29590 ban_at_semiconductor_540x150

Điều khiển thích nghi máy công cụ điều khiển số

Email In PDF.

Trong vài thập kỷ gần đây, số lượng các hệ CNC tăng vọt trong mọi lĩnh vực sản xuất. Nhược điểm chung của chúng là ở chỗ, các thông số công nghệ như vận tốc cắt và lượng chạy dao được áp đặt bởi người lập trình và phụ thuộc vào kinh nghiệm, hiểu biết của anh ta. Ngược lại, ý tưởng chứa đựng trong điều khiển thích nghi là cải thiện năng suất hoặc chi phí gia công nhờ tính toàn và thiết đặt các thông số công nghệ tối ưu ngay trong quá trình gia công.

 

cnc14110645

Trong vài thập kỷ gần đây, số lượng các hệ CNC tăng vọt trong mọi lĩnh vực sản xuất. Nhược điểm chung của chúng là ở chỗ, các thông số công nghệ như vận tốc cắt và lượng chạy dao được áp đặt bởi người lập trình và phụ thuộc vào kinh nghiệm, hiểu biết của anh ta. Ngược lại, ý tưởng chứa đựng trong điều khiển thích nghi là cải thiện năng suất hoặc chi phí gia công nhờ tính toàn và thiết đặt các thông số công nghệ tối ưu ngay trong quá trình gia công. Trên thực tế, điều khiển thích nghi là sự phát triển có tính logic của CNC. Bài viết này mô tả hệ AC được thực hiện tại Bộ môn Máy và Robot — Học Viện Kỹ thuật quân sự.

Xuất xứ của vấn đề điều khiển thích nghi máy CNC


 cnc141106

Cho đến nay, khối lượng sản phẩm cơ khí phải qua gia công bằng cắt gọt vẫn chiếm tỷ lệ cao nhất trong các phương pháp gia công kim loại. Cắt gọt là phương pháp hàng đầu về khả năng đáp ứng độ chính xác kích thước, độ phức tạp về hình dạng và chất lượng bề mặt chi tiết gia công. Đó là lý do khiến các công nghệ tiên tiến, có trợ giúp của máy tính (CAD/CAM, CNC) phát triển sớm nhất và mạnh mẽ nhất trong lĩnh vực này.

Nhờ tích hợp được các thành tựu mới trong kỹ thuật điều khiển và máy tính mà các hệ CNC hiện tại có nhiều tính năng tuyệt với và phát triển rất nhanh. Tuy nhiên, về bản chất, điều khiển trên các máy CNC hiện nay vẫn chỉ là điều khiển “tĩnh” với các tham số hệ thống không đổi. Biểu hiện của nó về mặt công nghệ là tốc độ cắt và tốc độ chạy dao được thiết đặt cố định bởi lệnh trong chương trình NC và được duy trì cho đến khi có lệnh thiết đặt giá trị mới.

Trên thực tế, quá trình gia công là một quá trình thường xuyên biến động, ví dụ:

- Bề mặt phôi không bao giờ là một bề mặt lý tưởng. Vì vậy, chiều sâu cắt thực tế thay đổi một cách ngẫu nhiên;

- Trong vùng gia công có thể chứa các lỗ, khe hổng, khi dao chạy qua đó thì không có chút vật liệu nào bị cắt;

- Vật liệu của phôi không đồng đều. Cơ tính của nó có thể thay đổi theo quy luật biết trước hoặc ngẫu nhiên;

- Khả năng cắt của dao thường xuyên bị thay đổi trong quá trình cắt (do mòn dao, lẹo dao, sự thay đổi chế độ cắt, do nhiệt độ dao,…)

- Sự rung động hoặc biến dạng của các thành phần trong hệ thống công nghệ;

- Sự biến động của môi trường xung quanh (nhiệt độ không khí, rung động của nền móng…)

cnc1411062

Hình 1: Tốc độ chạy dao F khi không và có áp dụng AC.

