Bài giảng Truyền động và điều khiển máy CNC: Chương 1

3/10/2021

Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM

TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC (Driving and control for CNC machine tool)

Đường Công Truyền

Giới thiệu giảng viên

• Giảng viên: TS. Đường Công Truyền

• Website:

https://sites.google.com/site/truyendc/

• Email: truyendc@gmail.com

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Mô tả môn học

Môn học trang bị cho sinh viên kiến thức về điều khiển số, cấu trúc phần cứng và phần điều khiển của máy công cụ CNC. Từ đó, sinh viên có thể vận dụng để tính toán, thiết kế được các hệ thống truyền động trên máy công cụ CNC.

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

Nội dung môn học

• Điều khiển số - NC

• Máy công cụ CNC

• Hệ dụng cụ trên máy công cụ CNC

• Truyền động máy công cụ CNC

• Tính toán truyền động máy công cụ CNC

• Điều khiển máy công cụ CNC

• Chương trình trên máy công cụ CNC

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Chuẩn đầu ra của môn học

• Trình bày được khái niệm về điều khiển số (NC), điều khiển số nhờ máy tính (CNC), điều khiển số trực tiếp (DNC I), điều khiển số phân phối (DNC II), hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS).

• Trình bày được kết cấu phần cơ khí và phần điều

khiển máy công cụ CNC.

• Tính toán lựa chọn được động cơ cho truyền động

chạy dao đơn giản trên máy công cụ CNC.

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

Tài liệu tham khảo

• Bài giảng của giảng viên.

• Suk-Han Suh, Theory and design of CNC systems,

Springer, 2008.

• Tạ Duy Liêm, Hệ thống điều khiển số cho máy công

cụ, NXB KHKT, 2001.

• Phạm Văn Hùng, Cơ sở máy công cụ, NXB KHKT,

2007.

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Cách học và thi

• Học theo bài giảng của giảng viên

• Làm theo bài tập do giảng viên cung cấp

• Kiểm tra lấy điểm thường xuyên

• Kiểm tra giữa kỳ

• Thi cuối kỳ: tự luận, mở tài liệu

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

Hình thức đánh giá

• Điểm danh + Bài tập cá nhân + Bài tập nhóm:

20%

• Kiểm tra giữa kỳ: 30%

• Thi cuối kỳ (tự luận): 50%

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Thank you!

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM

TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC (Driving and control for CNC machine tool)

Đường Công Truyền

Chương 1:

Điều khiển số (Numerical control – NC)

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Khái niệm điều khiển số - NC

• Điều khiển số (Numerical Control-NC): là hoạt động của máy công cụ tuân theo những chỉ thị đã được mã hoá đặc biệt, truyền đến hệ thống điều khiển máy.

Khái niệm điều khiển số - NC

• Chỉ thị (các lệnh điều khiển) là sự kết hợp của các chữ cái, con số và ký tự đặc biệt như ( . ), ( % ), hay ( ), … được viết theo một trật tự logic và theo các định dạng sẵn

• Tập hợp các chỉ thị cần thiết để gia công một chi tiết gọi là chương trình NC, chương trình CNC hay chương trình gia công chi tiết (Part Program)

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Khái niệm điều khiển số - NC

• Ví dụ một chương trình CNC như sau:

% (Chuong trinh khoan) N010 G91 G28 Z0.; N020 G91 G28 X0. Y0.; N025 G40 G80 G21 G17; N030 G90 G54 G00 X0. Y0.; N040 G43 H01 Z50. M03; N050 G00 Z2.; N060 G98 G83 Z-15. R1. Q3. S1000 F50. M08; N090 G00 Z50. M05 M09; N100 G91 G28 Z0.; N110 M05; N120 M30;

Khái niệm điều khiển số - NC

• Chương trình NC được lưu trữ để có thể gia công chi tiết bất kỳ lúc nào, đảm bảo thu được các chi tiết có kích thước và hình dáng giống hệt nhau

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Lịch sử phát triển điều khiển số

• 1947: tập đoàn Parsons phát triển hệ thống số đầu tiên để gia công các chi tiết phức tạp của máy bay

• 1949: Parsons hợp tác với viện công nghệ

Massachusetts (MIT)

