng yên, còn dao chuyển động. So với các hệ thống khác, hệ thống chạy dao của máy CNC có nhiều thay đổi nhất so với máy thông th−ờng. - Sự thay đổi rõ nhất là mỗi trục chạy dao đ−ợc điều khiển bằng một động cơ riêng. Sự phối hợp giữa các chuyển động tạo hình theo các ph−ơng là do bộ điều khiển đảm nhiệm. Hệ thống truyền động cơ khí liên kết động học giữa các trục, kể cả các tay quay là không cần thiết. Trên máy phay th−ờng có 3 trục đ−ợc điều khiển là X, Y, Z (hình 2.7). Tuy nhiên, số trục điều khiển có thể nhiều hơn (4, 5, 6 trục hoặc hơn) để tạo ra các bề mặt phức tạp hoặc để cải thiện chất l−ợng gia công. Trên máy tiện, số trục điều khiển th−ờng là 2 - trục X và Z (hình 2.8). Hình 2. 7: Điều khiển trục trên máy phay Hình 2. 8: Điều khiển trục trên máy tiện Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 51 Các máy hiện đại và các trung tâm gia công th−ờng có tới 4, 5, 6 trục điều khiển hoặc hơn. Chúng có thể là trục quay hoặc tịnh tiến. Theo tiêu chuẩn quốc tế, ng−ời ta đặt tên 3 trục quay quanh các trục X, Y, Z là A, B, C. Nếu có các trục tịnh tiến song song với X, Y, Z thì ng−ời ta gọi chúng là U, V, W (hình 2.9). - Để đảm bảo độ chính xác và êm dịu chuyển động, trong các xích truyền động cơ khí của máy CNC đều dùng cơ cấu vít me - đai ốc bi (hình 2.10). Hình 2. 9: Trục toạ độ trên máy CNC Hình 2. 10: Vị trí của cơ cấu vít me - đai ốc bi trong cơ cấu chạy dao Một đầu của trục vít me có lắp động cơ truyền động 1. Động cơ th−ờng đ−ợc lắp trực tiếp lên trục vít me hoặc qua bộ truyền đai răng, có khả năng truyền động êm và chống tr−ợt. Một đầu của trục có thể (nếu không dùng th−ớc thẳng) đ−ợc gắn thiết bị đo vị trí, encoder quay 3. Bàn máy 2 đ−ợc gắn trên đai ốc 5. Với mục đích khử khe hở, đảm bảo độ êm dịu chuyển động khi đảo chiều và tăng độ cứng vững của hệ thống, ng−ời ta th−ờng tạo sức căng giữa vít me và đai ốc nhờ lực kẹp giữa 2 nửa của đai ốc bi 1 (hình 2.11). Lực căng và khe hở đ−ợc hiệu chỉnh nhờ thay đổi chiều dày của vòng cách 2. Hình 2. 11: Cơ cấu tạo lực căng trong đai ốc bi Kể cả sau khi đã áp dụng các biện pháp trên thì vẫn còn sai số chế tạo cơ khí, ví dụ sai số b−ớc vít me, hoặc sai số do biến dạng cơ và biến dạng nhiệt khi gia công. Phần lớn các bộ điều khiển hiện đại đều có khả năng bù khe hở và các sai số cơ khí nói trên. Tuy nhiên, xác định giá trị các sai số và quy luật thay đổi của chúng là việc làm phải rất tỷ mỷ và tốn công. Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 52 - Chuyển động của các trục đ−ợc điều khiển tự động từ ch−ơng trình. Trên các máy không đòi hỏi độ chính xác cao th−ờng dùng động cơ b−ớc. Hệ điều khiển dùng động cơ b−ớc đ−ợc gọi là hệ điều khiển hở, vì không có mạch phản hồi vị trí. Góc quay của động cơ phụ thuộc số xung và tần số phát xung của bộ điều khiển. Ưu điểm của hệ điều khiển dùng động cơ b−ớc là đơn giản và rẻ tiền. Nh−ợc điểm chính của nó là độ chính xác thấp và công suất nhỏ. Công suất truyền động có thể tăng nếu dùng động cơ b−ớc kết hợp với hệ thống thuỷ lực, nh−ng độ chính xác thì không thể tăng đ−ợc. Trên các máy CNC công nghiệp th−ờng dùng hệ thống điều khiển kín, nghĩa là phải có hệ thống đo và phản hồi vị trí. Có 2 ph−ơng pháp đo, là đo trực tiếp và đo gián tiếp. Hình 2.12 là sơ đồ đo trực tiếp dịch chuyển của bàn máy. Th−ớc quang 2 đ−ợc gắn trực tiếp lên bàn máy và chuyển động theo bàn máy. Khi bàn máy chuyển động, th−ớc th−ờng xuyên phát ra tín hiệu về toạ độ thực của bàn máy d−ới dạng xung. Đầu thu 1 tiếp nhận tín hiệu và chuyển về bộ điều khiển để so sánh với giá trị vào. Bộ điều khiển sẽ đ−a ra lệnh điều khiển cơ cấu chạy dao theo xu h−ớng giảm sai lệch giữa giá trị thực và giá trị đặt, cho đến khi giá trị sai lệch nằm trong giới hạn cho phép. Ph−ơng pháp đo trực tiếp đạt độ chính xác cao vì khử đ−ợc sai số của xích truyền động cơ khí. Hình 2. 12: Hệ thống đo l−ờng trực tiếp Hình 2. 13: Hệ thống đo gián tiếp Nếu thiết bị đo không gắn trực tiếp lên đối t−ợng đo mà qua một khâu truyền động trung gian nào đó thì chúng ta có hệ thống đo gián tiếp. Ví dụ, cùng để đo dịch chuyển của bàn máy có thể dùng một encoder quay gắn lên đầu trục vít me nh− trong hình 2.13. Chuyển động tịnh tiến của bàn máy 1 đ−ợc biến thành chuyển động quay của trục vít me 3 (và của đĩa quang 2) qua bộ truyền vít me - đai ốc. Góc quay của đĩa 2, đại diện cho chuyển động của bàn máy, đ−ợc dùng làm tín hiệu phản hồi. Phép đo gián tiếp nói trên phạm phải sai số trên khâu trung gian là vít me - đai ốc. Tuỳ theo ph−ơng pháp khắc vạch trên đĩa quang, chúng ta phân biệt ph−ơng pháp đo tuyệt đối và ph−ơng pháp đo theo gia số. Th−ớc đo tuyệt đối (hình 2.14) đ−ợc khắc theo mã nhị phân. Mỗi điểm trên th−ớc mang một mã riêng, t−ơng ứng với khoảng cách từ điểm đó đến gốc M. Sensor thu chỉ cần nhận đ−ợc mã tại vị trí của bàn máy là biết ngay toạ độ thực của nó. Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 53 Hình 2. 14: Sơ đồ khắc vạch trên th−ớc đo tuyệt đối Hình 2. 15: Sơ đồ khắc vạch trên th−ớc đo theo gia số Trên th−ớc đo theo gia số (hình 2.15) chỉ khắc các vạch đơn giản, tạo thành các vùng sáng và tối xen kẽ nhau. Khoảng dịch chuyển của bàn máy từ điểm xuất phát 2 đến điểm đích 3 đ−ợc đánh giá bằng số khoảng sáng - tối trong đó. Vị trí của điểm 2 lại đ−ợc xác định bằng khoảng cách đến một điểm do nhà chế tạo máy công cụ quy định, gọi là điểm gốc (Reference Point). Nh− vậy, trong tr−ờng hợp đo tuyệt đối bộ điều khiển luôn luôn nhận đ−ợc mã vị trí của bàn máy, còn khi đo theo gia số thì nó nhận đ−ợc số xung phát ra khi bàn máy dịch chuyển khỏi điểm xuất phát. Điểm Reference đóng vai trò nh− cột cây số trên đ−ờng, nếu không có nó thì bộ điều khiển không thể biết đ−ợc bàn máy đang ở đâu. Chính vì vậy mà tr−ớc khi điều khiển máy, bộ điều khiển luôn luôn nhắc ng−ời dùng chạy bàn máy về điểm Reference. Đó cũng là động tác bắt buộc sau khi bộ điều khiển bị tắt do mất điện hoặc dừng máy sự cố. Trên các th−ớc đo theo gia số hiện nay không chỉ có 1 mà nhiều điểm Reference. Ví dụ, trên th−ớc do hãng Heidenhain (Đức) sản xuất, cứ khoảng 20 mm là có một vạch Reference. Điều đó giảm đ−ợc quãng đ−ờng và thời gian chờ quy không vị trí bàn máy. Toàn bộ những điều nói trên về th−ớc thẳng cũng đúng cho th−ớc quay. 2.3.3. Thiết bị gá kẹp chi tiết Về cơ bản, cơ cấu kẹp chi tiết trên máy CNC không khác với trên máy thông th−ờng. Một số điểm khác có thể có do các nguyên nhân: - Máy CNC làm việc ở tốc độ cao, gia tốc góc lớn. Vì vậy độ cân bằng động phải rất cao để giảm lực ly tâm cũng nh− rung động. Hệ thống ổ và bôi trơn cũng phải có khả năng làm việc ở tốc độ cao. - Hệ thống kẹp phải có khả năng đ−ợc điều khiển tự động. Ví dụ, trên các máy CNC, hệ thống kẹp tự động dùng điện cơ, thuỷ lực, khí nén tác động nhanh từ ch−ơng trình hoặc từ robot hay đ−ợc dùng. Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 54 - Th−ờng cơ cấu kẹp phôi đ−ợc nối ghép và làm việc với cơ cấu cấp phôi tự động. 2.3.4. Hệ thống thay dao tự động Cắt gọt là kết quả của quá trình t−ơng tác giữa dao và phôi. Vì vậy tình trạng của dao: vật liệu, hình học l−ỡi cắt, tình trạng mòn, độ cứng vững của dao ảnh h−ởng trực tiếp đến năng suất và chất l−ợng gia công. Nhiệm vụ của hệ thống thay dao là cất trữ đ−ợc một số l−ợng dao cần thiết và đ−a nhanh mỗi dao vào vị trí làm việc khi có yêu cầu. Các máy CNC hiện đại th−ờng đ−ợc trang bị hệ thống thay dao tự động theo ch−ơng trình (Automatic Tool Changer - ATC). Yêu cầu cơ bản đối với hệ thống thay dao tự động là: - Quản lý và thay đổi chính xác dụng cụ theo ch−ơng trình. Mỗi dụng cụ đều có các đặc tr−ng hình học và cơ học riêng. Nếu hệ thống lắp nhầm dụng cụ thì không chỉ ảnh h−ởng đến năng suất, chất l−ợng gia công mà còn gây nguy hiểm. Trên máy CNC, mỗi dụng cụ đ−ợc đặc tr−ng bởi một mã riêng. Mã đó cùng với các thông số bù dao đ−ợc l−u trữ trong một CSDL đặc biệt. Bình th−ờng các dao đ−ợc lắp sẵn trên đài dao, tại một vị trí xác định. Khi dao đ−ợc đ−a vào vị trí làm việc thì bộ điều khiển phải tham chiếu đến dữ liệu của nó để tính toán l−ợng bù. Trên hình 2.16 là dạng và các thông số hình học chính của dao phay. Vị trí của dao đ−ợc bộ điều khiển xác định qua toạ độ điểm B, nằm trên mặt đầu của trục gá dao và đ−ờng tâm lỗ gá. Chiều dài dao L và bán kính dao R xác định vị trí của các l−ỡi cắt, đ−ợc gọi là thông số bù dao. Tuỳ theo dao to hay nhỏ, dài hay ngắn mà bộ điều khiển tính toán để đảm bảo kích th−ớc gia công. T−ơng tự nh− vậy, kết cấu và các thông số bù dao tiện đ−ợc biểu diễn trong hình 2.17. Chúng gồm khoảng cách từ mũi dao đến điểm gốc tính theo hai ph−ơng X, Z và bán kính mũi dao. Chi tiết về nguyên tắc bù dao sẽ đ−ợc trình bày ở ch−ơng sau. Hình 2. 16: Thông số bù của dao phay Hình 2. 17: Thông số bù của dao tiện Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 55 - Yêu cầu thứ hai của hệ thống thay dao là thay nhanh để giảm thời gian chờ. Th−ờng dao đ−ợc cất giữ d−ới 2 dạng: đầu quay dạng đĩa (nh− đài Revolver) và kho chứa (gọi là Tool Magazine). Đài revolver có dạng đĩa (hình 2.18) hay đ−ợc dùng trên máy tiện, nh−ng đôi khi cũng dùng cho máy phay. Các dao đ−ợc lắp trên mặt ngoài hoặc trên mặt đầu của đĩa quay. Đĩa có động cơ truyền động riêng, đ−ợc điều khiển theo ch−ơng trình. Khi một dao nào đó đ−ợc gọi theo lệnh trong ch−ơng trình thì đài sẽ quay cho đến khi dao đó ở vị trí chờ gia công. Th−ờng thời gian thay dao chỉ tính bằng phần m−ời giây. Trên một số máy, bộ điều khiển có khả năng xác định chiều quay sao cho góc quay của đài nhỏ hơn 180o. Hình 2. 18: Đài revolver Th−ờng mỗi đài dao có thể chứa 8 đến 16 dao. Máy lớn có thể có 2 - 3 đài dao. Khi có trên 48 dao thì th−ờng dùng kho chứa (hình 2.19). Hình 2. 