nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ cnc

Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
LỜI TỰA
Các nước phát triển trên thế giới, sự đột phá về khoa học kỹ thuật đã giúp
họ tìm ra những kỹ thuật tiên tiến áp dụng trong sản xuất, chế tạo. Nhằm tạo ra
những công cụ giảm sức lao động của con người mà năng suất, hiệu quả kinh tế
đạt ở mức độ cao. Trong ngành chế tạo máy thì không ngừng đổi mới những
tính năng của các máy, quá trình tự động hoá, các phần mềm ứng dụng tin học
được đưa vào trong kỹ thuật chế tạo. Do vậy các thiết bị sản xuất được tự động
hoá cao nhờ sự hỗ trợ của hệ thống điều khiển số bằng máy tính đã có mặt ở
các nhà máy, xí nghiệp,……
Trong chế tạo máy từ những máy thông thường đã dần được cải tiến nhờ
điều khiển số, lúc đầu xử dụng hệ điều khiển NC dùng để điều khiển tự động
một chuỗi lệnh kế tiếp liên tục. Thế hệ sau của NC là hệ điều khiển số CNC
dùng các cụm vi xử lý thông qua máy tính để thực hiện một cách tự động các
máy công cụ, bằng các chương trình được lập trước.
Thời kỳ đổi mới đất nước ta đã chủ trương phát triển ngành công nghiệp
nặng, trong đó ngành cơ khí chế tạo được quan tâm, và không ngừng đổi mới
các trang thiết bị để năng cao chất lượng và tính ưu việt của sản phẩm. Do vậy
các máy điều khiển số đang được sử dụng rộng rãi ở nước ta để chế tạo cơ khí,
đặc biệt áp dụng để chế tạo các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết phục vụ trong
công nghiệp Quốc Phòng. Các máy công cụ điều khiển số còn được dùng trong
công tác nghiên cứu khoa học và đào tạo, qua các lớp đào tạo về máy điều
khiển số ta có thể tìm hiểu vận hành và sử dụng chúng để nâng cao trình độ áp
dụng trong sản xuất có hiệu tối đa nhất.
Dưới đây em xin trình bày toàn bộ nội dung đồ án tốt nghiệp “Nghiên
cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC”. Để hiểu sâu hơn về máy
công cụ điều khiển số, trong thuyết minh em trình bày các phần sau:
Chương I: Khái niệm cơ bản về điều khiển số & máy công cụ CNC.
- 1 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
Chương II: Bộ nội suy và hệ thống truyền động cơ khí trong máy điều

khiển số.
Chương III: Lập trình trên máy công cụ điều số theo ngôn ngữ ISO và
lập trình trên máy phay DMU 60 – T với bộ điều khiển TNC 426 (dùng ngôn
ngữ DINPLUS) và các chương trình gia công.
Phụ lục: Một số chương trình gia công trên máy phay TNC426 (dùng
ngôn ngữ DINPLUS).
- 2 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
CHƯƠNG I
KHÁI NIỆN CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ
VÀ MÁY CỘNG CỤ CNC
Đ1: KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ
I. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN, TRÌNH ĐỘ HIỆN TẠI CỦA NGÀNH
MÁY CÔNG CỤ CNC.
1. Quá trình phát triển.
Ý tưởng điều khiển một dụng cụ thông qua một chuỗi lệnh kế tiếp liên
tục, mà chúng được ứng dụng trong các máy điều khiển NC ngày nay, thực ra đã
được phát kiến từ thế kỷ 14, bắt đầu từ những cụm chuông được điều khiển bởi
các trục đục lỗ.
Năm 1808, Joseph M Jacquard dùng những tấm tôn đục lỗ điều khiển tự
động các máy dệt. Những “vật mang tin thay đổi được” đã ra đời.
Cuối những năm 1940, Học viện công nghệ MIT ( Massachusetts Institute
of Technology ) của Hoa Kỳ thực hiện dự án nghiên cứu kỹ thuật điều khiển số.
Năm 1953 – Công bố sáng chế máy phay điều khiển theo chương trình số
NC.
Năm 1959 máy công cụ NC được triển lãm đầu tiên ở Pari, trình bày
những máy NC đầu tiên ở Châu Âu.
Từ sau năm 1960, bóng đèn điển tử được thay thế bởi các phần tử bán dẫn
điện tử rời rạc điốt ( đèn hai cực ) và Tranzito ( đèn ba cực ). Nhưng đa số
những linh kiện này vẫn đòi hỏi thể tích chiếm chỗ đủ lớn, còn rất nhiều mỗi

