tính toán và thiết kế mô hình máy phay cnc 3 trục

Khái niệm chung CNC Computer Numerical Control là một dạng máy điều khiển tự động dưới sự trợ giúp của máy tính, mà trong đó các bộ phận tự động được lập trình để hoạt động theo các sự k

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÔNG Á

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÔNG Á

HOÀNG MINH TUẤN

KHIỂN MÁY CNC 3 TRỤC

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Phạm Minh Hải

Bắc Ninh 2023

Mục lục

Tóm tắtLời nói đầuLời cảm ơn

Chương I: GIỚI THỆU VỀ MÁY CNC

1.1 Giới thiệu máy CNC

1.1.1 Khái niệm chung

1.1.2 Quá trình phát triển của máy CNC

1.1.3 Các thành phần cơ bản máy phay CNC

1.1.4 Các hệ điều khiển số và các dạng điều khiển số 1.1.5 Hệ tọa độ trên máy CNC và các điểm chuẩn

1.1.6 Những khái niệm cơ bản về lập trình gia công trên máy CNC

1.2 Giới thiệu ứng dụng của máy CNC trong điêu khắc gỗ

Chương II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY CNC 3 TRỤC

3.1 Dao khắc

3.2 Chiều sâu cắt t và chiều rộng phay B (mm) 3.3 Lượng dao chạy S

3.4 Tốc độ cắt V được tính theo công thức 3.5 Lực cắt

3.6 Công suất cắt

3.7 Tính toán để chọn vít me đai ốc

3.7.1 Tính chọn vít me- đai ốc cho trục Z 3.7.2 Chọn vít me- đai ốc cho trục X,Y

3.8 Tính toán để chọn công suất động cơ trục X và Y 3.9 Tính toán để chọn công suất động cơ trục Z

Chương III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 3 TRỤC

3.1 Phần cứng

3.1.1 Arduino Uno R3

3.1.2 Driver điều khiển động cơ trục chính 3.1.3 Driver điều khiển động cơ bước TB6560

3.2 Phần mềm

3.2.1 Phần mềm b-CNC

3.2.2 Phần mềm Vectric Aspire 9.5 3.2.3 Hướng dẫn tạo 2D và xuất G-code

3.3 Một số sản phẩm gia công từ máy CNC mini 3 trục

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển CNC 3 trụcSinh viên thực hiện: Hoàng Minh Tuấn

MSSV: 1752510202068Lớp : DC.CTM 8.10

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phạm Minh Hải1 Đặt vấn đề

Hiện nay, nhu cầu về một chiếc máy CNC chi phí thấp, nhỏ gọn để tăng tính tự động hóa trong quá trình giám sát nhân công của các ngành như: may mặc, giày da, điện tử, ngày càng gia tăng Nắm bắt được xu hướng này nhóm chúng em đã lên ý tưởng cho đề tài và áp dụng những kiến thức được học ở trường vào thực tế để chế tạo ra mô hình một chiếc máy CNC 3 trục đảm bảo độ chính xác, dễ dàng sử dụng, phạm vi hoạt động tương đối rộng và cơ cấu gọn nhẹ

Đây là sản phẩm được điều khiển bằng máy tính, công cụ gia công tinh tế tạo ra các chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệ hiện đại Máy CNC là sản phẩm phổ biến trong lĩnh vực tự động hóa, giúp tiết kiệm thời gian gia công, mang lại hiệu quả kinh tế cao, rất phù hợp với các sản phẩm có hình dạng phức tạp Thuyết minh giới thiệu về CNC và quá trình nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển CNC 3 trục

1.1 Phạm vi đề tài nghiên cứu

Thiết kế hệ thống điều khiển máy CNC

2 Nội dung đề tài thực hiện

Bài thuyết minh 55-60 trang

Lời nói đầu

Ngày nay máy CNC đang dần thay thế các máy gia công truyền thống và đóng vai trò không thể thiếu trong hoạt động sản xuất Với rất nhiều chủng loại, kích thước khác nhau, máy CNC được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điêu khắc tranh gỗ, gia công mạch, gia công cơ khí…v.v Vì thế chúng em vận dụng kiến thức đã học đã được đào tạo trong 4 năm tại Đại học Công nghệ Đông Á Chúng em đã

quyết định chọn đề tài tốt nghiệp “Thiết kế hệ thống điều khiển máy CNC 3trục” để chúng em có thêm hiểu biết, có nền tảng kiến thức theo đuổi làm về máy

CNC sau này.

Trong đề tài chuyên đề tốt nghiệp, mục tiêu trước tiên mà chúng em hướng tới là chế tạo được mô hình máy CNC hoạt động ổn định và hoạt động với sai số nhỏ, sau đó chúng em hướng tới khắc phục dao động, sai số và sau đó có thể tiếp tục nâng cao thêm tính tự động của máy.