19: Kho chứa dụng cụ kiểu xích Có nhiều dạng kho chứa: dạng thẳng với các dao xếp theo hàng; dạng vòng với các dao xếp theo các vòng tròn đồng tâm; dạng đĩa với các dao xếp trên mặt đầu của đĩa; dạng xích với các dao bố trí trên từng mắt xích. Khi dùng kho chứa, để thay dao cần có tay gắp có 2 càng gắp (hình 2.20). Khi có lệnh thay dao, hệ thống làm việc theo trình tự sau: Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 56 - Chuyển dao cần lắp trên kho đến vị trí thay; - Di chuyển trục chính đến vị trí t−ơng ứng, chờ thay dao; - Quay tay gắp đối diện với dao cũ trên trục chính và dao mới trên kho; - Chuyển động dọc trục để rút dao cũ khỏi trục chính và dao mới khỏi kho chứa; - Quay 180o để đổi chỗ 2 dao; - Đặt các dao vào vị trí mới trên trục và trên kho chứa; - Chuyển động về vị trí chờ. Hình 2. 20: Cơ cấu thay dao Th−ờng thời gia thay dao kéo dài khoảng vài giây. Trên các máy hiện đại và số dao ít, thời gian thay dao chỉ cỡ 0,1 giây. Trên các hình 2.21 và 2.22 là các trung tâm gia công với hệ thống thay dao tự động có kho chứa dạng đĩa và dạng xích. Hình 2. 21: Trung tâm gia công 5 trục với kho chứa dao dạng đĩa Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 57 Hình 2. 22: Trung tâm gia công 5 trục với hệ thống chuyển phôi và thay dao tự động, kho chứa dạng xích Ch−ơng 2: Đặc điểm kết cấu và điều khiển máy CNC 58 Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 3.1. Các chế độ làm việc của máy CNC Máy CNC th−ờng có các chế độ làm việc chính sau: Manual / JOG Đó là chế độ chạy dao "bằng tay". Các trục có thể di chuyển nhờ các phím trên bàn điều khiển hoặc bằng "tay quay điện tử" gắn với máy. Khi cần có thể quay trục chính theo chiều trái hoặc phải. Chế độ này đ−ợc dùng khi gá dao, gá phôi hoặc gia công đơn giản. MDI (Manual Data Input) Trong chế độ này, có thể nhập các lệnh và gia công ngay theo các lệnh đó. Sau khi thực hiện xong, chúng đ−ợc xoá khỏi bộ nhớ. Chế độ này hay dùng để kiểm tra toạ độ dao, phôi hoặc gia công đơn giản. Single Block Đây là chế độ gia công tự động, nh−ng chỉ chạy từng lệnh. Sau khi hoàn thành mỗi lệnh, máy dừng chờ ng−ời dùng nhấn nút mới chạy tiếp lệnh sau. Chế độ này đ−ợc dùng để kiểm tra, tìm lỗi hoặc thử ch−ơng trình. Automatic Chạy tự động toàn bộ ch−ơng trình và là chế độ làm việc chủ yếu của máy. Ch−ơng trình đ−ợc chạy hoàn toàn tự động từ đầu đến cuối. Có thể thay đổi chế độ gia công (tốc độ trục chính, tốc độ ăn dao) bằng các nút OVERRIDE. Có thể tạm dừng ch−ơng trình bằng phím STOP, sau đó lại tiếp tục. Nếu nhấn phím NC STOP thì ch−ơng trình quay lại từ đầu. Chú ý: - Chỉ chạy ở chế độ này khi đã đảm bảo chắc chắn về sự đúng đắn của ch−ơng trình, gá phôi và dao. - Không tuỳ tiện giảm tốc độ trục chính trong quá trình gia công đề phòng gãy dao. - Muốn STOP ch−ơng trình phải chờ lúc dao không cắt vào phôi hoặc phải giảm tốc độ ăn dao dần tới 0. Soạn thảo (Edit) Dùng để soạn thảo, sửa chữa ch−ơng trình. Ng−ời dùng nhập lệnh từ bàn phím. Để tiết kiệm thời gian máy, các máy CNC hiện đại cho phép soạn thảo một ch−ơng trình trong khi đang gia công theo một ch−ơng trình khác. Mô phỏng Mỗi ch−ơng trình mới, tr−ớc khi dùng để gia công cần phải đ−ợc kiểm tra. Mô phỏng là ph−ơng pháp kiểm tra bằng cánh chạy ch−ơng trình trên màn hình. Nhờ mô Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 59 phỏng có thể nhìn thấy diễn tiến của quá trình gia công, nghĩa là thấy dao chạy và phôi bị cắt đi nh− thế nào. Mô phỏng không cho phép kiểm tra chế độ công nghệ. Có nhiều ph−ơng pháp mô phỏng: vẽ đ−ờng tâm dao, vẽ vết dao, mô phỏng trong một hình chiếu, trong 3 hình chiếu và mô phỏng 3D. Mô phỏng 3D đòi hỏi tốc độ xử lý của máy tính phải cao và màn hình mầu có độ phân giải lớn. Với khả năng đồ hoạ máy tính hiện nay, xu h−ớng chung của các phần mềm là h−ớng tới mô phỏng 3D. Dry run Chạy khô (dry run) là chế độ thử ch−ơng trình bằng cách chạy không tải: trục chính không quay, còn các trục chạy với tốc độ cao nhất. Nhờ chạy khô ng−ời dùng có thể quan sát trục chạy thực. Cần đặc biệt chú ý đề phòng va chạm nguy hiểm khi chạy khô. Một số bộ điều khiển có các chức năng khác, ví dụ: - TEACH IN (dạy), tự động ghi lại ch−ơng trình khi chạy dao bằng tay. Chế độ này đ−ợc dùng để lập trình gia công những chỗ khó. - REPOS, cho phép lấy lại vị trí vừa dừng gia công, ví dụ sau khi gãy dao. - BLOCK SEARCH: cho phép bắt đầu gia công từ lệnh chọn bất kỳ của ch−ơng trình mà không phải từ đầu ch−ơng trình. 3.2. Cơ sở hình học của việc lập trình NC 3.2.1. Các hệ toạ độ Để tạo điều kiện thuận tiện nhất cho ng−ời lập trình, máy CNC th−ờng cho phép dùng tất cả các loại hệ toạ độ: toạ độ Đề các, toạ độ cực. Hệ toạ độ đề các Hệ toạ độ Đề các đ−ợc hình thành từ các trục vuông góc với nhau từng đôi một. Vì vậy, nó còn đ−ợc gọi là hệ toạ độ vuông góc. Trong mặt phẳng, nó gồm 2 trục toạ độ vuông góc với nhau X-Y, Y-Z, X-Z. Trong không gian, nó gồm 3 trục vuông góc X-Y-Z (hình 3. 