hàn và các ổ cắm (giao điện ) vừa tốn kém trong chế tạo và hạn chế độ tin cậy
- 3 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
trong vận hành và điều khiển.Thông tin điều khiển ghi trên băng đục lỗ, dung
lương thấp, khi gia công cho nhiều chi tiết giống nhau vẫn phải đọc băng đục lỗ
cho từng lân gia công. Khi thay đổi chương trình điều khiển đòi hỏi phải cải tiến
hay làm lại băng đục lỗ.
Trong những năm 70 ngành điều khiển số nhanh chóng ứng dụng trong
các thành tựu phát triển của kỹ thuật vi điện tử , vi mạch tích hợp. Những hệ NC
sử dụng các bản mạch logic nối cứng được thay thế bởi các hệ điều khiển có bộ
nhớ và dung lượng đủ lớn. Do nối ghép các cụm vi tính vào hệ điều khiển số mà
phần cứng có nhiệm vụ chuyên dùng trước đây được thay thế bằng các phần
mềm linh hoạt hơn. Dung lượng nhớ ngày càng được mở rộng, tạo điều kiện lưu
trữ trong hệ điều khiển số trước hết là những chương trình đơn lẻ sau đó là cả
một thư viện chương trình, lại có thể thay đổi được chương trình đã lập một cách
dễ dàng thông qua cấp lệnh bằng tay, thao tác trực tiếp trên máy.
Năm 1972, các tủ điều khiển NC đầu tiên có cài đặt các cụm vi tính chế
tạo hàng loạt đưa ra một thế hệ mới các thiết bị NC cài đặt các cụm vi tính có
công năng mạnh mẽ hơn. Thế hệ này được nhanh chóng thay thế bởi các cụm
điều khiển CNC cài đặt ( Microproessor ).
Năm 1984 hệ điều khiển CNC có công năng mạnh được trang bị các công
cụ trợ giúp lập trình “ garaphic ”. Tiến thêm một bước phát triển mới lập trình
tại phân xưởng sản xuất.
Những năm 1986 – 1987 các giao diện tiêu chuẩn hóa ( Inteface ) mở ra
con đường tiến tới các xí nghiệp tự động trên cơ sở một hệ thống trao đổi thông
tin liên thông : CIM ( Computer Integrated ManufaeTuring ).
2. Trình độ hiện tại.
Các chức năng tình toán trong hệ thống CNC ngày càng hoàn thiện hơn
và đạt độ xử lý cao do tiếp tục ứng dụng những thành tựu phát triển của các bộ
vi xử lý

P
µ
. Các hệ thống CNC được chế tạo hàng loạt lớn theo công thức xử lý
đa chức năng, dùng cho mục đích điều khiển khác nhau.
- 4 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
Vật mang tin từ băng đục lỗ, băng từ, đĩa từ tiến tới đĩa compact ( CD) có
dung lượng nhớ ngày càng mở rộng, độ tin cậy và tuổi thọ ngày càng cao.
Việc cài đặt các cụm vi tính trực tiếp vào hệ NC để trở thành hệ CNC
( Computer Numerical Control ) đã tạo điệu khiện ứng dụng máy công cụ CNC
ngay cả trong xí nghiệp nhỏ không có phòng lập trình riêng. Nghĩa là người điều
khiển có thể lập trình trực tiếp trên máy. Dữ liệu lập vào nội dung lưu trữ, thông
báo về tình trạng hoạt động của máy công cụ chỉ dẫn cần thiết cho người điều
khiển được hiện trên màn hình.
Màn hình ban đầu chỉ là đen trắng với các ký tự chữ cái và con số thì
ngày nay đã dùng màn hình màu có độ phân giải cao (có thêm toán đồ họa và
hình vẽ mô phỏng tĩnh hoặc động quá trình gia công của chi tiết). Biên dạng của
chi tiết gia công và chuyển động của dao đều được hiển thị trên màn hình.
Các hệ CNC riêng lẻ có thể ghép mạng cục bộ hay có thể mở rộng quản lý
và điều hành một cách tổng thể hệ thống sản xuất của một xi nghiệp hay của một
tập đoàn công nghiệp …
Với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi của tin học vào ngành cơ khí, cùng
với xu hướng con người đang có nhu cầu tìm các lọai vật liệu thông minh mới
nhằm thay đổi các loại vật liệu sản xuất trước đây, thì trong tương lai ngành cơ
khí còn có nhiều những bước phát triển đột phá khác nhằm đem lại hiệu quả
kinh tế cao phục vụ và đáp ứng tốt nhu cầu của xã hội.
II. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ.
2.1 Điều khiển kỹ thuật.
Điều khiển kỹ thuật là lý thuyết cơ bản của kỹ thuật tự động hóa, bao gồm
các khoa học về điều khiển, điều chỉnh, nhớ, sử lý và chuyển giao thông tin.

