Giáo trình Công nghệ CAD/CAM - Chương 7: Điều khiển số và lập trình gia công điều khiển số - Nguyễn Thế Tranh
C7 CAD-CAM> CNC
1
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
CHƯƠNG 7
ĐIỀU KHIỂN SỐ
VÀ LẬP TRÌNH GIA CÔNG ĐIỀU KHIỂN SỐ
7.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ
7.1.1. Khái niệm điều khiển số (NC).
Điều khiển số (Numerical Control - NC) là hoạt động điều khiển trực tiếp
một hệ thống bởi dữ liệu số.
Điều khiển số trong gia công cắt gọt là một hình thức tự động hoá bằng lập
trình, trong đó máy công cụ được điều khiển bởi chương trình bao gồm các chỉ thị
được mã hoá dưới dạng ký tự chữ, số và các ký tự đặc biệt khác, trong đó chỉ thị điều
khiển được chuyển đổi thành hai dạng tín hiệu:
- Tín hiệu xung điện: điều khiển tốc độ các động cơ truyền động tạo nên
chuyển động tương đối giữa dao cắt và chi tiết gia công.
- Tín hiệu đóng / ngắt (ON/OFF): thực hiện chức năng chuyển mạch, đổi
chiều quay trục chính; điều khiển các thiết bị phụ trợ như bôi trơn làm nguội,
chọn và thay dao; và các chức năng khác như dừng máy, kẹp phôi, nhả phôi,...
Theo phương thức truyền thông dữ liệu điều khiển, ta phân biệt 3 phương thức
điều khiển số:
1. Điều khiển số trực tiếp (Direct Numerical Control - DNC)
Điều khiển trực tiếp máy công cụ điều khiển số (máy NC) từ bên ngoài bởi máy
tính thực hiện chức năng lập trình, truyền chương trình, điều khiển quá trình gia
công. Đây là những hệ điều khiển dạng mạch cố định (hard-wirred), trong đó tất
cả các chức năng như nội suy, đọc băng, đọc chỉ thị, định vị được thực hiện bởi
các mạch điện tử.
Hình 7.1- Điều khiển số trực tiếp
C7 CAD-CAM> CNC
2
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
2. Điều khiển số bằng máy tính (Computer Numerical Control - CNC)
Nhờ ứng dụng các thành tựu của công nghệ vi điện tử, vi xử lý trong thiết lập
trực tiếp máy tính trên hệ điều khiển máy (Machine Control Unit - MCU) để điều
khiển máy NC ngày nay hình thành nên phương thức điều khiển và thế hệ máy điều
khiển số bằng máy tính (máy CNC).
Do đó, CNC là hệ thống NC sử dụng máy tính thiết lập trực tiếp trên hệ điều
khiển máy và được điều khiển bởi các chỉ thị lưu trữ trên bộ nhớ máy tính để
thực hiện một phần hoặc toàn bộ các chức năng điều khiển số.
Các hệ điều khiển CNC có khả năng thực hiện các chức năng điều khiển bởi
phần mềm (soft-wired), do đó làm đơn giản mạch điều khiển CNC, giảm giá thành,
tăng độ tin cậy đồng thời có khả năng điều khiển linh hoạt và thông minh, có khả năng
hiệu chỉnh nhanh chóng và tiện ích, có khả năng lưu trữ dữ liệu gia công ngay trên
máy.
3. Điều khiển số phân phối (Distributive Numerical Control)
Nhờ khả năng thực hiện và lưu trữ đồng thời nhiều chương trính trên bộ nhớ
cho phép vận hành máy CNC không phụ thuộc vào máy tính chủ nên có thể giải phóng
máy tính chủ để thực hiện nhiệm vụ khác của hệ thống.
Với sự phát triển của khoa học máy tính, kỹ thuật điều khiển logic khả lập trình
(Programmable Logic Control - PLC), kỹ thuật truyền thông, phương thức điều khiển
số phân phối ra đời trong đó mạng máy tính được sử dụng để phối hợp hoạt động của
nhiều máy CNC.
Ngoài chức năng truyền chương trình tới các máy CNC, phương thức này còn
có khả năng giám sát và điều khiểntoàn bộ hệ thống, như hiển thị thông tin về trạng
thái làm việc của hệ thống, xuất thông tin hay chỉ thị điều khiển, điều hành,...
Hình 7.2- Điều khiển số phân phối
C7 CAD-CAM> CNC
3
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
7.1.2. Điều khiển số bằng máy tính (CNC).
1. Cấu trúc hệ thống CNC.
Hệ thống CNC bao gồm 6 thành phần chính:
- Chương trình gia công (Part program)
- Thiết bị đọc chương trình (Program input device)
- Hệ điều khiển máy (MCU)
- Hệ thống truyền động (Drive system)
- Máy công cụ (Machine tool)
- Hệ thống phản hồi (Feedback system)
Hình 7.3- Cấu trúc hệ thống CNC
Chương trình gia công bao gồm các chỉ thị được mã hoá để điều khiển quá trình
gia công chi tiết, hệ điều khiển chuyển đổi các chỉ thị này thành tín hiệu điện kích hoạt
các chức năng hoạt động của máy.