1). Hệ toạ độ Đề các đ−ợc dùng th−ờng xuyên nhất trên máy CNC. Hình 3. 1: Hệ toạ độ Đề các Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 60 Hệ toạ độ cực Trong nhiều tr−ờng hợp, ví dụ lập trình khoan các lỗ theo vòng tròn, dùng hệ toạ độ cực có thể thuận tiện hơn và giảm đ−ợc khối l−ợng tính toán cho máy. Trong hệ toạ độ cực, một điểm đ−ợc biểu diễn bằng bán kính cực (khoảng cách từ điểm đến gốc cực) và góc cực (góc giữa trục toạ độ và tia nối giữa điểm và gốc cực). Góc là d−ơng nếu đi ng−ợc chiều kim đồng hồ (hình 3.2). Hình 3. 2: Hệ toạ độ cực với góc α>0 và α<0 3.2.2. Ph−ơng pháp nhập toạ độ Toạ độ của một điểm có thể đ−ợc tính bằng toạ độ tuyệt đối hoặc toạ độ t−ơng đối (tính theo gia số). Toạ độ tuyệt đối Toạ độ tuyệt đối của một điểm đ−ợc tính theo khoảng cách từ điểm đó đến gốc toạ độ. Ví dụ, toạ độ tuyệt đối của điểm A là (5,5), của điểm B là (20,15). Toạ độ t−ơng đối Toạ độ t−ơng đối của một điểm đ−ợc tính bằng khoảng cách theo các trục từ điểm đó đến điểm tr−ớc nó. Ví dụ, toạ độ t−ơng đối của điểm A (so với điểm B) là (15,10). Hình 3. 3: Toạ độ tuyệt đối và toạ độ t−ơng đối 0 B A X 20 5 5 15 Y 3.2.3. Quy định gốc toạ độ phôi (zero phôi) Điểm zero phôi W có ý nghĩa quan trọng trong lập trình và điều khiển. - Trong điều khiển, W đại diện cho vị trí của phôi trong hệ toạ độ chung của máy. Vì vậy, sau khi phôi đã đ−ợc gá trên máy, cần đăng ký điểm zero phôi. Với ý nghĩa đó, điểm zero phôi phải là điểm dễ xác định. Th−ờng trên máy phay, ng−ời ta dùng điểm góc phía ngoài của phôi (hình 3.4). Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 61 Hình 3. 4: Điểm zero máy và zero phôi trên máy phay Còn trên máy tiện, dùng điểm tâm nằm trên mặt đầu của phôi (hình 3.5). Hình 3. 5: Điểm zero phôi trên máy tiện Trong lập trình, điểm zero phôi là gốc kích th−ớc. Với ý nghĩa đó, ng−ời ta chọn điểm zero phôi sao cho dễ biểu diễn kích th−ớc t−ơng quan giữa các bề mặt. Ví dụ, khi gia công chữ nhật nên chọn zero phôi là điểm góc, khi gia công vòng tròn, nên chọn tâm. Trong một ch−ơng trình có thể dùng nhiều điểm zero phôi khác nhau. Trên hình 3.6 là ví dụ về ph−ơng pháp gia công các chi tiết giống nhau. Mặc dù chúng có vị trí khác nhau trên bàn máy, nh−ng kích th−ớc nội bộ của chúng giống nhau. Vì vậy, chỉ cần chuyển điểm zero phôi là có thể dùng chung một ch−ơng trình. Hình 3. 6: Chuyển zero phôi trong ch−ơng trình Các bộ điều khiển CNC đều cho phép đăng ký đồng thời nhiều điểm zero phôi trong bảng dữ liệu phôi (Zero Offset) hoặc cho phép định nghĩa lại zero phôi với số lần không hạn chế trong ch−ơng trình. Ví dụ, các bộ điều khiển họ SINUMERIK cho phép đăng ký 4 điểm zero phôi trong dữ liệu zero offset (dùng G54 đến G57), đồng thời cho Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 62 phép dùng G58 để định nghĩa lại zero phôi trong ch−ơng trình với số lần không hạn chế. Các bộ điều khiển họ HEIDENHAIN có chu trình chuyển gốc toạ độ CYCLE 7.0 DATUM SHIFT với số lần dùng tuỳ ý. Máy CNC làm việc với các hệ toạ độ (hình 3.7, a). Muốn làm việc đ−ợc với máy CNC thì phải biết ý nghĩa của chúng và sử dụng chúng một cách hợp lý trong từng tr−ờng hợp. - Điểm gốc máy (zero máy) M: là gốc toạ độ tuyệt đối trên máy, do nhà chế tạo đặt, ng−ời sử dụng không cần quan tâm. Dao không bao giờ chạy tới điểm M. - Điểm gốc trung gian (Reference) R: Trên máy CNC dùng hệ thống đo theo gia số, R là điểm đại diện cho M, đ−ợc dùng để chuẩn toạ độ dụng cụ và phôi khi gia công. Sau khi mở máy, bộ điều khiển luôn luôn nhắc ng−ời dùng chạy dao đến điểm này. R luôn cách M một khoảng cố định, do nhà chế tạo đặt. - Điểm gốc toạ độ phôi (zero phôi) W: là gốc toạ độ trên phôi. Quy định hợp lý điểm này sẽ làm cho việc xác định kích th−ớc trên bản vẽ đ−ợc đơn giản. - Điểm gốc toạ độ dao E: dùng để xác định vị trí dao (xem mục 1.3.3). - Điểm thay dao N: vị trí dao phải chạy đến khi có lệnh thay dao theo yêu cầu của hệ thống thay dao tự động. Hình 3.7, b và hình 3.7, c minh hoạ vị trí các điểm gốc trên máy tiện và trên máy phay. Tr−ớc khi chạy ch−ơng trình, ng−ời vận hành phải khai báo toạ độ điểm zero phôi. Hình 3.7, d là sơ đồ xác định điểm zero phôi trên máy tiện, hình 3.7, e là sơ đồ cho máy phay. Thủ tục xác định cụ thể theo h−ớng dẫn vận hành máy. (a) (b) Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 63 (c) (d) (e) Hình 3. 7: Các điểm gốc toạ độ trên máy CNC 3.2.4. Bù thông số dao Dao bao giờ cũng có kích th−ớc chiều dài và bán kính mũi dao nhất định (xem mục 1.3.5 và hình 1.12, 1.13). Nếu lập trình gia công theo đúng đ−ờng hình học thì bao giờ cũng bị sai số. Hình 3.8 cho ví dụ về sai số do bán kính dao gây nên. Hình 3. 