Điều khiển kỹ thuật nghiêm cứu các quy luật xuất hiện trong : Quá trình thiết lập
hoặc trong quá trình hoạt động.
Các hệ thống làm việc tự động, gọi chung là hệ thống công tác. Một hệ
thống công tác bao gồm hàng loạt hệ thống thành phần và hàng loạt các mỗi
- 5 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
quan hệ giữa hai hay nhiều khâu hoặc nhiều quá trình. Một hệ thống công tác
phải có một hay nhiều đầu vào và đầu ra, thông qua đó hệ thống công tác có thể
trao đổi vật chất, năng lượng và thông tin với môi trường bên ngoài.
2.2 Điều khiển tự động hóa máy công cụ.
Điều khiển tự động hoá máy công cụ được thể hiện qua các chức năng
sau:
- Khởi động, dẫn dắt và kết thúc các chuyển động.
- Biến đổi tốc độ, số vòng quay, biến đổi lực, mô men hay biến đổi công
suất tác dụng.
- Thực hiện định vị các cụm máy với độ chính xác yêu cầu để bảo đảm vị
trí tương quan giữa dao và phôi.
- Bộ điều khiển bao gồm một hay nhiều xích điều khiển, chúng gắn liền
một hay nhiều mạch điều chỉnh.
Các xích điều khiển và mạch điều chỉnh làm việc với các bộ khuyếch đại
công suất. Ở đầu vào của bộ điều khiển, công suất thường thấp, nhưng ở đầu ra,
công suất điều khiển lại cao hơn nhiều. Năng lượng này sẽ được khuếch đại từ
nguồn khác. Bởi vậy giữa các đại lượng đầu vào và đầu ra xuất hiện sự “ trễ “
về thời gian. Thời gian trễ phụ thuộc vào lực quán tính và các trở kháng (như
ma sát trượt và lăn, điện trở công suất, các hiệu ứng cảm ứng điện từ ).
Quá trình làm việc của một máy công cụ, thì từng bước nguyên công được
thực hiện theo một trình tự không gian và thời gian xác định, với sự xắp đặt có
tính quy luật, rất chặt chẽ và chính xác giữa các chuyển động và thiết bị đóng/
ngắt. Gọi đó là chương trình làm việc cuả máy. Bộ điều khiển máy công cụ có
nhiệm vụ thực hiện chương trình này một cách tự động.

Trong điều khiển theo chương trình có :
- Điều khiển khởi động và phanh hãm.
- Điều khiển tốc độ, điều khiển đổi chiều.
- 6 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
- Điều khiển đo đường dịch chuyển…
Các lệnh điều khiển được chia thành :
Hệ điều khiển đóng/ ngắt: Với hệ điều khiển này thường tác động khi xác
định về chiều và độ lớn của các tốc độ dịch chuyển trên các đoạn đường dịch
chuyển.
Hệ lệnh điều khiển đường: Thông tin đường dịch chuyển thường tác động
khi xác định độ lớn của chiều dài hành trình cần thực hiện.
Ngoài ra còn có các lệnh đóng/gắt cho các thiết bị phụ hoạt động trong
chức năng hộ trợ kèm theo.
Năng lượng tác dụng trong các bộ điều khiển, có thể thực hiện bằng cơ
khí, khí nén, thủy lực, điện và điện tử hoặc là sự phối hợp các dạng năng lượng
này để tạo ra một dạng năng lượng tối ưu dùng cho bộ điều khiển. Mỗi dạng
năng lượng đều có những ưu, khuếch điểm riêng, với các nhiêm vụ khác nhau
mà ta có thể lựa chọn các dạng năng lượng thích hợp, đảm bảo tính kinh tế.
2.3 Định nghĩa điều khiển.
Là quá trình xảy ra trong một hệ thống giới hạn, trong đó một hay nhiều
đại lượng là đại lượng đầu vào, các đại lượng khác nhau là các đại lượng đầu ra,
chúng tác động và ảnh hưởng đến hệ thống theo những quy luật riêng.
2.4 Điều khiển số NC (Numerical Control).
Là hệ thống điều khiển đặc trưng bởi các đại lượng đầu vào là những tín
hiệu số nhị phân, chúng được đưa vào hệ thống điều khiển dưới dạng một
chương trình điều khiển có hệ thống. Trong điều khiển số ứng dụng cho máy
công cụ, các đại lượng đầu vào là những thông tin, dữ liệu hay số liệu nhập vào.
- Điều khiển NC: Đặc tính của hệ điều khiển này là “ chương trình hóa
các mỗi liên hệ “, trong đó mỗi mảng linh kiện điện tử riêng lẻ được xác định

một nhiệm vụ nhất định, liên hệ giữa chúng phải thông qua những dây nối hàn
cứng trên các mạch logic điều khiển.
- 7 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
- Chức năng điều khiển được xác định chủ yếu bởi phần cứng.
2.5 Điều khiển CNC (Computerized Numerical Control).
Là một hệ thống điều khiển có thể lập trình và ghi nhớ. Nó bao hàm một
máy tính cấu thành từ các bộ vi xử lý ( microprocessor) kèm theo các bộ nhớ
ngoại vi.
Đa số các chức năng điều khiển đều được giải quyết thông qua phần mềm
nghĩa là các chương trình làm việc có thể thiết lập trước.
2.6 Điều khiển đọc.
Điều khiển đọc bao quát cả quá trình đọc tin. Nó kiểm tra các thông tin đã
được đọc về tính đúng đắn của hình thức cấu trúc tin (tính chẵn của số bit trong
mã số ISO) và ngừng ngay quá trình đọc khi phát hiện các cấu trúc tin bị lỗi.
2.7 Bộ nhớ chương trình.
Bộ nhớ chương trình đảm bảo chuẩn bị và thực hiện các bước xử lý song
song (xử lý đồng thời) các thông tin của một công đoạn gia công vốn đã được
đọc vào theo thứ tự từng bước (dạng chuyển động, tọa độ điểm kết thúc chuyển
động, tốc độ trên đường biên dạng, số vòng quay và chiều quay của trục chính).
2.8 Thông tin hình học.
Là hệ thống thông tin điều khiển các hệ thống chuyển động tương đối
giữa dao cụ và chi tiết liên quan trực tiếp tới quá trình tạo hình bề mặt, còn gọi
là thông tin về đường dịch chuyển (hình dạng đường sinh và đường chuẩn của
bề mặt hình học muốn tạo ra trên đường dịch chuyển).
2.9 Thông tin công nghệ (Technologual information).
Là hệ thống thông tin cho phép máy thực hiện gia công với những giá trị
công nghệ yêu cầu: Chuẩn hóa các gốc tọa độ, chọn chiều sâu lát cắt, tốc độ
chạy dao, số vòng quay trục chính, chiều quay trục chính vị trí xuất phát của dao
đóng hay ngắt mạch tưới dung dịch trơn nguội, mạch đo lường kiểm tra…

