Đồ án cơ khí trí thông minh nhân tạo cho máy CNC

LỜI CẢM ƠN


Đầu tiên, em xin gởi lời cám ơn chân thành đến thầy hướng
dẫn : PGS. TS Lê Hoài Quốc, nhờ sự tận tình chỉ bảo, hướng
dẫn, hết lòng giúp đỡ, và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em
nên em mới có thể hoàn thành được luận văn này. Em cũng xin
cám ơn các thầy cô các anh chò trong bộ môn Điều Khiển Tự
Động khoa Cơ Khí đã giúp đỡ em trong suốt thời gian em thực
tập cũng như làm luận văn tốt nghiệp tại bộ môn.
Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô trong khoa Cơ
Khí và quý thầy cô ở trong trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ
Chí Minh đã trang bò kiến thức cho em cũng như đã giúp đỡ em
trong suốt thời gian em học tập tại trường.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến quý thầy cô đã dành
thời gian quý báu để nhận xét và chấm luận văn tốt nghiệp.
Cuối cùng em xin gởi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè những
người đã tạo mọi điều kiện để em có được ngày hôm nay.

Sinh viên thực hiện
NGUYỄN THIỆN TUÂN



Mục lục

MỤC LỤC

Lời cảm ơn
Mục lục i

Lời mở đầu vi
Danh mục các chữ viết tắt vii

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1

1.1 Máy công cụ CNC 1
1.1.1 Lòch sử của máy công cụ CNC 1
1.1.2 Dòng lưu thông tín hiệu trong hệ điều khiển số 3
1.1.2.1 Dòng lưu thông tín hiệu 3
1.1.2.2 Các thông tin điều khiển 4
1.1.3 Điều khiển CNC 4
1.1.3.1 Cấu trúc của hệ điều khiển CNC 5
1.1.3.2 Các cấu tử phần cứng của điều khiển CNC 6
1.1.4 Các mức phát triển của hệ điều khiển CNC đa xử lý 10
1.1.4.1 Mức phát triển vào giai đoạn 1970-1971 11
1.1.4.2 Mức phát triển hiện tại 11
1.1.5 Mô tả chức năng của một hệ điều khiển đa xử lý 12
1.1.5.1 Các khối chức năng của cụm điều khiển trung tâm 12
1.1.5.2 Bộ điều phối dữ liệu DC (Data Controller) 13
1.1.5.3 Bộ điều khiển các trục 13
1.1.6 Mạch điều chỉnh vò trí 15
1.2 Bộ nội suy sử dụng phương pháp vi phân số DDA 16
1.2.1 Khái niệm nội suy 16
1.2.2 Các dạng nội suy 18
1.2.3 Phương pháp nội suy phân tích vi phân số DDA 19
1.2.3.1 Phương pháp nội suy thẳng 19
1.2.3.2 Nội suy vòng theo phương pháp DDA 22
1.2.4 Quá trình thực hiện DDA trên máy NC 23
1.2.4.1 Cấu trúc của bộ nội suy đường thẳng 23
1.2.4.2 Cấu trúc của bộ nội suy đường cong 26

1.3 Tổng quan về fuzzy logic và các ứng dụng fuzzy logic
trong công nghiệp 26

1.3.1 Giới thiệu về Fuzzy logic 26
i
Mục lục
1.3.2 Ứng dụng của điều khiển mờ trong máy giặt 27
1.3.2.1 Giới thiệu 27
1.3.2.2 Bộ điều khiển 28
1.3.3 Ứng dụng điều khiển mờ trong điều khiển nhiệt độ
máy điều hòa không khí 28

1.3.3.1 Giới thiệu 28
1.3.3.2 Bộ điều khiển mờ cho hệ thống điều hòa không khí 29
1.3.4 Bộ điều khiển mờ cho hệ thống điều chỉnh tiêu cự của máy ảnh 30
1.3.4.1 Giới thiệu 30
1.3.4.2 Bộ suy diễn mờ 31
1.3.5 Bộ điều khiển mờ cho hệ thống sang số tự động 31
1.3.5.1 Giới thiệu 31
1.3.5.2 Bộ điều khiển 31
1.4 Giới thiệu luận văn 33
1.4.1 Mục tiêu đề tài 33
1.4.2 Nhiệm vụ luận văn 33
1.4.3 Sơ lược nội dung của luận văn 34
CHƯƠNG 2 : SƠ LƯC LÝ THUYẾT MỜ 35
2.1 Tập hợp mờ 35
2.1.1 Từ tập hợp rõ đến tập hợp mờ 35
2.1.2 Hàm liên thuộc 36
2.1.2.1 Các đặc điểm của hàm liên thuộc 36
2.1.2.2 Các dạng hàm liên thuộc thường gặp 38

2.1.2.3 Các phương pháp xác đònh hàm liên thuộc 39
2.1.3 Các phép toán trên tập mờ 40
2.1.3.1 Phép hợp hai tập mờ 40
2.1.3.2 Phép giao hai tập mờ 41
2.1.3.3 Phép bù của một tập mờ 41
2.2 Quan hệ mờ 42
2.2.1 Quan hệ rõ 42
2.2.2 Quan hệ mờ 43
2.2.3 Sự hợp thành của quan hệ mờ 44
2.2.4 Biến ngôn ngữ và giá trò của biến ngôn ngữ 45
2.2.4.1 Biến mờ 46
2.2.4.2 Biến ngôn ngữ 46
2.3 Logic mờ 46
2.3.1 Logic mờ 46
2.3.1.1 Mệnh đề mờ 46
2.3.1.2 Các phép toán trên mệnh đề mờ 47
2.3.1.3 Mệnh đề hợp thành 48
ii
Mục lục
2.3.2 Luật mờ 49
2.3.3 Kết hợp các luật mờ 49
2.4 Suy luận mờ 50
2.4.1 Sự suy diễn của một qui tắc mờ 50
2.4.1.1 Suy diễn bằng sự hợp thành 50
2.4.1.2 Phương pháp suy diễn MAX-MIN 50
2.4.1.3 Phương pháp suy diễn MAX-PROD 51
2.4.2 Sự suy diễn của hệ các luật mờ 52
2.4.2.1 Suy diễn cục bộ 52
2.4.2.2 Suy diễn toàn cục 53
2.5 Giải mờ 54