Tuy nhiên do kinh nghiệm còn hạn chế và thời gian thực hiện có hạn, nên chuyên đề của chúng em còn những thiếu xót Chúng em mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô để hoàn thiện hơn để tài

Đề tài thiết kế hệ thống điều khiển máy CNC 3 trục của chúng em dưới sự hướng

dẫn trực tiếp của thầy giáo PGS.TS Phạm Minh Hải bao gồm các nội dung sau:

- Chương I: GIỚI THIỆU VỀ MÁY CNC

- Chương II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY CNC 3 TRỤC

- Chương III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 3 TRỤC Kết luận

Bắc Ninh, ngày 05 tháng 07 năm 2023 Sinh viên thực hiện

Hoàng Minh Tuấn DC.CTM 8.10

Lời cảm ơn

Em xin được gửi lời cảm ơn đến Trường đại học công nghệ Đông Á Chặng đường 4 năm tuy không dài nhưng cũng đủ khắc sâu trong tim ta suốt đời để biết rằng ta đã có một tuổi trẻ thật đẹp Cuộc vui nào cũng đến lúc tàn, hành trình với Đông Á có thể đi đến hồi kết nhưng hành trình của cuộc đời vẫn đang chờ ta phía trước

Để hoàn thành xong đề tài tốt nghiệp này, chúng em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình đến các thầy cô bộ môn cơ khí, đặc biệt là thầy giáo hướng

dẫn PGS.TS Phạm Minh Hải Chúng em xin kính chúc quý thầy cô dồi dào

sức khỏe để có thể tiếp tục dẫn dắt các thế hệ sinh viên mai sau đến với bến bờ thành công

Cuối cùng là lời cảm ơn đối với các thành viên trong lớp DC.CTM 8.10 Cảm ơn vì đã đồng hành trong suốt 4 năm qua Chúc các bạn thành công trên con đường đã lựa chọn

Xin chân thành cảm ơn!

Bắc Ninh, ngày 05 tháng 07 năm 2023

Một số hình ảnh về máy CNC 3 trục

Máy CNC 3018 phiên bản 2019

Chương I: GIỚI THỆU VỀ MÁY CNC

1.1 Giới thiệu máy CNC 1.1.1 Khái niệm chung

CNC (Computer Numerical Control) là một dạng máy điều khiển tự động dưới sự trợ giúp của máy tính, mà trong đó các bộ phận tự động được lập trình để hoạt động theo các sự kiện nối tiếp nhau với một tốc độ được xác định trước để có thể tạo ra được mẫu vật với hình dạng và kích thước yêu cầu

Nguyên lý cơ bản của việc điều khiển máy công cụ thông qua việc điều khiển số vẫn được duy trì không đổi từ khi nó bắt đầu xuất hiện Tuy nhiên các chức năng và công việc của thiết bị điều khiển thì tăng lên liên tục qua các năm và hiện nay cho phép sử dụng ở mức tự động hóa cao

Máy công cụ NC khác máy công cụ thông thường một cách đáng kể vì máy thông thường được một người công nhân có tay nghề điều khiển bằng tay Người công nhân đọc bản vẽ chi tiết rồi sử dụng các thông số của máy dựa trên kinh nghiệm bản thân, vì thế chất lượng và năng suất phụ thuộc rất lớn vào kỹ năng của người vận hành

Các máy công cụ NC là các thiết bị gia công có thể lập trình tự do và phù hợp với việc sản xuất tự động loạt nhỏ và trung bình

Ưu điểm chính của chúng chính là tính linh hoạt và tốc độ thay đổi nhanh các chương trình gia công với sự can thiệp tối thiểu bằng tay Tính linh hoạt của máy NC đạt được là do:

+ Khả năng lặp lại trong các chương trình thực hiện

+ Khả năng đưa vào trực tiếp các kích thước chi tiết và các số liệu hành trình dao trên máy công cụ khi yêu cầu

+ Không còn yếu tố hạn chế hành trình cơ khí như cam rãnh, chốt dừng hay tấm mẫu, nghĩa là không cần mọi sự điều chỉnh cơ khí

+ Khả năng đưa các giá trị công nghệ

c Phân loại

Các máy CNC có thể phân chia theo loại và theo hệ thống điều khiển:

- Theo loại máy cũng như các máy công cụ truyền thống, chia ra các loại như máy khoan CNC, máy phay CNC, máy tiện CNC và các trung tâm CNC Các trung tâm CNC có khả năng thực hiện gia công nhiều loại bề mặt và sử dụng nhiều loại bề mặt khác nhau

- Phân chia theo hệ thống điều khiển có thể chia ra các loại:

+ Các máy điều khiển điểm tới điểm (máy khoan, máy khoét, máy dập )

+ Các máy điều khiển đoạn thẳng: là các máy có khả năng gia công trong quá trình thực hiện di chuyển các trục

+ Các máy điều khiển đường

* Điều khiển theo kiểu truyền thống

Hệ thống điều khiển (HTĐK) theo kiểu này gồm: điều khiển bằng cam, điều khiển theo quãng đường, điều khiển theo thời gian, điều khiển theo chu kì Nhìn chung các loại điều khiển này có chung các đặc điểm chính sau đây:

-Điều khiển máy có sự tham gia phần lớn của người vận hành từ khâu cấp phôi, gá phôi, hiệu chỉnh dụng cụ cho đến khâu kiểm tra sản phẩm

