Bài giảng CAD CAM CNC - Chương 1: Tổng quan về máy CNC

1 
1. TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 
Thạc sĩ Phạm Xuân Vũ 
2 
TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 
1. CNC là gì? 
2. Lịch sử phát triển của CNC 
3. Các thành phần của hệ thống CNC 
4. Đặc điểm của máy công cụ CNC 
5. Hệ toạ độ trên máy công cụ CNC 
6. Các điểm 0 và điểm chuẩn trên máy CNC 
7. Điều khiển số trên máy công cụ CNC 
8. Hiệu chỉnh dụng cụ cắt trong gia công CNC 
3 
1. Máy CNC là gì? 
NC = Numerical Control 
CNC = Computer Numerical Control 
Các hoạt động được điều khiển bằng cách nhập trực tiếp dữ liệu số 
Một dạng tự động hoá lập trình vạn năng 
Máy công cụ được điều khiển bằng hàng loạt các lệnh được mã hoá 
2. Lịch sử phát triển máy CNC 
•1725 – Phiếu đục lỗ được dùng để tạo mẫu quần áo 
•1808 – Phiếu đục lỗ trên lá kim loại được dùng để điều 	khiển tự động máy thêu 
•1863 – Tự động điều khiển chơi nhạc trên piano nhờ băng lỗ 
•1940 – John Parsons ñaõ saùng cheá ra phöông phaùp duøng phieáu ñuïc loã ñeå ghi caùc döõ lieäu veà vò trí toïa ñoä ñeå ñieàu khieån maùy coâng cuï. 
•1952 – Máy công cụ NC điều khiển số đầu tiên 
1959 - Ngôn ngữ APT được đưa vào sử dụng 
•1960s – Điều khiển số trực tiếp (DNC) 
1963 - Đồ hoạ máy tính 
•1970s - Máy CNC được đưa vào sử dụng 
•1980s – Điều khiển số phân phối được đưa vào sử dụng 
•CAD/CAM 
5 
2. Lịch sử phát triển: 
 Máy đ iều khiển số cổ đ iển chủ yếu dựa trên công trình của một ng ư ời có tên là John Parsons . 
Từ những n ă m 1 940 Parsons đ ã sáng chế ra ph ươ ng pháp dùng phiếu đ ục lỗ đ ể ghi các dữ liệu về vị trí tọa đ ộ đ ể đ iều khiển máy công cụ . Máy đư ợc đ iều khiển đ ể chuyển đ ộng theo từng tọa đ ộ, nhờ đ ó tạo ra đư ợc bề mặt cần thiết của cánh máy bay. 
6 
2. Lịch sử phát triển 
N ă m 1948 J. Parson giới thiệu hiểu biết của mình cho không lực Hoa Kỳ . C ơ quan này sau đ ó đ ã tài trợ cho một loạt các đ ề tài nghiên cứu ở phòng thí nghiệm Servomechanism của tr ư ờng Đại học kỹ thuật Massachusetts (MIT). 
Công trình đ ầu tiên tại MIT là phát triển một mẫu máy phay NC bằng cách đ iều khiển chuyển đ ộng của đ ầu dao theo 3 trụ tọa đ ộ . Mẫu máy NC đ ầu tiên đư ợc triển lãm vào n ă m 1952 . Từ 1953 khả n ă ng của máy NC đ ã đư ợc chứng minh. 
7 
2. Lịch sử phát triển 
 Một thời gian ngắn sau, các nhà chế tạo máy bắt đ ầu chế tạo các máy NC đ ể bán, và các nhà công nghiệp, đ ặc biệt là các nhà chế tạo máy bay đ ã dùng máy NC đ ể chế tạo các chi tiết cần thiết cho họ. 
Hoa kỳ tiếp tục cố gắng phát triển NC bằng cách tiếp tục tài trợ cho MIT nghiên cứu ngôn ngữ lập trình đ ể đ iều khiển máy NC. Kết qủa của việc này là sự ra đ ời của ngôn ngữ APT: Automatically Programmed Tools vào năm 1959 
8 
2. Lịch sử phát triển: 
Mục tiêu của việc nghiên cứu APT là đ ảm bảo một ph ươ ng tiện đ ể ng ư ời lập trình gia công có thể nhập các câu lệnh vào máy NC. Mặc dù APT bị chỉ trích là thứ ngôn ngữ qúa đ ồ sộ đ ối với nhiều máy tính, nó vẫn là công cụ chính yếu và vẫn đư ợc dùng rộng rãi trong công nghiệp ngày nay và nhiều ngôn ngữ lập trình mới là dựa trên APT. 
