1 Nguyên lí của điều khiển số (numerical control)

Bộ điều khiển NC là bộ điều khiển trên cơ sở máy tính (computer numerical control- CNC) được sử dụng nhiều trong diều khiển máy cóng cụ. Từ nguyên lí diều khiển số (numerical control) tức dicu khiển trực tiếp hành động của máy công cụ bàng dữ liệu số, bộ diều khiển phái có khả năng tự động biên dịch ít nhất là một số đoạn của dữ liệu đó. Dữ liệu số chính là chương trình người sử đụng lập dể gia công chi tiết.

Một hệ thống diều khiển số máy công cụ bao gồm một khối máy cóng cụ và một khối diều khiển máy (machine control unit - MCU). MCU phân tiếp thành bộ xử lí dữ liệu (data processing unit - DPU) và bộ điểu khiển vòng phản hồi (control loop unit - CLU). DPU xử lí các dữ liệu mã hoá được dọc từ các môi trường lưu giữ (như băng đục lỗ, băng từ, đĩa mềm...) chuyển các thông tin về vị trí của mỗi trục, hướng chuyển động, tốc dộ và các chức năng hỗ trợ tới CLU. CLU diều khiển các cơ cấu truyền dộng của máy, nhận các tín hiệu phản hổi VC vị trí hiện thời và tốc độ của mỗi trục và thông báo khi một hoạt động đã hoàn thành. DPU dọc tuần tự dữ liệu khi từng đòng (chương trình) đã thi hành xong và dược CLU ghi nhận.

DPU gồm một số hoặc tất cả các phần sau:

-Thiết bị nhập dữ liệu như đẩu đọc băng từ, cổng RS-232.

• Các mạch đọc dữ liệu và logic kiểm parity.
• Các mạch giải mã cho miêu tả dữ liệu giữa các trục điểu khiển.
• Một trình soạn thảo.

CLU gổm:

• Bộ nội suy, cấp các lệnh chuyển động máy giữa các điểm dữ liệu để cho chuyến dịch dụng cụ.
• Phẩn cứng của vòng phản hổi có diều khiển vị trí cho tất cả các trục chuyển dộng, ở dó mỗi trục có một vòng lặp điều khiển riêng biệt.
• Các vòng lặp điều khiển tốc độ, ở đó yêu cầu điều khiển tốc độ tiến.
• Các mạch giảm gia tốc và khử rơ.

Điều khiển chức năng hỗ trợ như đóng/ngắt, làm mát, thay đổi chuyển động bánh răng, điều khiển đóng/ngắt trục chính.

Điều khiển máy công cụ NC thực hiện được bằng cách biên dịch mã NC thành các lệnh máy. Các mã NC có thế chia ra thành 2 nhóm lớn như thế hiện

trong hình 3.28.

1. Các lệnh điêu khiển các thành phần máy đơn như diều khiên động cơ. chọn tốc độ trục chính, thay dao. điều khiển đóng/ngắt tưới mát (những nhiệm vụ này dược thực hiện bàng gửi xung điện tới hệ thống rơle hoặc mạng diều khiển logic).
2. Các lệnh điều khiến chuyển vị lương

đổi cùa dụng cụ dối với chi tiết. Những lệnh này bao gổm các thông tin như vị trí trục và khoảng cách phải dịch chuyển tại một đơn vị thời gian cụ thể. Chúng dược biên dịch thành các lệnh máy điều khiển chuyến động, máy có thể thực hiện dược. Các lệnh này dược thực hiện bời hệ thống điều khiển cơ diện tử.

Một minh hoạ dược phân tích qua hệ thống diều khiên số của máy phay CNC. hình 3.29.

Các dữ liệu mà máy công cụ cần dể hoạt dộng và gia công chi tiết dược viết thành chương trình NC nhập từ bàn phím (hình 3.29). Các các dữ liệu này dược xử lí bởi bộ điều khiển CNC. Các dữ liệu công nghệ như chọn dao, hướng quay trục hoặc bật/tắt chất làm mát V...V. được CNC xử lí theo xích hở 2- 4 tới thành phần tương ứng của máy công cụ CNC. Các thông tin hình học của chương trình NC được truyền từ bộ điều khiển CNC vào các giá trị thiết lập cho các bộ truyền động dọc trục khác nhau có sự cân nhắc đến tốc độ tiến dao. Các chuyển dịch đưa ra các giá trị vị trí hiện thời, luôn được kiểm tra liên tục bởi vòng kiểm vị trí của trục ăn dao và dược phản hổi theo xích kín 3-5; trục dụng cụ 6 -3, bộ vi xử lí so sánh vị trí hiện thời và giá trị đích. Trục chỉ được dưng lại khi vị trí của trục đạt dược vị trí đã lập trình.

