Máy điều khiển số và rô bốt công nghiệp

1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 5 Chƣơng 1 MÁY ĐIỀU KHIỂN SỐ .............................................................................. 7 1.1. Sự ra đời và phát triển của máy điều khiển số .................................................. 7 1.1.1. Lịch sử ra đời và phát triển máy điều khiển số ............................................. 7 1.1.2. Các tính năng kỹ thuật của máy điều khiển số ........................................... 10 1.1.3. Hiệu quả sử dụng máy CNC ....................................................................... 12 1.2. Cấu trúc chung của máy NC ............................................................................ 17 1.2.1. Sơ đồ động học của xích chạy dao ............................................................. 17 1.2.2. Cấu trúc chung của máy tiện NC ................................................................ 21 1.2.3. Cấu trúc chung của máy phay NC .............................................................. 21 1.3. Các hệ thống cơ khí của máy CNC .................................................................. 22 1.3.1. Dẫn động chạy dao ..................................................................................... 22 1.3.2. Dẫn động trục chính .................................................................................... 38 1.3.3. Đường hướng của máy CNC ...................................................................... 39 1.3.4. Hệ thống thay dao tự động .......................................................................... 43 1.3.5. Dao cắt trên máy CNC ................................................................................ 46 1.3.6. Đồ gá trên máy CNC .................................................................................. 51 Chƣơng 2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ ................................................................ 52 2.1. Khái niệm về hệ thống điều khiển số ............................................................... 52 2.1.1. Điều khiển số trực tiếp và điều khiển số phân phối (DNC) ....................... 53 2.1.2. Điều khiển số có máy tính (CNC) .............................................................. 55 2.2. Phân loại điều khiển số ..................................................................................... 56 2.2.1. Điều khiển điểm PTP .................................................................................. 56 2.2.2. Điều khiển đường liên tục........................................................................... 58 2.2.3. Các hệ thống điều khiển theo số trục được điểu khiển đồng thời .............. 59 2.2.4. Điều khiển NC và CNC .............................................................................. 61 2.2.5. Điều khiển hở và điều khiển kín ................................................................. 63 2.2.6. Điều khiển thích nghi .................................................................................. 64 2.3. Phần cứng của hệ thống điều khiển số ............................................................ 65 2.3.1. Cụm điều khiển máy MCU ......................................................................... 66 2.3.2. Bộ vi xử lý CPU .......................................................................................... 67 2.3.3. Bộ nhớ ROM và RAM ................................................................................ 68 2.3.4. Các thành phần giao tiếp khác .................................................................... 68 2.3.5. Bộ điều khiển máy khả trình PMC ............................................................. 70 2.4. Các phần mềm của CNC ................................................................................... 71 2.4.1. Hệ điều hành (phần mềm hệ thống) ............................................................ 72 2.4.2. Phần mềm giao tiếp máy ............................................................................. 72 2 2.4.3. Phần mềm ứng dụng ................................................................................... 74 2.4.4. Chương trình nội suy .................................................................................. 74 2.5. Hệ thống phản hồi (feedback) .......................................................................... 80 2.5.1. Các kiểu hệ thống phản hồi ........................................................................ 80 2.5.2. Hệ thống phản hồi kiểu số - tương đối. ...................................................... 82 2.5.3. Hệ thống phản hồi kiểu số - tuyệt đối ......................................................... 85 2.5.4. Hệ thống phản hồi tương tự (analog) .......................................................... 86 Chƣơng 3 CƠ SỞ LẬP TRÌNH GIA CÔNG CHO MÁY CNC .............................. 89 3.1. Các trục toạ độ và chiều chuyển động ............................................................. 