9 
2. Lịch sử phát triển 
1 
N 
C 
1 
9 
6 
0 
9 
5 
0 
1 
9 
7 
0 
1 
9 
8 
0 
1 
9 
9 
0 
C 
N 
C 
F 
M 
S 
C 
A 
D 
C 
A 
D 
/ 
C 
A 
M 
C 
I 
M 
10 
So sánh Cấu trúc máy công cụ thông th ư ờng và máy CNC 
	Máy công cụ CNC đư ợc thiết kế c ơ bản giống nh ư máy công cụ vạn n ă ng.Sự khác nhau thật sự là ở chỗ các bộ phận liên quan đ ến tiến trình gia công của máy công cụ CNC đư ợc đ iều khiển bởi máy tính. 
11 
Các h ư ớùng chuyển đ ộng của các bộ phận máy công cụ CNC đư ợc xác đ ịnh bởi một hệ trục tọa đ ộ. 
Mỗi chuyển đ ộng của các bộ phận máy có một hệ thống đ o riêng đ ể tính toán các vị trí t ươ ng ứng và phản hồi thông tin này về hệ đ iều khiển. 
12 
So sánh chức n ă ng 
Nhập dữ liệu: Dùng ch ươ ng trình NC 
Điều khiển: Máy tính đư ợc tích hợp trong hệ đ iều khiển CNC và phần mềm t ươ ng ứng kiểm soát toàn bộ các chức n ă ng đ iều khiển của máy công cu.ï 
Kiểm tra: Trên máy công cụ CNC, kích th ư ớc của chi tiết gia công đư ợc đ ảm bảo trong suốt quá trình gia công với sự phản hồi liên tục của hệ thống đ o. 
13 
3. Các thành phần c ơ bản của hệ thống NC 
Ch ươ ng trình 
Hệ thống đ iều khiển 
Máy công cụ 
14 
Ch ươ ng trình đ iều khiển. 
Là tập hợp những câu lệnh đ iều khiển máy phải làm gì. Các lệnh này đư ợc mã hóa ở dạng số và ký hiệu mà thiết bị đ iều khiển có thể nhận dạng đư ợc. Chương trình đđiều khiển có thể đđược lưu trữ trên phiếu đ ục lỗ b ă ng đ ục lỗ, b ă ng từ. Thí dụ ch ươ ng trình gia công: 
% 
G90 G40 G80 
T2M06S3000 
G0 Z1. 
X2. Y2. 
Z.1 
G1 Z-1. F10. 
X6. 
Y6. 
G1 X3. 
G3X2.Y5.R1. 
G1Y2. 
G0 Z1. 
X0. Y0. 
% 
Dụng cụ 
Đường chạy dao 
15 
Phiếu đục lỗ 
16 
Băng lỗ 
17 
Đĩa từ 
18 
Các ph ươ ng pháp lập trình: 
Bằng tay 
Bằng máy tính 
	Ch ươ ng trình đư ợc chuẩn bị bởi lập trình viên, trong đ ó ng ư ời lập trình chỉ ra từng b ư ớc theo trình tự công nghệ. Đối với máy công cụ, các b ư ớc công nghệ là các chuyển đ ộng t ươ ng đ ối giữa dụng cụ cắt và phôi. 
19 
Lập trình bằng tay 
Người lập trình nhập từng lệnh trên máy CNC 
Lập trình nhờ hệ thống CAD/CAM 
CAD 
CAM 
CNC 
21 
Chạy kiểm tra chương trình trên máy tính 
22 
Bộ đ iều khiển 
 Là thành phần thứ 2 của hệ thống đ iều khiển số. 
Nó bao gồm các bo mạch đ iện tử và phần cứng có thể đ ọc và biên dịch ch ươ ng trình đ iều khiển và truyền đ ến máy công cụ. 
23 
Các phần tử c ơ bản của bộ phận đ iều khiển là: 
Bộ l ư u dữ liệu 
Bộ phân phối dữ liệu 
Bộ liên hệ ng ư ợc 
Bộ đ iều khiển tuần tự đ ể phối hợp hoạt đ ộng của các phần tử trên. 