-Các thao tác của hệ thống điều khiển thường khó thay đổi (chính xác là không thay đổi được) Do vậy, nó không thích ứng với sự thay đổi sản phẩm

-Nếu không có sự tham gia của người vận hành thì cơ cấu máy thực hiện chu trình làm việc liên tục như các máy tự động Với các loại máy này không thay đổi được hoặc muốn thay đổi cũng rất phức tạp

-Do vậy, khuynh hướng phát triển chung là người ta muốn có những hệ thống điều khiển mà nó dễ dàng thích nghi với sự thay đổi của sản phẩm Nhìn chung, các

hệ thống điều khiển theo kiểu truyền thống tuy càng lúc càng được cải thiện tuỳ theo mức độ cơ khí hoá, tự động hoá của nhà máy sản xuất nhưng vẫn chưa thực sự đáp ứng được nhu cầu của thực tế

d Điều khiển số

*Bản chất của điều khiển số

Khi gia công trên các máy công cụ thì chi tiết và dụng cụ cắt thực hiện các chuyển động tương đối với nhau Những chuyển động được lặp đi lặp lại nhiều lần khi gia công mỗi chi tiết gọi là chu kỳ gia công

Mỗi chu kỳ gia công được đặc trưng bởi hai thành phần đó là: phần kích thước và phần điều khiển Hai thông tin không thể thiếu trong bất kỳ một máy điều khiển nào Thông tin về kích thước cho phép chúng xác định hành trình của chu kỳ; trong khi đó thông tin về sự điều khiển cho phép xác định thứ tự của hành trình theo thời gian

*Điều khiển số và hệ thống điều khiển số

+ Điều khiển số

Điều khiển số NC (Numerical Control) là một hình thức tự động hoá đặc biệt Máy công cụ được lập trình để thực hiện một dãy có thứ tự các sự kiện với một tốc độ xác định trước nhằm gia công một chi tiết máy với toàn bộ những kết quả và tham số vật lí hoàn toàn có thể dự đoán được Điều này được thực hiện là nhờ các bộ vi xử lý Nó có thể tiếp nhận và chuyển đổi các dữ liệu gia công thành các tín hiệu điều khiển máy hoạt động và có thể thay đổi chức năng của nó bằng chương trình ngoài, chứ không phải chỉ thực hiện một số chức năng cố định như trước đây

+ Hệ thống điều khiển số

Là hệ thống mà trong đó các hoạt động được điều khiển là dữ liệu số đưa vào trực tiếp ở một điểm nào đó Hệ thống đó phải tự động dịch chuyển tối thiểu một phần nào đó của dữ liệu này

Dữ liệu số là thông tin cung cấp bởi tín hiệu mã nhị phân Nó được biểu diễn dưới dạng mã số hoặc kí tự Đây là thông tin cần thiết để tạo ra một chương trình, gọi là chương trình gia công chi tiết

Có 2 loại hệ thống điều khiển (HTĐK):

Đặc điểm của hệ thống điều khiển số vòng kín như sau:

- Các hệ thống điều khiển được vận hành theo nhịp thời gian của một đồng hồ và độc lập với biến ra

- Không có cảm biến và bộ so sánh Do đó, muốn đảm bảo chính xác cho biến ra của cơ cấu chấp hành thì cần có yêu cầu cao về độ chính xác của hệ truyền động.

- Cấu trúc đơn giản và giá thành thấp Hệ thống kín:

Đặc điểm của hệ thống điều khiển số vòng hở như sau:

- Độ chính xác của biến ra ít phụ thuộc vào hệ truyền động mà phụ thuộc vào cảm biến

- Làm việc chính xác và độ tin cậy cao

Do vậy, hầu hết các hệ thống điều khiển số hiện nay là hệ thống kín Các hoạt động điều khiển được vận hành qua các sai lệch điều khiển giữa biến vào và biến ra.

+ Cấu trúc từng phần của hệ thống điều khiển số

- Bộ đọc: bao gồm các dữ liệu gia công, mô tả các hoạt động của máy kể cả hiệu chỉnh dụng cụ dưới dạng từng câu lệnh của chương trình Nó được in vào băng đục lỗ

Và chỉ khi nào mỗi một dòng lệnh được hoàn thành nhiệm vụ thì một dòng lệnh khác được đọc

- Bộ giải mã: Nhiệm vụ biến nội dung dòng lệnh thành tín hiệu điều khiển - Bộ so sánh: So sánh giá thực của biến ra để chấp hành với giá trị biến vào của hệ điều khiển Sai lệnh này nếu có sẽ được biến thành tín hiêụ điều khiển

- Bộ khuếch đại: Có nhiệm vụ dùng để biến đổi mức tín hiệu cần thiết cho mục đích điều khiển

- Cảm biến: Dùng đo giá trị thực của biến ra Sau đó, cung cấp cho bộ so sánh dưới dạng tín hiệu, thường là tín hiệu điện

e Ưu, nhược điểm của máy CNC

*Ưu điểm cơ bản

- So với các máy điều khiển công cụ bằng tay, sản phẩm từ máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung, chương được đưa vào máy Người điều khiển chỉ chủ yếu theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động của máy