Hệ điều khiển máy thực hiện chức năng đọc và biên dịch mã lệnh và sau đó
xuất các tín hiệu điện tương ứng truyền tới bộ khuếch đại servo để điều hành có cấu
servo (động cơ điện hoặc động cơ thuỷ lực) của hệ thống truyền động. Thiết bị phản
hồi như các cảm biến vị trí, chiều, tốc độ dịch chuyển và phản hồi các tín hiệu này về
hệ điều khiển máy. Hệ điều khiển máy so sánh các tín hiệu này với tín hiệu tham chiếu
cho trước bởi các mã lệnh điều khiển và xuất các tín hiệu điều chỉnh (sai lệch) tới bộ
khuếch đại servo cho tới khi đạt đại lượng yêu cầu.
Hệ MCU gồm hai phần: hệ xử lý dữ liệu (Data Processing Unit - DPU) và mạch
điều khiển (Control Loop Unit - CLU)
• DPU thực hiện các chức năng:
- Đọc mã lệnh từ thiết bị nhập
- Xử lý mã lệnh hay giải mã.
- Truyền dữ liệu vị trí, tốc độ và các chức năng phụ trợ tới CLU.
C7 CAD-CAM> CNC
4
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
• CLU thực hiện các chức năng:
- Nội suy chuyển động trên cơ sở các tín hiệu nhận từ DPU và xuất các
tín hiệu điều khiển.
- Truyền tín hiệu điều khiển tới mạch khuếch đại của hệ truyền động.
- Nhận tín hiệu phản hồi về vị trí và tốc độ.
- Điều khiển các thiết bị phụ trợ.
Hệ thống truyền động thông thường bao gồm bộ khuếch đại servo, cơ cấu
servo, bộ truyền đai răng, đai ốc-vít me bi và bàn trượt. Hệ thống này quyết định độ
chính xác, công suất của máy.
2. Khả năng của CNC.
CNC có nhiều chức năng xử lý và điều khiển linh hoạt hơn NC:
a. Hiển thị chương trình và mô phỏng bằng đồ hoạ quá trình gia công.
b. Nhập dữ liệu
c. Lưu trữ chương trình: ROM lưu trữ chương trình hệ thống, RAM lưu trữ
chương trình gia công.
d. Biên tập chương trình.
e. Kiểm tra chương trình: nhờ chức năng mô phỏng.
f. Chẩn đoán lỗi.
g. Tiện ích giao tiếp.
h. Quản lý dữ liệu.
i. Hệ toạ độ và hệ đơn vị.
j. Định dạng mã điều khiển: EIA và ASCII.
k. Khả năng tính toán.
l. Bù trừ đường kính và chiều dài dao.
m. Nội suy hình học.
n. Chức năng lập trình: thực hiện được các phép biến đổi toạ độ.
o. Khả năng hậu xử lý.
3. Ưu điểm của CNC.
Ngày nay công nghệ CNC đã tạo nên cuộc cách mạng trong kỹ thuật chế tạo
nhờ các ưu điểm chính sau đây:
a. Nâng cao năng suất.
b. Độ chính xác và độ chính xác lặp lại cao.
c. Hạ giá thành sản xuất.
d. Giảm giá thành điều hành gián tiếp.
7.2. CHUYỂN ĐỘNG NỘI SUY.
Chức năng của hệ thống CNC hay cụ thể hơn là máy công cụ CNC là di chuyển
dụng cụ hoặc bàn máy để thực hiện qui trình gia công theo chương trình.
7.2.1. Phương thức di chuyển dụng cụ.
Có 2 phương thức di chuyển dao trong điều khiển số:
- Di chuyển điểm tới điểm (Point-To-Point - PTP)
- Di chuyển theo biên dạng (Contour).
C7 CAD-CAM> CNC
5
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
1. Di chuyển theo PTP:
Theo phương thức di chuyển PTP
dao di chuyển theo các hành trình thẳng
đến vị trí yêu cầu, thường dùng dể di
chuyển nhanh hay định vị. Có 3 chế độ di
chuyển:
* Di chuyển hướng trục (Axial path).
* Di chuyển theo phương xiên 450.
* Di chuyển trực tiếp.
2. Di chuyển theo Contour.
Theo phương thức này, dao di
chuyển theo biên dạng yêu cầu để thực
hiện qui trình công nghệ gia công. Về
hình học, biên dạng bao gồm chuỗi các
đường thẳng, đường cong, cung tròn, êlip,
parabol, hypebôn, đường cong bậc ba và
các đường cong bậc cao.
Hình 7.4- Các chế độ dịch chuyển
trong chuyển động PTP
Để đơn giản việc tính toán các điểm
trên quĩ đạo di chuyển dao, các đường
cong bậc cao được tuyến tính hoá, tức là
các đường cong bậc cao được xấp xỉ bởi
chuỗi đoạn thẳng. Với giả thiết này, quĩ
đạo di chuyển dao tổng quát được xấp xỉ
bởi chuỗi phần tử hình học cơ bản thuộc
3 nhóm:
Hình 7.5 - Điều khiển 2,5 trục
* Đường cong bậc nhất (đoạn thẳng).
* Đường cong bậc hai (cung tròn,
êlip, paraboon, hyperboon).
* Đường cong bậc ba.
Trong điều khiển số, các di chuyển
cơ bản này được gọi là chuyển động nội
suy (interpolated motion).