2.10 Biểu thị thông tin qua tín hiệu.
- 8 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
Một thông tin có thể được trình bày bằng những giá trị hoặc diễn biến giá
trị của thông số tín hiệu.
Hệ thống tín hiệu chỉ chấp nhận những giá trị số – rời rạc – xác định gọi
là các tín hiệu số.
III. NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH VÀ CÁC DẠNG ĐIỀU KHIỂN SỐ
TRÊN MÁY CÔNG CỤ CNC
 Nguyên lý làm việc của máy công cụ CNC.
Hệ thống điều khiển số CNC có một máy tính giúp người đứng máy
không chỉ khởi động chương trình NC mà còn:
- Viết và đưa chương trình vào máy.
- Biến đổi các chương trình đã đưa vào máy.
Các kích thước của dụng cụ và của thiết bị kẹp phôi có thể được đưa vào
hệ thống CNC khi đặt số liệu mà không phụ thuộc vào chương trình NC. Các
kích thước này được thực hiện tự động khi gia công. Do đó người đứng máy cần
rất ít thông tin về bản vẽ, khi cần thiết có thể tự chọn dụng cụ và thiết bị kẹp
chặt. Ta nhận thấy không có sự khác nhau cơ bản giữa hệ thống NC và CNC về
ngôn ngữ lập trình và công nghệ gia công trên máy công cụ. Do các hành động
đều được sản sinh trên cơ sở cung cấp các dữ liệu ở dạng mã chữ cái cộng các
con số và ký tự đặc trưng.
Máy công cụ điều khiển theo chương trình số là những máy công cụ làm
việc với các hệ thống ngắt và hệ lệnh 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 lý
hoạt động của hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC được thể hiện như
trên hình 1:
 Quá trình xử lý bên ngoài:
Từ bản vẽ chế tạo, những thông số kỹ thuật và số liệu công nghệ yêu cầu

để gia công chi tiết, được đưa vào chương trình gia công với các bước gia công
- 9 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
kế tiếp nhau. Những chương trình gia công chi tiết được số hoá và ghi vào vật
mang tin bởi một mã (code) tương thích, để phân biệt với bộ nhớ nôị tại vật
mang tin còn gọi là bộ nhớ ngoại vi. Vật mang tin có thể là băng đục lỗ được ghi
và đựơc đọc ra một cách tuần tự với tốc độ đọc 120 ký tự/ giây, băng từ (casset)
là những dải băng có khả năng nhiễm từ quấn trong một casset và nó có tốc độ
đọc từ 400 đến 3000 ký tự/ giây hoặc đĩa từ (disk) có ưu điểm là khai thác
nhanh, trực tiếp, đựơc lựa chọn tự do với tốc độ đọc từ 4000 đến 300000 ký tự/
giây.
- 10 –
Nghiờn cu h thng iu khin s trờn mỏy cụng c CNC (mỏy phay)
- 11
Bàn máy
Bộ so sánh
tđ
số bên
b ớc
Bàn máy
HT đo
Hệ thống đóng/ngắt
GT cần
GT thực
GT cần
Đ cơ
Lập trình
Điều khiển
Bộ nội suy
Nhớ

Đọc
Bản vẽ
Vật mang tin
Vật mang tin
(a)
(b)
Xử lý
ngoài
trong
số bên
Xử lý
b) Đ ờng tác dụng hở
a) Đ ờng tác dụng kín
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
Hình 1: Sơđồ hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC.
 Qúa trình xử lý bên trong:
Tiếp theo là quá trình xử lý bên ngoài 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 trúc 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. Các thông tin đuợc bộ đọc kiểm tra và đọc song được chuyển vào bộ nhớ.
Bộ nhớ chương trình đảm bảo chuẩn bị và thực hiện chuẩn bị các bước song
song (xử lý đồng 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), dung 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 các thông tin chương trình gia công được chuyển qua bộ nội
suy, bộ nội suy có nhiệm vụ tính toán hiệu chỉnh để đảm bảo các dữ liệu của

chương trình đọc vào là phù hợp. Bộ nội suy tính toán tọa độ của các điểm trên
- 12 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
đường dịch chuyển dọc theo biên dạng cần, đoạn biên dạng giữa điểm khởi xuất
và điểm kết thúc mà toạ độ của chúng đã được đưa vào chương trình, để hình
thành nên biên dạng của chi tiết cần gia công trong một dung sai xác định. Các
tín hiệu điện được bộ đọc chuyển 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 hướng dịch chuyển). Giá trị “Cần” được dẫn tới bộ so sánh
theo một tuần tự điều khiển xác định. Các giá trị “ Cần“ qua bộ so sánh hình
thành giá trị “Thực” về vị trí bàn máy, nó 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”
(hình1a). Còn trên hình1b, lại mô tả một hệ điều khiển theo nguyên tắc đường
tác dụng hở. Ở đây, 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 .
3.2 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 đường thẳng và điều khiển biên dạng phi tuyến (contour).
- 13 –

Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
3.2.1 Điều khiển điểm.
Cho phép xác định vị trí dụng
cụ theo các điểm đã lập trình với
hành trình chạy nhanh của dụng cụ và
dụng cụ không ăn vào phôi. Chuyển
động trên các trục riêng lẻ, lúc này
không có rằng buộc bởi quan hệ hàm
số và tốc độ của các yếu tố định vị
không phụ thuộc vào các yếu tố công
nghệ. Điều khiển điểm - điểm chủ yếu dùng trong các máy khoan, doa, hàn
điểm. Hình 2: Điều khiển điểm - điểm.
Khi dụng cụ chạy tới các điểm đích dao bắt đầu cắt. Mục đích cần đạt là
các kích thước của các lỗ gia công so với hai trục X, Y phải chính xác, còn các
quỹ đạo chuyển động của dao hay bàn máy đều không có ý nghĩa lắm (hình 2).
Vị trí của các lỗ có thể được điều khiển đồng thời trên hai trục X, Y, quỹ đạo
làm với một trong hai trục một góc
α
tương ứng với hai trục đó hoặc có thể
điều khiển kế tiếp nhau, tức là theo hai trục riêng rẽ.
3.2.2 Điều khiển đoạn hay đường thẳng.
X
Z
Z
Y
X
(a)
(b)
Hình 3: Điều khiển đường thẳng trên máy tiện, máy phay CNC.
- 14 –

Z
Y
X
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
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. Điều khiển
đường thẳng cho phép bên cạnh dịch chuyển nhanh định vị, còn có một dịch
chuyển song song với chiều trục của dụng cụ cắt với lượng chạy dao yêu cầu,
khi đó dao ăn vào phôi.
Hình 3a là sơ đồ chạy dao trên máy tiện dụng cụ cắt chuyển động
song song hoặc vuông góc trục của chi tiết so với trục Z. Trên hình 3b thể hiện
sơ đồ 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 tức không có
quan hệ rằng buộc hàm số. Dạng điều khiển này dùng cho máy phay và máy tiện
đơn giản.
3.2.3 Điều khiển theo biên dạng.
Nếu giữa điểm bắt đầu một
chuyển động và điểm kết thúc nó cần
sản sinh ra một biên dạng có ràng
buộc bởi các quan hệ hàm số (tuyến
tính hay phi tuyến) thì điều khiển số
thực hiện chuyển động như vậy thuộc
dạng điều khiển biên dạng ( Contour).
Dạng điều khiển này đòi hỏi
phải có các truyền động biệt lập, điều
chỉnh được vị trí theo thời gian thực trên mỗi trục tọa độ và đảm bảo quan hệ
phụ thuộc hàm số với các Hình 4: Điều khiển biên dạng trên máy phay
CNC.
chuyển động đồng thời trên các trục khác. Giá trị cần – ứng với một vị trí tức
thời trên một trục – phải được tính toán một cách tuần tự đúng với ràng buộc

hằng số của biên dạng cần gia công.
- 15 –
Z
Y
X
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
Ví dụ trên hình 4 là quá trình phay biên dạng trên máy phay.Trong
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, máy phay và 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 = Dimension hay kích thước).
a) Điều khiển contour 2D.
Điều khiển contour 2D cho phép các
dịch chuyển của dụng cụ cắt theo đường
thẳng và cung tròn, dựa vào hai trục cố định.
Nếu một máy CNC có ba trục và sự
điều khiển contour 2D, thì trục thứ ba chỉ có
thể được điều khiển không phụ thuộc vào
hai trục kia. Trên hình 5, lượng ăn dao được
điều khiển theo trục Z còn phay biên dạng là
sự kết hợp giữa hai trục X, Y.
Hình 5: Điều khiển 2D.
b) Điều khiển contour 2,5D.
Cho phép các dịch chuyển của dụng cụ
theo đường thẳng và theo cung tròn trong một
số mặt phẳng làm việc, nhưng chỉ có thể có