- Độ chính xác làm việc cao Thông thường các máy CNC có độ chính xác máy là

0.001mm do đó có thể đạt được độ chính xác cao hơn

- Tốc độ cắt cao Nhờ kết cấu cơ khí bền chắc của máy, những vật liệu hiện đại như kim loại cứng hay gốm oxit có thể sử dụng tốt hơn - Thời gian gia công ngắn hơn

*Các ưu điểm khác

- Máy CNC có tính linh hoạt cao trong việc lập trình, tiết kiệm thời gian chỉnh máy, đạt tính kinh tế cao trong việc gia công hàng loạt các sản phẩm nhỏ

- Ít phải dừng máy vì lỗi kỹ thuật, do đó chi phí dừng máy nhỏ - Tiêu hao do kiểm tra ít, giá thành đo kiểm tra thấp

- Thời gian hiệu chỉnh máy nhỏ - Có thể gia công hàng loạt

*Nhược điểm:

- Giá thành chế tạo máy cao hơn

- Giá thành bảo dưỡng, sửa chữa máy cũng cao hơn - Vận hành và thay đổi người đứng máy khó khăn hơn

1.1.2 Quá trình phát triển của máy CNC

a Quá trình phát triển:

Điều khiển số NC (Numerical Control) là phương pháp tự động điều chỉnh các máy công tác (máy công cụ, Robot, băng tải vận chuyển phôi liệu, chi tiết gia công, sản phẩm ) trong đó các hành động bị điều khiển được tạo ra trên cơ sở cung cấp các dữ liệu ở dạng mã nhị phân Nó được biểu diển dưới dạng các con số thập phân, các chữ cái và kí hiệu đặc trưng tạo thành một chương trình làm việc của thiết bị hay của hệ thống

Trước đây, cũng đã có những quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theo chương trình bằng các kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình bằng hệ thống thuỷ lực Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật, nhất là trong lĩnh vực điều khiển số và tin học đã tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà chế tạo máy nghiên cứu và ứng dụng đưa vào các máy công cụ truyền thống các hệ thống điều khiển tự động

Biến các máy công cu ̣ này thành các máy điều khiển theo chương trình số, gọi là các máy CNC (Computer Numerical Control)

Việc sử dụng các máy CNC cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tế, đồng thời cho phép rút ngắn được chu kỳ sản xuất Do đó, hiện nay rất nhiều nước trên thế giới đã và đang ứng dụng rộng rãi công nghệ mới này vào lĩnh vực cơ khí chế tạo Đặc biệt là chế tạo các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết đòi hỏi độ chính xác và độ phức tạp cao

Xuất phát từ ý tưởng điều khiển một dụng cụ thông qua một chuỗi lệnh kế tiếp, liên tục như các máy công cụ điều khiển số ngày nay được thực hiện từ mãi thế kỉ XIV Khi ở châu Âu người ta dùng các chốt hình trụ để điều khiển các chuyển động của các hình trang trí trên đồng hồ lớn của nhà thờ

Năm 1808, Joseph M Jacquard dùng những tấm tôn đục lỗ để điều khiển tự động các máy dệt

Năm 1863, M Fourneaux phát minh ra đàn Piano nổi tiếng thế giới với băng giấy đục lỗ làm vật mang tin

Năm 1938, Claud E Shannon trong khi làm luận án tiến sĩ đã đi đến kết luận rằng việc tính toán và truyền tải nhanh dữ liệu có thể thực hiện bằng mã nhị phân Từ năm 1949 đến 1952, Jonh Parsons và Học viện kỹ thuật Massachusett

(Massachusett Institute Of Technology) đã thiết kế “một hệ thống điều khiển dành

cho máy công cụ, để điều khiển trực tiếp vị trí của các trục thông qua dữ liệu đầura của một máy tính, làm bằng chứng cho một chức năng gia công chi tiết” theo

hợp đồng của không lực Hoa Kỳ

Cũng trong thời gian này, Parsons cùng với đồng nghiệp của ông đã đưa ra 4 tiên đề cơ bản sau:

1. Những vị trí được tính trên một biên dạng được ghi nhớ vào băng đục lỗ

2. Các đục lỗ được đọc trên máy một cách tự động

3. Những vị tri ́ đã được đọc ra được liên tục truyền đi và được bổ sung thêm tính toán cho các giá trị trung gian nội tại

4. Các động cơ servo (vô cấp tốc độ) có thể điều khiển được chuyển động các trục

Hình 1.3: Máy phay đầu tiên Cincinnate Hydrotel [5]