2.5.1 Phương pháp điểm trọng tâm 54
2.5.2 Phương pháp trung bình có trọng số 55
2.5.3 Phương pháp trung bình của độ phụ thuộc cực đại 55
2.6 Ứng dụng trong điều khiển 56
CHƯƠNG 3 : BỘ ĐIỀU KHIỂN NEURON MỜ 58
3.1 Tổng quan về mạng Neuron 58
3.1.1 Bộ não, tế bào thần kinh và mạng thần kinh sinh học 58
3.1.1.1 Mạng neuron trong não 59
3.1.1.2 Neurons và synapses 59
3.1.1.3 Sự học của các synapse 60
3.1.2 Tế bào thần kinh nhân tạo và mạng neuron nhân tạo 61
3.1.2.1 Tế bào thần kinh nhân tạo 61
3.1.2.2 Mạng neuron nhân tạo 62
3.2 Hệ thống Neural Fuzzy (Neurofuzzy System) 64
3.2.1 Giới thiệu 64
3.2.2 Sự thuận lợi của hệ thống neurofuzzy 65
3.2.3 Cấu trúc của hệ thống neurofuzzy 65
3.2.3.1 Lớp 1 65
3.2.3.2 Lớp 2 65
3.2.3.3 Lớp 3 66
3.2.3.4 Lớp 4 66
3.2.3.5 Lớp 5 66
3.3 Học củng cố (Reinforcement Learning) 67
3.3.1 Giới thiệu 67
3.3.2 Một vài ví dụ về học củng cố 67
3.3.3 Điều kiện để áp dụng giải thuật học củng cố 68
3.4 Bộ điều khiển GARIC 69
3.4.1 Cấu trúc của bộ điều khiển 69
3.4.2 Mạng đánh giá (Action Evaluation Network – AEN) 69
iii

Mục lục
3.4.2.1 Cấu trúc của mạng đánh giá 69
3.4.2.2 Việc học của mạng đánh giá 71
3.4.3 Bộ thay đổi hành vi ngẫu nhiên (Stochastic Action Modifier – SAM) 71
3.4.4 Mạng thực thi (Action Selection Network – ASN) 72
3.4.4.1 Cấu trúc của mạng thực thi 72
3.4.4.2 Việc học của mạng thực thi 75
CHƯƠNG 4 : ỨNG DỤNG 78
4.1 Giới thiệu 78
4.2 Bộ điều khiển mờ cho quá trình gia công thô 79
4.2.1 Bộ điều khiển mờ cho lượng chạy dao răng S
z
(mm/răng) 81
4.2.1.1 Biến đầu vào 82
4.2.1.2 Biến đầu ra 84
4.2.1.3 Luật hợp thành và phương pháp giải mờ 85
4.2.2 Bộ điều khiển mờ cho vận tốc cắt V (m/ph) 86
4.2.2.1 Biến đầu vào 87
4.2.2.2 Biến đầu ra 88
4.2.2.3 Luật hợp thành và phương pháp giải mờ 89
4.2.3 Chương trình mô phỏng 91
4.2.3.1 Giới thiệu 91
4.2.3.2 Sơ đồ khối của chương trình 91
4.2.3.2 Giao diện của chương trình 92
4.3 Bộ điều khiển mờ cho quá trình phay tinh 95
4.3.1 Sự thuận lợi khi sử dụng bộ điều khiển GARIC 95
4.3.2 Xác đònh đầu vào cho bộ điều khiển 96
4.3.3 Xác đònh hàm củng cố 97
4.3.4 Xây dựng mạng đánh giá AEN 97
4.3.5 Xây dựng mạng thực thi ASN 98

4.3.5.1 Lớp 1 98
4.3.5.2 Lớp 2 98
4.3.5.3 Lớp 3 99
4.3.5.4 Lớp 4 99
4.3.5.5 Lớp 5 100
4.3.6 Chương trình mô phỏng 100
4.3.6.1 Giới thiệu 100
4.3.6.2 Mạng dự đoán độ nhám bề mặt R
a
100
4.3.6.3 Chương trình Simulink 104
4.3.6.4 Một số kết quả đạt được 105
CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN 107
5.1 Những kết quả đã thực hiện được 107
5.2 Nhận xét kết quả 107
iv
Mục lục
5.2.1 Nhận xét đối với bộ mờ cho phay thô 107
5.2.2 Nhận xét đối với bộ mờ cho phay tinh 107
5.2.3 Nhận xét chung 108

Tài liệu tham khảo 109

Phụ lục 110
Phụ lục 1 : Các bảng dữ liệu về chế độ cắt 110
1.1 Bảng dữ liệu cho phay mặt phẳng bằng dao phay ngón thép gió 110
1.1.1 Lượng chạy dao răng S
z
(mm/răng) 110
1.1.2 Tốc độ cắt V (m/phút) 111

1.2 Phay mặt phẳng bằng dao phay dạng ngón gắn mảnh hợp kim cứng .114
1.2.1 Lượng chạy dao răng S
z
(mm/phút) khi phay thép 114
1.2.2 Tốc độ cắt V (m/phút) khi phay thép 115
1.3 Các bảng dữ liệu hệ số hiệu chỉnh 116
Phụ lục 2 : Bảng dữ liệu về độ nhám bề mặt 117
2.1 Giới thiệu về bộ dữ liệu 117
2.1.1 Các khái niệm được sử dụng trong bài báo 117
2.1.2 Các dữ liệu sử dụng trong bài báo 118
2.2 Các bảng dữ liệu của độ nhám bề mặt R
a
118



v
Lời mở đầu
LỜI MỞ ĐẦU


Trong gia công kim loại ngày nay, sự góp mặt của các trung tâm gia công CNC
thay cho máy gia công truyền thống đã nâng cao đáng kể năng suất cũng như chất
lượng gia công. Việc sử dụng ngày càng nhiều các máy công cụ CNC thay cho máy
gia công truyền thống là do những ưu điểm chính của các máy CNC đó là khả năng
tự động hóa rất cao, độ chính xác cao, lập trình đơn giản, dễ giám sát, không yêu
cầu quá cao đối với người thợ đứng máy…
Tuy nhiên việc đưa ra thông số công nghệ cho quá trình gia công trên máy
CNC vẫn đòi hỏi người lập trình cần có nhiều kinh nghiệm để có thể đạt được một
chất lượng bề mặt gia công như mong muốn.

Mục tiêu chính của việc nghiên cứu ứng dụng fuzzy logic và neural fuzzy vào
trong bộ điều khiển CNC là mong muốn đưa được những kinh nghiệm gia công này
vào trong máy CNC, giúp máy CNC có thể đưa ra được các thông số công nghệ với
mục tiêu là nâng cao được chất lượng bề mặt sau gia công.


- vi -
Danh mục các chữ viết tắt
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
WZ # YX



AEN : Action Evaluation Network.
ASN : Action Selection Network.
CNC : Computer Numerical Control.
DDA : Digital Differential Analysis.
GARIC : Generalized Approximate Reasoning-based Intelligent Control.
GRNN : Generalized Regression Neural Networks.
MLP : Multilayer Perceptron.
NC : Numerical Control.
SAM : Stochastic Action Modifier.
P
µ
: Microprocessor.


- vii -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CBHD : PGS. TS. LÊ HOÀI QUỐC

CHƯƠNG 1














TỔNG QUAN


SVTH : NGUYỄN THIỆN TUÂN
Chương 1 : Tổng quan
Chương 1



TỔNG QUAN

1.1 MÁY CÔNG CỤ CNC
1.1.1 Lòch sử của máy công cụ CNC
CNC là viết tắt của Computer Numerical Control dùng để chỉ quá trình sản
xuất gia công chi tiết dùng bộ điều khiển có sử dụng máy tính để điều khiển động
cơ các trục của máy công cụ. Sự phát triển của máy công cụ CNC gắn liền với sự
phát triển của kỹ thuật điều khiển số từ những phát minh sơ khai nhất như vào năm
1808 Joseph M. Jacquard sử dụng thẻ có đục lỗ để điều khiển máy thêu thực hiện
những kiểu mẫu khác nhau tuỳ thuộc vào sự sắp xếp của các thẻ đục lỗ trên máy,
khoảng 55 năm sau đàn piano tự động Pianola sử dụng cuộn giấy đục lỗ để điều
khiển hệ thống cơ của bàn phím được M. Fuorneaux đưa ra. Cùng với sự phát minh
ra máy tính, transitor và vi mạch tích hợp kỹ thuật điều khiển số đã đạt được những
thành tựu đáng kể có thể xem là những bước ngoặc trong quá trình phát triển của
máy công cụ CNC.
Năm 1947 John Parsons thuộc tập đoàn Parsons Corporation bang Michigan
đã thành công trong việc xây dựng bộ điều khiển có thể đưa trục chính đi đến rất
nhiều điểm.
Năm 1951, Học viện công nghệ MIT (Massachusetts Institute of Technology)
của Hoa Kỳ đã thêm máy tính vào trong hệ thống của Parsons.
Năm 1952 – Máy công cụ điều khiển số đầu tiên (Numerical Control _ NC),
máy phay 3 trục đứng Cincinnati Hydrotel, đã được công bố tại MIT.
Năm 1957 – Công ty Air Material Command thuộc U.S Air Force đã đưa
những máy công cụ điều khiển số (NC) vào sử dụng.
Năm 1959 – Triển lãm máy công cụ tại Paris, trình bày những máy NC đầu
tiên của Châu u.
Năm 1960 – Các hệ điều khiển số được chế tạo tương ứng với trình đồ kỹ thuật
của công nghệ bóng đèn điện tử và rơle (cơ/ điện/ thủy lực), kích thước còn lớn,
nhạy cảm với các điều kiện môi trường và còn đắt, không thể dùng được trong các
Trang 1
Chương 1 : Tổng quan

xưởng máy thông thường. Máy NC ở thời kỳ này được ứng dụng chủ yếu trong công
nghiệp hàng không.
Từ sau 1960, bóng đèn điện tử được thay thế bởi các phần tử bán dẫn điện tử
rời rạc, điốt, transitor, nhưng đa số các linh kiện lẻ đòi hỏi có thể tích chiếm chỗ đủ
lớn, còn rất nhiều mối hàn và những ổ cắm, ghép nối, vừa tốn kém khi chế tạo, vừa
hạn chế độ tin cậy trong vận hành điều khiển. Thông tin điều khiển ghi trên băng
đục lỗ, dung lượng thấp, phải đọc thông tin theo từng bước, khi gia công nhiều chi
tiết giống nhau vẫn phải đọc băng đục lỗ cho từng lần gia công. Khi thay đổi chương
trình điều khiển, chẳng hạn thay đổi chế độ cắt cho phù hợp hơn, đòi hỏi phải cải
biến hay làm lại băng đục lỗ.
Trong những năm 70, ngành điều khiển số nhanh chóng ứng dụng những 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 với dung
lượng đủ lớn; do nối ghép các cụm vi tính vào hệ điều khiển số mà những phần cứng
có nhiệm vụ chuyên dụng trước đây được thay thế bằng những phần mềm chuyên
dụng hơn. Dung lượng nhớ ngày càng được mở rộng, tạo điều kiện lưu trữ trong hệ
điều khiển số trước hết là từng chương trình đơn lẻ, sau đó là cả một thư viện
chương trình, lại có thể sửa đổi chương trình đã lập một cách dễ dàng thông qua cấp
lệnh bằng tay, thao tác trực tiếp trên máy. Những điều này hình thành nên bộ điều
khiển CNC.
Các chức năng tính toán trong hệ thống CNC ngày càng hoàn thiện và đạt tốc
độ xử lý cao do tiếp tục ứng dụng những thành tựu phát triển của các bộ vi xử lý µP.
Các hệ thống CNC được chế tạo hàng loạt lớn theo công thức xử lý đa chức năng,
dùng cho nhiều mục đích điều khiển khác nhau.
Vật mang tin từ băng đục lỗ, băng từ, đóa từ tiến tới đóa compact (CD) có dung
lượng nhớ ngày càng mở rộng, độ tin cậy và tuổi thọ cao.
Việc cài đặt các cụm vi tính trực tiếp vào hệ NC để trở thành hệ CNC
(Computer Numerical Control) đã tạo điều kiện ứng dụng máy công cụ CNC ngay
cả trong công nghiệp nhỏ, không có phòng lập trình riêng, nghóa là người lập trình
có thể lập trình trực tiếp trên máy. Dữ liệu nạp vào, nội dung lưu trữ, thông báo về

tình trạng hoạt động của máy cùng các chỉ dẫn cần thiết khác cho người điều khiển
đều được hiển thò trên màn hình.
Màn hình ban đầu chỉ là đen trắng với các ký tự chữ cái và con số, nay đã dùng
màn hình đồ họa, độ phân giải cao (có thêm hình vẽ mô phỏng tónh hay động); biên
dạng của chi tiết gia công, chuyển động của dao cụ đều được hiển thò.
Trang 2
Chương 1 : Tổng quan
Các hệ CNC riêng lẻ có thể ghép mạng cục bộ hay mạng mở rộng để quản lý
điều hành một cách tổng thể hệ thống sản xuất của một xí nghiệp hay của một tập
đoàn công nghiệp.

1.1.2 Dòng lưu thông tín hiệu trong hệ điều khiển số
1.1.2.1 Dòng lưu thông tín hiệu
Hình 1.1 trình bày dòng lưu thông tín hiệu trong điều khiển số. Trong đó được
chia thành các lớp thông tin sau :
 Lớp 1 : Nạp dữ liệu
- Bằng tay, nhờ bảng điều khiển.
- Bằng tay, nhờ các cơ cấu cơ khí (tay quay, tay gạt) cấp xung.
Dạng cấp tín hiệu này giới hạn cho việc gia công các chi tiết lẻ, kết cấu đơn
giản hoặc cho các quá trình điều chỉnh máy.
- Bằng đầu đọc các vật mang tin (băng từ, đóa từ, đóa compact).
- Trực tiếp từ bộ nhớ của một máy tính điều hành gia công.
 Lớp 2 : Lưu trữ
Thông tin đầu vào được lưu giữ trong các bộ nhớ bán dẫn. Chương trình gia
công chi tiết, các dữ liệu về dao cụ và giá trò hiệu chỉnh được lưu trữ trong bộ nhớ
RAM. Các dữ liệu hiệu chỉnh máy cũng được lưu trữ trong bộ nhớ RAM hoặc trong
bộ nhớ EAROM. Các dữ liệu chương trình cho cụm điều khiển tương thích được lưu
trữ trong bộ nhớ PROMs.
 Lớp 3 : Lưu chuyển
Trong lớp này, các dữ liệu chương trình bắt đầu được xử lý. Đường dòch

chuyển cần thực hiện trong câu lệnh kế tiếp được tính toán, quỹ đạo tương quan với
biên dạng lập trình được tìm ra, các thủ pháp kiểm tra được thực hiện.
 Lớp 4 : Lưu xử lý
Lớp này bao gồm các bộ nội suy, tìm ra những giá trò đặt về vò trí cho mạch
điều chỉnh vò trí trên từng trục chạy dao. Lớp này cũng đưa ra các số liệu điều khiển
trục chính công tác, cũng như điều khiển chung toàn máy.
 Lớp 5 : Điều chỉnh
Gồm các cụm điều chỉnh vò trí, điều chỉnh tốc độ dòch chuyển trên các trục cho
phù hợp với tốc độ chạy dao đã lập trình, tùy thuộc vào vò trí tức thời của mỗi trục.
 Lớp 6 : Điều khiển toàn máy
Trang 3
Chương 1 : Tổng quan
Bảng điều khiển
Tay quay
Đầu đọc
Máy vi tính
Dữ liệu chương
trình
Dữ liệu hiệu
chỉnh
Dữ liệu dao
Dữ liệu máy
Chuẩn bò thông tin
Xử lý thông tin
Điều chỉnh
vò trí
Điều chỉnh thích
nghi
Điều chỉnh số vòng
quay trục chính

Rơle vòng quay
Hiệu chỉnh vòng
Rơle vòng quay
Hiệu chỉnh vòng
Tổng thể máy
công cụ
Truyền động
chạy dao
Truyền động
trục chính
Lớp 1
Nạp dữ liệu
Lớp 2
Lưu trữ
Lớp 3
Lưu chuyển
Lớp 4
Lưu xử lý
Lớp 5
Điều chỉnh
Lớp 6
Điều khiển toàn máy

Hình 1.1 Dòng lưu thông tín hiệu trong điều khiển số
1.1.2.2 Các thông tin điều khiển
Để điều khiển máy công cụ hệ điều khiển số cần những thông tin sau :
 Thông tin hình học : chuyển động tương đối giữa dao cụ và chi tiết.
 Thông tin công nghệ : tốc độ chạy dao, tốc độ cắt, tắt mở dung dòch trơn
nguội, chọn chiều quay,

