Lịch sử ra đời và quá trình phát triển của máy CNC

Lịch sử ra đời và quá trình phát triển của máy CNC

CNC (Computer Numeric Controlled)   Thuật ngữ dùng để chỉ sự hoạt động của máy công cụ (phay, tiện, cắt dây, đột dập, cắt khắc,...) dưới sự điều khiển số của máy tính. Ta có thể bắt gặp các loại máy CNC như: máy tiện, máy phay, máy xung, máy cắt dây tia lửa điện, máy cắt laser, máy cắt tia nước có hạt mài, máy đột dập và nhiều máy công cụ khác tại các nhà máy cơ khí chính xác, các xưởng cơ khí, các trường kỹ thuật, viện nghiên cứu; nhưng đó là câu chuyện của hiện tại. Quay ngược về quá khứ, nguồn gốc, lịch sử hình thành của "máy CNC" đã bắt đầu từ cuối thế kỷ 18, đầu thế kỷ 19 với sự xuất hiện của chiếc 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, vì vậy một công cụ cắt có thể gia công bề mặt theo đường mức mong muốn. 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 với phôi được lắp trên bệ máy hay bàn làm việc và di chuyển theo công cụ cắt. Chiếc máy phay này do Eli Whitney phát minh năm 1818. Những chuyển động được sử dụng trong các  máy công cụ được gọi là trục và thường đề cập đến 3 trục: “X” (thường từ trái qua phải), “Y” (trước vào 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 ( các trục A,B,C). 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. Khi cam quay, một liên kết lần theo bề mặt của mặt cam 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 kiểu Thụy Sĩ.

 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 chiến tranh thế giới thứ 2, 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. Parsons sớm nhận ra rằng bằng cách sử dụng máy tính IBM thời kì đầu, ông đã có thể tạo ra những thanh dẫn đường mức chính xác hơn rất nhiều khi sử dụng các phép tính bằng tay và sơ đồ. Dựa trên kinh nghiệm này, 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 (servo motor). Chiếc máy được chế tạo cực kì lớn, phức tạp và đắt đỏ. Mặc dù vậy, nó làm việc một cách tự động và gia công các mặt cong với độ chính xác cao giúp đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp máy bay.   

 Đến những năm 1960, giá thành và tính phức tạp của những chiếc máy tự động đã giảm đến một mức độ nhất định để có thể ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác. Những chiếc máy này sử dụng các động cơ truyền động điện một chiều để vận dụng vô lăng và vận hành dao cụ. Các động cơ này nhận chỉ dẫn điện từ một đầu đọc băng từ – đọc một băng giấy có chiều rộng khoảng 2,5cm có đục một hàng lỗ. Vị trí và thứ tự lỗ cho phép đầu đọc sản xuất ra những xung điện cần thiết để quay động cơ với thời gian và tốc độ chính xác. Trong thực tế, nó điều khiển máy giống như nhân viên vận hành. Các xung điện được quản lý bởi một máy tính đơn giản không có bộ nhớ. Chúng thường được gọi là NC hay máy công cụ có bộ điều khiển số. 

   John Parsons đã xin phép International Business Machine 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, ông đã dàn xếp với Thomas J. Watson, chủ tịch huyền thoại của IBM, nhờ đó IBM sẽ làm việc với tập đoàn Parsons để tạo ra một chiếc máy được điều khiển bởi các thẻ đục lỗ. Nhanh chóng, 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, ông đã đến gặp các kỹ sư ở phòng thí nghiệm cơ cấu phụ thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) nhờ hỗ trợ dự án. Các nhà nghiên cứu MIT đã thí nghiệm nhiều kiểu quá trình khác nhau và cũng đã làm việc với các dự án Air Force từ thời Thế chiến II. Phòng thí nghiệm MIT đã nhận thấy đây là một cơ hội tốt để mở rộng nghiên cứu sang lĩnh vực điều khiển. Việc phát triển thành công các công cụ máy CNC đã được các nhà nghiên cứu của trường đại học đảm trách. Từ đó, việc nghiên cứu, cải tiến, tối ưu hóa các nguyên lí điều khiển, vận hành của máy CNC được thực hiện trên toàn thế giới. Từ các công trình nghiên cứu độc lập, các dự án đòi hỏi trí tuệ số đông, máy CNC ngày càng nhỏ gọn trong cấu tạo, chính xác và thông minh trong gia công. Máy CNC được ứng dụng trong rất nhiều ngành khoa học kỹ thuật, công nghiệp, y tế, quân sự và khó có thể nói nó là tài sản hay sở hữu trí tuệ của riêng cá nhân nào, đất nước nào.
   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. Ví dụ, trong một số máy, nhân viên lập trình có thể đơn giản chỉ cần nhập dữ liệu về vị trí, đường kính và chiều sâu của một chi tiết và máy tính sẽ lựa chọn phương pháp gia công tốt nhất để sản xuất chi tiết đó dưới dạng phôi. 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. Từ các máy công cụ sơ khai với các cơ cấu cơ khí, máy CNC ngày nay hoạt động dưới sự điều khiển của hệ điều hành được lập trình tinh vi, có thể thực hiện chức năng chuyên biệt với các dòng máy phay đứng, máy phay ngang, máy phay giường, cỡ lớn, đôi cột, máy tiện đứng, máy tiện cỡ lớn, máy tiện kiểu Thụy Sĩ, máy phay, tiện 3 trục rồi 5 trục gia công các bề mặt phức tạp, máy xung, máy cắt dây EDM, đột dập liên hoàn, cắt khắc laser kim loại, phi kim cho đến các Trung tâm gia công thực hiện nhiều nguyên công liên tiếp như phay, tiện, khoan, mài, trên một máy chỉ với một lần gá đặt. Các trung tâm gia công có sự trợ giúp của các cơ cấu thay dao tự động ATC cấp phôi tự động, cánh tay robot công nghiệp,...có thể được tích hợp vào hệ thống sản xuất linh hoạt trong các nhà máy lớn. Trí tuệ nhân tạo đang ngày càng phát triển và trợ giúp con người một cách hữu ích, trong đó có máy CNC.

