I.(5) Kiến thức cơ bản về máy CNC

MÁY CẮT CNC

TS. Phan Miêng, HAWEL

Đối với các cán bộ KHKT không chuyên và đặc biệt là đối với các nhà quản lý sản xuất, trước khi đầu tư máy CNC về phục vụ nhu cầu sản xuất cần phải trang bị cho mình một số kiến thức cơ bản về các loại máy hiện nay. Hy vọng bài viết dưới đây sẽ giúp bạn có những thông tin cơ bản đó.

Hệ CNC (hệ điều khiển kỹ thuật số sử dụng máy tính) là phần quan trọng nhất trong các hệ cắt tự động. Trong bài này chúng tôi muốn giới thiệu sơ bộ về công nghệ CNC, bao gồm các chức năng của CNC trong hệ điều khiển chuyển động, khái quát về lịch sử phát triển CNC cho cắt tự động, các tính năng thông thường, tương lai phát triển của CNC và công nghệ điều khiển chuyển động có liên quan. Các hiểu biết cơ bản về công nghệ cho phép người mua lựa chọn đúng loại CNC đáp ứng các yêu cầu về công việc cũng như đáp ứng yêu cầu về tài chính.

I. Các hệ điều khiển chuyển động MCS

Hệ điều khiển chuyển động MCS biến đổi các lệnh đầu vào thành chuyển động cơ học. Các thành phần cơ bản của hệ là :

- CNC

- Hệ truyền động

- Cơ cấu định vị cơ học

- Cơ cấu phản hồi tín hiệu

CNC là bộ óc của hệ điều khiển chuyển động. Nó  điều khiển giao diện người - máy (HMI- human machine interface), ở đó người vận hành nhập các lệnh điều khiển. Hệ CNC sẽ xử lý các lệnh, chuyển đổi thành các tín hiệu cho hệ truyền động có phản hồi theo vòng lặp kín để dịch chuyển theo đúng toạ độ và tốc độ.

Các hệ CNC cho máy cắt thường bao gồm bộ vi xử lý, bộ nhớ trong, bàn phím, màn hình và cổng nối. Người vận hành đưa các hình vẽ bằng chương trình CAD vào hệ điều khiển thông qua đĩa mềm hoặc cáp nối với máy tính. Hệ CNC sẽ xử lý các hình vẽ bằng hàng loạt các tính toán hoặc các thuật toán algorithm, sau đó gửi lệnh đến hệ truyền động.

Hệ truyền động như các cơ bắp của hệ MCS. Nó chuyển các lệnh của bộ não (hệ CNC) thành chuyển động vật lý. Trong các máy cắt tự động, hệ truyền động bao gồm bộ khuyếch đại công suất và động cơ. Các động cơ DC servo có độ rộng xung thường được sử dụng bởi hiệu suất cao và phản ứng nhanh.

Cơ cấu định vị cơ học là kết cấu của chính máy cắt. Kết cấu thường được sử dụng là kết cấu kiểu giàn. Cơ cấu bánh răng- thanh răng hay được sử dụng nhất để trhuyền động. Các vòng bi đỡ cho các bộ phận máy chạy theo trục dọc, hay là X , và trục ngang Y. Mỏ cắt dịch chuyển lên xuống theo trục Z. Chức năng này thường được thực hiện bởi hệ điều khiển khác - hệ điều khiển chiều cao mỏ tự động.

Cơ cấu phản hồi tín hiệu là các sensor dùng để truyền các tín hiệu ngược lại đến hệ điều khiển. Các máy cắt thường dùng encoder và tachometer cho vòng lặp kín. Encoder đo vị trí của dụng cụ cắt. Tachometer đo tốc độ và gia tốc.

Phần lớn các hệ cắt tự động có vòng lặp kín về vị trí và tốc độ. Điều đó có nghĩa là vị trí và tốc độ của mỏ cắt thường xuyên được đo và chuyển ngược lại cho CNC. CNC sẽ so sánh giá trị thực của tốc độ và vị trí với giá trị yêu cầu, hiệu chỉnh liên tục để mỏ cắt giữ đúng biên dạng và tốc độ. Các thông tin được trao đổi và xử lý càng nhanh thì biên dạng cắt càng chính xác.

II. Công nghệ cơ bản

Trong những năm 70 và đầu các năm 80, một vài công ty đã giới thiệu các máy cắt tự động vạn năng có thể lập trình được. Các hệ CNC cổ điển này đơn giản và có khả năng lập trình thấp. Chúng dựa trên kỹ thuật vi xử lý và có bộ vi xử lý 8-bit cùng với các thiết bị ngoại vi như cổng nối tiếp, mạch lựa chọn chip và cổng song song.

Sau này, các CNC được nâng cấp bằng bộ vi xử lý 16 và 32 - bit DSP. Các bộ vi xử lý mới thường tăng gấp đôi tốc độ của hệ điều hành.

Tuy vậy, các CNC cổ điển này dùng các EPROM như các chip lưu trữ phần mềm. Ngôn ngữ lập trình là ngôn ngữ máy hoặc assembly. Nếu muốn thay đổi phần mềm trong EPROM cần thay đổi con chip.

Trong những năm giữa thập kỷ 80, các máy tính PC được phát triển mạnh mẽ. Cùng với PC có các card điều khiển chuyển động MCC. Điều đó có nghĩa là người vận hành có thể sử dụng PC cho giao diện người- máy MHI, bao gồm bàn phím, màn hình, chuột .. và truyền algorithm điều khiển chuyển động sang card MCC. Các vòng lặp về vị trí và tốc độ cũng được điều khiển bởi MCC.

 Điều này đã gây ra biến chuyển cơ bản trong công nghệ CNC. Các nhà sản xuất chip máy tính liên tục cải tiến các bộ vi xử lý để tăng tốc độ tính toán. Với tốc độ xử lý càng cao, ổ đĩa cứng lớn hơn, bộ nhớ to hơn, các nhà sản xuất CNC càng có khả năng thêm nhiều tính năng cho các bộ điều khiển.

III. Công nghệ mới

Phần lớn các nhà sản xuất CNC hiện nay sử dụng hệ điều khiển trên cơ sở PC dưới dạng này hoặc dạng khác. Họ sử dụng nền tảng của DOS, Windows hoặc Windows NT để mang sức mạnh của Microsoft và Intel cho các máy cắt. Nó cho phép giảm giá thành bằng các bộ phận của máy tính có giá hợp lý.

Cùng với nhiệm vụ là giao diện HMI, máy tính PC còn làm nhiệm vụ giao diện đồ hoạ GUI . Đồ hoạ làm cho CNC dễ hiểu và dễ sử dụng hơn. Ngôn ngữ lập trình bậc cao C ++ mạnh hơn, cho phép các nhà sản xuất CNC sử dụng các nguồn lực để phát triển các sản phẩm tốt hơn.

Các nhà sản xuất CNC có thể chia thành hai trường phái về triết học cũng như kỹ thuật. Một trường phái sử dụng PC làm giao diện HMI và truyền algorithm điều khiển chuyển động và vòng lặp cho MCC hoặc DSP. Phương pháp phân tách quá trình xử lý này cho phép cài thêm card MCC mà không làm giảm tốc độ giao diện HMI. Đây là giải pháp có nền tảng ổn định. Tuy nhiên phải đến 30% tốc độ xử lý bị mất do kết nối giữa bộ vi xử lý và MCC.

Một trường phái khác sử dụng PC để điều khiển tất cả các chức năng, một bộ vi xử lý mang tất cả HMI, xử lý hình, chương trình cắt, vòng lặp về vị trí và tốc độ, và lưu trữ số liệu. Điều này cho phép tăng tốc độ và kết nối chặt chẽ giữa các lệnh xuất ra và vòng lặp ngược. Nó còn giảm yêu cầu đối với phần cứng và cho phép thay đổi và cập nhật thông qua phần mềm. Tuy vậy, việc đưa nhiều cơ cấu cần điều khiển vào có thể làm giảm tốc độ xử lý nói chung, đồ hoạ và giao diện MHI nói riêng.

IV. Tính năng

            Sau đây là danh sách các tính năng cần xem xét khi mua bộ CNC mới :

1. Dễ sử dụng: Nhiều hệ CNC dễ hiểu và dễ sử dụng vì chạy trong nền Windows. Các tính năng như đồ hoạ rõ nét, màn hình trong và sáng, màn hình chạm, màn hình trợ giúp đi cùng cho phép sử dụng CNC dễ dàng, giảm thời gian học và tránh được lỗi.

2. Tốc độ xử lý: Tốc độ của bộ vi xử lý trong CNC là rất quan trọng. Hiện nay các bộ CNC có tốc độ đến 266 MHz. Có thể sử dụng ( nhưng không cần thiết ) chip 600 MHz Pentium trong bộ CNC trên nền PC. Tốc độ xử lý nhanh có nghĩa là thời gian tải các hình vẽ trên mạng xuống nhanh hơn, hiệu chỉnh chiều rộng cắt nhanh hơn, độ phân giải tốt hơn trên cơ cấu phản hồi tín hiệu. Tuy nhiên, việc chú trọng quá mức vào tính năng này có thể không hợp lý về giá thành.

3. Độ chính xác: Các vòng lặp khép kín về vị trí và tốc độ cho phép tạo ra chuyển động êm ái và chính xác theo hình vẽ với tốc độ ổn định. Màn hình biểu hiện chuyển động theo thời gian thực cho phép người vận hành kiểm tra bằng mắt độ chính xác của quá trình cắt.

4. Kết nối: Tốc độ kết nối cũng quan trọng. Nếu hình vẽ được truyền qua dây từ máy tính khác thì một modem tốc độ cao là rất hữu ích. Các cổng nối tiếp 115 đến 230 KB có thể dùng được.

5. Chống nhiễu: Các thành phần nhạy cảm trong CNC cần được chống nhiễu về điện hoặc sóng điện từ phát ra từ các nguồn như plasma, máy hàn... Các cổng vào và cổng ra của CNC cần được bảo vệ tương ứng hoặc là các cổng kín .

6. Quản lý dữ liệu: CNC cần có đĩa cứng đủ lớn để ghi lại các file thường dùng. Điều này tăng tốc độ lấy dữ liệu và đơn giản hoá thao tác. Các ổ cứng từ 1 đến 3 GB có thể được một số nhà sản xuất cung cấp. Đĩa cứng cũng dùng để ghi các file trợ giúp, các quá trình cắt, các hình vẽ, các thông số của hệ điều khiển.

7. Kết cấu mở: Kết cấu mở có nghĩa là CNC cần được chế tạo với các phần cứng và phần mềm tiêu chuẩn - công nghiệp, nó giảm giá thành chế tạo và giảm chi phí đầu tư. Các phụ kiện cho kết cấu mở của CNC cũng thường rất rẻ so với các kết cấu đặc biệt. Nếu các bộ phận như màn hình, đĩa cứng... bị hỏng ta có thể sử dụng các bộ phận thay thế từ các nhà cung cấp linh kiện máy tính.

8. Trợ giúp kỹ thuật: Mặc dù người bán quảng cáo tốt nhưng không sản phẩm nào được coi là hoàn thiện. Việc hỗ trợ kỹ thuật thường phải có. Các nhà sản xuất CNC cần xây dựng sản phẩm của mình với một đội ngũ  dịch vụ, có nghĩa là nhanh chóng kiểm tra thay thế tại chỗ bằng các chuyên gia được đào tạo tốt, để đảm bảo sự hài lòng của khách hàng.

V. Công nghệ tương lai

Một vài nhà sản xuất đang làm việc theo hướng sát nhập các quá trình điều khiển trong máy cắt. Điều đó có thể tăng đáng kể hiệu quả của các phần cứng và phần mềm đi kèm, giảm giá thành và dễ sử dụng.

Ví dụ, bộ điều khiển chiều cao mỏ tự động trong máy cắt plasma thường được dùng như một bộ điều khiển riêng biệt. Hệ thống đó có thể được lắp sẵn trong CNC. Nguồn cấp và phần điều khiển khí cho hệ plasma với các phần cứng và phần mềm tự động cũng có thể đưa vào CNC.

Mục đích của việc phát triển sản phẩm mới là tạo ra việc định vị tốt hơn, chất lượng cắt cao hơn, đơn giản và dễ sử dụng. Với hệ điều khiển trung tâm, máy cắt có thể hoàn toàn tự động và quá trình cắt có thể giảm một vài công đoạn.

Người vận hành sẽ đưa tấm kim loại cần cắt vào, chỉ thị vật liệu và chiều dày. Hệ CNC sẽ tự động điều chỉnh các thông số cho quá trình cắt và cung cấp cho người vận hành các thông số đó cũng như các cơ cấu sẽ phải dùng trong quá trình cắt. Khi người vận hành ấn nút " START ", máy sẽ chạy hoàn toàn tự động, các thông số sẽ được hiệu chỉnh liên tục để tạo ra chất lượng cắt tốt nhất, tuổi thọ phụ tùng cao nhất, tốc độ cắt cao nhất. Khi quá trình cắt kết thúc, người vận hành sẽ làm việc với chi tiết cắt tiếp theo đã được chuẩn bị.

VI. Kết luận

Công nghệ CNC đã trải qua một con đường phát triển dài trong 25 năm qua. Nếu bạn là nhà sản xuất cần mua một máy cắt mới, hoặc nâng cấp máy cũ để tăng tính hiệu dụng và tính năng sử dụng, bạn nên nhìn nhận cẩn thận khi lựa chọn bộ CNC.