Hình 7.6 - Điều khiển 3 trục
Di chuyển theo biên dạng đòi hỏi hệ
điều khiển phải có khả năng điều khiển
phối hợp các động cơ truyền động, như
vậy mỗi trục truyền động yêu cầu có
mạch điều khiển định vị và mạch điều
khiển tốc độ riêng biệt.
Hình 7.7 - Điều khiển 5 trục
C7 CAD-CAM> CNC
6
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
4.2.2. Nội suy chuyển động.
Điều khiển số sử dụng 5 chế độ nội suy chuyển động: nội suy đường thẳng, nội
suy cung tròn, nội suy đường xoắn, nội suy parabol và nội suy bậc 3. Từ dữ liệu hình
học quĩ đạo di chuyển dao và chế độ nội suy yêu cầu, bộ nội suy tính toạ độ các điểm
trung gian trên quĩ đạo chuyển động.
Bộ nội suy (là thiết bị điện tử đối với hệ NC hoặc phần mềm đối với hệ CNC),
ngoài chức năng nội suy hình học còn có chức năng tính toán tốc độ của các trục tương
ứng để thực hiện chuyển động theo quĩ đạo và tốc độ di chuyển yêu cầu.
1. Nội suy đường thẳng.
Dao được di chuyển từ điểm đầu tới điểm cuối hành trình theo chuỗi đoan thẳng.
Khi lập trình chuỗi chuyển động thẳng, chỉ cần xác định toạ độ cuối của mỗi đoạn, bởi
vì điểm cuối của đoạn trước là điểm đầu của đoạn tiếp theo.
Nội suy đường thẳng theo 2 và 3 trục là phương pháp thông dụng nhất. Có thể nội
suy đường thẳng phối hợp đồng thời tối đa 5 trục (3 chuyển động thẳng, 2 chuyển
động quay) để 5thực hiện quĩ đạo chuyển động bất kỳ. Nội suy đường thẳng yêu cầu 3
thông số: toạ độ điểm đầu, toạ ssộ điểm cuối và tốc độ di chuyển trên mỗi trục. Với
điều khiển 2 trục, bộ nội suy tính tần số xung điều khiển tốc độ trục x và y sao cho tỷ
lệ tốc độ trên trục x vày bằng tỷ lệ gia lượng dịch chuyển tương ứng (dx/dy).
Thí dụ, để điều khiển chuyển động di chuyển theo đường thẳng từ S đến E, gia
lượng dịch chuyển theo phương x và y là 8 và 4 đơn vị chiều dài; như vậy bộ nội suy
phải xuất đồng thời 8 xung cho mạch điều khiển tốc độ trục x và 4 xung cho mạch điều
khiển tốc độ trục y hoặc theo tỷ lệ 2:1. Tương tự, với điều khiển 3 trục, bộ nội suy tính
gia lượng di chuyển dx, dy và dz theo các trục tương ứng. Gia lượng dịch chuyển được
sử dụng như dữ liệu vào cho các mạch điều khiển định vị và tỷ lệ của chúng được sử
dụng để điều khiển tốc độ.
Trên hình 10.9 ở mạch điều khiển vị trí:
dx = 4-1 = 3 ; dy = 4-2 = 2
;
dz = 9-3 = 6
và trên mạch điều khiển tốc độ: Vx : Vy : Vz = dx : dy : dz = 3 : 2 : 6
Hình 7.8- Nội suy đường thẳng
điều khiển 2 trục
Hình 7.9- Nội suy đường thẳng
điều khiển 3 trục
C7 CAD-CAM> CNC
7
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
Về lý thuyết, sử dụng nội
suy đường thẳng có thể lập trình
quĩ đạo chuyển động cong bất kỳ
nhưng lượng dữ liệu cần xử lý
rất lớn. So với nội suy đường
thẳng, nội suy cung tròn,
parabôn, đường xoắn hoặc
đường cong bậc ba làm giảm
đáng kể lượng dữ liệu cần lập
trình cho cùng quĩ đạo chuyển
động.
Hình 7.10- Nội suy đường thẳng
cho đoạn thẳng
Hình 4.10-13 minh hoạ một
số thí dụ ứng dụng nội suy
đường thẳng.
Hình 7.11- Xấp xỉ đường tròn
bằng đa giác
Phần lớn các hệ CAD/CAM
đều sử dụng phương pháp nội
suy đường thẳng cho các mặt
cong phức tạp.
Hình 7.12- Xấp xỉ đường cong bởi
nội suy đường thẳng
2. Nội suy cung tròn.
Nội suy cung tròn điều khiển chuyển động theo quĩ đạo cung tròn bởi một câu
lệnh (block) đon giản, thay thế cho hàng ngàn câu lệnh nội suy đường thẳng. Khả năng
nội suy cung tròn của một số hệ điều khiển giới hạn bởi cung 900, như vậy để lập trình
đường tròn cần 5 câu lệnh. Phần lớn các hệ điều khiển theo chuẩn công nghiệp đều có
khả năng điều khiển theo quĩ đạo đường tròn bởi 1 câu lệnh.
Đối với vòng tròn có tâm ở gốc O và bán kính R trong mặt phẳng (x,y), ta có:
x = Rcosθ ; y = Rsinθ
Thành phần vận tốc:
với θ = ωt
Vx = dx/dt = -Rωsin(ωt) = -Vsin(ωt)
Vy = dy/dt = Rωcos(ωt) = Vcos(ωt)
V = Rω là tốc độ dài ứng với lượng chạy dao theo cung tròn.