Cần phải l ư u ý là gần nh ư tất cả các máy NC hiện đ ại đư ợc bán là có trang bị bộ đ iều khiển gọi là Microcomputer . Vì vậy mà chúng đư ợc gọi là máy CNC. 
24 
Máy công cụ hoặc qúa trình đư ợc đ iều khiển khác  
Máy công cụ bao gồm bàn máy và trục chính cũng nh ư các mô t ơ và các bộ đ iều khiển cần thiết đ ể máy hoạt đ ộng. Nó cũng bao gồm những dụng cụ cắt, đ ồ gá và các thiết bị phụ khác cần cho việc gia công 
 Các máy NC rất đ a dạng: từ những máy khoan lỗ, đ ục lỗ đơ n giản đ ến các trung tâm gia công thông minh kỳ diệu. 
25 
Máy phay CNC 
Máy tiện CNC 
26 
Máy căt dây WEDM 
27 
Các ứng dụng của đ iều khiển số 
 Đ ư ợc ứng dụng rộng rãi hiện nay đ ặc biệt là trong gia công kim loại: 
- Phay 
- Khoan và các nguyên công t ươ ng tự 
- Tiện trong (boring) 
- Tiện 
- Mài 
- Cắt dây 
28 
Hệ thống đ iều khiển NC cũng đư ợc dùng trong các lĩnh khác 
- Máy dập 
- Máy hàn 
- In bản vẽ tự đ ộng 
- Máy lắp ráp 
- Máy uốn ống 
- Máy cắt gió đ á 
- Máy cắt bằng Plasme 
- Các công nghệ Laser 
- Máy đ an tự đ ộng (thêu) 
- Máy cắt quần áo 
- Máy tán đ ịnh tự đ ộng 
- Máy buộc dây 
29 
Đặc đ iểm chung của các loại sản phẩm làm trên máy NC 
1/ Các chi tiết th ư ờng đư ợc gia công với số l ư ợng nhỏ. 
2/ Hình dạng phức tạp 
3/ Có nhiều nguyên công phải đư ợc thực hiện 
4/ Nhiều kim loại phải loại bỏ 
5/ Thiết kế kỹ thuật giống nhau 
6/ Chi tiết phải có yêu cầu chính xác cao 
7/ Là loại sản phẩm đ ắt tiền nên một sai lầm nhỏ có thể trả giá lớn 
8/ Các sản phẩm yêu cầu phải kiểm tra 100%. 
9/ Th ư ờng loạt sản xuất khoảng 50 cái hoặc nhỏ h ơ n. Sản xuất loạt nhỏ và loạt vừa là lý t ư ởng đ ể dùng máy NC. 
30 
Ưu nhược đ iểm của đ iều khiển số 
- Ư u đ iểm của NC 
- Giảm thời gian chạy không 
- Giảm thời gian gá đ ặt 
- Giảm thời gian gia công 
- Sản xuất mềm dẻo h ơ n 
- Nâng cao chất l ư ợng sản phẩm 
- Giảm tồn kho 
- Giảm diện tích mặt bằng 
Nh ư ợc đ iểm của NC 
- Gía thành đ ầu t ư cao 
- Giá thành bảo trì cao 
- Phải chọn và huấn luyện đ ội ngũ NC 
31 
Thủ tục đ iều khiển số (NC) 
1. Lập kế hoạch gia công (Process Planning) 
2. Lập trình gia công NC (Part programming) 
4. Kiểm tra chương trình 
5. Thực hiện việc gia công trên máy CNC 
32 
Những công việc trong CNC 
Quản lý CNC 
Lập trình CNC 
Thiết kế đ ồ gá và dụng cụ 
Bảo trì máy CNC 
Vận hành máy CNC 
33 
C ơ hội việc làm nhờ CNC 
Cán bộ quản lý CNC 
Chuyên viên lập quy trình công nghệ 
Chuyên viên lập trình CNC 
Chuyên viên thiêt kế dụng cụ cắt 
Nhân viên đ iều chỉnh máy CNC 
Nhân viên vận hành máy CNC 
34 
4. Đặc điểm của máy công cụ CNC 
Z 
Y 
X 
Máy tiện CNC có hai trục điều khiển được 
Máy phay CNC thường có ba trục điều khiển được 
35 
4. Đặc điểm của máy công cụ CNC 
Ngoài chuyển đ ộng dọc theo các trục X,Y và Z còn có thể đ iều khiển các chuyển đ ộng quay quanh mỗi trục . Các chuyển đ ộng quay này có thể đư ợc đ iều khiển và đư ợc đ ánh dấu bằng A,B,C 
