TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIẾN MÁY CNC

Định nghĩa

Máy CNC (computer numerical controlled) là những công cụ gia công kim loại tinh tế có thể tạo ra những chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệ hiện đại. Phát triển nhanh chóng với những tiến bộ trong máy tính, ta có thể bắt gặp CNC dưới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nước có hạt mài, máy đột rập và nhiều công cụ công nghiệp khác.

Lịch sử

Máy tiện gia công kim loại thực tế đầu tiên được Henry Maudslay phát minh vào năm 1800. Nó chỉ đơn giản là một công cụ máy giữ mẩu kim loại đang được gia công (hay phôi) trong một bàn kẹp hay trục quay và quay mẩu kim loại này. Công cụ cắt này được nhân viên vận hành vận dụng qua việc sử dụng cái quay tay hay vô lăng. Độ chính xác về kích cỡ được nhân viên vận hành điều khiển bằng cách quan sát đĩa chia độ trên vô lăng và di chuyển công cụ cắt theo số lượng hợp lý. Mỗi chi tiết được sản xuất ra đòi hỏi vận hành viên lặp lại những cử động trong cùng trình tự và với cùng kích thước. 

Máy tiện do Henry Maudslay chế tạo

Chiếc máy phay đầu tiên được vận hành theo cách thức tương tự như vậy, ngoại trừ công cụ cắt được đặt ở trục chính đang quay. Phôi được lắp trên bệ máy hay bàn làm việc và di chuyển theo công cụ cắt, qua việc sử dụng vô lăng để gia công đường mức của phôi. Chiếc máy phay này do Eli Whitney phát minh năm 1818. Những chuyển động được sử dụng trong các công cụ máy được gọi là trục và đề cập đến 3 trục: “X” (thường từ trái qua phải), “Y” (trước ra sau) và “Z” (trên và dưới). Bàn làm việc cũng có thể được quay theo mặt ngang hay dọc, tạo ra trục chuyển động thứ tư. Một số máy còn có trục thứ năm, cho phép trục quay theo một góc. 

Máy phay do Eli Whitney chế tạo

Một trong những vấn đề của những dòng máy ban đầu này là chúng đòi hỏi nhân viên vận hành phải sử dụng vô lăng để tạo ra mỗi chi tiết. Ngoài tính nhàm chán và gây mệt mỏi về thể chất, khả năng chế tạo các chi tiết của vận hành viên cũng bị hạn chế. Chỉ một khác biệt nhỏ trong vận hành sẽ dẫn đến những thay đổi trong kích thước trục và khi đó, tạo ra những chi tiết không phù hợp. Mức độ kim loại vụn được tạo ra từ những hoạt động như vậy là khá cao, lãng phí nguyên liệu thô và thời gian lao động. Khi số lượng sản xuất tăng lên, càng có nhiều chi tiết bị hỏng. Do đó, điều cần thiết ở đây là một phương tiện vận hành các chuyển động của máy một cách tự động. Những nỗ lực ban đầu để “tự động hóa” các hoạt động này sử dụng một loạt cam để di chuyển dao cụ hay bàn làm việc qua những liên kết (linkage). Khi cam quay, một liên kết lần theo bề mặt của mặt cam (cam face), di chuyển công cụ cắt hay phôi qua một dãy các chuyển động. Mặt cam được định hình để điều khiển khối lượng chuyển động liên kết và tốc độ mà cam quay điều khiển tốc độ cấp dao. Một số máy vẫn còn tồn tại cho tới ngày nay và được gọi là máy “Swiss” (máy kiểu Thụy Sĩ), một cái tên đồng nghĩa với gia công chính xác.

Máy phay kiểu Swiss

Từ thiết kế sơ khai đến hoạt động ngày nay

Thiết kế máy CNC hiện đại bắt nguồn từ tác phẩm của John T. Parsons cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950. Sau Thế chiến II, Parsons tham gia sản xuất cánh máy bay trực thăng, một công việc đòi hỏi phải gia công chính xác các hình dạng phức tạp. Bằng cách sử dụng máy tính IBM thời kì đầu, ông đã có thể tạo ra những thanh dẫn đường mức chính xác hơn nhiều khi sử dụng các phép tính bằng tay và sơ đồ. Nhờ đó, ông đã giành được hợp đồng phát triển một “máy cắt đường mức tự động” cho không quân để tạo mặt cong cho cánh máy bay. Sử dụng một đầu đọc thẻ máy tính và các bộ điều khiển động cơ trợ động (servomotor) chính xác, chiếc máy được chế tạo cực kì lớn, phức tạp và đắt đỏ. Mặc dù vậy, nó làm việc một cách tự động và sản xuất các mặt cong với độ chính xác cao đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp máy bay. 