Cho đến năm 2003, lịch sử phát triển của máy công cụ điều khiển số đã được 51 năm tuổi Nó đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới Từ những ứng dụng gia công đơn giản như việc di chuyển từ điểm đến điểm của máy khoan đến những máy công cụ điều khiển 2 trục như máy tiện, điều khiển 3 trục như máy phay, và cho đến những nhiệm vụ tự động gia công nhiều trục và độ phức tạp cao như: các khuôn rèn dập, các khuôn đúc áp lực, cánh tua bin và những chi tiết phức tạp của máy bay, tàu thuỷ, Ngoài ra, ngày nay máy CNC còn được dùng vào việc kiểm tra giám sát, điện báo điện tín và nhiều lĩnh vực khác đã đem lại chất lượng và hiệu quả kinh tế rất đáng kể Trong tương lai, với lợi thế về sự ghép nối các hệ thống CNC riêng lẽ với nhau để tạo thành mạng sẽ được phát huy trong chiến lược gia công toàn cầu Trong đó, dòng thông tin được thu phát, chuyển giao bằng hệ thống vệ tinh, đảm nhiệm mối liên kết giữa nhu cầu thị trường - đơn đặt

hàng - nhà thiết kế - nhà chế tạo - nhà cung cấp - nhà tiêu thụ trong mạng liên thông toàn cầu WAR (World Area Netword)

b Trình độ hiện tại của máy CNC:

Các chức năng tính toán trong hệ thống CNC ngày càng hoàn thiện và đạt tốc độ xử lý cao do tiếp tục ứng dụng những thành tựu phát triển của các bộ vi xử lý Các hệ thống CNC được chế tạo hàng loạt lớn theo công thức xử lý đa chức năng, dùng cho nhiều mục đích điều khiển khác nhau

Việc cài đặt các cụm vi tính trực tiếp vào hệ NC để trở thành hệ thống CNC đã tạo điều kiện ứng dụng máy công cụ CNC ngay cả trong xí nghiệp nhỏ, không có phòng lập trình riêng, nghĩa là người điều khiển máy có thể lập trình trực tiếp ngay trên máy Dữ liệu nhập vào, nội dung lưu trữ, các thông số, thông báo về tình trạng hoạt động của máy cũng như các chỉ dẫn cần thiết cho người điều khiển đều hiển thị trên màn hình

Màn hình lúc đầu chỉ là đen trắng với các ký tự chữ cái và các con số thì đến nay đã nâng cấp lên màn hình màu đồ họa, độ phân giải cao, có các hình vẽ mô phỏng tĩnh và động, biên dạng của chi tiết gia công, chuyển động của dao đều được hiển thị trên màn hình

Các hệ CNC riêng lẻ có thể ghép thành mạng cục bộ hay mạng mở rộng để quản lý điều hành một cách tổng thể hệ sản xuất tự động của một xí nghiệp hay một tập đoàn công nghiệp

1.1.3 Các thành phần cơ bản máy phay CNC

Hình 1.4: Các thành phần cơ bản của máy CNC

1.1.4 Các hệ điều khiển số và các dạng điều khiển số

a Các hệ điều khiển số

 Hệ điều khiển NC (Numerical Control)

Với hệ điều khiển này các thông số hình học của chi tiết gia công và các lệnh điều máy được cho dưới dạng dãy các con số Tất cả được ghi vào băng đục lỗ dưới dạng các câu lệnh của chương trình Các thông tin này được đưa vào hệ điều khiển, nó được mã hoá và tách thành các thông tin hình học và thông tin công nghệ

+ Thông tin hình học (Geometrical Information): là hệ thống thông tin điều khiển các chuyển động giữa dao và chi tiết Nó ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tạo hình bề mặt (hình thành đường sinh và đường chuẩn của bề mặt hình học)

+ Thông tin công nghệ (Technological Information): là hệ thống thông tin cho phép máy thực hiện gia công với những giá trị công nghệ yêu cầu: chiều sâu cắt, tốc độ chạy dao, số vòng quay trục chính

+ Nguyên tắc làm việc của hệ điều khiển NC là: Sau khi mở máy các lệnh thứ nhất và thứ hai được đọc Khi quá trình đọc kết thúc thì máy bắt đầu thực hiện lệnh thứ nhất Trong khi đó, thông tin của lệnh thứ hai nằm trong bộ nhớ của hệ điều khiển Sau khi lệnh thứ nhất thực hiện xong thì lệnh thứ hai bắt đầu làm việc Trong khi đó lệnh thứ ba được đọc và ghi vào bộ nhớ tại vị trí mà lệnh thứ hai vừa được giải phóng

Và quá trình đọc dịch như vậy cho đến hết chương trình - Nhược điểm của hệ điều khiển NC là:

+ Khi gia công các chi tiết tiếp theo thì hệ điều khiển phải đọc lại tất cả các lệnh từ đầu Điều này dễ gây nhầm lẫn, sai xót của bộ tính toán trong hệ điều khiển

Do đó, dễ gây phế phẩm đối với chi tiết gia công

+ Chương trình dễ bị lỗi do băng đục lỗ, băng từ bị nhiễm bẩn hoặc bị mòn + Khó thay đổi chương trình

Đặc điểm chính của hệ điều khiển CNC là có sự tham gia của máy tính Trong hệ điều khiển này, các nhà chế tạo máy đã cài đặt vào máy tính một chương trình điều khiển riêng cho từng loại máy Với hệ điều khiển CNC cho phép thay đổi và hiệu chỉnh chương trình hoạt động của bản thân nó Các chương trình có thể được nạp vào bộ nhớ toàn bộ một lúc hoặc từng lệnh Các lệnh điều khiển không chỉ viết cho từng lệnh riêng lẽ mà còn cho nhiều chuyển động cùng một lúc Điều này cho phép giảm tối thiểu số câu lệnh của chương trình, từ đó nâng cao độ tin cậy và khả năng làm việc của máy Ngoài ra, so với hệ điều khiển NC thì hệ điều khiển CNC có kích thước nhỏ hơn và giá thành cũng thấp hơn nhưng hiệu quả đạt được thì lại rất cao