36 
4. Đặc điểm của máy công cụ CNC 
37 
4. Đặc điểm của máy công cụ CNC 
1- Đai ốc bi 
2- Vòng cách để điều chỉnh khe hở 
3- Bi 
4- Trục vít 
38 
4. Đặc điểm của máy công cụ CNC 
Hệ thống đ o hành 
trình tr ực tiếp 
Y 
X 
1 
2 
Hệ thống đ o hành 
trình gi án tiếp 
X 
4 
3 
2 
1 
39 
4. Đặc điểm của máy công cụ CNC 
Truyền đ ộng chính và các trục công tác 
1. M ơ tơ bước: dùng trong các hệ thống kh ơ ng cĩ yêu cầu cao về độ chính xác và c ơ ng suất lớn. 
2. M ơ tơ một chiều servo: phải lu ơ n bảo trì chổi than, bụi. 
3. M ơ tơ ba pha đồng bộ và kh ơ ng đồng bộ: kh ơ ng phải bảo trì chổi than như động cơ một chiều, bền lâu nên được dùng rộng rãi trong các máy CNC hiện đại 
40 
4. Đặc điểm của máy công cụ CNC 
Thiết bị kẹp chi tiết 
 Trên máy phay: chủ yếu dùng đồ gá vạn năng như ê t ơ , vấu kẹp. Trong sản xuất lớn dùng đồ gá chuyên dùng 
 Trên máy tiện chủ yếu dùng mâm cặp ba chấu tự định tâm, mũi chống tâm, luy nét. Trong sản xuất hàng khộ dùng đồ gá chuyên dùng 
 Các cơ cấu kẹp cĩ thể được tự động hố bằn xi lanh thuỷ lực hay khí nén. 
41 
Thiết bị kẹp chi tiết 
Ê tô dùng trên máy phay 
42 
Dụng cụ cắt dùng trên máy CNC 
Dụng cụ cắt dùng trên máy Phay CNC 
43 
Các dụng cụ kẹp dao trên máy phay 
44 
M âm dao tr ên trung tâm tiện 
4. Đặc điểm của máy công cụ CNC 
45 
4. Đặc điểm của máy công cụ CNC 
Băng tải dao trên máy phay 
46 
Thi ết bị thay dao tr ên trung tâm phay 
4. Đặc điểm của máy công cụ CNC 
1 
2 
3 
4 
47 
5. Hệ tọa đ ộ trong NC 
Cần thiết đ ể ng ư ời lập trình lên kế hoạch chuyển đ ộng cho dụng cụ so với chi tiết gia công. 
Khi lập trình chi tiết coi nh ư đ ứng yên còn dụng cụ thì di chuyển so với chi tiết gia công. 
Có hai hệ tọa đ ộ c ơ bản: 
Ø         - Hệ tọa đ ộ Đề-các 
Ø         - Hệ tọa đ ộ cực 
48 
Hệ tọa đ ộ Đề-cạc 2D 
Ví dụ: 
P1	X = 80 Y = 40 
P2	X = -80 Y = 70 
P3	X = -50 Y = -40 
P4	X = 40 Y = -70 
49 
Hệ toạ độ Đề- các 3D 
Ví dụ: 
P1 X = 30 Y = 2 Z = 0 
P2 X = 30 Y = 0 Z = -10 
50 
Quy tắc bàn tay phải 
51 
Hệ toạ độ cực 
Hệ tọa đ ộ cực ( góc d ươ ng ) 
P 
Y 
X 
r 
a 
P 
Y 
X 
r 
a 
Hệ tọa đ ộ cực ( góc âm ) 
52 
Hệ tọa độ máy và phôi trên máy phay CNC 
53 
Hệ tọa độ phôi và các trục X, Y, Z 
54 
Gốc tọa độ phôi ở mặt trên và mặt đáy phôi 
55 
Hệ tọa độ máy và phôi trên máy tiện 
Chi tiết gia công tiện , đ ặt trong hệ tọa đ ộ Đề-cạc 2 trục với dụng cụ cắt nằm phía tr ư ớc tâm quay 
Chi tiết gia công tiện , đ ặt trong hệ tọa đ ộ Đề-cạc 2 trục với dụng cụ cắt nằm phía sau tâm quay 
56 
Các trục quay và trục bước tiến trên máy CNC 
57 
Các trục trên máy tiện CNC 
+ 
X 
C 
+ 
Z 
58 