• 1951: máy công cụ NC đầu tiên được phát

triển bởi MIT

Lịch sử phát triển điều khiển số

• 1947: tập đoàn Parsons phát triển hệ thống số đầu tiên để gia công các chi tiết phức tạp của máy bay

• 1949: Parsons hợp tác với viện công nghệ MIT

(Massachusetts Institute Technology)

• 1951: máy công cụ NC đầu tiên được phát

triển bởi MIT

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Lịch sử phát triển điều khiển số • MIT (Massachusetts Institut Technology)

Lịch sử phát triển điều khiển số

(MCU)

Machine tool

Kết cấu và Nguyên lý hoạt động của máy công cụ NC

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Lịch sử phát triển điều khiển số

Nguyên lý điều khiển chuyển động của trục trên máy công cụ NC

Lịch sử phát triển điều khiển số

Quy trình gia công trên máy công cụ NC

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Lịch sử phát triển điều khiển số

Băng đột lỗ

Lịch sử phát triển điều khiển số

➢ Ngôn ngữ lập trình APT:

• 1959: MIT phát triển hệ thống lập trình có sự trợ giúp của máy tính, APT (Automatically Programmed Tools).

– APT được phát triển để đơn giản hóa lập trình trên máy gia công 3 trục phức tạp, chủ yếu sử dụng trong ngành công nghiệp hàng không.

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Lịch sử phát triển điều khiển số

➢ Ngôn ngữ lập trình APT:

• Ngôn ngữ APT sử dụng những từ bằng tiếng Anh để mô tả hình dáng hình học và sự chuyển động của dao cắt trong quá trình gia công chi tiết

• Ví dụ định nghĩa điểm trong hệ tọa độ Đề các bằng

ngôn ngữ APT

Lịch sử phát triển điều khiển số

➢ Ngôn ngữ lập trình APT: • Ví dụ định nghĩa điểm trong hệ tọa độ cực bằng

ngôn ngữ APT

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Lịch sử phát triển điều khiển số

➢ Ngôn ngữ lập trình APT: • Ví dụ định nghĩa điểm từ tâm hình tròn bằng

ngôn ngữ APT

Lịch sử phát triển điều khiển số

➢ Điều khiển số trực tiếp - DNC

• Giữa 1960: Điều khiển số trực tiếp (Direct

Numerical Control – DNC): giao tiếp- kết nối giữa máy công cụ và máy tính ở cự ly xa

• Trong DNC, khối lệnh gia công truyền từ máy tính đến máy công cụ với tốc độ tương thích. Phương thức giao tiếp này trở nên phổ biến loại bỏ băng từ và tăng chiều dài chương trình

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Lịch sử phát triển điều khiển số

➢ Điều khiển số trực tiếp - DNC

• DNC: sử dùng 1 máy tính điều khiển đồng thời

nhiều máy công cụ NC

Lịch sử phát triển điều khiển số

➢ Điều khiển số nhờ máy tính - CNC

• Cuối 1960: máy công cụ được điều khiển

bằng máy tính (Computer Numerical Control) được phát triển nhằm thay thế cho máy công cụ NC dùng băng đột lỗ (có nhược điểm cồng kềnh dễ gãy)

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Lịch sử phát triển điều khiển số

➢ Điều khiển số nhờ máy tính - CNC

• Nguyên lý hoạt động của máy công cụ CNC

Machine tool

Lịch sử phát triển điều khiển số

➢ Điều khiển số nhờ máy tính - CNC

• Xử lý dữ liệu trên máy công cụ CNC điều khiển vòng kín Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Lịch sử phát triển điều khiển số

➢ Điều khiển số phân phối - DNC II

• 1970s: Điều khiển số phân phối (Distributed

Numerical Control – DNC II) ra đời: chương trình lưu trữ trên máy chủ (host computer) kết nối với máy tính khu vực (local computer) truyền đến một hay nhiều máy CNC

• Cách thức này cho phép gia tăng dung lượng bộ nhớ cho điều khiển CNC và việc quản lý sản xuất thuận tiện hơn

Lịch sử phát triển điều khiển số

➢ DNC II

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Lịch sử phát triển điều khiển số

➢ Hệ thống sản xuất linh hoạt - FMS

• 1980s: FMS (Flexible Manufacturing System) - hệ thống sản xuất linh hoạt phát triển mạnh và được ứng dụng thành công tại Mỹ