89 3.1.1. Hệ thống các toạ độ .................................................................................... 89 3.1.2. Quy định các toạ độ trên máy ..................................................................... 89 3.1.3. Các điểm gốc (ZERO) và các điểm chuẩn (tham khảo) ............................. 91 3.2. Mã hoá thông tin ............................................................................................... 95 3.2.1. Hệ thống số và cách biểu diễn đại lượng trong điều khiển số .................... 95 3.2.2. Cấu trúc của chương trình gia công ............................................................ 97 3.2.3. Dữ liệu của chương trình .......................................................................... 103 3.3. Các bước lập trình NC .................................................................................... 103 3.3.1. Nghiên cứu bản vẽ chi tiết ........................................................................ 104 3.3.2. Phân tích chi tiết thành các khối hình học ................................................ 104 3.3.3. Ghi kích thước cho chi tiết........................................................................ 105 3.4. Các hình thức bảo đảm chương trình ............................................................ 108 3.4.1. Lập trình bằng tay trực tiếp trên máy CNC .............................................. 108 3.4.2. Lập trình trên mạng DNC ......................................................................... 108 3.4.3. Lập trình bằng tay tại phòng chuẩn bị chương trình................................. 109 3.4.4. Lập trình với sự hỗ trợ của máy tính ........................................................ 109 3.5. Ngôn ngữ lập trình .......................................................................................... 110 3.5.1. Ngôn ngữ lập trình ISO (ngôn ngữ máy) .................................................. 110 3.5.2. Ngôn ngữ giao thoại ................................................................................. 110 3.5.3. Ngôn ngữ lập trình tự động APT .............................................................. 111 3.5.4. Lập trình bằng các phần mềm CAD/CAM ............................................... 114 Chƣơng 4 LẬP TRÌNH CƠ BẢN CHO MÁY PHAY CNC .................................. 116 4.1. Các mã lệnh chủ yếu của máy phay ............................................................... 116 4.1.1. Chức năng chuẩn bị (G) ............................................................................ 116 4.1.2. Các lệnh bù dao và bù hệ toạ độ. .............................................................. 116 4.1.3. Các chu kỳ ................................................................................................ 116 4.1.4. Chức năng bổ trợ hay chức năng phụ M-code (M). ................................. 116 4.2. Các mã lệnh cơ bản ......................................................................................... 117 4.2.1. Chạy dao nhanh, G0 hoặc G00 ................................................................. 117 4.2.2. Gia công đường thẳng G01 ....................................................................... 118 3 4.2.3. Gia công cung tròn, đường tròn G02 và G03 ........................................... 121 4.2.4. Chọn mặt phẳng toạ độ, G17, G18, G19 .................................................. 124 4.2.5. Hệ toạ độ tuyệt đối, tương đối, G90 và G91............................................. 124 4.2.6. Đơn vị đo G70 hoặc G71 .......................................................................... 125 4.2.7. Xác lập điểm 0 của chi tiết, G92 ............................................................... 125 4.2.8. Trở về điểm tham chiếu G28, G29, G30. ................................................. 125 4.2.9. Lựa chọn và thay thế dao cắt .................................................................... 126 4.2.10. Đơn vị tốc độ chạy dao G94 và G95 ...................................................... 127 4.2.11. Số vòng quay trục chính S ...................................................................... 127 4.2.12. Lập trình t lệ, đối xứng G51 ................................................................. 128 4.2.13. Quay hệ tọa độ G68 ................................................................................ 128 Chƣơng 5 LẬP TRÌNH CƠ BẢN CHO MÁY TIỆN CNC ................................... 133 5.1. Các nhóm mã lệnh chủ yếu của máy tiện ...................................................... 133 5.1.1. Các mã lệnh chuẩn bị (mã G) ................................................................... 133 5.1.2. Các mã lệnh M .......................................................................................... 134 5.2. Các mã lệnh cơ bản ......................................................................................... 135 5.2.1. Chức năng dao T ....................................................................................... 135 5.2.2. Chức năng vận tốc chạy dao F .................................................................. 135 5.2.3. Chức năng tốc độ trục chính S .................................................................. 136 5.2.4. Xác lập hệ toạ độ làm việc ........................................................................ 137 5.2.5. Lập trình theo đường kính và bán kính ..................................................... 138 5.2.6. Lập trình tuyệt đối và lập trình tương đối ................................................. 139 5.2.7. Các mã lệnh chuyển động của dao ........................................................... 140 5.2.8. Lùi về điểm tham khảo G28 và G30 ......................................................... 145 5.2.10. Gia công ren G32 .................................................................................... 146 5.2.11. Cắt ren có bước thay đổi G34 ................................................................. 149 Chƣơng 6 RÔ-BỐT CÔNG NGHIỆP ...................................................................... 150 6.1. Sơ lược quá trình phát triển của rô-bốt công nghiệp .................................... 150 6.2. Cấu trúc cơ bản của rô-bốt công nghiệp ........................................................ 150 6.3. Kết cấu của tay máy ........................................................................................ 151 6.4. Hệ tọa độ .......................................................................................................... 153 6.5. Trường công tác của rô-bốt ............................................................................ 154 6.6. Phân loại rô-bốt công nghiệp ......................................................................... 155 6.6.1. Phân loại theo ứng dụng ........................................................................... 155 6.6.2. Phân loại theo phương pháp điều khiển .................................................... 155 6.7. Ứng dụng của rô-bốt công nghiệp trong sản xuất......................................... 156 PHỤ LỤC ................................................................................................................... 160 Phụ lục 1 Các hệ thống số ..................................................................................... 160 P1.1. Hệ thập phân .............................................................................................. 160 4 P1.2. Hệ nhị phân ................................................................................................ 160 P1.3. Hệ bát phân ................................................................................................ 161 P1.4. Hệ thập lục phân (hex) .............................................................................. 162 P1.5. Số học số nhị phân ..................................................................................... 163 Phụ lục 2 Bảng mã G, M của hãng FANUC ........................................................ 166 P2.1. Mã G .......................................................................................................... 166 P2.2. Mã M ......................................................................................................... 169 Phụ lục 3 Chế độ cắt trên máy CNC ..................................................................... 173 P3.1. Chế độ cắt khi phay ................................................................................... 173 P3.2. Chế độ cắt khi khoan ................................................................................. 174 P3.3. Chế độ cắt khi doa ..................................................................................... 174 P3.4. Chế độ cắt khi tarô ..................................................................................... 176 5 LỜI NÓI ĐẦU Trong một vài năm từ đầu thập kỉ 90 trở lại đây, máy điều khiển số (CNC) đã xuất hiện ở Việt Nam và dần dần khẳng định được vai trò của nó trong sản xuất cơ khí cụ thể là trong một số công nghệ quan trọng như: gia công các loại khuôn mẫu, gia công các chi tiết phức tạp, có độ chính xác cao. Trong khu vực kinh tế Nhà nước, nhiều cơ sở đã đầu tư lắp đặt các dây chuyền sản xuất hiện đại, trong đó có các trung tâm gia công CNC, các phần mềm trợ giúp thiết kế và sản xuất (CAD/CAM) được trang bị đồng bộ. Trong khu vực công nghiệp Quốc phòng, do nhiệm vụ là chế tạo các chi tiết vũ khí có độ phức tạp và chính xác cao nên nhiều cơ sở nghiên cứu, đào tạo và các nhà máy Quốc phòng đã trang bị các loại máy CNC để thực hiện các phương pháp công nghệ khác nhau. Các máy CNC đã được trang bị phần lớn thuộc nhóm máy phay, tiện, cắt dây, gia công điện cực (xung điện). Bên cạnh các máy hiện đại, có độ chính xác cao, như các máy của Trung tâm khoa học công nghệ và kĩ thuật quân sự, Viện