3. Nội suy đường xoắn.
Nội suy đường xoắn bao gồm nội suy cung tròn theo 2 trục và nội suy đường
thẳng theo trục thứ 3. Nội suy đường xoắn là phép nội suy trong không gian bởi vì cả 3
chuyển động đồng thời để tạo nên quĩ đạo chuyển động xoắn. Phép nội suy này thường
được sử dụng để gia công ren kích thước lớn hay các trục xoắn.
4. Nội suy Parabôn.
Nội suy parabol sử dụng 3 điểm không thẳng hàng để xấp xỉ các đường cong tự
do. Phương pháp nội suy này cho phép điều khiển chuyển động theo quĩ đạo đường
cong phẳng hoặc đường cong 3 D. Sử dụng nội suy parabol để xấp xỉ các đoạn đường
C7 CAD-CAM> CNC
8
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
cong có ưu điểm làm giảm 50% số điểm lập trình so với phương pháp nội suy đường
thẳng. Nội suy Parabol được sử dụng chủ yếu trong gia công khuôn mẫu, khi các hình
dáng tự do mang tính thẩm mỹ quan trọng hơn nhiều so với những định nghĩa chính
xác về mặt toán học.
Hình 7.13- Xấp xỉ mặt cong bởi nội suy đường thẳng
Hình 7.14
Hình 7.15
Hình 7.17- Xấp xỉ đường cong bậc cao
bởi cung Parabol
Hình 7.16- Nội suy Parabol
5. Nội suy bậc 3.
Phương pháp nội suy này không chỉ có khả năng xấp xỉ đường cong mà còn có
khả năng kết nối trơn láng các đường cong kế cận. Chương trình nội suy bậc 3 rất
phức tạp, đòi hỏi khả năng xử lý cũng như yêu cầu về dung lượng bộ nhớ cao hơn các
C7 CAD-CAM> CNC
9
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
phương pháp nội suy khác. Với công nghệ máy tính hiện đại có khả năng tính toán và
xử lý dữ liệu mạnh và giá thành không cao, sử dụng nội suy bậc 3 hoàn toàn không có
trở ngại.
7.3. CƠ SỞ LẬP TRÌNH NC.
7.3.1. Chương trình NC.
Chương trình NC bao gồm chuỗi chỉ thị di chuyển dao, chỉ thị đóng ngắt và
phụ trợ cần thiết để điều khiển máy tự động thực hiện công việc gia công. Công việc
xác lập tiến trình di chuyển dao cùng các chỉ thị lập trình cụ thể và lưu trữ các thông
tin này trên thiết bị mang tin dưới dạng mã lệnh phục vụ cho quá trình đọc dữ liệu tự
động bởi hệ điều khiển, được gọi là lập trình NC.
Có nhiều định dạng chương trình NC, phổ biến nhất là định dạng địa chỉ lệnh.
Định dạng này bao gồm các mã lệnh được truyền đến hệ thống servo, các rơle, công
tắc,... để thực hiện các di chuyển và tác vụ cần thiết cho việc gia công. Theo hệ tiêu
chuẩn qui định, các mã lệnh này được liên kết theo trình tự logic để tạo thành khối
thông tin. Mỗi khối thông tin bao gồm các thông tin vừa đủ để thực hiện một bước gia
công.
Hệ tiêu chuẩn EIA sử dụng các ký tự chữ cái alphabet, các ký tự số, ký tự đặc
biệt khác để biểu diễn chương trình, trong đó ký tự chữ cái được sử dụng để phân biệt
các lệnh trong khối lệnh. Chiều dài khối lệnh và lệnh phụ thuộc vào thiết kế của hệ
điều khiển.
Đầu chương
Kết thúc
chương trình
Khối
# 1
Khối
# 2
Khối
# 126
Khối
# 127
trình
Số cài đặt
Tên chương trình
Ngày
Máy
Số khối
Lệnh
# 1
Lệnh
# 2
Kết thúc
khối lệnh
N2
G01
X126.5
Địa chỉ
Giá trị
G
X
Y
F
S
T
01
126.5
0.5
180
1200
12
Nội suy đường thẳng
Đồng thời theo trục X và Y tới vị trí
(126.5, 0.5)
Tốc độ chạy dao 180 mm/ph
Tốc độ trục chính 1200rpm
Thay dao số 12 vàoổtục chính
M
06
Hình 7.18- Cấu trúc chương trình
C7 CAD-CAM> CNC
10
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
Hình 7.18 minh hoạ cấu trúc chương trình NC theo định dạng địa chỉ lệnh.
Chương trình bao gồm chuỗi khối lệnh mô tả tiến trình hoạt động của máy. Mỗi khối
lệnh tương ứng với một thủ tục di chuyển dụng cụ hoặc một tác vụ hoạt động của máy.
Các khối lệnh được đánh số tuần tự và phân cách bởi mã kết thúc khối lệnh, thí dụ hệ
điều khiển Fanuc sử dụng mã kết thúc là (;).
1. Địa chỉ lệnh.
Chữ cái alphabet đầu lệnh chỉ vị trí lưu trữ dữ liệu, số theo sau được gọi là địa
chỉ lệnh. Bảng 7.1 : giới thiệu các địa chỉ thông dụng và ý nghĩa của chúng.
Bảng 7.1: Các lệnh cơ bản và địa chỉ tương ứng
Nhóm lệnh
Số hiệu chương trình
Số thứ tự khối lệnh
Lệnh G
Địa chỉ
Ý nghĩa
Số hiệu chương trình
Số thứ tự khối lệnh
Phương thức nội suy chuyển động
Trục chuyển động tịnh tiến chính
Trục chuyển động tịnh tiến phụ
Trục quay chính
O
N
G
Kích thước
X, Y, Z
U, V, W
A, B, C
I, J, K
R
Toạ độ tâm cung tròn
Bán kính cung tròn
Tốc độ chạy dao
Tốc độ trục chính
Chọn dao
F
S
T
Tốc độ chỵa dao FPM (FPR)
Tốc độ quay trục chính
Số hiệu dao
Lệnh phụ
M
B
Lệnh đóng/ngắt (ON/OFF)
Điều khiển bàn xoay
Số hiệu thanh ghi dịch chỉnh
Dừng tạm thời
Lệnh gọi chương trình
D, H
P, X
P
Số hiệu thanh ghi dịch chỉnh
Thời gian dừng tạm thời
Số hiệu chương trình con;
Số lần lặp lại chương trình con.
Tham số của chu trình
Tham số
P, Q
2. Lệnh.
Lệnh là chuỗi ký tự chữ, số chỉ thị một đại lượng điều khiển nhất định, ví dụ:
N10
G01
số thứ tự khối lệnh
nội suy đường thẳng
toạ độ phương X
toạ độ phương Z
tốc độ chạy dao
X2.0
Z10.
F300
S5000
T07
tốc độ trục chính
số hiệu dao
M09
ngắt thiết bị cung cấp chất làm nguội
3. Khối lệnh.
Khối lệnh là chuỗi lệnh đầy đủ để thực hiện một thủ tục di chuyển hoặc một tác
vụ hoạt động của máy và được coi là đơn vị cơ bản của chương trình. Mỗi khối lệnh
C7 CAD-CAM> CNC
11
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
bắt đầu bởi lệnh thứ tự (N__) kết thúc bởi ký tự kết thúc khối lệnh (tiêu chuẩn ISO sử
dụng ký tự (LF); tiêu chuẩn EIA sử dụng ký tự (CR); trong phần này chúng ta sử dụng
ký tự (;), và có thể bao gồm nhiều lệnh khác nhau:
N__
G__
X__ Y__
M__
S__
T__
;
---------- --------- -----------------
--------
---------- ------------ -----------
số thứ tự lệnh G
khối lệnh
lệnh kích thước lệnh phụ lệnh tốc độ lệnh chọn ký tự kết thúc
trục chính dao cắt khối lệnh
Xét một số thí dụ về khối lệnh:
N05 G21;
hệ mét
N10 G90 G00 X0 Y0
N15 G91 X30 Y20
toạ độ tuyệt đối, chạy dao nhanh tới (0,0)
toạ độ tương đối, chạy dao nhanh tới (30,20)
N20 G94 G01 X20 Y40 F150 nội suy đường thẳng tới (20,40),
tốc độ chạy dao 150mm/ph
N25 X-30 Y-10
10)
toạ độ tương đối, nội suy đường thẳng tới (-30,-
N30 G90 G00 X0 Y0
toạ độ tuyệt đối, chạy dao nhanh trở về (0,0).
4. Chương trình.
Bao gồm 2 loại chương trình: chương trình chính (main program) và chương
trình con (subprogram). Tiến trình điều khiển được thực hiện theo chương trình chính.
Khi xuất hiện lệnh gọi chương trình con trong chương rình chính, tiến trình điều khiển
được chuyển tới chương trình con, và khi lệnh trở về chương trình chính được khai
báo trong chương trình con, tiến trình điều khiển được trả về chương trình chính. Cấu
trúc chương trình bao gồm các thành phần như sau:
a. Đầu tập tin: Ký tự khai báo bắt đầu tập tin chương trình.
b. Nhãn tập tin: Tiêu đề tập tin chương trình.
c. Đầu chương trình: Ký tự khai báo bắt đầu chương trình.
d. Chương trình: Các lệnh gia công.
e. Chú thích: Chỉ dẫn hoặc chú thích cho người vận hành.
f. Cuối tập tin: Ký tự khai báo kết thúc tập tin chương trình.
Chương trình chính
Chương trình con
Khối lệnh 1
Khối lệnh 2
Khối lệnh 1’
Khối lệnh 2’
Gọi chương trình
con
Khối lệnh n
Khối lệnh n+1
Trở về chương trình chính
Hình 7.19- Chương trình chính và chương trình con
C7 CAD-CAM> CNC
12
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
Đầu tập tin: Mã chỉ thị bắt đầu tập tin chứa chương trình NC (ISO là mã %,
EIA là mã ER). Không cần sử dụng mã này khi nhập chương trình bằng SYSTEM P
hoặc qua đường truyền từ máy tính PC. Mã này cũng không được hiển thị trên màn
hình điều khiển máy CNC, tuy nhiên khi xuất tập tin, mã này sẽ được xuất tự động ở
đầu tập tin.