• FMS là sự tích hợp hoàn toàn quá trình sản

xuất bao gồm các thành phần: máy CNC, DNC, hệ thống cấp phôi tự động, công nghệ nhóm và con người

Lịch sử phát triển điều khiển số

➢ FMS

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Một hệ thống FMS điển hình

Lịch sử phát triển điều khiển số

➢ Hệ thống sản xuất tích hợp nhờ máy

tính - CIM

• 1990s CIM ( Computer Intergrated Manufacturing) - hệ thống sản xuất tích hợp nhờ máy tính phổ biến ở Mỹ

• CIM Là hệ thống tích hợp toàn bộ các quá trình sản xuất được xử lý và điều khiển bởi máy tính ngay cả đến việc phân tích thị trường, kiểm tra chất lượng sản phẩm, tổ chức phân phối

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Lịch sử phát triển điều khiển số

➢ Mô hình CIM

Kỹ thuật NC và CNC

• NC = Numerial Control

• CNC = Computer Numerical Control, là sự

phát triển của NC

• Giống nhau:

– Cùng thực hiện các nhiệm vụ giống nhau, còn gọi

là xử lý dữ liệu để gia công chi tiết

– Cùng thiết kế bên trong của hệ thống điều khiển

bao gồm các chỉ thị logic để xử lý dữ liệu

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Kỹ thuật NC và CNC

• Khác nhau:

– Hệ thống NC sử dụng các hàm logic cố định được

gắn cố định bên trong bộ điều khiển

– Người lập trình hay vận hành máy không thể thay

đổi các hàm này

– Hệ thống NC  thuật ngữ “hardwired”

Kỹ thuật NC và CNC

• Khác nhau:

– Hệ thống NC có thể hiểu một chương trình gia công chi tiết bằng bộ điều khiển của nó, nhưng không cho phép có bất cứ một thay đổi nào đối với chương trình

– Mọi thay đổi thực hiện ngoài bộ điều khiển

(phòng thiết kế)

– Hệ thống NC yêu cầu phải sử dụng băng đột lỗ để

nạp dữ liệu chương trình

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Kỹ thuật NC và CNC

• Khác nhau:

– Hệ thống CNC hiện đại sử dụng bộ vi xử lý gắn

bên trong nó

– Máy tính này bao gồm các thẻ nhớ chứa rất

nhiều các chương trình cho phép biến đổi các hàm logic

– Người lập trình hay người vận hành máy có thể

thay đổi chương trình ngay tại máy

Kỹ thuật NC và CNC

• Khác nhau:

– Chương trình gia công và các hàm logic được lưu trữ trong máy tính đặc biệt, giống như các câu lệnh của phần mềm

– Hệ thống CNC  thuật ngữ “softwired”

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Kỹ thuật NC và CNC

• Lưu ý:

– Khi đề cập đến một vấn đề cụ thể có liên quan

đến kỹ thuật NC và CNC, thường thì có thể dùng NC hoặc CNC đều được.

– NC là một kỹ thuật ra đời trước và lạc hậu hơn

CNC

– Tất cả các hệ thống điều khiển hiện nay đều

là hệ thống CNC

Gia công truyền thống và gia công CNC

• Phương pháp chung khi gia công một chi tiết

gồm:

– Nhận và nghiên cứu bản vẽ

– Chọn phương pháp gia công thích hợp nhất

– Quyết định phương án kẹp chặt

– Chọn dụng cụ cắt

– Xác định số vòng quay và tốc độ cắt

– Gia công chi tiết

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Gia công truyền thống và gia công CNC

• Trong gia công truyền thống:

– Người vận hành máy thiết lập các thông số gia công và di chuyển dụng cụ cắt để tạo ra chi tiết yêu cầu.

