Một vài khái niệm về gia công CNC

Một vài khái niệm về gia công CNC

Một vài khái niệm về gia công CNC

1.       Ba lợi ích của máy CNC
1 – Tự động hóa sản xuất:
Máy CNC không chỉ quan trọng trong ngành cơ khí mà còn trong nhiều ngành khác như may mặc, giày dép, điện tử v.v. Bất cứ máy CNC nào cũng cải thiện trình độ tự động hóa của doanh nghiệp: người vận hành ít, thậm chỉ không còn phải can thiệp vào hoạt động của máy. Sau khi nạp chương trình gia công, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, và như vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác. Thứ nữa, ít xảy ra hỏng hóc do lỗi vận hành, thời gian gia công được dự báo chính xác, người vận hành không đòi hỏi phải có kỹ năng thao tác (chân tay) cao như điều khiển máy công cụ truyền thống.
2 – Độ chính xác vị trí và độ chính xác lặp lại cao của sản phẩm:
Các máy CNC thế hệ mới cho phép gia công các sản phẩm có độ chính xác và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được. Một khi chương trình gia công đã được kiểm tra và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo cho “ra lò” hàng loạt sản phẩm phẩm với chất lượng đồng nhất. Đây là yếu tố vô cùng quan trọng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn
3 – Linh hoạt:
Chế tạo một chi tiết mới trên máy CNC đồng nghĩa với nạp cho máy một chương trình gia công mới. Được kết nối với các phần mềm CAD/CAM, công nghệ CNC trở nên vô cùng linh hoạt giúp các doanh nghiệp thích ứng với các thay đổi nhanh chóng và liên tục về mẫu mã và chủng loại sản phẩm của khách hàng.
Điều khiển chuyển động – Trái tim của CNC

Vì chuyển động trên máy tiện có ít bậc tự do hơn trên máy phay nên các giới thiệu về CNC thường tập trung vào máy phay CNC như là trường hợp tổng quát. Có hai dạng chuyển động khi vận hành máy CNC: chuyển động chạy bàn (thông thường là các hướng X và Y) và chuyển động chạy dao (thường là hướng Z cho máy phay đứng, hướng Y cho máy phay ngang). Với các máy CNC có hơn 3 trục điều khiển, sẽ có thêm các chuyển động xoay quanh các hướng chính nêu ở trên. Phân chia chuyển động chạy bàn và chạy dao khác nhau tùy theo kết cấu và chức năng của máy công cụ.
Để có thể trình bày đơn giản và ngắn gọn, chúng ta quy ước gọi chung điều khiển chuyển động khi gia công chi tiết là điều khiển chạy dao.
Chúng ta hãy nhớ lại người thợ vận hành máy phay truyền thống như thế nào: người đứng máy phải chăm chú theo dõi vị trí của dao so với phôi, dùng cá hai tay điều khiển tay quay để chạy dao và/hoặc bàn máy. Quãng chạy được tính theo số vòng quay cộng thêm số vạch chia độ (xem H.1). Công việc đòi hỏi tập trung cao độ cũng như độ khéo léo, chuẩn xác của đôi tay người thợ. Năng suất gia công vì vậy không thể cao. Độ chính xác cũng khó đạt được mức cao cho các chi tiết phức tạp.
Còn bây giờ, với máy CNC, cơ cấu chấp hành là các động cơ servo với bộ điều khiển CNC thông qua một chương trình gia công (part program). Các dạng chuyển động (nhanh hay ăn dao, thẳng hay cung tròn), trục nào hoạt động, tốc độ ăn dao bao nhiêu đều có thể lập trình. Hình 1 ở trên cho thấy sơ đồ chuyển động của máy công cụ truyền thống, còn trên Hình 2 ta thấy sơ đồ các trục của máy CNC.