Nhãn tập tin bao gồm các thông tin về tập tin. Chế độ nhảy nhãn (label skip)
luôn luôn được cài đặt khi mở hoặc khởi động lại máy. Trong chế độ nhảy nhãn, mọi
thông tin được bỏ qua cho tới khi hệ điều khiển đọc tới mã đầu tiên chỉ thị kết thúc
khối lệnh (EOB). Khi tập tin được nạp từ thiết bị nhập xuất vào hệ điều khiển, nhãn
tập tin được bỏ qua bởi chức năng nhay nhãn. Khi nhãn tập tin được nhảy cách, hệ
điều khiển không thực hiện ngay cả chức năng kiểm tra TV check, do đó nhãn tập tin
có thể bao gồm mọi mã, ngoại trừ mã kết thúc khối lệnh.
Nhãn tập tin
Đầu tập tin
Đầu chương trình
%
TITLE
LF
O0001 LF
(COMMENT)
M30 LF
%
Cuối tập tin
Hình 7.20- Cấu trúc chương trình (theo tiêu chuẩn ISO)
7.3.2. Phương thức lập trình NC.
Theo sự trợ giúp của máy tính đối với việc lập trình, có thể phân biệt hai
phương thức lập trình NC:
- Lập trình trực tiếp: không có sự trợ giúp của máy tính.
- Lập trình tự động: có sự trợ giúp của máy tính.
1. Lập trình trực tiếp.
Phương thức lập trình trực btiếp thường được sử dụng cho các trường hợp gia
công đơn giản - đường chạy dao bao gồm các đoạn thẳng, cung tròn và người lập trình
có thể tự biên soạn chương trình NC trên cơ sở nhận dạng hoàn toàn chính xác toạ độ
chạy dao. Khả năng lập trình trực tiếp được coi là yêu cầu cơ bqản đối với người lập
trình NC, bởi vì có kỹ năng lập trình trực tiếp, người lập trình mới có khả năng hiểu,
đọc và sửa đổi chương trình khi trực tiếp vận hành máy.
Đối với phương thức lập trình này, có thể truyền chương trình NC vào hệ điều
khiển máy (MCU) bằng 2 phương pháp:
a. Nhập từ thiết bị mang tin trung gian như bìa đục lỗ, băng đục lỗ, băng từ,
đĩa từ,...
b. Nhập từ panel điều khiển theo chế độ MDI.
C7 CAD-CAM> CNC
13
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
XƯỞNG MÁY
PHÒNG CÔNG NGHỆ
PHÒNG THIẾT KẾ
LẬP TRÌNH
Hình học
&
MÁY
Thiết bị
Bản vẽ
NC/CNC
mang tin
BẢN VẼ
Công nghệ
a.
MÁY CNC
Lập trình
theo chế độ
MDI
Bản vẽ và các yêu cầu kỹ thuật
BẢN VẼ
b.
Hình 7.21- Các phương pháp lập trình trực tiếp
Ngày nay, hầu hết các cơ sở sản xuất sử dụng máy NC/CNC kết hợp các
phương pháp trên để lập trình.
Phương pháp ghi chương trình trên bìa đục lỗ, băng đục lỗ, băng từ hiện nay chỉ
còn được sử dụng cho các thế hệ máy NC cũ.
Lập trình theo chế độ MDI được thực hiện bằng cách nhập dữ liệu trực tiếp từ
bàn phiểm hệ điều khiển. Phương pháp này được sử dụng phổ biến nhất do ngoài việc
sử dụng cho các trường hợp gia công đơn giản, đây là phương thức vận hành máy
NC/CNC cơ bản nhất.
2. Lập trình tự động.
Phương thức lập trình tự động sử dụng ngôn ngữ lập trình hoặc phần mềm
CAD/CAM như công cụ trợ giúp để chuyển đổi tự động dữ liệu hình học và dữ liệu
công nghệ thành chương trình NC. Theo phương thức này có ba phương pháp:
a. Lập trình bằng phần mềm NC.
b. Lập trình bằng ngôn ngữ xử lý hình học.
c. Lập trình bằng phần mềm CAD/CAM.
XƯỞNG MÁY
PHÒNG CÔNG NGHỆ
PHÒNG THIẾT KẾ
MÁY CNC +
PHẦN MỀM NC
Nhập thông số
công nghệ MDI
PHẦN MỀM CAD
Dữ liệu
Dữ liệu
Hình học
Dữ liệu
Hình học
DNC
Hình học
a.
MÁY CNC
Hiệu chỉnh
chương trình
MDI
PHẦN MỀM CAD/CAM
NGÔN NGỮ XLHH
Dữ liệu Hình học
Công nghệ
Chương
trình NC
Chương
trình NC
DNC
b,c.
Hình 7.22- Các phương pháp lập trình tự động
C7 CAD-CAM> CNC
14
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
Lập trình bằng phần mềm NC được thực hiện trực tiếp trên hệ điều khiển.
Phần lớn các phần mềm lập trình NC là sản phẩm của chính nhà sản xuất hệ điều
khiển, thường được cung cấp kèm theo máy. Khả năng lập trình của những phần mềm
này nói chung rất hạn chế. Phần lớn chỉ có khả năng lập trình cho những đường chạy
dao 2D đơn giản và những chu trình gia công cơ bản.
Ngôn ngữ xử lý hình học được sử dụng phổ biến nhất là APT (Automatically
Programmed Tools). APT là ngôn ngữ lập trình cao cấp, được phát triển bởi Viện Kỹ
thuật Massachussets Mỹ để tự động lập trình cho máy công cụ NC. Nội dung cốt lõi
của APT là trình xử lý mô tả hình học thành dữ liệu đường chạy dao và các thông tin
cần thiết khác để điều khgiển máy NC. các dữ liệu này thông quaỷtình hậu xử lý được
chuyển thành định dạng mã điều khiển phù hợp với máy NC cụ thể.
Ngày nay, các ngôn ngữ xử lý hình học dần dần dược thay thế bởi các phần
mềm CAD/CAM và việc sử dụng phần mềm này để lập trình NC đã trở thành phương
pháp phổ biến nhất, hiệu quả nhất, đặc biệt cho các trường hợp gia công mặt cong
phức tạp.
7.3.3. Lập trình theo công nghệ CAD/CAM
Nguyên lý của công nghệ CAD/CAM là sử dụng cơ sở dữ liệu chung cho các
chức năng thiết kế và lập kế hoạch sản xuất. Như vậy, theo công nghệ CAD/CAM, ta
có thể truy xuất dữ liệu hình học và công nghệ về sản phẩm, lưu trữ trong cơ sở dữ liệu
cho các chức năng quản lý và điều hành sản xuất, bao gồm chức năng lập trình NC.
Trong các ứng dụng điều khiển số, các chức năng CAD cho phép xác lập hình
học chi tiết gia công và các chức năng CAM cho phép sử dụng dữ liệu hình học sản
phẩm để tạo đường chạy dao (quĩ đạo tâm dao) và thực hiện các chức năng quản lý,
điều khiển sản xuất như lập qui trình chế tạo, lập kế hoạch sản xuất, quản lý chất lượng
và hoạch định nguồn lực sản xuất.
Qui trình lập trình NC theo công nghệ CAD/CAM thông thường gồm các bước
cơ bản như sau:
a. Thiết kế mẫu gia công trên hệ thống CAD.
b. Xác lập tiến trình gia công (machining sequence).
c. Lựa chọn công nghệ gia công NC (phương thức chạy dao) cho từng bước
gia công.
d. Xác lập các thông số NC cho chức năng gia công NC tương ứng.
e. Thực thi trình xử lý đối với chức năng gia công NC để tạo đường chạy dao
(toolpath generation).
f. Thực thi trình hậu xử lý để biên dịch dữ liệu đường chạy dao thành chương
trình NC.
Công nghệ gia công NC là chức năng của các phần mềm CAD/CAM. Về lý
thuyết, có thể thực hiện đường chạy dao bất kỳ. Tuy nhiên để quản lý được dữ liệu
chạy dao cho mục đích biên dịch tự động thành chương trình NC, ngoài yêu cầu về
tính công nghệ, phương thức chạy dao phải có qui luật toán học. Thông thường các
chức năng gia công NC được thiết kế theo phương thức điều khiển 2,5 trục, 3 trục, 4
trục, 5 trục và theo qui luật hình học song song, xoắn ốc, tham số. Tuỳ thuộc vào yêu
C7 CAD-CAM> CNC
15
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
cầu gia công, khả năng công nghệ của máy gia công, các phần mềm CAD/CAM cho
phép lựa chọn phương thức chạy dao thích hợp cho từng công đoạn gia công.
Đường chạy dao (toolpath) được xác định từ dữ liệu hình học chi tiết gia công,
như hàm số phụ thuộc vào thông số NC.
Về hình học, đường chạy dao là đường cong, được quản lý theo định dạng dữ
liệu đồ hoạ như mọi đường cong hình học khác. Thông thường các phần mềm lập trình
NC (hoặc CAD/CAM) quản lý đường chạy dao dưới dạng tập tin toạ độ chạy dao
(Cutter Location - CL), bao gồm các điểm, đoạn thẳng, cung tròn cấu thành nên đường
chạy dao. Thông qua trình trợ giúp, tập tin CL được cài đặt thêm các thông số NC.
Cuối cùng, tập tin CL cùng với mọi dữ liệu NC liên quan được biên dịch bởi trình hậu
xử lý thành chương rình NC tương ứng theo định dạng yêu cầu.
Chương trình dù được biên soạn theo phương thức trực tiếp hay tự động đều
cần được lưu giữ trên thiết bị mang tin và sau đó truyền vào hệ điều khiển máy (MCU)
để phục vụ cho quá trình đọc dữ liệu tự động. Mặc khác, chương trình đã được hiệu
chỉnh, đã được kiểm tra và đã được sử dụng để gia công trên các máy cũng cần được
lưu trữ để sử dụng lại khi cần thiết.
7.3.4. Nhập/Xuất chương trình NC.
Ngày nay kỹ thuật điều khiển số bằng máy tính phát triển nên các loại thiết bị
lưu trữ tin để truyền chương trình NC vào hệ điều khiển cũng phát triển theo. Từ băng
đục lõ, bìa đục lỗ, băng từ, đĩa từ đã được sử dụng để làm thiết bị lưu trữ.