– Cần nhiều đồ gá như đòn kẹp, bánh răng và vành

chia độ,…

– Người vận hành phải thực hiện các thao tác lặp

lại khi gia công loạt các chi tiết

– Người vận hành không thể thực hiện các thao tác

hoàn toàn giống nhau trong mọi thời điểm

Gia công truyền thống và gia công CNC

• Trong gia công CNC:

– Loại bỏ phần lớn những nhược điểm trên

– Không còn phụ thuộc vào thao tác của con người

– Có thể được sử dụng nhiều lần một chương trình

gia công và luôn cho kết quả như nhau

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Ưu điểm của CNC

• Giảm thời gian gá lắp và chuẩn bị chương

trình

• Tăng độ chính xác và tính lặp lại

• Gia công các chi tiết có hình dáng phức tạp

• Đơn giản hoá dao cụ và đồ gá kẹp

• Giảm thời gian gia công và tăng năng suất

Nhược điểm của CNC

• Chi phí đầu tư ban đầu cao

• Chi phí lập trình và máy tính kèm theo

• Chi phí bảo trì cao và cần phải có thợ bảo trì

chuyên nghiệp

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Máy công cụ CNC dùng trong công nghiệp

• Máy phay CNC

Máy phay CNC 5 trục điển hình

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Máy công cụ CNC dùng trong công nghiệp

• Máy tiện CNC

Máy tiện CNC điển hình

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Máy công cụ CNC dùng trong công nghiệp

• Máy khoan CNC

Máy công cụ CNC dùng trong công nghiệp

Máy gia công bằng tia lửa điện (Electrical Discharge Machining - EDM) dùng điện cực (Die-sink EDM)

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Die-sink EDM

Máy công cụ CNC dùng trong công nghiệp

Máy gia công bằng tia lửa điện (Electrical Discharge Machining - EDM) dùng dây cắt (Wire-cut EDM)

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Wire-cut EDM

Máy công cụ CNC dùng trong công nghiệp

• Máy đo tọa độ 3 chiều -

CMM (Coordinate Measuring Machine)

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Máy đo tọa độ 5 trục - CMM

Hệ tọa độ trên máy công cụ CNC

• Hệ tọa độ máy phay

CNC

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Hệ tọa độ trên máy công cụ CNC

• Điểm chuẩn trên máy phay CNC

Hệ tọa độ trên máy công cụ CNC

• Hệ tọa độ máy tiện CNC

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Hệ tọa độ trên máy công cụ CNC

• Điểm chuẩn trên máy tiện CNC

Hệ tọa độ trên máy công cụ CNC

• Hệ tọa độ máy cắt dây CNC

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Các dạng điều khiển số

• Các dạng máy công cụ khác nhau, các dạng bề mặt tạo hình khác nhau đòi hỏi những chuyển động tương đối giữa dao và phôi khác nhau

• Các dạng điều khiển số:

– Điều khiển điểm – điểm (point to point)

– Điều khiển theo đoạn thẳng (straight line)

– Điều khiển theo biên dạng (contouring)

Các dạng điều khiển số

➢ Điều khiển điểm - điểm (point to point)

• Dao di chuyển theo đoạn thẳng tới vị trí yêu cầu

• Thường dùng để di chuyển nhanh hay định vị

(tương ứng mã lệnh G00)

• Ba chế độ điều khiển điểm – điểm:

– Di chuyển hướng trục

– Di chuyển theo phương vuông góc 45 độ

– Di chuyển trực tiếp

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Các dạng điều khiển số

➢ Điều khiển điểm - điểm (point to point)

– Di chuyển hướng trục: dao di chuyển tuần tự theo các trục X, Y hay ngược lại. • Ưu điểm: hệ điều khiển đơn giản do di chuyển theo các trục hoàn toàn độc lập.

Các dạng điều khiển số

➢ Điều khiển điểm - điểm (point to point) – Di chuyển theo phương vuông góc 45 độ: cho đến khi đạt một trong hai thành phần toạ độ, sau đó di chuyển theo một trục đến khi đạt toạ độ yêu cầu

• Là phương thức điều khiển theo điểm thông dụng khi

không yêu cầu về tốc độ di chuyển

450

Bài giảng: Truyền động và điều khiển máy CNC TS. Đường Công Truyền

3/10/2021

Các dạng điều khiển số

➢ Điều khiển điểm - điểm (point to point)

– Di chuyển trực tiếp: dao được di chuyển theo

hành trình ngắn nhất tới điểm đích • Yêu cầu bộ điều khiển điều chỉnh tốc độ từng trục để

dao di chuyển trên đường thẳng

Các dạng điều khiển số

➢ Điều khiển theo đoạn thẳng (straight line)