Ghi kích thước thích hợp theo NC 
Ghi tuyệt đối 
Ghi tương đối 
59 
6. Các điểm kh ơ ng và điểm chuẩn trên máy CNC 
60 
Các đ iểm chu ẩn c ủa máy ti ện 
E 
R 
N 
W 
M 
Vị trí của các đ iểm không “0“ và đ iểm chuẩn trong tiện 
61 
Các điểm chuẩn trên máy phay 
62 
Điểm chuẩn của dụng cụ cắt E 
Vị trí của điểm hiệu chỉnh dụng cụ cắt B trên dao tiện 
Vị trí của điểm hiệu chỉnh dụng cụ cắt B trên dao phay 
63 
Đo chiều dài dao phay 
64 
Đo chiều dài dao tiện 
65 
Điểm cán dao 
66 
Cài đặt điểm không của chi tiết W trên máy tiện CNC 
67 
Cài đặt điểm không của chi tiết W trên máy phay CNC 
68 
7. CNC Điều khiển số trên máy công cụ CNC 
69 
Đo hành trình 
- Đại l ư ợng đ ầu vào 
- Đại l ư ợng đ ầu ra 
- Đại l ư ợng nhiễu 
- Động c ơ 
- Vít me bi 
- Thiết bị đ o 
- Đại l ư ợng đ ầu ra ( giá trị vị trí thực ) 
70 
Đo hành trình t ươ ng đ ối 
71 
Đo hành trình tuyệt đ ối 
72 
Các dạng điều khiển CNC 
Ø          Ñieàu khieån ñieåm. 
Ø          Ñieàu khieån ñoïan. 
Ø          Ñieàu khieån ñöôøng 
- Ñieàu khieån 2D. 
- Ñieàu khieån 2½D. 
- Ñieàu khieån 3D. 
73 
Điều khiển điểm 
74 
Điều khiển đoạn 
75 
Điều khiển đường 
Tùy theo số l ư ợng các trục đư ợc đ iều khiển đ ồng thời mà ta chia ra: 
-  Điều khiển 2D. 
-  Điều khiển 2½D. 
-  Điều khiển 3D. 
76 
Điều khiển 2D 
77 
Điều khiển 2D rưỡi 
78 
Điều khiển 3D 
79 
Độ chính xác của đư ờng cong 
Dung sai trong 
Đ ư ờng cong lý t ư ởng 
Dung sai ngoài 
Tr ư ờng dung sai 
Giới hạn dung sai ngoài 
Giới hạn dung sai trong 
80 
8. Hiệu chỉnh dụng cụ cắt trong gia công CNC 
Ý nghĩa và mục đích của các giá trị hiệu chỉnh dụng cụ cắt 
Có thể sử dụng trực tiếp các thông số của bản vẽ chi tiết gia công đ ể lập trình mà không cần quan tâm đ ến chiều dài hay bán kính thực sự của dụng cụ cắt . 
Các thông số về chiều dài cũng nh ư bán kính dao phay, mảnh hợp kim của dao tiện đư ợc đo, lưu trong bộ nhớ, được xem xét , quản lý bởi hệ đ iều khiển CNC khi vận hành máy CNC. 
81 
Hiệu chỉnh bán kính dao phay 
82 
Hiệu chỉnh bán kính dao bên trái và bên phải 
83 
Hiệu chỉnh bán kính mũi dao (tiện) 
84 
Vector hiệu chỉnh bán kính mũi dao 
85 
Các dạng offset dao tiện 
86 
Tóm lược 
Trong chương này chúng ta đã nghiên cứu các vấn đề sau đây: 
1. CNC là gì? 
2. Lịch sử phát triển của CNC 
3. Các thành phần của hệ thống CNC 
4. Đặc điểm của máy công cụ CNC 
5. Hệ toạ độ trên máy công cụ CNC 
6. Các điểm 0 và điểm chuẩn trên máy CNC 
7. Điều khiển số trên máy công cụ CNC 
8. Hiệu chỉnh dụng cụ cắt trong gia công CNC 
Nắm vững những tri thức trên, sẽ giúp cho việc lập trình và vận hành máy CNC một cách hiệu quả.