Các thế hệ máy CNC ngày nay đều có bàn phím máy tính theo hệ tiêu chuẩn
ASCII để nhập trực tiếp chương trình NC vào hệ điều khiển. Để có thể nhập thông tin
và từ đó điều khiển máy CNC trực tiếp từ panel điều khiển, cần phải có phần mềm
truyền thông và sự kết nối tương thích giữa bàn phím máy tính và hệ điều khiển máy.
Hình 7.23- Thiết bị nhập/xuất chương trình NC
Phương pháp nhập / xuất chương trình NC được sử dụng phổ biến nhất hiện nay
là dùng đường truyền trực tiếp (Direct NC) RS-232-C hoặc mạng điều khiển phân phối
DNC (Distributive NC) bao gồm các máy tính và phần mềm truyền thông. Với đường
truyền trực tiếp hay hay mạng DNC, bàn phím của panel điều khiển máy CNC chỉ còn
chức năng hiệu chỉnh chương trình vì nhập chương trình từ máy tính riêng của mạng
tiện lợi hơn nhiều so với việc nhập từ bàn phím panel điều khiển.
C7 CAD-CAM> CNC
16
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
7.3.5. Mạng DNC.
1. Cấu hình mạng DNC.
Cấu hình mạng DNC có thể là đơn lớp hoặc đa lớp, phụ thuộc vào phạm vi điều
khiển, số máy NC/CNC, yêu cầu mở rộng mạng, yêu cầu kết nối hệ thống DNC voà
các nhánh khác trong mạng điều khiển. Theo phương thức kết nối, có thể phân biệt 3
loại cấu hình mạng DNC:
a. Mạng đảo mạch.
Hình 7.24- Mạng đảo mạch thường
Hình 7.25- Mạng đảo mạch sử dụng đường truyền
RS-232-C và bộ dồn kênh
b. Mạng cục bộ (LAN)
Có 3 cấu hình:
- Mạng LAN tập trung
- Mạng LAN phân phối
- Mạng LAN hỗn hợp
C7 CAD-CAM> CNC
17
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
Hình 7.26- Mạng LAN phân phối
c. Mạng diện rộng (WAN).
Hình 7.27- Mạng WAN
C7 CAD-CAM> CNC
18
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
2. Kết nối máy NC/CNC với hệ DNC
* Giao tiếp RS-232-C trực tiếp.
Kết nối trực tiếp máy CNC có cổng giao tiếp RS-232-C với hệ thống
DNC không cần bất kỳ thiết bị giao tiếp ngoại vi nào.
* Giao diện DNC.
Giao diện DNC được sử dụng để kết nối máy CNC có cổng RS-232-C
với mạng DNC. Ngoài việc cho phép tải dữ liệu về máy CNC, thiết bị giao diện
DNC cho phép khả năng gởi thông tin từ máy CNC về máy tính chủ như
chương trình gia công đã được kiểm tra và các thông tin liên quan khác như
yêu cầu gọi chương trình, dụng cụ mới, yêu cầu bảo trì... Giao diện DNC có ưu
điểm về khả năng vận hành đồng thời.
7.4. MÁY CÔNG CỤ CNC
7.4.1. Đặc điểm kết cấu.
Kết cấu của các máy công cụ điều khiển CNC có nhiều khác biệt so với
các máy công cụ thông thường chủ yếu ở hệ truyền động và hệ điều khiển.
Hình 7.28
Hình 7.29
C7 CAD-CAM> CNC
19
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
7.4.2.Đặc điểm của các động cơ và cơ cấu truyền dẫn.
1. Truyền động chính: Động cơ dòng một chiều hoặc xoay chiều.
Động cơ dòng một chiều (DC): điều chỉnh vô cấp tốc độ bằng dòng kích từ, có
đặc tính động học tốt cho quá trình gia tốc và phanh hãm, mômen quán tính nhỏ, độ
chính xác điều chỉnh cao cho những đoạn đường dịch chuyển chính xác.
Động cơ dòng xoay chiều (AC): điều chỉnh vô cấp tốc độ bằng bộ biến đổi tần
số, cho phép thay đổi số vòng quay đơn giản, mômen truyền tải cao, khi thay đổi lực
tác dụng số vòng quay vần giữ không đổi.
2. Truyền động chạy dao: Thường dùng động cơ dòng một chiều hay
xoay chiều, trực tiếp hoặc qua bộ truyền đai răng đến bộ vít me đai ốc bi cho từng trục
chuyển động độc lập X, Y, Z.
Bộ vit me đai ốc bi có khả năng biến đổi truyền dẫn dễ dàng, ít ma sát và
không có khe hở khi truyền dẫn với tốc độ cao.
Hình 7.30
Hình 7.31
C7 CAD-CAM> CNC
20
GVC NGUYỄN THẾ TRANH
7.4.3.Hệ toạ độ máy phay CNC.
Hình 7.32
7.4.4. Lợi ích trong sử dụng máy CNC.
Phần thực hành trên phần mềm Pro/ENGINEER để mô phỏng quá trình gia công
chi tiết và xuất file M-G code - chương trình gia công cho máy CNC
20 trang
23180
Free
Bạn đang xem tài liệu "Giáo trình Công nghệ CAD/CAM - Chương 7: Điều khiển số và lập trình gia công điều khiển số - Nguyễn Thế Tranh", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_cong_nghe_cadcam_chuong_7_dieu_khien_so_va_lap_tr.pdf