Máy cắt của John T. Parsons

Năm 1947, John Parsons quản lý một hãng sản xuất hàng không ở thành phố Traverse, Michigan. Đối mặt với tính phức tạp ngày càng cao của hình dạng chi tiết và những vấn đề về toán học và kỹ thuật mà họ gặp phải, Parsons đã tìm ra những biện pháp để giảm chi phí kỹ thuật cho công ty. Ông đã sử dụng một trong những chiếc máy tính văn phòng trung ương của họ để thực hiện một loạt các phép toán cho một cánh máy bay trực thăng mới. Cuối cùng, sau khi dàn xếp với Thomas J. Watson, chủ tịch của IBM thì IBM và tập đoàn Parsons hợp tác để tạo ra một chiếc máy được điều khiển bởi các thẻ đục lỗ. Đồng thời, Parsons cũng ký được hợp đồng với Air Force để sản xuất một chiếc máy được điều khiển bằng thẻ hay băng từ có khả năng cắt các hình dạng đường mức giống như những hình trong cánh quạt và cánh máy bay. Sau đó, Parsons đã đến gặp các kĩ sư ở Phòng thí nghiệm cơ cấu phụ thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) nhờ hỗ trợ dự án. Phòng thí nghiệm MIT đã nhận thấy đây là một cơ hội tốt để mở rộng nghiên cứu sang lĩnh vực điều khiển và cơ cấu phản hồi. Việc phát triển thành công các công cụ máy CNC đã được các nhà nghiên cứu của trường đại học đảm trách với mục tiêu đáp ứng nhu cầu của các nhà bảo trợ quân đội. 

Với những tiến bộ trong điện tử tích hợp, băng từ đã bị loại bỏ và nếu có thì chỉ được sử dụng để tải (load) các chương trình vào bộ nhớ từ. Các máy CNC hiện đại hoạt động bằng cách đọc hàng nghìn bit thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính chương trình. Bộ điều khiển cũng giúp nhân viên lập trình tăng tốc độ sử dụng máy. Thiết bị mới nhất có thể chọn một mẫu kỹ thuật được tạo ra từ máy tính, tính toán tốc độ dao cụ, đường vận chuyển vật liệu vào máy và sản xuất chi tiết mà không cần bản vẽ hay một chương trình.

Các hệ điều khiển phổ biến hiện nay

Fanuc

Là sản phẩm của hãng Fanuc, trụ sở đặt tại Oshino, Minamitsuru, Yamanashi, Nhật Bản thành lập năm 1958 do tiến sĩ Seiuemon Inaba hoạt động chính về mảng Robot, thiết bị CNC, hệ thống laser, với gần 6000 nhân viên trên toàn thế giới

Máy CNC sử dụng hệ điều khiển Fanuc

Siemens

Sản xuất bởi Siemens AG, trụ sở chính đặt tại Berlin và Munich, Đức. Công ty này có 6 lĩnh vực kinh doanh: tự động hóa & điều khiển, điện lực, vận tải, y tế, thông tin và liên lạc và chiếu sáng.

Máy CNC sử dụng hệ điều khiển Siemens

Centroid

Centroid là hệ điều khiển tương thích được với nhiều dòng máy khác nhau. Được phát triển bới Centroid CNC, trụ sở đặt tại Pennsylvania, Hoa Kỳ.

Máy CNC 5 trục sử dụng hệ điều khiển Centroid

Tương lai

Các loại máy CNC sẽ có một tương lai bùng nổ mạnh mẽ. Một ý tưởng đang được phát triển là một chiếc máy có trục chính được treo lên bởi sáu thanh giằng vít me bi lồng vào nhau. Chuyển động của trục chính được điều khiển bởi một máy tính phức tạp có khả năng thực hiện hàng triệu phép tính để đảm bảo đường mức chi tiết chính xác. Phải mất vài triệu đô la để phát triển và sử dụng toán học độc quyền cấp độ cao, chiếc máy này hứa hẹn khả năng thực hiện những hoạt động chưa từng nghe thấy trong gia công kim loại. Sự tiến bộ trong máy tính và trí thông minh nhân tạo sẽ làm cho những chiếc máy CNC tương lai nhanh hơn và dễ vận hành hơn. Tất nhiên, giá của những chiếc máy như vậy chắc chắn sẽ không rẻ và có thể vượt quá tầm với của nhiều công ty. Tuy nhiên, nó sẽ đưa giá của những máy CNC cơ bản thực hiện những chuyển động 3 trục ban đầu xuống một mức độ nhất định.