2 Các phương thức điều khiển số (NC)

Các hệ thống điều khiển CNC được chia vào 3 loại cơ bản, khác nhau ở cách thực hiện của chúng như sau:

1. Điều khiển điểm là điều khiển chạy nhanh đến một điểm đã lập trình.
Phụ thuộc vào kiểu bộ điều khiển, các truyền động trục được khởi động đồng thời hoặc tuần tự cho đến khi vị trí điểm được thiết lập (không có quan hệ hàm). Điều khiển điểm thường hay được sử dụng để định vị nhanh đụng cụ (tức di chuyển không ãn đao với tốc độ cao,(hình 3.30a) hoặc sử đụng trong máy khoan hoặc máy hàn điểm.

2.Điều khiển đường thẳng cho phép
dụng cụ dịch chuyển song song theo các trục máy (X, Y, Z) với các tốc độ gia công định trước (hình 3.30b). Tuy nhiên, tại một thời gian thì chỉ mỗi một truyền dộng trục được đưa vào hoạt động. Điều khiển dường thẳng được sử dụng để gia  công các đường thẳng và các rãnh song song với các trục chính và các bộ điều khiển cắt đường thẳng thường được sử dụng trong các máy phay và máy tiện đơn giản.Các bộ điều khiển đường luôn có khả năng điều khiển điểm.

3.Điều khiển biến động (conlur) cho phép:

• Định vị, khi di chuyển nhanh không ăn đao.
• Ăn dao theo chiều trục song song.
• Đi chuyển ăn dao tới bất cứ điểm nào trên chi tiết, như theo quỹ đạo thẳng hoạc tròn (hình 3.30c),

Điều khiển contur có các mức điều khiển phụ thuộc trước hết là các kích thước trong không gian, quan hệ hàm giữa các trục để tạo nên quỹ đạo đụng cụ. Đó là điều khiển contur 2D, 2¹/₂D và 3D, tiếp theo là số trục có khả năng đồng thời điều khiển, từ đó CNC có thể là bộ điều khiển 4 trục hoặc 5 trục. Các bộ điều khiển sử đụng cho các máy phay CNC ngày nay là các bộ 3D.

Bộ nội suy

Để thực hiện địch chuyển đồng thời các trục máy, các giá trị trung gian trên đường bao giữa điểm đầu và điểm điểm cuối phải được bộ điều khiển nội suy.

Bộ nội suy có cấu trúc của một máy tính đơn chức năng, được lắp trong CLU, tính toán theo chương trình được cài đặt sẵn trên cơ sở của giá trị tọa độ điểm dầu (xác định bởi đòng lệnh trên)và toạ độ giá trị điểm đích (xác định bởi đòng lệnh hiện thời) để nội suy các giá trị trung gian ứng với quỹ đạo dịch chuyển bởi dụng cụ. Quỹ đạo gia công thực luôn được CNC so sánh với quỹ đạo chuẩn và được hiệu chỉnh tức thời trong quá trình gia công. Bộ nội suy thực hiện 2 phép nội suy cơ bản sau:

+ Nội suy đường thẳng (tuyến tính)

Bộ điều khiển CNC sẽ tính toán chuỗi các điểm theo đường thẳng nối vị trí bắt đầu và vị trí cuối của dụng cụ . Các điểm trung gian sẽ được tính theo: Y=Xí+b. Trong khi dụng cụ chuyển động từ điểm này tới điểm khác thì các chuyển động chiều trục luôn được điều chỉnh sao cho dụng cụ không đi lệch so với điểm đó nhiều hơn dung sai cho phép (hình 3.31 a). Các điểm trung gian sẽ được tính bằng cách cộng liên tục các đoạn thẳng tảng thêm bằng nhau vào giá trị tọa độ của điểm đẩu tiên.

+ Nội suy đường tròn (phi tuvến)

Hệ thống CNC tính toán chuỗi các điểm theo quỹ đạo đường tròn yêu cầu với phép nội suy tích phân: trên cơ sở tọa độ điểm đầu tiên đã xác định. Các điểm này được sử dụng để sửa các chuyển động hướng trục sao cho chuyển động tròn không di lệch so với quỹ đạo đường tròn chính xác và không vượt quá dung sai cho trước (hình 3.31 b ).

3 Lập trình NC

Chương trình NC là một văn bản (text) có cấu tạo bởi các câu chương trình (lệnh, từ, địa chỉ, giá trị) theo một dạng thức (format) xác định, chỉ thị máy công cụ NC thực hiện các nguyên công cụ thể đổ gia công một chi tiết.