8: Sai lệch do bán kính dao khi tiện Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 64 Muốn gia công đúng đ−ờng biên thì điểm gốc dao phải lùi ra một khoảng t−ơng ứng với kích th−ớc dao. Điều đó đ−ợc gọi là bù dao (Tool Compensation). Tính toán bù dao một cách trực tiếp là việc không thể làm đ−ợc vì các lý do sau: - Các phép tính hình học để bù dao rất phức tạp, - Nếu dùng nhiều dao trong một nguyên công thì ch−ơng trình sẽ rất dài, - Mỗi lần thay dao mới lại phải sửa ch−ơng trình hoặc làm ch−ơng trình mới. Chức năng bù dao tự động làm đơn giản việc lập trình, thay dao. Bản chất của quá trình bù dao nh− sau: - Vị trí của dao đ−ợc đại diện bởi toạ độ gốc dao (điểm B trong H1.12 và H1.13), - Các thông số hình học của dao đ−ợc đăng ký trong bảng dữ liệu dao, - Khi lập trình chỉ cần quan tâm đến biên dạng chi tiết trong bản vẽ, kèm theo chỉ dẫn bù dao trái, phải hay không bù dao, - Khi gặp lệnh gọi dao trong ch−ơng trình, bộ điều khiển sẽ tìm dữ liệu của dao đó trong file dữ liệu, tự động tính các tham số bù và dịch dao, để mũi dao cắt đúng biên dạng (hình 3. 9). Với cơ chế đó, mỗi khi mài dao hay thêm dao mới chỉ cần cập nhật thông số hình học của chúng vào bảng dữ liệu. Hình 3. 9: Bù bán kính dao khi phay và tiện Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 65 Muốn bộ điều khiển tính toán đ−ợc l−ợng bù dao thì phải khai báo kích th−ớc của mỗi con dao (dạng dao, chiều dài và bán kính mũi dao) trong bảng dữ liệu dao (Tool Compensation Table). Các trung tâm gia công hiện đại đều có hệ thống đo và nhập dữ liệu tự động, đảm bảo độ chính xác cao. Trên các máy CNC thông th−ờng cũng có các công cụ trợ giúp, nh−ng ng−ời dùng phải đo bằng tay, theo đúng thủ tục riêng của từng máy. 3.3. Cơ sở công nghệ của việc lập trình NC Tài liệu này không đi sâu về công nghệ cắt gọt kim loại mà chỉ điểm những điểm đáng chú ý khi gia công trên máy CNC, gồm những đặc điểm về dao và chế độ cắt. 3.3.1. Cơ sở công nghệ tiện Dao tiện Theo tiêu chuẩn ISO, dao tiện đ−ợc phân loại theo các chỉ tiêu sau: - Theo vật liệu l−ỡi cắt, có dao thép gió, hợp kim cứng, gốm, kim c−ơng. - Theo vị trí cắt, có dao tiện trong và dao tiện ngoài. - Theo dạng dao, có dao thẳng, dao đầu cong, dao đầu bằng, dao mũi nhọn. - Theo vị trí của l−ỡi cắt chính, có dao tiện trái, dao tiện phải, dao đầu thẳng. - Theo công dụng, có dao cắt rãnh, dao tiện góc, dao tiện ren,... Chế độ gia công khi tiện Đối với nguyên công tiện cũng có 2 thông số công nghệ cần nhập vào ch−ơng trình, là vận tốc cắt S (vòng/phút hay mét/phút) và l−ợng chạy dao F (mm/vòng). Máy tiện CNC có chế độ cắt với vận tốc không đổi, nghĩa là tốc độ trục chính thay đổi theo đ−ờng kính phôi để duy trì vận tốc cắt không đổi. Dùng vận tốc cắt không đổi cho phép đảm bảo chất l−ợng bề mặt đồng đều khi đ−ờng kính chi tiết thay đổi. Khi dùng chế độ này, cần phải giới hạn tốc độ trục chính, đề phòng tốc độ quá cao khi đ−ờng kính phôi quá nhỏ hoặc tiến dẫn tới 0 (ví dụ, khi cắt đứt). 3.3.2. Cơ sở công nghệ phay Dao phay Dao phay có thể đ−ợc phân loại theo các chỉ tiêu sau: - Theo vật liệu cần gia công, có kiểu N dùng cho thép thông th−ờng; H cho vật liệu mềm, phoi dây; W cho vật liệu cứng, phoi vụn. - Theo vật liệu l−ỡi cắt, có dao thép gió, hợp kim cứng, gốm, kim c−ơng. - Theo dạng thân dao, có dao phay ngón; dao vành xuyến. - Theo dạng đầu dao, có dao cắt rãnh chữ T, khoả mặt, định hình. Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 66 Trên hình 3.10 là các dạng dao phay th−ờng dùng với các thông số hình học t−ơng ứng của chúng. Hình 3. 10: Các dạng dao phay Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 67 Chế độ gia công Việc tính chế độ gia công hoàn toàn nh− máy thông th−ờng. Có hai thông số công nghệ th−ờng phải nhập vào ch−ơng trình, là tốc độ trục chính S (vòng/phút) và l−ợng chay dao F (mm/vòng hoặc mm/phút). 3.4. Những vấn đề chung về lập trình NC 3.4.1. Cấu trúc của ch−ơng trình NC Ch−ơng trình NC là một file, đ−ợc biểu diễn d−ới dạng mã BCD hoặc ASCII. Cấu trúc chung của ch−ơng trình NC nh− trong hình 3.11. Hình 3. 11: Cấu trúc chung của ch−ơng trình NC Ch−ơng trình là tập hợp có cấu trúc của các câu lệnh (Block), đ−ợc sắp xếp theo trình tự hoạt động của máy, bắt đầu và kết thúc bằng những ký tự đặc biệt để bộ điều khiển có thể nhận biết. Mỗi Block gồm một số từ (Word), có ý nghĩa nhất định. Mỗi từ có 2 phần: phần điạ chỉ (Address) là chữ cái chỉ ý nghĩa của từ và phần giá trị (Value), chỉ trị số đi kèm. Block đ−ợc kết thúc bằng một ký tự đặc biệt để bộ điều khiển có thể nhận biết đ−ợc. Ví dụ, block trên hình 3.11 đ−ợc viết trong ch−ơng trình nh− sau (dấu cách chỉ giúp ng−ời lập trình dễ đọc, không có ý nghĩa với bộ điều khiển nên có thể bỏ qua): G01 X126.4 Y0.5 F170 S1200 T14 M06 LF Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 68 Có 2 loại thông tin cần phải có trong ch−ơng trình NC là: - Thông tin về hình học của chi tiết gia công (kích th−ớc các bề mặt); - Thông tin về công nghệ (chế độ công nghệ, dụng cụ, dung dịch trơn nguội,...). Cụ thể hơn, các thông tin sau cần có trong ch−ơng trình NC: - Chức năng dịch chuyển (quy định đơn vị đo, dạng nội suy, kiểu toạ độ (tuyệt đối hay t−ơng đối), mặt nội suy cung tròn, bù kích th−ớc dao,...); - Hệ toạ độ phôi (tịnh tiến hoặc quay) và sự biến đổi trong quá trình gia công; - Chế độ cắt (tốc độ trục chính, l−ợng chạy dao); - Dụng cụ (thông số dao, thay dao,...); - Chu trình (khoan, gia công ren, tiện thô, phay hốc,...); - Dung dịch trơn nguội (bật, tắt, kiểu t−ới,...); - Các chức năng phụ trợ (bật, tắt trục chính, chiều quay trục chính, kẹp nhả phôi, thay tấm gá (pallet),... 3.4.2. Các ph−ơng pháp lập trình Có 2 ph−ơng pháp lập trình cơ bản: - Lập trình bằng tay, tại máy. - Lập trình có máy tính trợ giúp (ngôn ngữ chuyên dùng, CAD/CAM). Ph−ơng pháp lập trình bằng tay, tại máy Lập trình bằng tay (Manual Programming) là ph−ơng pháp cơ bản nhất, đ−ợc thực hiện ngay tại máy CNC, sử dụng bộ lập trình (NC Editor) sẵn có của máy (hình 3. 12). Đặc điểm của ph−ơng pháp này là lập trình viên phải nhập từng câu lệnh vào bộ nhớ của máy mà không dựa vào một công cụ tự động sản sinh ch−ơng trình nào. Lập trình bằng tay có −u điểm là không đòi hỏi thiết bị và phần mềm. Mặc dù công cụ lập trình tại các máy CNC hiện đại đã đ−ợc cải tiến rất nhiều, nh− trợ giúp đồ hoạ, sử dụng ngôn ngữ giao thoại, tăng khả năng tính toán số học và hình học, nh−ng lập trình bằng tay hiện vẫn có nh−ợc điểm quan trọng, là mang tính thủ công, mất thời gian, buồn tẻ và dễ nhầm lẫn. Vì vậy, lập trình bằng tay th−ờng chỉ đ−ợc dùng để tạo các ch−ơng trình đơn giản hoặc để sửa ch−ơng trình đã có. Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 69 Nhờ sử dụng các máy tính có hiệu năng cao, nh− các chip Pentium thế hệ mới có tốc độ xử lý cao, dùng bộ nhớ dung l−ợng cao, màn hình màu có độ phân giải lớn, khả năng giao tiếp với bộ nhớ ngoài và các thiết bị ngoại vi khác, tiện ích lập trình bằng tay của các máy CNC hiện đại đã thay đổi rất nhanh. Trong số các tiện ích lập trình thì việc tạo môi tr−ờng giao thoại (Interactive Programming Tool) và công cụ trợ giúp đồ hoạ là các xu h−ớng nổi bật nhất. Với các tiện ích trên, ng−ời lập trình không cần nhớ cấu trúc câu lệnh mà chỉ cần sử dụng các phím biểu t−ợng để kích hoạt hàm, sau đó điền các giá trị theo yêu cầu của máy. Hình 3. 12:Lập trình bằng tay, tại máy Công cụ trợ giúp đồ hoạ cho phép ng−ời dùng kiểm tra toạ độ chạy dao ngay trong khi lập trình, nhờ vậy mà có thể sửa chữa ngay lập tức mà không cần chờ chạy mô phỏng. Hình 3.13 minh hoạ công cụ đó của bộ điều khiển TNC420 do hãng Heidenhain (Đức) sản xuất. Bên trái là các phím biểu t−ợng để lập trình, còn bên phải là các câu lệnh sinh ra và contour biểu diễn toạ độ t−ơng ứng. Hình 3. 13: Công cụ trợ giúp lập trình của TNC420 (Heidenhain) Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 70 Một trong những tiện ích rất quan trọng trong lập trình NC là th− viện các hàm (Function) và các chu trình chuẩn (Cycle). Chúng cho phép tạo nhanh các modul ch−ơng trình gia công các bề mặt phức tạp và thông dụng, nh− gia công bóc vỏ, khoan sâu, gia công ren, gia công các rãnh trên máy tiện hoặc gia công các hốc, các đảo, các rãnh định hình, gia công khoan, khoét, doa, ren các lỗ trên máy phay. Các hệ điều khiển thế hệ mới, nh− Sinumerik 840D, Fanuc Serie 21, TNC430,... đều có một th− viện các hàm rất phong phú, đồng thời còn cho phép ng−ời dùng định nghĩa các hàm riêng của mình. Hình 3.14 minh hoạ chức năng tạo cycle gia công rãnh cung tròn của bộ điều khiển Sinumerik 840D (Siemens - Đức). Hình 3. 14: Chu trình phay rãnh tròn của bộ điều khiển Sinumerik 840D Mặc dù có các tiện ích trên, lập trình bằng tay cũng chỉ đ−ợc sử dụng với các máy có số trục hạn chế, nh− máy tiện 2 trục, máy phay 3 hoặc 4 trục. Ph−ơng pháp lập trình có máy tính trợ giúp Khi chi tiết và/hoặc máy phức tạp hơn thì phải dùng các hệ lập trình có máy tính trợ giúp (Computer Aided Programming - AIP). Bản chất của AIP là sử dụng công cụ chuyên dùng để trợ giúp (th−ờng là tự động sản sinh ch−ơng trình) trên cơ sở đối t−ợng gia công và các thông số công nghệ đ−ợc ng−ời dùng ấn định. Tr−ớc đây, ng−ời ta hay nói đến APT (Automated Programming Tool) nh− một công cụ trợ giúp lập trình độc lập. Khi dùng APT, thay vì phải trực tiếp viết ch−ơng trình d−ới dạng G-Code, ng−ời lập trình có thể mô tả hình học của chi tiết bằng ngôn ngữ gần với ngôn ngữ giao tiếp Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 71 thông th−ờng, còn phần mềm sẽ giúp chuyển sang G-Code. Với APT, khó khăn chính trong lập trình NC, là xác định và mô tả đ−ờng chạy dao (thủ công) vẫn ch−a đ−ợc giải quyết. Ngày nay APT truyền thống không còn đ−ợc dùng nữa. Công cụ trợ giúp lập trình thông dụng nhất bây giờ là CAD/CAM, trong đó các chi tiết đ−ợc thiết kế trong CAD-3D, còn CAM tự động tính đ−ờng chạy dao và xuất ch−ơng trình NC theo đối t−ợng hình học mà ng−ời dùng trực tiếp chọn trên mô hình hình học của CAD (hình 3.15). Sự liên kết CAD/CAM đã kết hợp đ−ợc khả năng đồ hoạ mạnh và dữ liệu hình học chính xác của CAD với năng lực phân tích hình học, quản lý dữ liệu công nghệ, mô phỏng của CAM. Nhờ CAD/CAM, việc lập trình vừa dễ dàng, nhanh chóng, vừa chính xác. Mặt khác, môi tr−ờng CAD/CAM là môi tr−ờng t−ơng tác, cho phép ng−ời dùng thực hiện nhiều lần "vòng lặp" ...-> thiết kế -> lập trình -> mô phỏng (thử nghiệm) ->... để tạo ra kết cấu tối −u của chi tiết, tránh đ−ợc những tốn kém nh− thử nghiệm mẫu thực. Các phần mềm CAD/CAM hiện đại, nh− Pro/Engineer, Catia, Cimatron, EdgeCAM,... cho phép lập trình cho các máy phay đến 5 trục, máy tiện đến 4 trục, máy cắt dây đến 4 trục. Mô hình CAD -> Quỹ đạo dao -> Mô phỏng -> Ch−ơng trình NC Hình 3. 15: Lập trình NC nhờ CAD/CAM (Pro/E) Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 72 Một trong những ph−ơng pháp lập trình có máy tính trợ giúp là kết hợp công cụ số hoá 3D với công cụ sản sinh ch−ơng trình NC. Đó là một dạng của công nghệ ng−ợc (Reverse Engineering), dùng thiết bị số hoá quang học, điện cơ,... để số hoá bề mặt 3D. Dữ liệu hình học 3D dạng số này sẽ đ−ợc chuyển cho phần mềm CAD để dựng lại mô hình 3D của vật thể hoặc chuyển trực tiếp thành ch−ơng trình NC để gia công lại chi tiết. Bằng ph−ơng pháp này, ng−ời ta có thể chép hình các bức t−ợng trong nghệ thuật tạo hình, gia công các chi tiết máy phức tạp trong chế tạo máy. Công nghệ ng−ợc này còn kết hợp đ−ợc với các công nghệ khác, phục vụ công tác thiết kế và chế tạo, nh− công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping) để chế tạo nhanh sản phẩm hoặc khuôn mẫu. Để thực hiện công nghệ ng−ợc trên máy CNC, máy đ−ợc trang bị đầu dò 3 chiều với phần mềm số hoá kèm theo. Nhờ phần mềm này mà đầu dò sẽ đ−ợc điều khiển để quét lên bề mặt mẫu theo các l−ới quỹ đạo khác nhau (hình 3.16). Sau đó, l−ới toạ độ sẽ đ−ợc chuyển thành các lệnh NC, l−u trong máy tính, đ−ợc sử dụng để gia công trên chính máy đó hoặc trên các máy khác có hệ lệnh t−ơng thích. Hình 3. 16: Số hoá 3D trên máy CNC 3.4.3. Các loại ngôn ngữ lập trình Ngôn ngữ ISO (G code) Tiêu chuẩn ISO 6983 quy định cấu trúc chung và một số lệnh chính của ch−ơng trình NC. Ngôn ngữ ISO (cách gọi tắt của ISO 6983) là ngôn ngữ truyền thống, đ−ợc sử dụng rộng rãi trên thế giới. Hầu hết các hãng lớn trên thế giới, nh− Siemens (Đức), Fanuc (Nhật), Num (Pháp), Fago (Tây ban nha),... dùng ngôn ngữ này. Ngoài các lệnh và các hàm chính quy định trong tiêu chuẩn ISO 6983, các nhà sản xuất bộ điều khiển có thể thêm vào các lệch và các hàm riêng của mình. Vì vậy, tuy cùng dùng hệ mã chuẩn ISO, ch−ơng trình NC viết cho bộ điều khiển này th−ờng không chạy đ−ợc trên bộ điều khiển khác. Tiêu chuẩn DIN 66025 của Đức có cấu trúc t−ơng tự ISO. Các lệnh chính trong ch−ơng trình ISO đều dùng chữ cái địa chỉ G... nên mã ISO còn d−ợc gọi là mã G. Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 73 Bảng sau đây mô tả các mã mô tả chức năng chính trong ch−ơng trình ISO. Mô tả chức năng MTS SINUMRIK FANUC Chạy dao nhanh G00 G00 G00 Nội suy đ−ờng thẳng G01 G01 G01 Nội suy cung tròn theo chiều kim đồng hồ G02 G02 G02 Nội suy cung tròn ng−ợc chiều kim đồng hồ G03 G03 G03 Thời gian dừng G04 G04 G04 Bỏ lệnh bù dao G40 G40 G40 Bù bán kính dao, trái G41 G41 G41 Bù bán kính dao, phải G42 G42 G42 Chọn điểm zero phôi G54-G57 G54 Lập trình theo toạ độ tuyệt đối G90 G90 G90 Lập trình theo gia số G91 G91 G91 Giới hạn vòng quay trục chính max (đi với G96) G92 L−ợng chạy dao mm/ph G94 G94 G94 L−ợng chạy dao mm/vòng G95 G95 G95 Vận tốc cắt không đổi G96 Số vòng quay trục chính không đổi G97 Toạ độ X của điểm đích X X X Toạ độ Y của điểm đích Y Y Y Toạ độ Z của điểm đích Z Z Z Khoảng cách giữa điểm xuất phát với tâm vòng tròn theo ph−ơng X I I I Khoảng cách giữa điểm xuất phát với tâm vòng tròn theo ph−ơng Y J J Khoảng cách giữa điểm xuất phát với tâm vòng tròn theo ph−ơng Z K K K Tốc độ trục chính S S S L−ợng chạy dao F F F Mã dao T T T Khởi động trục chính theo chiều kim đồng hồ M3 M3 M3 Khởi động trục chính ng−ợc chiều kim đồng hồ M4 M4 M4 Dừng trục chính M5 M5 M5 Thay dao M6 M6 T−ới dung dịch M8 M8 M8 Thôi t−ới dung dịch M9 M9 M9 Tạm dừng ch−ơng trình M00 M00 M00 Dừng ch−ơng trình, quay về đầu (Reset) M30 M30 M30 Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 74 Ch−ơng trình NC gồm các câu lệnh (block) kế tiếp nhau, chỉ dẫn cho máy thực hiện các b−ớc gia công. Block đầu tiên là tên ch−ơng trình, th−ờng bắt đầu bằng một ký hiệu, kế theo là một nhóm chữ cái hoặc