1.1.3 Điều khiển CNC
Điều khiển CNC có nhiệm vụ giải mã chương trình NC và xử lý các thông tin
công nghệ và hình dáng hình học của chi tiết. Với sự hỗ trợ của hệ điều khiển CNC
các bộ phận cấu thành máy công cụ CNC được điều khiển và điều chỉnh sao cho
Trang 4
Chương 1 : Tổng quan
hình thành được chi tiết gia công mong muốn. Các chức năng của hệ điều khiển
CNC có thể được thiết lập như : nhập dữ liệu, xử lý dữ liệu và xuất dữ liệu.
Việc nhập dữ liệu được thực hiện bằng cách sử dụng các bảng điều khiển bao
gồm bàn phím và màn hình, chương trình NC cũng có thể đọc hoặc lưu trữ ở bên
ngoài, đồng thời cũng có khả năng chuyển các dữ liệu từ bên ngoài vào máy tính
(điều khiển DNC) thông qua các thiết bò giao tiếp hay mạng. Nhờ các phím nhấn
mềm và bằng đối thoại trực tiếp với hệ thống điều khiển cho phép chúng ta đưa
chương trình vào một cách nhanh chóng và tránh được sai sót về lập trình. Các điều
khiển CNC hiện đại có một màn hình đồ họa, trên màn hình này quá trình cắt gọt có
thể mô phỏng động hoặc tónh.
Bộ xử lý dữ liệu của hệ điều khiển CNC có nhiệm vụ thiết lập dữ liệu từ
chương trình NC. Các dữ liệu này cần thiết cho hoạt động của máy và gia công chi
tiết. Các dữ liệu công nghệ thực hiện các công việc như chọn dao, chọn chiều quay,
điều chỉnh số vòng quay của trục chính hoặc tắt mở nước làm nguội, các thông tin
này được chuyển vào các bộ phận tương ứng của máy công cụ CNC thông qua bộ
điều khiển. Các thông tin hình dáng hình học của chương trình NC được biên dòch từ
hệ điều khiển CNC dưới sự tính toán các bước tiến dao cho từng truyền động của
các trục. Các hành trình chuyển động vừa tạo ra, tiếp tục được điều chỉnh bởi mạch
điều khiển kín cho các vò trí của trục ăn dao.
Điều khiển đọc
Bộ nhớ chương
trình
Tính toán hiệu
chỉnh

Nội
suy
Điều khiển vò trí
trên trục X
Điều khiển vò trí
trên trục Y
Điều khiển vò trí
trên trục Z
Thông tin công nghệ
x
S
(t)
y
S
(t)
z
S
(t)

Hình 1.2 Dòng thông tin trong mạch điều khiển vò trí của hệ CNC
1.1.3.1 Cấu trúc của hệ điều khiển CNC
Hình 1.3 trình bày cấu trúc điển hình của một hệ điều khiển CNC đa xử lý.
Đặc tính cơ bản của hệ là bao hàm một bus thông tin song song tiêu chuẩn và những
môđun phần cứng tiêu chuẩn.
 Bus thông tin song song
“Bus” theo quan niệm của kỹ thuật số là một đường dẫn liên hệ cho các tín
hiệu. Tất cả các cấu tử phần cứng trong hệ điều khiển đều được nối ghép liên hệ với
bus.
Trang 5
Chương 1 : Tổng quan

Đường dẫn trong bus có tác dụng hai chiều (bidirectional), kề bên bus có thể
cài đặt nhiều môđun tác dụng, trong đó mỗi môđun tác dụng có thể giải quyết một
lưu thông dữ liệu.
 Các môđun phần cứng tiêu chuẩn
- Xử lý trung tâm cho điều khiển quá trình trung tâm.
- Các xử lý cho những nhiệm vụ cụ thể khác nhau.
- Bộ nhớ các dữ liệu điều khiển và dữ liệu máy.
- Các môđun xử lý hình học cho từng trục riêng lẻ.
- Các giao diện vào ra nhò phân cho xử lý các dữ liệu công nghệ.
- Các giao diện có tính trình tự để nối ghép các điều khiển ngoại vi.
Cụm điều
khiển
trung tâm
Vào / Ra
các dữ liệu
điều khiển
Chương trình
CNC và các
dữ liệu máy
Lưu giữ các
chương trình
CNC
Các chức năng phụ ví
dụ như tổng hợp các số
liệu vận hành máy
Điều khiển
có khả năng
lập trình
được
Kiểm tra chương trình

Vào Ra
Xử lý
hình học
Điều chỉnh
vò trí trên
các trục
Xử lý hình học
Các chức năng khác. Ví
dụ đo, tự động cấp chi
tiết, điều khiển
Các quá trình ngoại vi. Ví dụ tổng hợp các số liệu về điện áp, khâu điều chỉnh, khuyếch đại,
khâu đo các vò trí cắt
Bus thông tin song song của các điều khiển số đa xử lý

Hình 1.3 Điều khiển CNC đa xử lý
1.1.3.2 Các cấu tử phần cứng của điều khiển CNC
Cụm vi xử lý microprocessor (
P
µ
)
a) Cấu trúc
Cụm xử lý thực chất là hạt nhân của một thiết bò xử lý số, nó thực hiện các
chức năng tính toán và điều khiển. Hình 1.4 trình bày nguyên tắc cấu trúc của một
P
µ
, các phần tử chính yếu bao gồm :
Trang 6
Chương 1 : Tổng quan
 Bộ nhớ sơ bộ không lựa chọn (Scratch – Pad – Memory): còn gọi là truy
nhập phụ trợ. Bộ nhớ này chứa đựng những thông tin cần thiết cho điều khiển diễn

biến chương trình, ví dụ đếm mỗi bước nhảy của chương trình, truy nhập các chỉ số,
truy nhập các đòa chỉ cơ bản.
 Truy nhập cảnh báo (Flag – register): trong đó mỗi cảnh báo là một dấu
hiệu chuyên dụng hay tín hiệu báo sự xuất hiện của một trạng thái xác đònh. Ví dụ
trạng thái tràn, trạng thái truyền đạt, trạng thái rỗng trong nội dung bộ nhớ tích lũy.
Đa số các cảnh báo được đưa ra một cách tự động từ bộ xử lý. Những lệnh nhảy có
điều kiện tạo khả năng phân nhánh trong nội bộ chương trình hoặc những bước nhảy
vào/ra chương trình còn tuỳ thuộc vào những cảnh báo khác nhau.
 Bộ nhớ tích lũy (Accumulator): là bộ nhớ hàm chứa những dữ liệu cần nối
ghép và tiếp nhận kết quả của những tính toán số học và tính toán logic dùng để
thực hiện mạch ghép nối.
 Cụm logic số ALU (Arithmetic Logic Unit): là một phần của
P
µ
, đảm nhận
các tính toán số học và các tính toán logic.
 Điều khiển thao tác lệnh : giải mã phần điều hành của mỗi lệnh chứa
trong phần truy nhập lệnh và sản sinh các tín hiệu điều khiển cho quá trình thực
hiện lệnh.
 Truy nhập lệnh : là bộ nhớ các lệnh vừa được xử lý.
 Bộ phát lệnh : truy nhập những đòa chỉ của các lệnh chạy hoặc là thứ tự của
chúng.
Các bộ phát lệnh, truy cập lệnh và điều khiển thao tác lệnh hợp thành cụm
điều khiển của microprocessor.
 Bộ nhớ xếp chồng (Stack-pointer), hoạt động theo nguyên lý LIFO (Last In
First Out), nghóa là thông tin truy cập cuối cùng được đưa ra đầu tiên.
Trang 7
Chương 1 : Tổng quan
Truy nhập phụ
(bộ nhớ tạm)

Truy nhập mảng
Bộ nhớ tích lũy
Cụm số học ALU
Điều khiển vận hành
Truy nhập lệnh
Đếm lệnh
Chỉ thò
(Bộ nhớ xếp chồng)
Bus dữ liệu
Kênh đòa chỉ

Hình 1.4 Sơ đồ của một microprocessor
b) Nguyên tắc làm việc của microprocessor
Bộ phát lệnh (Instruction Pointer) đưa ra đòa chỉ các lệnh mới, lệnh sẽ được
đọc, được giải mã và được thực hiện. Nếu lệnh đó là một lệnh nhảy (nhảy đến một
đòa chỉ lệnh khác), đòa chỉ nhảy được lưu vào bộ phát lệnh.
Phần mềm hệ thống của điều khiển số : phần mềm hệ thống bao gồm nhiều
khối liên hệ với nhau (ví dụ: vào/ra, nội suy, điều chỉnh vò trí). Những bộ phận
chương trình này được xử lý theo chu kỳ, trong đó những đòi hỏi từ bộ phát chu kỳ
ngoại vi (ngắt cứng) hay qua phần mềm của hệ thống (ngắt mềm) được xử lý.
Trang 8
Chương 1 : Tổng quan
Microprocessor
Bộ đếm
lệnh
Mã lệnh
Thực hiện
Đòa chỉ lệnh
Lệnh
điều khiển

tính toán

Hình 1.5 Nguyên lý làm việc của microprocessor.
Hình 1.6 trình bày cấu trúc ưu tiên trong phần mềm hệ thống của một hệ điều
khiển số. Các chương trình có mức ưu tiên cao hơn, theo quy luật, chạy thường
xuyên hơn những chương trình có mức ưu tiên thấp hơn.
Chỉ thò
Vào/Ra (Bảng điều khiển PC)
RFI
Nội suy (tính toán hình học)
RFI
Chương trình đọc vào
RFI
Điều chỉnh vò trí
RFI
Các chức năng trong vùng chờ
RFI
Chiều tăng của tính ưu tiên

Hình 1.6 Cấu trúc ưu tiên của phần mềm điều khiển số
RFI = Request For Interrupt
Trang 9
Chương 1 : Tổng quan
Máy vi tính

Đồng hồ
(Phát chu kỳ)
Microprocessor
Bộ nhớ RAM
Bộ nhớ ROM

Vào / Ra / Mặt
nối ghép
Bus đòa chỉ
Bus dữ liệu

Hình 1.7 Sơ đồ khối của một vi xử lý (vi tính)
Nếu bổ sung cho microprocessor một số cụm chức năng mở rộng, ta sẽ có một
máy vi tính. Các cụm kết nối cơ bản của máy vi tính được trình bày trên hình1.7.
Máy phát chu kỳ (tactgenerator), thực chất đây là một cụm phát dao động nhờ
tinh thể thạch anh, sản sinh chu kỳ chuẩn cho tiến trình làm việc của microprocessor.
Bộ nhớ ROM (Read Only Memory), là bộ nhớ mà nội dung chỉ có thể đọc
được mà không thể cải biến cũng như xoá được. Nội dung của bộ nhớ do các nhà
chế tạo thiết lập trong khi sản xuất các cụm vi mạch IC. Các bộ nhớ ROM được sử
dụng trong các cụm điều khiển
P
µ
với chức năng là bộ nhớ chương trình hệ thống.
Bộ nhớ RAM (Random Access Memory), là bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên cho
phép người sử dụng có thể viết vào, trích ra hoặc xóa bỏ các dữ liệu. Trong máy vi
tính, RAM có chức năng lưu trữ các chương trình và dữ liệu.