3.1 Các phương pháp lập trình NC

Lập trình thủ công

• Thực hiện tại bàn giấy, với cóng cụ tối thiểu (giấy, bút...).
• Chỉ lập trình được cho máy công cụ NC cụ thể (bộ điều khiển cụ thể).
• Sử đụng sổ tay công nghệ, sổ tay toán học và kinh nghiêm bản thân.

Lập trình công xưởng (bán thủ công)

• Lập trình với sự hỗ trợ của bảng máy (control panel) bộ dicu khiển cụ thể.
• Sử dụng bộ soạn thảo chương trình “Programeditor”.
• Sử dụng trợ giúp của kỹ thuật đồ hoạ, các menu, hội thoại và khả năng mô phỏng của bộ điều khiển .

Lập trình máy, tức là lập trình với sự hố trợ của máy tính.

• Hệ thống dược sử đụng để lập trình là hệ thống CAD/NC (tức phẩn mềm CAD/CAM), gồm các tích hợp giao diện CAD và bộ tiền xử lí (preprozessor), bộ vi xừ lí (processor), bộ hậu xủ lí (postprocessor).
• Xuất phát từ CAD-3D, preprozessor chuẩn bị thông tin hình học dưới dạng các tệp CAD (CAD- file) cho prozessor.
• Prozessor biên dịch dữ liệu hình học và công nghệ thành tệp chương trình NC nguồn (NC source program).
• Postprozessor sinh chương trình NC với ngôn ngữ tương thích bộ điều khiển cụ thê theo postprozessor được chọn lựa.

3.2 Mã G

Mã G là các chức năng chuẩn bị, được gán bởi chữ G và 2 kí tự số. Đây là mã quan trọng nhất trong lập trình NC vì hệ thống CNC có thể xử lí trực tiếp dữ liệu toạ độ theo mã G. Một số, ví dụ như định vị nhanh, nội suy chuyển động thẩng/tròn, gia công khoan mã hoá công nghiệp (ISO 6983). Các mã G được phân thành loại như sau:

• G-modal (hiệu quả cho đến khi có G mới được đọc) G-nonmodal (hiệu quả chỉ trong khối).
• Chia thành các nhóm, ví dụ: nhóm chuyển dộng nội suy, nhóm chọn mặt phẳng, nhóm lệnh chuyển động...

Ghi chú: ngoài mã G, thường được sử dụng lập trình thủ công, một số ngôn ngữ bậc cao khác được sử dụng để lập trình công xưởng như HEIDENHAIM, ANILAM..., hoặc lập trình máy như: APT, AUTOPOST, ADAPT, EXAP V...V.

Cấu trúc chương trình NC

Tùy bộ điều khiển mà chương trình NC có những cấu trúc khối mang đặc điểm riêng, tuy nhiên cấu trúc một chương trình luôn như sau:

• Chương trình bao gổm các khối.
• Khối bao gổm các tù, ví dụ, 195 GI X10Y15 F60 M8, khối này có 6 từ.
• Từ gồm một địa chỉ và một giá trị số , ví dụ, X10 gồm địa chỉ X và giá trị 10.

Các từ được phân biệt theo:

• Số hiệu khối ( con số hoặc 191 V...V.).
• Mã G (G1,G2,G3 V...V.), còn dược gọi là chức nãng chuẩn bị, thường thể hiện các lệnh hình học.
• Lệnh công nghệ (F, s, T).
• Mã M (M3, còn được gọi là chức nẫng bổ sung, thường thể hiện các lệnh máy.

Các địa chỉ thường được sử đụng trong lập trình NC, được gán bởi các chữ cái theo tiêu chuẩn DIN 66025 (tương dương ISO 6983) được liệt kẽ trong bảng

• Mã G và các mã M theo tiêu chuẩn DIN 66025 được thể hiện trong bảng 2 và 3.3.

Bảng 3.1 : Các địa chỉ được sử dụng trong lập trình NC

Bảng 3.2: Mả G theo PIN 66025

Tiếp bảng 3.2

Bâng 3.3: Các từ vé các chức năng bổ sung

Tiếp bảng 3.3

3.3 Ví dụ về lập trình NC

Hình 3.32: Ví dụ chi tiết để lập trình gìa công.

Một ví dụ về lập trình NC cho chi tiết ở hình 3.32 được thực hiện với bộ điều khiển MillPlus, với các điều kiện sau:

+ Kích thước phôi: 150x 150x 15

+ Sứ dụng các dụng cụ gia công sau:

• TI: dao phay mặt đầu ϕ15
• T2: dao phay ngón ϕ10
• T3: mũi khoan ϕ4
• T4: mũi khoan ϕ5

+ Giá thiết là phôi dã được phay phá ; các lỗ dều bằng nhau và bằng 05.

Chương trình NC có thể viết như sau:

Cơ điện tử, các thành phần cơ bản,TS.Trương Hữu Trí, TS.Võ Thị Ry