công nghệ - Tổng cục công nghiệp QP; còn lại phần lớn các máy được trang bị cho các nhà máy đều có tính năng công nghệ ở mức trung bình. Mặc dù công nghệ CAD/CAM và CNC đã xuất hiện ở Việt Nam trong một thời gian khá dài, nhưng việc ứng dụng nó trong sản xuất vẫn đang chỉ ở giai đoạn khởi đầu do trang bị còn lẻ tẻ, tính đồng bộ không cao. Các cơ sở sản xuất đã trang bị nhiều máy CNC nhưng chưa nối mạng nên chưa có khả năng trao đổi chương trình và dữ liệu với thiết bị bên ngoài; ở một số cơ sở có thiết bị hiện đại thì lại không có công cụ lập trình tương xứng. Ngoài ra vấn đề đào tạo một đội ngũ lập trình viên có đủ năng lực khai thác các thiết bị này cũng là vấn đề đáng chú ý. Giáo trình này phục vụ cho công tác đào tạo kỹ sư công nghệ chế tạo máy và công nghệ chế tạo vũ khí tại Học viện kỹ thuật quân sự (KTQS). Mục đích là cung cấp những hiểu biết chung nhất về máy điều khiển số, hệ thống điều khiển số và các kỹ năng lập trình gia công cơ bản cũng như vận hành máy CNC phục vụ cho môn học "Máy điều khiển số và rô bốt công nghiệp". Giáo trình gồm 6 chương và 3 phụ lục: Chương 1. Máy điều khiển số CNC Chương 2. Hệ thống điều khiển số CNC Chương 3. Cơ sở lập trình gia công cho máy điều khiển số Chương 4. Lập trình cơ bản cho máy phay CNC Chương 5. Lập trình cơ bản cho máy tiện CNC Chương 6. Rô-bốt công nghiệp 6 Các tác giả xin cám ơn đồng chí Dương Xuân Biên, Phòng thí nghiệm công nghệ cao, Trung tâm công nghệ, Học viện KTQS đã cung cấp tài liệu về vận hành máy; các đồng chí Nguyễn Trung Thành, Lê Xuân Hùng, giảng viên Bộ môn Chế tạo máy, Khoa Cơ khí đã giúp đ trong quá trình chế bản. Giáo trình là kết quả của nhiều năm giảng dạy các môn học trong lĩnh vực CAD/CAM-CNC. Tuy nhiên lần đầu tiên xuất bản chắc vẫn còn sai sót. Chúng tôi mong nhận các ý kiến đóng góp để hoàn thiện cho những lần tái bản. ịa chỉ liên hệ: Nguyễn Trọng Bản, Bộ môn Chế tạo máy, Khoa Cơ khí, Học viện KTQS; điện thoại CQ: 069515368, D 0982502954; email: trong_ban29@yahoo.com.vn Các tác giả 7 Chƣơng 1 MÁY ĐIỀU KHIỂN SỐ 1.1. Sự ra đời và phát triển của máy điều khiển số 1.1.1. Lịch sử ra đời và phát triển máy điều khiển số Từ năm 1807 Joseph M. Jacquard đã sử dụng các bìa đục lỗ để điều khiển máy dệt. Những năm tiếp theo ngành công nghiệp dầu mỏ và hóa chất cũng đã sử dụng nguyên lý này. Năm 1947 John Parsons của công ty Pasrons có trụ sở ở Traverse City, Michigan (Mỹ) bắt đầu thí nghiệm ý tưởng sử dụng những dữ liệu đường cong ba chiều để điều khiển máy công cụ gia công một số bộ phận phức tạp của máy bay. Ông đã sử dụng thành công nguyên lý xấp xỉ toán học (nguyên lý nội suy) để cắt gọt biên dạng cánh máy bay trực thăng (helicopter rotor blade) vào tháng 12 năm 1948. Tháng 6 năm 1949 Parsons đã liên kết với phòng thí nghiệm Servomechanisms (cơ cấu bám) của Viện công nghệ Masachuset (Massachusetts Insutute of Technology - MIT) nhằm phát triển máy tự động điều khiển số mà kết quả là vào năm 1952 đã chế tạo thành công máy tự động điều khiển số đầu tiên, máy phay trục đứng Cincinnati Hydrotel. Cụm điều khiển máy (Machine Control Unit - MCU) được thiết kế từ các đèn điện tử chân không và chiếm nhiều không gian hơn máy công cụ. MCU tiếp nhận dữ liệu máy từ các bìa đục lỗ để tạo ra các chuyển động theo ba trục toạ độ nhờ bộ nội suy tuyến tính. Ngay sau đó, một phương án chế tạo máy NC công nghiệp được đề nghị với 3 nguyên tắc sau: - Sử dụng máy tính1 để tính toán quỹ đạo chạy dao và lưu dữ liệu vào bìa đục lỗ. - Dùng thiết bị đọc tại máy để tự động đọc dữ liệu từ bìa đục lỗ. - Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ xử lý và liên tục đưa ra thông tin điều khiển các động cơ dẫn động cơ cấu chấp hành. Năm 1959 triển lãm máy công cụ tại Pari trưng bày những máy NC đầu tiên trên thế giới. Thông tin điều khiển (chương trình gia công chi tiết) của những máy này được ghi trên bìa đục lỗ. Mãi khoảng giữa thập k 60, máy NC mới được sản xuất và sử dụng trong công nghiệp. Tuy nhiên các bộ điều khiển số đầu tiên dùng đèn điện tử nên tốc độ xử lý chậm, cồng kềnh và tiêu tốn nhiều năng lượng. Việc sử dụng chúng cũng rất khó khăn, như chương trình được chứa trong các băng hoặc bìa đục lỗ, khó hiểu và không sửa chữa được. Giao tiếp giữa người và máy rất khó khăn vì không có màn hình, bàn phím. Sau khi các linh kiện bán dẫn được sử dụng phổ biến trong công 1 Chiếc máy tính điện tử đầu tiên mang tên ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) do Mauchly và Eckert chế tạo vào năm 1943. 8 nghiệp (khoảng năm 1960) thì máy gọn hơn, tốc độ xử lý cao hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn,... Các băng, bìa đục lỗ sau này được thay bằng băng hoặc đĩa từ,... Nhưng nói chung, tính năng sử dụng của các máy NC vẫn chưa được cải thiện đáng kể, cho đến khi máy tính được ứng dụng vào đây. Những hoạt động tích cực trong lĩnh vực tiêu chuẩn hoá, những biến đổi xung quanh phần cứng và phần mềm của các hệ thống điều khiển số diễn ra theo