 Hệ điều khiển DNC (Directe Numerical Control)

Hệ điều khiển DNC là sự kết nối giữa các máy CNC riêng rẽ với nhau thành một trung tâm gia công và chiu s ̣ ự chi phối của các máy tính trung tâm

Hình 1.5: Hệ thống điều khiển DNC

Tất cả các chương trình CNC sẽ được lưu trữ trên đĩa cứng của máy tính và có thể gọi trực tiếp theo nhu cầu từng máy Trong một số trường hợp, máy tính đóng vai trò trong việc chỉ đạo lựa chọn những chi tiết gia công theo thứ tự ưu tiên để phân đi các máy khác nhau

Ngoài ra, nó còn khả năng truyền dữ liệu nhanh và nối ghép vào hệ thống gia công linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System)

 Điều khiển thích nghi AC (Adaptive Control)

Hệ thống điều khiển thích nghi là hệ thống điều khiển có tính đến những tác động bên ngoài của hệ thống công nghệ để hiệu chỉnh chu kì gia công, nhằm loại những ảnh hưởng của các yếu tố đến độ chính xác gia công như: lượng dư gia công, độ mòn dụng cụ, lượng chạy dao,

Hệ thống điều khiển thích nghi có 2 loại:

+ Điều khiển thích nghi cưỡng bức ACC (Adaptive Control Contrain) + Điều khiển thích nghi tối ưu ACO (Adaptive Control Optimation)

Với hệ thống điều khiển ACC chủ yếu dùng để điều khiển giới hạn các thông số cắt gọt còn hệ thống điều khiển ACO dùng cho việc điều khiển tối ưu hoá các quá trình gia công nhằm giảm thời gian gia công và giá thành sản phẩm

Hệ thống điều khiển thích nghi ngày càng phát triển, điều đó làm tăng hiệu quả quá trình gia công cắt gọt trên các máy công cụ

 Hệ thống gia công linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System)

Là hệ thống có thể gia công một chủng loại chi tiết có mức độ khác nhau nhất định, với số lượng và thứ tự gia công tuỳ ý

Một hệ thống gia công linh hoạt thường có 3 yếu tố cơ bản sau: − Các trạm gia công

− Lưu trữ và vận chuyển nguyên vật liệu − Hệ thống điều khiển máy tính

Ngoài ra, một yếu quan trọng của hệ thống điều khiển FMS là con người Con người ở đây chỉ đảm nhận công việc quản lí và điều hành hệ thống chế tạo, còn từng nguyên công do máy thực hiện một cách tự động theo chương trình cài đặt sẵn.

b Các dạng điều khiển của máy

Như ta đã biết, các máy CNC khác nhau có thể gia công được các bề mặt khác nhau do sự chuyển động tương đối giữa dao và chi tiết cần gia công như: các lỗ, mặt phẳng, các mặt định hình,

Do đó các dạng điều khiển của máy chia thành 3 loại sau: + Điều khiển theo điểm

+ Điều khiển theo đường + Điều khiển theo biên dạng

 Điều khiển theo điểm

Được dùng để gia công các lỗ bằng các phương pháp khoan, khoét, doa, và cắt ren lỗ Trong quá trình gia công, chi tiết được cố định trên bàn máy còn dụng cụ thực hiện việc chạy dao nhanh đến vị trí đã được lập trình Trong khi dịch chuyển nhanh dao cụ không thực hiện việc cắt gọt Chỉ khi nào đạt được toạ độ theo yêu cầu thì nó mới bắt đầu thực hiện các chuyển động cắt gọt

Hình 1.6: Điều khiển theo điểmVí dụ:

Khi gia công hai lỗ M (Xm, Ym) và N (Xn, Yn) trong hệ toạ độ Oxy (Hình

1-6) * Chúng ta có thể điều khiển theo các cách sau:

Đầu tiên cho dụng cụ thực hiện chạy dao nhanh đến điểm M Sau đó, thực hiện việc gia công lỗ M Khi gia công xong tiến hành rút dao và chạy nhanh đến điểm N để gia công lỗ N Quá trình dịch chuyển từ M đến N được thực bằng hai cách: + Quỹ đạo dịch chuyển theo MM1KN song song với trục Ox, Oy

+ Quỹ đạo chuyển động theo đường tối ưu MKN

 Điều khiển theo đường thẳng:

Là dạng điều khiển mà khi gia công dụng cụ cắt được thực hiện lượng chạy dao theo một đường thẳng nào đó (Hình 1.7a)

Là dạng điều khiển cho phép thực hiện chạy dao nhiều trục cùng một lúc, nghĩa là nó có thể gia công một đường cong bất kì trên mặt phẳng hay trong không gian (Hình 1.7b)