1.1.4 Các mức phát triển của hệ điều khiển CNC đa xử lý
Sự phát triển từ hệ NC đến hệ CNC từ 1970 đến nay là tiến trình song song với
sự phát triển công năng của các máy tính.
Trang 10
Chương 1 : Tổng quan
1.1.4.1 Mức phát triển vào giai đoạn 1970-1971
B
1≥
&

1≥
&
1≥
D
A
Động cơ Bàn máy
D
A
A
CD
EFG
H
J
K
L

Hình 1.8 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển số NC
có liên hệ với hệ thống đo vò trí và mạch điều chỉnh vò trí.
A. Đọc bằng đục lỗ; B. Mạch logic khép kín; C. Bộ so sánh vò trí;
D. Biến đổi D/A; E. Khuyếch đại; F. Bộ so sánh tốc độ;
G. Khuyếch đại điều chỉnh; H. Động cơ chạy dao; I. Vò trí đo tốc độ;
J. Bàn máy; K. Cụm đo vò trí; Biến đổi A/D
Hình 1.8 trình bày sơ đồ nguyên tắc của một hệ NC có hệ thống đo vò trí số
(digital) và mạch điều chỉnh vò trí liên tục, trong đó việc xác đònh nhiệm vụ điều
khiển dựa vào các đường dây liên hệ cứng, còn gọi là lập trình qua hệ cứng.
Mức phát triển quá độ tiến tới điều khiển CNC đa xử lý là chuyển giao cho
máy vi tính những nhiệm vụ xử lý không yêu cầu gắn liền theo thời gian (Ví dụ,
quản lý dữ liệu, tính toán các giá trò hiệu chỉnh,…) và được gọi là hệ CNC thụ động.
1.1.4.2 Mức phát triển hiện tại
Trong các hệ CNC hiện đại, cụm vi tính đảm nhiệm luôn các xử lý gắn chặt

với yếu tố thời gian, ví dụ như nội suy, điều chỉnh vò trí, …. Đó là các hệ CNC điều
chỉnh chủ động.
Vi xử lý
Nội suy
Điều chỉnh vò trí
Tính toán tốc độ
Điều chỉnh tốc độ
D
A
Động cơ Bàn máy
A
B
HJ
I
K

Hình 1.9 Sơ đồ khối của hệ điều khiển CNC đa xử lý.
A. Nạp dữ liệu chương trình; B. Biến đổi D/A; H. Động cơ chạy dao;
I. Cụm đo tốc độ; J. Bàn máy; K. Cụm đo vò trí.
Từ hệ CNC thụ động đến hệ CNC điều chỉnh chủ động là sự thay đổi từ mạch
điều chỉnh vò trí liên tục sang mạch điều chỉnh vò trí không liên tục.
Trang 11
Chương 1 : Tổng quan
1.1.5 Mô tả chức năng của một hệ điều khiển đa xử lý
Sơ đồ khối hệ thống của một hệ điều khiển CNC đa xử lý hai trục điều khiển
được trình bày trên hình 1.10.
1.1.5.1 Các khối chức năng của cụm điều khiển trung tâm
 Cụm điều khiển trung tâm SUP (Supervisor). Đó là một micropocessor có
cấu trúc như hình 1.4.
 Giao diện lọc số DIF (Digital Filter Interface), khối chức năng này có ba

nhiệm vụ :
- Ghép nối cụm điều khiển trung tâm với các cụm chức năng khác.
- Là mạch logic chuyển các dữ liệu sang dạng trình tự.
- Là bộ lọc số đầu vào : bộ lọc kiểm tra các đầu vào theo chu kỳ.
 Bộ nhớ của cụm điều khiển trung tâm và giao diện SMI (Supervisor
Memory Interface), khối này gồm các EPROM (ROM có thể xóa được). Bộ nhớ
hàm chứa các chương trình làm việc của cụm điều khiển trung tâm và trong một
nhóm cấu trúc thứ hai thì chứa các thông tin điều khiển cho giao diện với máy công
cụ.
 Biến đổi đầu vào IC (Input Conditioner), trong mạch này các tín hiệu đầu
vào được chuyển đổi thành các tập tín hiệu cần cho các mạch logic. Các mạch đa
chức năng sẽ tiếp nhận và chuyển giao các thông tin đầu vào cho mạch lọc số đầu
vào.
 Bộ cấp dữ liệu đầu ra OD (Output Driver), mạch này bao gồm những mạch
của bộ cấp dữ liệu đầu ra, những logic giải mã và các mạch lưu trữ, dùng để tiếp
nhận và lưu trữ các dữ liệu trình tự từ mạch lọc đầu vào.
 Bộ điều hành dữ liệu DC (Data Controller), bộ này có nhiệm vụ như sau :
- Là giao diện chính cho các thông tin nạp từ các nút bấm của bảng điều
khiển.
- Là giao diện cho đầu ra các thông tin với màn hình hiển thò và tạo khuôn
cho các bộ hiển thò.
- Là giao diện vào ra cho các trang thiết bò ngoại vi.
- Đảm nhiệm chức năng phụ cho điều khiển thích nghi để có thể lập trình
cho bộ nhớ (ví dụ : bộ tính thời gian, bộ đếm, rơle hãm).
- Tạo khuôn cho các khối chương trình để chuẩn bò chuyển giao cho điều
chỉnh vò trí của các trục chuyển động.
Trang 12
Chương 1 : Tổng quan
1.1.5.2 Bộ điều phối dữ liệu DC (Data Controller)
 Cụm vi xử lý MPU (Microprocessor Unit), ngoài

P
µ
, cụm chức năng này
còn có một bộ phát tín hiệu chu kỳ cho
P
µ
, một giao diện với bus, một giao diện cho
cửa vào bộ nhớ trực tiếp DMA (Direct Memory Access) và một logic điều khiển
ngắt. Nhờ bộ ngắt này mà các lệnh đi tới từ các phím bấm có mức ưu tiên cao hơn
các lệnh hệ thống khác.
 Bộ nhớ chương trình PGM (Program Memory), bộ này gồm các EPROM để
lưu trữ các chương trình hệ thống của bộ điều phối dữ liệu và các bộ RAM để nhớ
thông số điều chỉnh máy, số liệu về dao và các giá trò chỉnh lý dao cũng như dữ liệu
của các chương trình con.
1.1.5.3 Bộ điều khiển các trục
Bộ này có riêng một microprocessor. Tại đây thực hiện tất cả các bước tính
toán cần thiết cho các chuyển động tuyến tính, các chuyển động phi tuyến, các chu
kỳ công tác cũng như các biến đổi kích thước đo, vùng đo. Bộ này gồm các cụm
chức năng sau :
 Bộ xử lý số cho các trục APA (Axis Processor Arithmetic), đây là một
P
µ

xử lý nhanh hình thành cụm tính số cho điều khiển.
 Vi xử lý điều khiển trục APMC (Axis Processor Microcontroller), cụm này
bao gồm các EPROM lưu trữ các mã lệnh điều khiển chuyên dụng, ngoài ra còn có
các logic nhảy, logic kiểm tra, logic cấp các đòa chỉ kế tiếp và bộ giải mã các lệnh
điều khiển.

