nghiên cứu khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động cho bàn máy phay cnc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w

w. l rc

-tnu. e d

u. v

n
ĐẠI HỌC THÁI
NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG
NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ
THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ
NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO
CHẤT
LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO
BÀN
MÁY PHAY
CNC
TẠ MINH
TIẾN
THÁI NGUYÊN
2008
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w

w. l rc

-tnu. e d

u. v

n
ĐẠI HỌC THÁI
NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG
NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ
THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ
NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG
CAO
CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN
ĐỘNG
CHO BÀN MÁY PHAY
CNC
Học viên : Tạ Minh Tiến
Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Võ Quang Lạp
THÁI NGUYÊN
2008
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w

w. l rc

-tnu. e d

u. v

n

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
***
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
o0o
THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI:
NGHI
ÊN CỨU KHẢO
SÁT
VÀ NÂNG CAO CHẤT
LƯỢNG
HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY PHAY
CNC
Học viên: Tạ Minh Tiến
Lớp: CHK8
Chuyên ngành: Tự động hoá
Người HD khoa học: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Ngày giao đề tài: 01/11/2007
Ngày hoàn thành: 30/4/2008
KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN
TS. Nguyễn Văn Hùng PGS.TS. Võ Quang Lạp Tạ Minh Tiến
DANH MUC CAC HINH VE VA ĐÔ THI
Hình vẽ Tên hinh
ve
Trang
Hình 1.1 Cơ sở của các máy CNC
1

Hình 1.2 Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ
Đề
các
2
Hình 1.3 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC
5
Hình 1.4 Sơ đô nguyên ly của 1 máy phay đứng 3 trục (X,Y,Z)
6
Hình 1.5 Lưu thông tín hiệu trong điều khiển số
7
Hình 1.6 Lưu đồ điều khiển hệ CNC
9
Hình 1.7 Cấu trúc hệ điêu khiển NC
9
Hình 1.8 Cấu trúc hệ điêu khiển CNC 10
Hình 1.9 Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay 11
Hình 1.10 Lưu đồ lập trình bằng máy 12
Hình 1.11 Cấu trúc của hệ CNC 14
Hình 1.12 Hệ
DNC
15
Hình 1.13 Ghép nối các máy CNC với máy tính trung tâm 17
Hình 2.1 Dụng cụ đo lường vị trí trên hệ CNC 21
Hình 2.2 Các điểm Reference Marks trên Encoder 22
Hình 2.3 Sai số tải được tạo ra ở chiết áp khi một điện trở tải được
nối
giữa công tác trượt và một đầu của dây điện
trở.
23
Hình 2.4 Bộ đo góc, môt loại cảm biến mà tín hiệu đầu ra của nó

là
một hàm lượng giác của vị trí trục roto θ. Hai cuộn roto
đặt
cách nhau 90
0
, hai cuộn Stator cũng đặt cách nhau
90
0
24
Hình 2.5 Bộ đo góc sử dụng như cảm biến, có môt cuộn dây roto
ngắn
mạch
24
Hình 2.6 Sơ đồ khối bộ mã hóa số trực tiếp 25
Hình 2.7 Sơ đồ khối bộ mã hóa xung, tần số, thời gian 26
Hình 2.8 Sơ đồ khối bộ mã hóa tương tự sang số 26
Hình 2.9 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi Analog to Digital 26
Hình 2.10 Thước đo số theo nguyên tắc quang-điện-soi
thấu
(Heidenhain)
27
Hình 2.11 Phương pháp nội suy dùng bộ tính toán arctang 28
Hình 2.12 Phương pháp nội suy dùng bảng nội suy và khối tính toán 29
Hình 2.13 Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển CNC 29
Hình 2.14 Thành phần cơ bản của MCU 31
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ 36
Hình 3.2 Hệ trục vector không gian(a,b,c) và hệ tọa độ cố định
trên
stator
(α,β)

38
Hình 3.3
Hệ tọa độ cố định trên stator (α,β) và hệ toạ độ cố định trên
rotor(x,y)
39
Hình 3.4 Biểu diễn vét tơ dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ cố
định
stator (α,β) và hệ tọa độ cố định rotor
(x,y)
40
Hình 3.5 Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định
stator
(α,β) và hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor
(d,q).
42
Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ 47
Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ 48
Hình 3.8 Định hướng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông
rotor
(d,q)
48
Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng
thiết
bị biến
tần
51
Hình 3.10 Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - động cơ. 52
Hình 3.11 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc
độ
hai mạch vòng

kín.
53
Hình 3.12 Đường đặc tĩnh tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai
mạch
vòng
kín.
54
Hình 3.13 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc
độ
shai mạch vòng
kín.
55
Hình 3.14 Đồ thị dòng điện và tốc độ quay của quá trình khởi động
hệ
thống điều chỉnh tốc
độ
a) Quá trình khởi động tăng tốc lý
tưởng.
b) Hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng
kín
56
Hình 3.15 Bộ điều tiết tốc độ quay cài đặt phản hồi âm vi phân 60
Hình 3.16 Ảnh hưởng của phản hồi âm vi phân tốc độ quay đối với
quá
trình khởi
động.
1 – Hệ thống hai mạch vòng kín thông
dụng
2 – Hệ thống cài đặt phản hồi âm vi
phân