hai trục hoà hợp với nhau với sự lưu ý tới các
chuyển động giữa chúng.
Trên máy phay CNC có ba trục X, Y, Z
sẽ điều khiển được đồng thời hoặc X và Y
- 16 –
Z
Y
X
Y
Z
X
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
hoặc X và Z hoặc Y và Z. Trên các máy phay điều đó có nghĩa là sự ăn dao có
thể thực hiện Hình 6: Điều khiển 2,5D. theo b ất
kỳ 1 trong 3 trục, trong khi đó giữa hai trục kia dùng sử dụng để phay contour.
Hình 6, thể hiện các chức năng trên.
Như vậy thông qua chức năng G ( G17, G18, G19 ) của chương trình gia
công ta có thể chuyển từ bề mặt gia công này sang bề mặt gia công khác.
c) Điều khiển contour 3D.
Cho phép đồng thời chạy dao theo cả ba trục X, Y, Z, ( cả ba trục chuyển
động hòa hợp với nhau hay có quan hệ ràng buộc bằng hàm số ). Ta thấy trên
hình 7, biên dạng đuợc gia công theo cả ba trục đều có lượng chạy dao theo
chúng tạo thành. Điều khiển contour 3D được ứng dụng rộng để gia công các
khuôn mẫu chính xác, gia công các bề mặt không gian phức tạp.

- 17 –
Y
Z
X
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)

Hình 7: Điều khiển 3D.
Đ2: KHÁI NIỆM VỀ MÁY CÔNG CỤ CNC.
I KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY CÔNG CỤ CNC.
Là thế hệ máy công cụ được điều khiển theo chương trình số viết bằng
mã số ký tự chuyên dùng khác, trong đó hệ thống điều khiển có cài đặt các bộ vi
xử lý micropocessor (
p
µ
) làm việc với các chu trình thời gian từ 1 đến 20
p
µ
có
bộ nhớ tối thiểu 4 Kbyte, đảm nhiệm các chức năng cơ bản của chương trình
điều khiển số như : Tính toán trên các trục điều khiển theo thời gian thực, giám
sát các trạng thái của máy tính toán các giá trị chỉnh lý dao cụ, tính toán nội suy
trong điều khiển quỹ đạo biên dạng (tuyến tính và phi tuyến tính) thực hiện so
sánh giá trị Cần - Thực.
1. Các đặc điểm kết cấu của các máy công cụ điều khiển CNC so với
máy công cụ thông thường.
1.1 Máy cộng cụ thông thường.
- 18 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
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
Khi gia công trên máy phay thông thường thì 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.

1.2 Máy công cụ CNC .
Thế hệ sau của máy công cụ thông thường là máy NC (máy điều khiển số), với
yêu cầu ngày càng tăng để đưa ra những sản phẩm có chất lượng, gia công hàng loạt
trên một máy công cụ. Chính vì thế mà máy công cụ CNC ra đời là bước phát triển từ
máy NC. 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 lệnh vào điều cũng có khả
năng bù chiều dài và đường kính dụng cụ… Tất cả các chức năng trên đều được nhờ
một phần mềm của 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
- 19 –
Nghiờn cu h thng iu khin s trờn mỏy cụng c CNC (mỏy phay)
Hỡnh 8: mỏy phay thụng thng v mỏy phay CNC.
- 20
Vítme đai ốc bi (trục Y)
Truyền động chạy dao (Động cơ AC, DC)
Bảng điều khiển
có màn hình
Hệ thống đo đ ờng dịch chuyển
Truyền động chính
Các tay quay
Thân máy
Cụm trục chính
Bàn máy
Truyền động trục chính
(Động cơ AC, DC)
Truyền động chạy dao
(Động cơ AC, DC)
Vítme đai ốc bi (trục X)

Vítme đai ốc bi (trục Z)
Truyền động chạy dao
(Động cơ AC, DC)
Thân máy
Bàn máy
Máy phay thông th ờng
Máy phay CNC
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
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 điều khiển theo chương trình số được
các động cơ dẫn động đảm nhiệm, chạy theo biên dạng của chi tiết với chương trình đã
được lập còn máy công cụ thông thường các chuyển động phải điều khiển bằng tay
(Hình 8 mô tả kết cấu máy phay thông thường và máy phay CNC).
2. Ưu, nhược điểm của máy công cụ CNC và các yêu cầu đặt ra.
2.1 Ưu điểm:
So với các máy công cụ điều khiển bằng tay, kết quả làm việc của máy công cụ
CNC không phụ thuộc vào tay nghề thuần thục của người điều khiển. Người điều khiển
máy chủ yếu đóng vai trò theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động của máy.
So với các máy tự động theo chương trình cứng (dùng cam, dưỡng, cữ chặn,
công tắc hành trình…), máy công cụ CNC có tính linh hoạt cao trong công việc lập
trình, đặc biệt khi có trợ giúp của máy vi tính, tiết kiệm được thời gian chỉnh máy, đạt
được tính kinh tế cao ngay cả với loạt sản phẩm nhỏ.
Ưu điểm chỉ có trong máy công cụ CNC đó là phương thức làm việc với hệ
thống xử lý thông tin “ điện tử – số hóa “, cho phép nối ghép các hệ thống xử lý số
trong phạm vi quản lý của toàn xí nghiệp, tạo điều kiện mở rộng tự động hóa toàn bộ
quá trình sản xuất, ứng dụng các kỹ thuật hiện đại thông qua mạng liên thông cục bộ
( LAN) hay mạng liên thông toàn cầu( WAN).
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.

Máy công cụ 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.
- 21 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
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 CNC 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,….
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.
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. Ngoài 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.
Tóm lại 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. Vì nó có thể đem lại
lợi nhuận, khả năng tái sản xuất vá nó có những tính năng cao mà may công cụ thông
thường chưa đạt được.
2.2 Nhược điểm.
- Giá thành chế tạo máy cao hơn;
- Giá mua máy đắt hơn;
- Giá thành bảo dưỡng, sữa chữa máy cũng cao hơn;
- Vận hành máy phức tạp hơn;

- Thay đổi người đứng máy khó khăn hơn;
2.3 Các yêu cầu đặt ra.
- 22 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
- Cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các khâu thiết kế, chuẩn bị sản xuất và thực
hiện gia công chế tạo.
- Cần đào tạo nâng cao cho thợ chuyên môn. Một khóa đào taọ về kỹ thuật
CNC là phải có, vì máy móc chỉ sử dụng tốt nếu người sử dụng có kiến thức thuần
thục.
II. CHỨC NĂNG CỦA CNC.
1.Các chuyển động thực hiện dịch chuyển tương đối Dao/Chi tiết.
1.1 Chuyển động đảm bảo tốc độ cắt của dao cụ.
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.
- Giữ cố định trong phương án các chuyển động nói trên truyền cho chi tiết gia
công.
- Công suất đảm bảo năng lượng tạo hình thay đổi trong khoảng rộng từ vài trăm
W đến vài trăm Kw.
1.2 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 đặt 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.
Với máy công cụ điều khiển số thì 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.

- 23 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
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 Hình 9: ổ tích lũy dao: a): Đĩa hoặc tang
quay;
xếp vào các ổ tích luỹ dao. A: dụng cụ cắt; B: đĩa nâng dao; C: hốc
dao;
Từ ổ này, dao được chuyển, D: phần tự kẹp mảnh cắt; E: mảnh cắt;
trực tiếp cho kết cấu kẹp F: rãnh chứa; G: phần tử dụng cụ.
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.
- 24 –
B
A
a)
C E
D
F
c)
b)

d)
F
G
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
Phổ biến có hai loại ổ dao tích lũy dao.Một là ổ dao dạng đĩa hoặc dạng tang
quay và 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.
a): Hệ thống băng tải chi tiết.
b): Hệ thống con lăn.
A: Chi tiết cấp vào;
B: Tay máy đổi chi tiết, E: Chi tiết mang đI;
M: Máy, P: Chi tiết, R: Rôbốt.
Hình 10: Hệ thống cấp chi tiết.
Đối với nhóm có chi tiết quay:Thì việc tháo lắp 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.
- 25 –
A
E
M
P
B
b)
R
a)
M