Trang 13

Chương 1 : Tổng quan
Bộ ghi -
thu
CSHI
DIF SMI SPGU SPI MPU PGM
APGM APGM2 APA APMC
MEM
ADDED
MEM
DATA
CONT
OD321IC481
OGTU MCDI MICI*Y MIIO*Y AEI*Y AEI*XZ MICI*X MIIO*XZ MICI*Z SPPO
R M E R M EMPG
R M E
Bộ D/A
+5V
+5V
0V
0V
SSO
MFO
SIN
COS
Bus điều khiển trục
-12V
5V
Bus điều phối dữ liệu
Điều khiển hệ
thống lớp trên

Bus dữ liệu hệ thống lớp trên
RS232

Hình 1.10 Mô tả chức năng của bộ điều khiển đa xử lý
 Bộ nhớ chương trình các trục APGM (Axis Program Memory), bộ này bao
gồm các EPROM lưu trữ chương trình điều khiển các trục.
Trang 14
Chương 1 : Tổng quan
 Giao diện máy / hệ điều khiển MIC (Machine Interface Control), trong cụm
chức năng này có các bộ tính toán vi phân số DDA (Digital Differential Analysis)
để nội suy tinh xác giữa các điểm trên biên dạng; bộ chỉ dẫn đường dòch chuyển,
kiểm tra chiều của đường dòch chuyển và bộ truy nhập cho các vò trí tuyệt đối. Mỗi
một trục điều khiển đều có đủ các bộ phận trên.
 Giao diện máy Vào/Ra MIIO (Machine Interface Input/Output).
Trên mỗi trục điều khiển cụm chức năng này có một bộ biến đổi D/A, để sản
sinh các lệnh điều khiển tốc độ cần; biến đổi dạng tín hiệu của các tín hiệu vò trí và
một khâu điều khiển cho truy nhập các vò trí tuyệt đối.
 Phần bù số hiệu máy MCD (Machine Compensation Data)
Bộ này bao gồm bộ biến đổi A/D để biến đổi các đại lượng tương tự thành đại
lượng số chuyển giao cho hệ điều khiển. Những đại lượng tương tự này phát ra từ
các các biến áp, là phần bù lỗi do đảo chiều của các trục chạy dao, do các biến đổi
lượng chạy dao bằng tay MFO (Manual Feedrate Override) hoặc do thay đổi số
vòng quay trục chính.
 Điều khiển theo vòng quay trục chính SPPC , mạch sẽ điều khiển truyền
động chạy dao phụ thuộc vào số vòng quay trục chính. Ngoài ra bộ này còn xử lý
các tín hiệu phản hồi của bộ đo tốc độ trục chính.
 Giao diện trục AEI (Axis Encoder Interface) : cụm này dành cho các máy
có hệ thống đo đường dòch chuyển bằng cảm biến resolver.

1.1.6 Mạch điều chỉnh vò trí

Hình 1.11 trình bày mạch điều khiển vò trí cho một máy công cụ có hai trục
điều khiển . Mỗi một trục điều khiển số của một máy CNC cần có một mạch điều
chỉnh vò trí.
Từ bộ nội suy, mỗi giá trò vò trí cần sẽ là đầu vào cho mạch điều chỉnh vò trí.
Để cải thiện tính động lực học của truyền động chạy dao, người ta đưa vào mạch
điều chỉnh vò trí một mạch con điều chỉnh tốc độ và một mạch con điều chỉnh dòng
điện cho động cơ.
Trang 15
Chương 1 : Tổng quan
+
-
Điều chỉnh
vò trí
+
-
Điều chỉnh
vận tốc
Điều chỉnh
dòng điện
+
-
Động cơ
Truyền động
cơ khí
Đo dòng điện
Đo vận tốc
Đo vò trí
Thiết bò điều chỉnh
Truyền động
Hệ thống đo

Giá trò đặt của vò trí
Giá trò đặt
của vận tốc
Giá trò đặt của
dòng điện
Năng lượng
truyền động
Nhiễu
Đường dòch
chuyển

Hình 1.11 Mạch điều chỉnh vò trí có điều khiển thứ cấp tốc
độ dòch chuyển và dòng điện động cơ.

1.2 BỘ NỘI SUY SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP VI PHÂN SỐ DDA
1.2.1 Khái niệm nội suy
Trong các máy công cụ điều khiển theo chương trình số, những đường chạy
dao được hình thành nhờ các dòch chuyển tọa độ trên nhiều trục.
Trong chương trình bộ phận, tọa độ các điểm góc trên đường tác dụng, tốc độ
gia công được xác đònh bởi điều kiện công nghệ cũng như quy luật chuyển động yêu
cầu đều được đưa ra trước.
Bộ điều khiển phải xác đònh từ các dữ liệu này những đại lượng của vectơ tốc
độ, cũng như một trình tự các giá trò tọa độ vò trí trung gian, có mật độ đủ dày, dọc
theo biên dạng cần.
Những giá trò tọa độ vò trí trung gian này hình thành các giá trò đặt của mạch
điều chỉnh vò trí trên từng trục chạy dao riêng lẻ.

Trang 16