Một lệnh CNC thực hiện bên trong bộ điểu khiển sẽ báo cho mô tơ chủ động quay đúng số vòng cần thiết kéo theo trục vitme bi quay số vòng tương ứng. Tới lượt mình vitme bi kéo theo chuyển động thẳng của bàn máy hoặc dao. Thiết bị phản hồi ở đầu kia của vitme bi cho phép kiểm soát kết thúc lệnh đúng khi số vòng quay cần thiết được thực hiện.
Chuyển động của các trục thực tế ra sao hay khái niệm về hệ tọa độ
Trên thực tế không bạn không cần xác định xem phải quay mô tơ bao nhiêu vòng. Chuyển động của các trục được điều khiển đơn giản hơn và logic hơn qua các tọa độ. Có hai hệ trục tọa độ hay được dùng nhất là hệ tọa độ vuông góc (hệ tọa độ Đề các) và hệ tọa độ cực (polar). Trong các máy gia công hệ tọa độ Đề các phổ biến hơn và chúng ta sẽ dùng nó trong các bài viết này.
Chúng ta đã được học về hệ tọa độ trong trường phổ thông và những kiến thức đó đủ cho chúng ta tiếp tục hành trình tìm hiểu công nghệ CNC. Điểm khác so với đồ thị của điểm và đường trong tọa độ toán học là với máy CNC, các giá trị tọa độ thực tế không liên tục mà thay đổi theo bước (increment), hay còn gọi là độ phân giải. Ví dụ với hệ đo mét, bước dịch chuyển tối thiểu thường là 1/1000mm, tức 0.001mm, còn trong hệ đo inch, bước dịch chuyển tối thiểu là 0.0001in. Với chuyển động quay, bước dịch chuyển của góc quay cho cả hai hệ đo thường được lấy là 0.001°.
Giống như hệ tọa độ toán học, mỗi trục trong hệ tọa độ của máy CNC đều có điểm gốc. Ứng với các bài toán kỹ thuật, chúng được gọi là điểm gốc (hay chuẩn, hay điểm 0) của chương trình, của phôi hay của chi tiết. Thuật ngữ tiếng Anh tương ứng là program zero (hay program origin), work zero, part zero.

Với kỹ thuật này, nếu muốn chạy dao sang phải 1 đơn vị đo (inch hay mm) so với điểm gốc thì bạn dùng lệnh X1.0, nếu muốn chạy dao lên trên 1 đơn vị đo so với điểm gốc thì bạn dùng Y1.0. Bộ điều khiển sẽ lập tức xem môtơ và trục vitme bi phải quay bao nhiêu vòng để tới mục tiêu.
Trong ví dụ ở Hình 3, tất cả các điểm đều nằm ở bên trên và bên phải điểm gốc. Một vùng như vậy được gọi là góc ¼ (quadrant), và cụ thể ở Hình 3 là góc phần tư số 1. Máy CNC về nguyên tắc có thể gia công ở các góc phần tư khác nhau và khi đó tọa độ các điểm có thể nhận các giá trị dương cũng như âm. Hình 4 ở dưới biễu diễn 4 góc phần tư và dấu của các tọa độ. Hình 5 cho thấy một ví dụ khi tọa độ gia công nằm ở các góc phần tư khác nhau.

Thiết lập điểm 0 chương trình

Luôn nhớ rằng bộ điều khiển CNC phải được thông báo, bằng cách này hay cách khác, về điểm 0 chương trình. Cách thức mà máy CNC và bộ điều khiển thực hiện việc này rất khác nhau.
Phương pháp cũ là thiết lập điểm 0 chương trình ngay bên trong chương trình gia công. Thông thường lệnh G92 (hoặc G50) được dùng, ít nhất ở đầu chương trình hay mỗi lần thay dao.
Phương pháp mới hơn và tốt hơn để thiết lập điểm 0 chương trình là dùng bù (offset). Các nhà sản xuất bộ điều khiển cho trung tâm gia công gọi bù để thiết lập 0 chương trình là bù gá (fixture offsets). Còn các nhà sản xuất trung tâm gia công tiện lại gọi đó là bù hình học (geometry offsets). Chúng ta sẽ quay trở lại vấn đề này ở Bài #4
Chương trình CNC