Các đại lượng biến động trên gây nên sự biến động của các thống số ra, như lực cắt, công suất động cơ trục chính, nhiệt độ vùng cắt, biên độ rung động của dao hoặc phôi,… và cuối cùng là không những ảnh hưởng xấu đến chất lượng gia công mà còn có thể gây nên sự cố kỹ thuật.

Trong công nghệ cắt gọt kim loại, điều khiển thích nghi (Adaptive Control — AC) được hiểu là hệ thống có khả năng thường xuyên giám sát sự thay đổi của các thông số ra của quá trình, căn cứ vào đó để thay đổi các thông số công nghệ sao cho chúng luôn đạt giá trị cao nhất có thể mà vẫn không phá vỡ các điều kiện ràng buộc, đảm bảo cho hệ thống hoạt động bình thường.

Hình 1 minh họa một trường hợp điển hình làm nảy sinh ý tưởng điều khiển thích nghi. Bề mặt phôi ghồ ghề dẫn đến sự thay đổi chiều sâu cắt t và lực cắt P (lực cắt là hàm của t). Trên máy CNC, để đảm bảo an toàn, người ta lập trình với tốc độ chạy dao FCNC tương ứng với chiều sâu cắt lớn nhất. Mặc dù phần lớn thời gian máy gia công với chiều sâu và lực cắt nhỏ, thậm chí có vùng dao chạy qua không khí, hoàn toàn có thể tăng tó độ dao chạy F nhưng CNC vẫn chỉ duy trí giá trị FCNC= const.

Nếu bộ điều khiển có khả năng đo lực cắt trong thời gian thực và duy trì cho tốc độ chạy dao F đạt giá trị cao nhất có thể với điều kiện lực cắt không vượt quá trị đặt nào đó thì đồ thị  sẽ thay đổi theo giá trị của t (giả định tỷ lệ nghịch với t). Khi t nhỏ, thì FAC có thể lớn hơn nhiều so với FCNC. Kết quả là tốc độ chạy dao trung bình sẽ lớn hơn giá trị sử dụng cho máy CNC thông thường (FCNC). Đây chính là dạng thường gặp nhất của AC.

Trên hình 2 là sơ đồ máy CNC có AC. Vùng trên là hệ CNC thông thường. Đó là hệ điều khiển kín với các thống số điều khiển là các tọa độ X, Y, Z. Tốc độ cắt S và lượng chạy dao F được xác định từ chương trình NC và không được phản hồi trực tiếp. Quá trình công nghệ nằm ngoài vòng điều khiển nên bộ CNC không có khả năng phản ứng với những biến động của quá trình. Hệ AC được phép thêm (vùng dưới), có nhiệm vụ đo các thông số trạng thái và hiệu chỉnh S, F theo các ràng buộc, mục tiêu và luật điều khiển định trước.

cnc1411063

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý máy CNC có điều khiển thích nghi

Như vậy là, trong khi CNC chỉ nhận tín hiệu phản hồi vị trí của dao, không có khả năng tự động hiệu chỉnh S, F cho phù hợp. Khác với gia công CNC, trong đó năng suất gia công tăng chủ yếu nhờ giảm thời gian gia công (thời gian chạy không, định vị, thay đổi chế độ cắt, gá đặt phôi, thay dao, đo kiểm…), AC tăng năng suất gia công bằng cách giảm thời gian gia công (thời gian chính). Mục tiêu của hầu hết các hệ AC là tăng khối lượng cắt gọt trong gia công thô. Một số công trình nghiên cứu cho thấy, năng suất gia công có AC tăng 20 — 80%, còn chi phí gia công chỉ bằng 40 — 50% so với gia công CNC thông thường. Lợi ích rõ nhất của AC thấy được khi gia công với chiều sâu cắt thay đổi trong phạm vi rộng.

(còn tiếp)

(trích đăng trong Tuyển tập báo cáo hội thảo lần thứ nhất về CĐT)


Tin mới hơn:
Tin cũ hơn: