Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC

LỜI NÓI ĐẦU
Trong trào lưu phát triển và hội nhập, nền kinh tế, kỹ thuật của mỗi nước
gắn liền với sự phát triển của nền kinh tế và kỹ thuật trên thế giới ở các nước
công nghiệp phát triển, quá trình tự động hoá,điện tử hoá, các phần mềm tin
học ứng dụng đã được đưa vào các ngành kỹ thuật trong đó có ngành chế tạo
đã có vài chục năm phát triển và đạt trình độ cao. Các thiết bị sản xuất được tự
động hoá cao nhờ sự hỗ trợ của các hệ thống điều khiển bằng máy đã có mặt ở
nhiều nhà máy, công ty thuộc các ngành khác nhau như dệt, may mặc và chế
tạo máy .
Thời kỳ đổi mới đất nước ta đã chủ trương phát triển ngành cơ khí chế tạo
thành ngành công nghiệp chủ đạo và không ngừng cải tiến và chuyển đổi trang
thiết bị máy móc hiện đại để phục vụ sản xuất cho năng xuất cao. Chúng ta đã
dần dần đưa các máy điều khiển theo chương trình số. Đây là điều kiện kỹ
thuật cơ bản để thực hiện những dự án tự động hoá linh hoạt trên từng máy
công cụ điều khiển số riêng lẻ hay ở các trung tâm gia công điều khiển số.
Cũng như việc ghép nối chúng thành một hệ thống linh hoạt, điều khiển liên
thông bằng các máy điện toán nối mạng.
Với thời gian thực tập tốt nghiệp sáu tuần chúng em đã được thày giáo
Nguyễn Công Nguyên hướng dẫn nghiêm cứu hệ thống điều khiển số trên máy
công cụ CNC. Chúng em đã biệt được sự khác biệt của máy công cụ CNC và
máy công cụ thông thường,những ưu nhược điểm,những khái niệm cơ bản về
máy công cụ CNC và quá trình gia công trên máy công cụ CNC bằng điều
khiển kỹ thuật số.
- 1 -
CHƯƠNG I
CHỨC NĂNG VÀ NGUYÊN LÝ MÁY CÔNG CỤ CNC
o MÁY CÔNG CỤ CNC & MÁY CÔNG CỤ THÔNG THƯỜNG,NHỮNG ƯU
ĐIỂM CƠ BẢN CỦA MÁY ĐIỀU KHIỂN SỐ.
1. Máy công cụ thông thường
Khi thực hiện gia công trên máy thông thường người công nhân thường phải
dùng tay để điều khiển máy, người công nhân căn cứ vào phiếu nguyên công để cắt

gọt chi tiết nhằm đảo bảo các yêu cầu kỹ thuật đặt ra.
Trong những trường hợp như vậy năng suất và chất lượng sản phẩm phụ thuộc
vào rất nhiều tay nghề của công nhân, nếu so với các máy điều khiển số thì máy công
cụ thông thường còn rất nhiều hạn chế tuy nhiên máy công cụ thông thường vẫn được
sử dụng rộng rãi ở Việt Nam với lý do giá thành thấp và thuận tiện cho công việc sửa
chữa và cho nền sản xuất còn đang ở trình độ thấp.
2. Máy công cụ CNC
Máy công cụ CNC là bước phát triển từ máy NC ( thế hệ sau máy công cụ thông
thường). Các máy CNC có một máy tính để thiết lập phần mềm để điều khiển chức
năng dịch chuyển của máy. Các chương trình gia công được đọc cùng một lúc và được
lưu trữ vào trong bộ nhớ, khi gia công máy tính đưa các câu lệch vào điều khiển máy.
Máy công cụ CNC có khả năng thực hiện các chức năng như : nội suy đường thẳng,
cung tròn, mặt xoắn, mặt parabol và bất kỳ mặt bậc ba nào, máy CNC cũng có khả
năng bù chiều dài và đường kính dụng cụ.Tất cả các chức năng trên đêù được nhờ một
phần mềm cửa máy tính, các chương trình lập ra đều có thể được lưu trữ vào đĩa cứng
hoặc đĩa mềm. So với máy công cụ thông thường thì máy công cụ CNC có khả năng tự
động hoá, độ chính xác cũng như chất lượng sản phẩm khi gia công rất cao. Quá trình
điều khiển chuyển động giữa các trục của máy thay vì phải điều khiển bằng tay trên
máy công cụ thông thường, thì máy công cụ điều khiển theo chương trình số công việc
- 2 -
này được các động cơ dẫn động đảm nhiệm,chạy theo biên dạng của chi tiết theo một
chương trình đã được lập ( hình vẽ)
3. Ưu nhược điểm của máy công cụ CNC
a)Tính năng tự động cao
Các máy ứng dụng kỹ thuật CNC đạt tốc độ dịch chuyển lớn.Trong lĩnh vực gia
công cắt gọt, máy công cụ CNC có năng suất cắt gọt cao và giảm được tối đa thời gian
phụ, do mức tự động hoá nâng cao vượt bậc
a) Tính linh hoạt cao
Với một tổ chức công tác chuẩn bị sản xuất và chuẩn bị môi trường xung quanh
vùng làm việc, máy CNC có thể dễ dàng thay đổi chương trình gia công, thiết thực

với các loại chi tiết khác nhau, thời gian chuẩn bị và hiệu chỉnh kỹ thuật tại khu vực
làm việc giảm đáng kể.Thời gian thay dao được thực hiện nhanh chóng, chính xác có
thể chuẩn bị dao ở vùng ngoại vi và nạp trở lại vào ổ tích dao chuyên dùng gắn trên
máy
Máy điều khiển kỹ thuật số có thể thực hiện một lúc nhiều chuyển động khác nhau,
tự động điều chỉnh sai số dao cụ, tự động khiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự
động hiệu chỉnh sai lệch vị trí tương đối giữa dao và chi tiết
Máy công cụ gia công được loạt chi tiết nhỏ, phản ứng một cách linh hoạt khi nhiệm
vụ công nghệ thay đổi và điểm quan trọng nhất là việc lập trình gia công có thể thực
hiện được ngoài máy, trong văn phòng có sự hỗ trợ của kỹ thuật tin học thông qua
các thiết bị vi tính, vi xử lý,….
b) Tính năng tập chung nguyên công cao
Đa số các máy CNC đều có thể thực hiện một số lượng lớn các nguyên công
khác nhau mà không cần thay đổi vị trí gá đặt của chi tiết
c) Tính năng chính xác, đảm bảo chất lượng gia công
Độ chính xác lập lại đặc trưng cho mức độ ổn định trong suốt quá trình đảm bảo
chất lượng gia công cao, là ưu việt tuyệt đối của các máy điều khiển kỹ thuật số
Bản thân nguyên tắc điều khiển theo chương trình số là đảm bảo cơ bản của độ
chính xác gia công trên máy. Ngoaì ra máy CNC còn có điều kiện khai thác tối đa
các chế độ cắt gọt, các nguyên lý cắt và phương án gá đặt, đảm bảo độ chính xác cao,
ổn định chất lượng sản phẩm.
- 3 -
d) Năng suất, tính hiệu quả kinh tế_ kỹ thuật cao
Sự lựa chọn thế hệ máy CNC ngày nay trở thành một đặc tính cần thiết có tầm
quan trọng, quyết định đối với các xí nghiệp công nghiệp. Nhiều nghiêm cứu đã dự
báo về khả năng phát triển, khả năng lợi nhuận và khả năng tái sản xuất tiềm tàng đã
thuyết phục giới công nghiệp ngày càng tiến tới phổ cập kỹ thuật điều khiển số cho
máy công cụ. Cùng với quá trình thiết kế các môđun sản phẩm mới, người ta đặc biệt
chú ý rằng thiết kế kết cấu chi tiết máy cần phải định hướng sao cho chỉ có thế hệ
máy điều khiển số mới gia công được

o HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THEO CHƯƠNG TRÌNH SỐ
1. Nguyên tắc cấu trúc
Điều khiển theo chương trình số ( numerical control). Là phương pháp tự động
điều khiển các máy móc, trong đó các hành động được sản sinh trên cơ sở cung cấp các
dữ liệu ở dạng mã chữ cái + các con số và các ký tự đặc trưng,hợp thành một chương
trình làm việc. Điều khiển CNC cũng là phương pháp tự động hoá các chức năng của
máy tính với tính linh hoạt cao, được thể hiện ở sự thích ứng rất dễ dàng với các công
việc gia công khác nhau.
Đó là con đường can thiệp sâu và trực tiếp của quá trình xử lý thông tin trong các
hoạt động sản xuất, không tách rời phạm trù của tin học ứng dụng. Máy công cụ điều
khiển theo chương trình số là những máy công cụ làm việc với các hệ thống ngắt và hệ
lệch đường dịch chuyển trên cơ sở cung cấp các dữ liệu của công nghệ gia công cắt gọt
ở dạng mã nói trên. Những hệ lệnh này được tổ chức theo một chương trình gia công
chặt chẽ chính xác. Nguyên tắc của cấu trúc CNC được thể hiện như trên hình vẽ :
- 4 -

Hình 1: Sơ đồ hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC
Từ bản vẽ chế tạo chi tiết và những số liệu kỹ thuật, số liệu công nghệ yêu
cầu,một chương trình gia công được thiết lập gồm từng bước chương trình kế tiếp
nhau. Chương trình này được số hoá và ghi vào vật mang tin bởi một cốt mã tương
thích. Ở các thế hệ CNC ban đầu, vật mang tin có thể là băng đục lỗ hoặc băng
- 5 -
Vật mang tin
HTđo
B n máyà
Điều khiển
So sánh
B n máyà
Nội suy
Hệ lệnh đóng/ngắtNhớ

Đọc
Bản vẽ
Lập trình
Vật mang tin
từ(catssete), đĩa từ (disk) với sự phát triển của máy CNC sau này người ta dùng bộ máy
tính trung tâm.
Trong nguyên tắc DNC(trong nguyên tắc vận hành DNC, các máy CNC được một
thiết bị điện toán trung tâm cung cấp trực tiếp các chương trinh gia công. Các chương
trình gia công được ghi nhớ trên đĩa từ và được nạp vào máy điện toán trung tâm, từ đó
nó có thể truyền đi thông qua các đường dây chuyền tải dữ liệu đến các bộ nhớ nội tại
của CNC) hoặc bộ nhớ của cụm máy tính cài đặt ngay bên trong của máy công cụ
( trong nguyên tắc CNC) để ghi nhận chương trình. Quá trình xử lý đến bước này được
coi là xử lý ngoài máy .
Tiếp theo là quá trình xử lý bên trong. Các dữ liệu ghi trên vật mang tin được tiếp
nhận thông qua bộ đọc, bộ đọc có nhiệm vụ kiểm tra các thông tin đã được đọc về hình
thức cấu tin ( tính chẵn của số bít trong mã số ISO ) và ngừng ngay quá trình đọc khi
phát hiện cấu trúc tin bị mắc lỗi. Sau đó các thông tin này được chuyển vào bộ nhớ và
bộ nhớ chương trình đảm bảo chuẩn bị và thực hiện chuẩn bị các bước song song ( xử
lý đông thời) các thông tin của một công đoạn gia công vốn đã được đọc vào theo thứ
tự từng bước ( dạng chuyển động, toạ độ của điểm kết thúc chuyển động, tốc độ trên
đường biên dạng, số vòng quay và chiều quay trục chính), dụng lượng của các bộ nhớ
trong các hệ CNC hiện đại cho phép nội dung thông tin của nhiều chương trình con
được lưu trữ cùng một lúc trong bộ nhớ. Từ bộ nhớ thông tin này được chuyển qua bộ
nội suy và bộ nội suy tính toán hiệu chỉnh đảm bảo các dữ liệu của chương trình đọc
vào phù hợp với không gian làm việc của máy, hình thành nên bên dạng của chi tiết
cần gia công trong một dung sai xác định. Các tín hiệu điện được bộ lọc chuyên đổi từ
các thông tin cần đưa vào thành tín hiệu tương tự ( tín hiệu điện), tín hiệu này hình
thành giá trị “Cần” của vị trí bàn máy ( trong hệ lệnh về hường dịch chuyển ). Nó được
dẫn tới bộ so sánh theo một “ nhịp” điều khiển xấc định. Giá trị “ thực “ về vị trí bàn
máy được thu thập thông qua hệ thống đo lường dịch chuyển và cũng được dẫn tới bộ

so sánh .
Kết quả đưa ra từ bộ so sánh giá trị “ Cần_ Thực” trở thành những tín hiệu điều
khiển tự động cấp cho hệ thống truyền động, nhằm đạt tới vị trí chính xác mong muốn
của bàn máy. Đến khi kết quả so sánh cặp giá trị “ Cần _ Thực” bằng “ Không”, tín
hiệu điều khiển không còn nữa và hệ thống truyền động ngừng lại.
Quá trình trên đây được thực hiện trên nguyên tắc đường tác dụng “ kín”(hình a ). Còn
trên ( hình b ), lại mô tả một hệ điều khiển theo nguyên tắc đường tác dụng hỡ. ở đây,
- 6 -
các thông tin đã ghi nhận được truyền động thẳng tới hệ truyền động thông qua cụm
điều khiển. Giá trị “ Thực” không được thu thập và phản hồi trên đường tác dụng “hở”.
Đối với hệ lệnh đóng/ ngắt quá trình cũng diễn ra tượng tự, chúng được ghi nhớ, xử lý
và truyền đạt tới các khâu điều chỉnh và những chu kỳ làm việc thích hợp .
2. Các dạng điều khiển trong điều khiển số
Các dạng máy công cụ khác nhau, các bề mặt tạo hình khác nhau đòi hỏi những
chuyển động tương đối rất khác nhau giữa dao cụ và chi tiết gia công. Các dạng điều
khiển số đó cũng được phân thành :
_ Điều khiển điểm
_ Điều khiển đoạn thẳng hay điều khiển đường thẳng
_ Điều khiển biên dạng ( điều khiển contour)
a) Điều khiển điểm
Với các máy khoan, doa, cắt ren lỗ, chi tiết gia công phải được định vị tại một
điểm cố định trên bàn máy.Trong quá trình định vị, dao không vào cắt, chuyển động
trên các trục riêng lẻ, lúc này không có rằng buộc bởi các quan hệ hàm số,tốc độ của
các yếu tố định vị không phụ thuộc vào yếu tố công nghệ .Nghĩa là khi đạt tới các điểm
đích dao bắt đầu cắt.Tuy nhiên có trường hợp dao không dịch chuyển mà bàn máy dịch
chuyển. Mục đích cần đạt là các kích thước a, b, c, d, e phải chính xác, còn các quỹ đạo
chuyển động của dao hay bàn máy đều không có ý nghĩa lắm ( hình vẽ)
Vị trí của các lỗ có thể được điều
khiển đồng thời trên hai trục ( hình vẽ)
hoặc điều khiển kế tiếp nhau ( hình

vẽ).Trong trường hợp chạy dao đồng
thới trên hai trục X,Y thì quỹ đạo trở
thành một góc
α
so với trục nào
đó.trên hình vẽ góc hợp thành quỹ đạo
chuyển động của dao và trục X là góc
α


Hình 2 : Điều khiển điểm-điểm
- 7 -
a) điều khiển đồng thời hai trục
b) điều khiển kế tiếp
Hình 1-3 : Các dạng chạy dao trong điều khiển điểm - điểm
Trong trường hợp chạy dao độc
lập thì trước hết dao chạy song song
với trục Y tới điểm 1’ ( toạ độ X
không đổi ) sau đó chạy dao theo
trục X để tới điểm 2. Như vậy
chuyển động dao theo các trục là
hoàn toàn độc lập nhau
b) Điều khiển đường thẳng
Điều khiển đường thẳng là dạng điều khiển mà khi gia công dụng cụ cắt thực
hiện một lượng chạy dao theo một đường thẳng nào đó. Trên máy tiện dụng cụ cắt
chuyển động song song hoặc vuông góc trục của chi tiết ( trục Z) hình vẽ. Trên hình
vẽ là máy phay dụng cụ cắt chuyển động song song với trục X. Trong cả hai trường
hợp trên dụng cụ cắt chuyển động độc lập theo từng trục ( không có quan hệ ràng
buộc khác ). Dạng điều khiển này dùng cho máy phay và máy tiện điều khiển theo
chương trình số.

c) Điều khiển theo biên dạng
Điều khiển theo biên dạng (contour) cho phép chạy dao trên nhiều trục cùng
một lúc, vị trí trên hình vẽ ở máy tiện và trên máy phay
- 8 -
Trong cả hai trường hợp trên dụng cụ cắt chuyển động đồng thời theo hai trục để tạo ra
một biên dạng vừa có phần thẳng vừa có phần cong . Trong đó các chuyển động theo
các trục có quan hệ hàm số rằng buộc với nhau .Dạng điều khiển này ứng dụng
trên các máy tiện và máy phay các
trung tâm gia công, (máy công cụ
tự động đa chức năng có quá trình
trao đổi dao tự động,thực hiện
nhiều công nghệ khác nhau
như khoan,phay,cắt ren, tiện
rộng,..).Tuỳ theo số trục được
điều khiển đồng thời khi gia công
để phân biệt thành điều khiển contour 2D, điều khiển contour 2,5D và điều khiển 3D
(D= Đimension hay kích thước )
CHƯƠNG II
KHÁI NIỆN VỀ MÁY CÔNG CỤ CNC
I. CHỨC NĂNG CỦA CNC
Để thực hiện các nguyên công gia công dự kiến trên máy CNC phải có đầy đủ
trang thiết bị kỹ thuật bảo đảm chức năng của một máy gia công kỹ thuật số
1. Các chuyển động thực hiện dịch chuyển tương đối Dao/Chi tiết một chương
trình xác định
a) Chuyển động đảm bảo tốc độ cắt hay năng lượng tạo hình
Dụng cụ cắt phải đảm bảo chức năng sau :
- Truyền một chuyển động tạo ra tốc độ cắt trực tiếp .
- Truyền một chuyển động chạy dao với một tốc độ nhỏ hơn và theo một hướng
khác với hướng tốc độ cắt.
- Truyền đồng thời cả hai tốc độ cắt và chạy dao theo phương pháp tổ hợp

- Giữa cố định trong phương án các chuyển động nói trên truyền cho chi tiết gia
công
- 9 -
Công suất đảm bảo năng lượng tạo hình thay đổi trong khoảng rộng từ vài trăm W
đến vài trăm Kw
b) Chuyển động chạy dao
Đảm bảo các dịch chuyển cuả dụng cụ cắt hoặc chi tiết gia công trong các quỹ
đạo tương đối giữa chúng. Những quỹ đạo này phụ thuộc vào biên dạng đường cắt
của quá trình tạo hình,biên dạng của bản thân dụng cụ cắt và các yêu cầu kỹ thuật
đạt ra cho chi tiết gia công. Công suất của chuyển động chạy dao thay đổi trong
khoảng một vài Kw, trừ trường hợp máy gia công các chi tiết lớn.
Tất cả các chuyển động nói trên đều được thực hiện bởi các động cơ riêng biệt,
được điều khiển độc lập với nhau.
2. Quá trình cấp dao
Các thế hệ CNC ngày nay càng được trang bị các hệ thống cấp dao hoàn
chỉnh, trong đó các quá trình cấp dao,chuyển đổi dụng cụ cắt đều được thực hiện
một cách tự động.
Một tổ hợp các nhóm dao, lựa chọn theo những nhiệm vụ công nghệ dự kiến trước,
được xếp vào các ổ tích luỹ dao.Từ ổ này, dao được chuyển trực tiếp cho kết cấu
kẹp trên đầu trục chính, hoặc thông qua một tay máy đổi dao, đảm bảo lấy dao vừa
cắt xong từ trục chính trở lại ổ tích luỹ và thay vào một dao mới từ ổ dao lắp vào
trục chính.
Phổ biến có hai loại ổ dao tích lũy dao ( hình vẽ). Trong đó h1 là ổ dao dạng
đĩa hoặc dạng tang quay. Hình 2 là ổ dao dạng xích. ổ tích lũy dao kiểu đĩa hoặc
tang quay có một dung lượng cố định nhưng bản thân cả đĩa hoặc tang quay có thể
thay đổi một cách tự động. ổ tích lũy dao kiểu xích thì có thể thay đổi được số dao
chứa ở trong đó
3. Quá trình cấp chi tiết
Đối với nhóm có chi tiết quay thì việc tháo lắp ra chi tiết vừa gia công mới
được thực hiện bởi một rô bốt gắn liền với máy .

Kết cấu hợp thành toàn máy do đó phụ thuộc vào các chuyển động mà ta yêu cầu rô
bốt thực hiện. Các chi tiết gia công xong cũng như các chi tiết thô được đặt trên giá
đỡ di động có dạng một băng tải hoặc đặt trên các máng dẫn đảm bảo sự dịch
chuyển của chúng theo nguyên tắc trọng lực
Đối với nhóm máy có dao quay
- 10 -