Hầu hết các bộ điều khiển CNC hiện nay dùng định dạng địa chỉ lập trình là từ. Nói cách khác, một lệnh CNC giống như một câu, bao gồm các từ CNC với các địa chỉ là chữ hoặc giá trị số. Các địa chỉ chữ (X, Y, A…) xác định kiểu, còn các giá trị số xác định lượng của kiểu giá trị đó.
Bức tranh tương đồng với hoạt động của chương trình CNC có thể tìm thấy trong bất cứ tập hợp các chỉ thị bước-theo-bước nào. Lấy ví dụ có khách hàng tới thăm công ty bạn và bạn cần chỉ dẫn đường đi cho họ. Bạn viết hướng dẫn cho khách từ khi họ xuống sân bay. Để làm được, bạn phải hình dung trong đầu lộ trình từ sân bay tới công ty, rồi tuần tự từng điểm mốc một bạn mô tả chỉ thị cách đi. Khách hàng sẽ làm theo hướng dẫn của bạn, làm bước đầu tiên rồi tiếp theo cho tới khi tìm tới công ty bạn.
Ví dụ có vẻ như lan man, nhưng chủ ý ở đây là vai trò quan trọng của biểu đạt, tức là khả năng hình dung trước đường chạy dao. Không có nó thì khó mà lập trình CNC để gia công các chi tiết phức tạp được. Người điều khiển máy CNC có kinh nghiệm phải hình dung được bất cứ bước gia công nào trước khi thực hiện nó.
00001 (Đánh số chương trình)
N005 G54 G90 S400 M03 (chọn hệ tọa độ, chế độ tuyệt đối, quay trục dao ngược chiều kim đồng ở tốc độ 400 RPM)
N10 G00 X1. Y1. (chạy nhanh tới vị trí XY của lỗ đầu tiên)
N015 G43 H01 Z.1 M08 (xác định bù chiều cao dao, chạy nhanh tới mặt thoát dao để chuẩn bị khoan, bật dung dịch làm mát)
N020 G01 Z-1.25 F3.5 (bắt đầu khoan lỗ đầu tiên, tốc độ ăn dao 3.5 inch/phút)
N025 G00 Z.1 (Thoát dao nhanh khỏi lỗ)
N030 X2. (chạy dao nhanh tới lỗ thứ 2)
N035 G01 Z-1.25 (ăn dao lỗ thứ 2)
N040 G00 Z.1 M09 (thoát dao nhanh khỏi lỗ thứ 2, tắt dung dịch)
N045 G91 G28 Z0 (Quay lại vị trí tham chiếu của hướng Z)
N050 M30 (Kết thúc chương trình)
Chúng ta hãy thử phân tích một chương trình CNC ngắn cho ở bên. Chương trình khoan 2 lỗ trên máy CNC. Bạn chưa cần tập trung vội vào các câu lệnh cụ thể vì các chú thích trong ngoặc đủ để hiểu ý nghĩa của chúng. Mục đích chính ở đây là cấu trúc của chương trình CNC và tính chất tuần tự khi thực hiện các câu lệnh. Trước hết, bộ điều khiển sẽ đọc, dịch (ra mã trực tiếp điều khiển máy), rồi thực hiện lệnh đầu tiên. Xong lệnh đầu tiên mới đi tới lệnh tiếp theo: đọc-dịch-thực hiện. Cứ như vậy cho tới cuối chương trình.
Chú giải cho các ký hiệu trong câu lệnh CNC
Như bạn đã được giới thiệu, mỗi từ trong lệnh CNC có địa chỉ chữ và giá trị số. trên nguyên tắc các nhà sản xuất bộ điều khiển CNC khác nhau có những quy ước khác nhau cho bộ điều khiển của mình. Tuy vậy có những ký hiệu chính được dùng giống nhau và đã trở thành tiêu chuẩn như ở dưới đây
O – Đánh số chương trình (Để đặt tên chương trình)
N – Số thứ tự của câu (dòng) lệnh
G – chức năng chuẩn bị (Preparatory function –xem bên dưới)
X - Trục X
Y - Trục Y
Z - Trục Z
R - Bán kính
F - Tốc độ ăn dao
S - Tốc độ (quay) trục máy
H - Bù chiều dài (cao) dao
D - Bù bán kính dao
T - Ký hiệu dao
M - Các chức năng hỗ trợ
Nếu biết một số thuật ngữ tiếng Anh cơ khí hoặc gia công cắt gọt, bạn dễ dàng phát hiện các ký hiệu thường là chữ cái đầu của từ tương ứng: T (tool), S (spindle), F (feed rate) v.v.
Có hai địa chỉ chữ rất quan trọng là G và M. Chúng cho phép thiết lập các chức năng đặc biệt khi gia công. Chức năng chuẩn bị (G) thiết lập các chế độ. Ví dụ: G90 thiết lập chế độ tuyệt đối, còn G91 thiết lập chế độ gia tăng.
Giống như chức năng chuẩn bị, các lệnh M thiết lập một loạt các chức năng đặc biệt khác. Thông thường chúng bật/tắt chế độ nào đó, ví dụ bật/tắt dung dịch, chạy/stop trục dao v.v…
Ban đầu, việc đọc hay chuẩn bị một chương trình CNC dường như đòi hỏi phải ghi nhớ rất nhiều thứ. Thực tế, chỉ có khoảng 30-40 từ được dùng trong các chương trình CNC. Điều này cũng giống như bạn học một ngoại ngữ mới mà cả tổng cộng chỉ có 40 từ. Không quá khó phải không các bạn?
Lập trình dấu thập phân
Một số địa chỉ trong lập trình CNC làm việc với các giá trị số thực, tức là có dấu thập phân như gán tọa độ của các trục X, Y, Z, gán bán kính của cung R. tuy nhiên một số địa chỉ khác lại chỉ làm việc với số nguyên như S (tốc độ quay của trục), T (dao số mấy), N (số thứ tự của dòng lệnh), G (các lệnh chuẩn bị) và M (các lệnh phụ trợ). Bạn cần lưu ý điểm khác biệt này khi viết hay kiểm tra chương trình.