chữ số. Tên ch−ơng trình phải theo đúng quy định của nhà sản xuất, nếu không thì máy không hiểu đ−ợc. Ví dụ, cấu trúc chung của ch−ơng trình NC theo ngôn ngữ ISO nh− sau: %0100 Tên ch−ơng trình N0005 G54 G90 ..... N0075 G01 X50 Z-10 S2500 F0.3 M03 ..... Các lệnh (block) trong ch−ơng trình N0590 M30 Kết thúc ch−ơng trình Mỗi lệnh th−ờng có số thứ tự (không bắt buộc), các từ (Word) và ký tự đặc biệt (LF), không nhìn thấy, biểu thị kết thúc lệnh. Ví dụ, lệnh số 75 d−ới đây có 6 từ. N0075 G01 X50 Z-10 S2500 F0.3 M03 Mỗi từ có một chữ cái địa chỉ (Address) để báo cho bộ điều khiển loại công việc cần thực hiện, tiếp theo là giá trị (Value), quy định chi tiết ý nghĩa của từ. Ví dụ G01 là một từ, trong đó G là địa chỉ, 01 là giá trị. G01 chỉ thị "chạy dao theo đ−ờng thẳng với l−ợng chạy dao quy định". X50 là một từ, trong đó địa chỉ X biểu diễn toạ độ theo ph−ơng X, 50 là giá trị toạ độ. Theo chức năng, th−ờng các từ đ−ợc phân thành 3 nhóm: - Nhóm chức năng G, nh− G00, G01, G40, G54,... - Nhóm toạ độ, nh− X, Y, Z, A, B, C,... - Nhóm bổ xung và chuyển đổi chế độ, nh− F, S, T, M,... Tuy không phải luôn luôn bắt buộc, các từ trong một lệnh th−ờng đ−ợc viết theo trình tự nhất định. Giữa các từ th−ờng có dấu cách chỉ để dễ đọc cho ng−ời dùng, còn máy không cần. Ngôn ngữ giao thoại của HEIDENHAIN Các bộ điều khiển họ TNC của Heidenhain có thể dùng 2 ngôn ngữ: ngôn ngữ ISO và ngôn ngữ giao thoại. Ngôn ngữ giao thoại có 3 đặc điểm: - Trong ch−ơng trình, dùng các chữ cái tiếng Anh để mô tả các chức năng. - Dùng các phím biểu t−ợng để lập trình. - Lập trình theo ph−ơng pháp hỏi đáp (Conversation), trong đó máy đ−a ra các câu hỏi, ng−ời dùng chỉ nhập các giá trị mà máy yêu cầu. Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 75 Hình sau minh hoạ các phím biểu t−ợng để lập trình, chọn chế độ làm việc và điều khiển máy. Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 76 Ngôn ngữ giao thoại không đòi hỏi ng−ời dùng nhớ cấu trúc lệnh và hạn chế tối đa các sai sót về cú pháp. Nó rất thích hợp cho lập trình bằng tay. Vì −u điểm của ngôn ngữ giao thoại mà gần đây nhiều hãng khác, ví dụ FAGO cũng phát triển môi tr−ờng này. D−ới đây là một ch−ơng trình nhỏ, minh hoạ cấu trúc của ch−ơng trình. Ch−ơng trình dùng để gia công contour hình bên. 0 BEGIN PGM LINEAR MM 1 BLK FORM 0.1 Z X+0 Y+0 Z-20 2 BLK FORM 0.2 X+100 Y+100 Z+0 3 TOOL DEF 1 L+0 R+10 4 TOOL CALL 1 Z S4000 5 L Z+250 R0 F MAX 6 L X-10 Y-10 R0 F MAX 7 L Z-5 R0 F1000 M3 8 APPR LT X+5 Y+5 LEN10 RL F300 9 L Y+95 10 L X+95 11 CHF 10 12 L Y+5 13 CHF 20 14 L X+5 15 DEP LT LEN10 F1000 16 L Z+250 R0 F MAX M2 17 END PGM LINEAR MM 0 Bắt đầu ch−ơng trình 1 Định nghĩa phôi để mô phỏng 3 Định nghĩa dao trong ch−ơng trình 4 Gọi dao, định trục dao (Z), tốc độ trục chính (S) 5 Chạy dao nhanh Z đến toạ độ Z250 6 Chạy dao nhanh đến X-10 Y-10 7 Khoan xuống Z-5, F1000, khởi động trục chính (M3) 8 Tiếp cận contour tại 1 theo đ−ờng thẳng, bù dao trái 9 Cắt thẳng đến điểm 4 10 Cắt thẳng tới điểm 3 11 Vát cạnh 10 mm 12 Cắt tới điểm 2 13 Vát cạnh 20 mm 14 Cắt thẳng tới điểm 1 15 Rời contour theo đ−ờng thẳng 10 mm với F1000 16 Nhấc dao, dừng ch−ơng trình 17 Kết thúc ch−ơng trình Ch−ơng 3: Cơ sở lập trình gia công trên máy CNC 77 Tài liệu tham khảo 1. Phạm Văn Hùng: Cơ sở máy công cụ, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2007. 2. Nguyễn Mạnh Tiến, Vũ Quang Hồi: Trang bị điện, điện tử máy gia công kim loại, NXB Giáo dục, 2002. 3. Yoram Koren: Computer Control of Manufacturing Systems, McGraw-Hill, 1983. 4. Hans B. Kief, T. Frederik Waters: Computer Numerical Control, Macmillan/McGraw-Hill, 1992. 5. Y. Koren (University of Michigan), U. Heisel (Universitat Stuttgart), F. Jovane (Politecnico di Milano), T. Moriwaki (Kobe University), G. Pritschow (Universitat Stuttgart), G. Ulsoy (University of Michigan), H. Van Brussel (Katholieke Universiteit Leuven): Reconfigurable Manufacturing Systems; Annals of the CIRP, Vol. 48/2/1999. 6. Engineering Research Center for Reconfigurable Manufacturing Systems: Student Handbook; College of Engineering, University of Michigan, 2004. 7. А. С. Проникова: Проектировaние металлорежущих станков и стaночных систем, издательство МГТУ им. БАУМАНА и издательство Mашиностроение, 1994. 8. В. А. Лещенко: Гидравлические следящие приводы для автоматизации станков, МАШГИЗ, 1962. 9. А. С. Сандлер: Электропривод и автоматизация металлорежущих станков, издательство "ВЫСШАЯШКОЛА", 1972. 10. Omative: Technical Specification Adaptive Control & Monitoring Systems for CNC Metal Cutting Optimization, 2008. 11. F. Cus, U. Zuperl, E. Kiker, M. Mllfelner: Adaptive controller design for feedrate maximization of machining process, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, Volume 17, Issue 1-2, July-August 2006. Tài liệu tham khảo 78