Hình 1.7 a, b: Điều khiển theo đường và theo biên dạng

1.1.5 Hệ tọa độ trên máy CNC và các điểm chuẩn

a Hệ tọa độ trên máy CNC

Để xác định vị trí tương quan hình học trong vùng làm việc của máy, trong phạm vi chi tiết gia công một cách rõ ràng thì cần thiết phải gắn nó vào hệ toạ độ nào đó

Thông thường trên các máy CNC hiện hành người ta thường sử dụng hệ toạ độ Đề- các Oxyz

Cách xác định các trục theo quy tắc bàn tay phải và nó luôn được gắn vào chi tiết gia công

Hình 1.8: Hệ trục toạ độ Đề-các Oxyz

* Khi tiếp xúc và làm việc với máy CNC phải tuân theo quy ước:

− Chi tiết gia công được xem là cố định còn mọi chuyển tạo hình và cắt gọt do dao thực hiện

− Phương trục chính là Oz, chiều dương là chiều dao tiến ra xa chitiết

− Phương chuyển động của bàn xe dao là Ox và có chiều dương hướng ra xa chi tiết gia công

− Trục Oy xác định theo quy tắc bàn tay phải

b Hệ trục tọa độ của các loại máy phay

 Máy phay đứng

- Trục Z song song với trục chính và có chiều hướng lên trên

- Trục X nằm trên bàn máy, nếu nhìn vào trục chính thì chiều dương hướng về bên phải

- Trục Y xác định theo quy tắc bàn tay phải

Hình 1.9: Khi trục Z thẳng đứng

 Máy phay nằm ngang

-Trục Z nằm ngang và có chiều dương hướng vào trục máy

-Trục X nằm trên bàn máy, chiều dương là chiều mà khi nhìn vào trục chính thì nó nằm phía trái

-Trục Y xác định theo quy tắc bàn tay phải

Hình 1.10: Khi trục Z nằm ngang

c Các điểm gốc và điểm chuẩn (Hình1.11):

*Điểm gốc của máy M (Machine Reference Zero)

Quá trình gia công trên máy điều khiển số được thiết lập bằng một chương trình biểu diễn mối quan hệ giữa dao và chi tiết

Do vậy để đảm bảo độ chính xác gia công thì các chuyển động của dao phải được so sánh với điểm gốc của máy M

Điểm M là điểm giới hạn vùng làm việc của máy Nó được các nhà chế tạo quy định

Ở máy phay thường nằm ở điểm giới hạn dịch chuyển của bàn máy

*Điểm chuẩn của máy R (Machine Reference Point)

Là điểm mà tọa độ của nó so với điểm gốc của máy M là không thay đổi và cũng do các nhà chế tạo quy định

*Điểm zero của phôi W (Workpiece Zero Point)

Là gốc toạ độ của chi tiết và nó phụ thuộc vào người lập trình

Hình 1.11: Các điểm gốc và điểm chuẩn

Đối với chi tiết phay người ta thường chọn điểm W tại điểm góc ngoài của đường viền chi tiết

* Điểm gốc P (Programmed)

+ Điểm gốc của chương trình thực tế là điểm P của dụng cắt (Hình1.12)

+ Chú ý khi chọn điểm P phải thuận tiện cho việc thay dao (không làm ảnh hưởng đến chi tiết và đồ gá )

Hình 1.12: Điểm gốc của chương trình * Điểm chuẩn của gá dao T và điểm gá dao N

+ Điểm chuẩn của gá dao T dùng để xác định hệ trục toạ độ của dao Thường khi gá dao trên máy thì điểm T trùng với điểm N (Hình1 13)

Hình 1.13: Điểm chuẩn của gá dao T và điểm gá dao N 1.1.6 Những khái niệm cơ bản về lập trình gia công trên máy CNC

Trên các máy CNC quá trình gia công được thực hiện một cách tự động Hệ thống điều khiển số sẽ điều khiển quá trình gia công theo một chương trình đã lập

sẵn Trong đó, quá trình CNC đóng một vai trò rất quan trọng Nó là một mắc xích quan trọng của quá trình chuẩn bị sản xuất

Trên cơ sở này, cho phép ta định nghĩa lập trình là gì Lập trình là quá trình thiết lập các lệnh cho dụng cụ cắt, trên cơ sở bản vẽ chi tiết và các thông tin công nghệ Nó được tổng hợp rồi được chuyển sang bộ phận mang dữ liệu Tại đây nó được mã hoá và sắp xếp theo dạng mà máy có thể hiểu được

Để gia công các chi tiết theo chương trình, trước hết phải xác định được quỹ đạo chuyển động cắt gọt và quỹ đạo chuyển động của tâm dao P Quỹ đạo của tâm dao có thể trùng với biên dạng của chi tiết, có thể theo đường cách điều biên dạng chi tiết hoặc có thể thay đổi vị trí theo một quy luật xác định so với biên dạng của chi tiết

Để gia công toàn bộ các bề mặt của biên dạng chi tiết thì quỹ đạo chuyển động của tâm dao phải liên tục Tuy nhiên, việc xác định quỹ đạo của tâm dao trong không gian rất phức tạp Do đó, khi lập trình quỹ đạo của tâm dao thì ta thường lập trình theo từng phần biên dạng riêng biệt

b.Cách ghi kích thước chi tiết

Để lập trình gia công trên máy CNC thì kích thước trên bản vẽ phải được ghi theo toạ độ Đề - các

Có hai cách ghi thước trên bản vẽ: + Ghi kích thước tuyệt đối

+ Ghi kích thước tương đối (theo gia số)

* Ghi kích thước tuyệt đối

Là cách ghi mà tất cả các kích thước xuất phát từ điểm gốc của chi tiết W.