Máy tiện CNC Takang - Đài LoanMáy phay CNC cao tốc bkmech-HSM 50

Tuy ứng dụng khác nhau nhưng cấu tạo của máy CNC hiện đại về cơ bản vẫn bao gồm các phần sau:

1. Phần cơ khí:

- Vỏ máy, thân bệ máycòn gọi là khung sườn của máy, bệ máy được chế tạo bằng phương pháp đúc hoặc hàn sau đó được mang đi nhiệt luyện để khử ứng suất dư giúp cấu trúc kim loại ổn đinh. Vỏ máy, thân máy càng cứng cáp thì độ chính xác càng cao và ổn định. Yêu cầu của nó là phải chịu lực và độ bền cao, có thể hạn chế  rung động (nguyên nhân dẫn tới sai số độ chính xác).

- Vít me bi, ray dẫn hướng, box way, bàn máyCơ chế di chuyển bệ, bàn máy hay trục quay được gọi là vít me bi (ballscrew). Cơ chế này làm thay đổi chuyển động quay của động cơ truyền động thành chuyển động tuyến tính và bao gồm một trục vít (screw shaft) và ổ trục đỡ. Khi trục quay, một ổ trục gắn lần theo các đường rãnh hình xoắn ốc trong trục và sản sinh ra một chuyển động tuyến tính chính xác làm quay bàn làm việc ở dưới trục chính hay giá đỡ trục chính. Những vít me bi này được bắt vào bệ máy với ổ trục gắn ghép vào bàn làm việc hay giá đỡ trục chính được dẫn hướng bởi các ray dẫn hướng (linenear rails). Bàn máy cũng có thể được dẫn truyền bởi cơ cấu Box way.

- Trục chính (Spindle)Trục chính là thành phần có tính quyết định nhất trong máy CNC. Một trục chính ổn định sẽ hợp nhất với sự điều khiển của động cơ – quyết định độ cứng vững hệ thống, hệ thống bôi trơn và nguồn điện cung cấp, đảm bảo độ chính xác và có thể đoán trước được năng suất của máy. Như vậy, quá trình thiết kế trục và tối ưu tốc độ quay của trục chính sẽ mang lại quá trình cắt gọt được tốt nhất và độ chính xác cao nhất cho máy. Trục chính được gia công và gắn vào động cơ truyền động, rồi sau đó được bắt  vào giá đỡ trục chính di động. Đối với hầu hết các trung tâm gia công, mỗi trục chuyển động đều có vít me bi riêng biệt. Phục vụ trục chính trong quá trình gia công hiện đại bao gồm  Bộ phận thay dao tự động (ATC) bằng sự thích ứng của quá trình điều khiển và động cơ, ATC sẽ đưa dao ra khỏi trục chính một cách chính xác thay thế bằng dao cụ có số thứ được định nghĩa từ trước giúp giảm thời gian gá dao, hạn chế sai sót trong gia công; bên cạnh đó là hệ thống bơm bôi trơn, giải nhiệt bằng dầu,...

2. Phần điện, điện tử-Hệ điều hành, bộ điều khiển:

-Bộ cấp nguồn, điều khiển: mỗi máy CNC đều được cấp nguồn qua các thiết bị được lắp đặt trong tủ điện như các thiết bị đóng cắt CB, LCB, MCB, Rơ le, khởi động từ, biến tần, driver,…
-Hệ điều hành là thành phần trung tâm của máy công cụ. Nó được lập trình để điều khiển quá trình chuyển động, vị trí của các thành phần chuyển động trên máy, sao cho đạt được chính xác, tối ưu thời gian cắt, tốc độ và chiều sâu cắt cần thiết. Một số hệ điều hành thông dụng: FANUC, Siemens, Heidenhain, Okuma, Haas,...

Tra cứu thêm các  kiến thức kỹ thuật bổ ích <<<<< TẠI ĐÂY >>>>> và tìm hiểu thêm về chúng tôi thông qua các kênh thông tin dưới đây nhé:

 Sửa máy CNC - BKMech     Sửa máy CNC Hà Nội - BKMech sửa máy CNC - Google Plus