Hình 1.14: Ghi kích thước tuyệt đối * Ghi kích thước tương đối

Là cách ghi mà các kích thước sau xuất phát từ điểm kết thúc của kích thước

trước nó Thực tế, cách ghi này người ta ít dùng vì nó ảnh nhiều đến kết quả gia công (Hình 1 15)

Hình 1.15: Ghi kích thước tương đối

c Lập trình cho máy công cụ CNC

Một máy phay thông thường thực hiện các nguyên công kế tiếp nhau do người vận hành điều khiển bằng tay Còn trên máy phay CNC thì mọi quá trình gia công được thực hiện một cách tự động, nhờ hệ thống điều khiển theo chương trình số điều khiển và theo dõi

Một chương trình CNC phải đảm bảo 2 thông tin cần thiết là thông tin hình học và thông tin công nghệ Ngoài ra, nó phải được viết bằng loại ngôn ngữ lập trình mà máy có thể hiểu được

 Thông số hình học (Geomatrical Information)

Tuỳ theo từng biên dạng cụ thể của chi tiết mà ta có thể tiến hành lập quỹ đạo chạy dao cắt gọt Dựa trên các thông số hình học của bản vẽ chế tạo

Hình 1.16: Gia công theo biên dạng

 Thông số công nghệ (Technological Information):

*Tốc độ chạy dao F (Feedrate)

− Được lập trình với địa chỉ F (mm/ph hoặc in/ph)

−Trong phạm vi lượng chạy dao, có thể lập trình với bất kì giá trị nào − Chuyển động chạy dao chỉ có thể thực hiện khi trục chính quay

− Giá trị chạy dao sẽ hết hiệu lực khi có một giá trị khác của lượng chạy dao thay

thế

*Số vòng quay trục chính S (Speed) − Được lập trình với địa chỉ S (v/ph)

− Chiều quay được xác định:

+ Quay theo chiều kim đồng hồ dùng lệnh M03 hoặc S+

+ Quay theo chiều ngược kim đồng hồ dùng lệnh M04 hoặc S- − Giá trị vòng quay trục chính hiệu lực khi có giá trị khác thay thế

 Chương trình gia công:

Một chương trình được thiết lập để gia công một chi tiết gọi là chương trình chi tiết Nó bao gồm nhiều từ lệnh và các từ lệnh này nằm trong các câu lệnh

Hình 1.17: Ví dụ lập trình

Ví dụ:

Cho biên dạng gia công trên máy CNC như hình trên: G01: Nội suy tuyến tính

G03: Nội suy phi tuyến tính theo chiều ngược chiều kim đồng hồ S400: Tốc độ quay của trục chính là 400 v/ph

*Câu lệnh:

Câu lệnh là sự ghép nối giữa các từ lệnh lại với nhau để thực hiện một chuyển động hay một chức năng nào đó của máy

*Cấu trúc một chương trình:

Để viết chương trình gia công cho một biên dạng chi tiết Ta tiến hành chia biên dạng đó thành những biên dạng hình học đơn giản Nó có thể được điều khiển trong từng bước gia công hay trong một câu lệnh của chương trình

Cấu trúc cơ bản của một chương trình gia công gồm:

1.Chia biên dạng thành các yếu tố hình học đơn giản 2.Chia quá trình gia công thành các bước gia công 3.Lập chương trình

4.Nạp vào bộ điều khiển 5.Chạy mô phỏng

6.Khởi động chương trình

7.Cho thực hiện việc gia công chi tiết

1.2 Giới thiệu ứng dụng của máy CNC trong điêu khắc gỗ

Thời đại hiện nay, tranh khắc gỗ của nước ta rất được các khách du lịch nước ngoài ưu chuộng và đang phát triển mạnh Sự khan hiến của gỗ, chất liệu chính làm tranh cũng là một trở ngại để điêu khắc tranh gỗ giữ được bản chất Thực tế cũng cho thấy rất ít nhưng họa sĩ nghệ nhân tranh khắc gỗ gìn giữ được nguồn cảm xúc, cảm hứng để đi đến tận cùng tác phẩm

Điều ngày cũng bởi để hoàn thành một tác phẩm tranh khắc gỗ hoàn chỉnh phải qua rất nhiều công đoạn và phải vận dụng sự khéo léo của nghệ thuật thủ công- một thử thách lơn cho những ai thiếu sự kiên trì, bền bỉ

Với máy móc, công nghệ hiện đại kết hợp với đội ngũ kĩ thuật giỏi nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực chạm khắc gỗ sẽ tạo ra rất nhiều sản phẩm chất lượng cao

Hình 1.18: Khắc tranh gỗ