61
Hình 3.17 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng tốc độ quay
có
cài đặt phản hồi âm vi phân tốc độ
quay:
a. Sơ đồ cấu trúc hệ thống ban đầu
61
b. Sơ đồ cấu trúc sau khi đơn giản hoá
Hình 3.18 Hệ thống điều khiển tốc độ ba mạch vòng có mạch vòng
có
cài đặt suất biến đổi dòng
điện.
ADR – bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng
điện.
CD – khâu vi phân dòng
điện
65
Hình 3.19 Bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện 65
Hình 3.20 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng suất biến
đổi
dòng
điện
66
Hình 4.1 Hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ 68
Hình 4.2 Mạch điện thay thế của động cơ một chiều. 69
Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều 70
Hình 4.4 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải 71
Hình 4.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá 72
Hình 4.6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi. 72
Hình 4.7 Sơ đồ cấu trúc thu

gọn:
a. Theo tốc độ, b. Theo dòng
điện
73
Hình 4.8 Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ
chỉnh
lưu
74
Hình 4.9 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bán dẫn
thyristor
a. khi chuẩn xác, b. khi gần
đúng.
75
Hình 4.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 76
Hình 4.11 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 77
Hình 4.12 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 78
Hình 4.13 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí 80
Hình 4.14 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 82
Hình 4.15
Quan hê giưa ∆ϕ và
ω
83
Hình 4.16 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID 87
Hình 4.17 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác
nhau
của vị trí đặt đầu vào ϕ
đặt
= 10(V), I =
0(A)
88

Hình 4.18 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác
nhau
của vị trí đặt đầu vào ϕ
đặt
= 10V, I = 8,7
A
89
Hình 5.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 91
Hình 5.2 Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con người và hệ mờ 94
Hình 5.3 Ví dụ chọn tập dữ liệu vào/ra 96
Hình 5.4 Hệ điều khiển mờ theo luật I 101
Hình 5.5 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 101
Hình 5.6 Hệ điều khiển mờ theo luật PI 102
Hình 5.7 Hệ điều khiển mờ PID 103
Hình 5.8 Vị trí đặt bộ điều khiển mờ trong hệ điều khiển vị trí 105
Hình 5.9 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu vào: vị trí đặt 106
Hình 5.10 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu ra: Hệ số khuếch đại 106
Hình 5.11 Các luật điều khiển mờ 106
Hình 5.12 Sơ đồ khối của khối luật bù mờ. 107
Hình 5.13 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ 108
Hình 5.14 Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ 108
Hình 5.15
Kết quả mô phỏng với
ϕ
đặt
= 10V, I = 0A
109
Hình 5.16
Kết quả mô phỏng với
ϕ

đặt
= 10V, I = 8,7A
110
MƠ
ĐÂU
Ngày
nay
, cuôc cach mang khoa hoc ky thuât trên thê giơi đang phat triên
vơi tôc đô vu bao , không ngưng vươn tới những đỉnh cao mơi, trong đo co nhưng
thành tựu về kỹ thuật tự động hóa sản xuất . Đa sô cac may côn g cu hiên đai đươc
điêu khiên theo chương trinh sô . Đây la nhưng điêu kiên ky thuât cơ ban để thực
hiên nhưng điêu kiên tư đông hoa linh hoat trên tưng may công cụ điều khiển số
riêng
le
, hay cac trung tâm điêu khiên sô cũng như việc g hép nối chúng thành
môt hê thông linh
hoat
, điêu khiên liên thông băng may tinh ghep nôi mạng. Vơi
tiên bô mạnh mẽ của công nghệ vi xử lý đã tạo điều kiện nâng cao vượt bậc

công
năng cua hê điêu khiên
sô
, đông thơi vơi viêc ngay cang giam vê gia thanh của bộ
điều khiển này. Cụm vi xử lý với tư cách là bộ phận chính yếu của thiết bị và
các bo mạch ghép nối ngoại vi là những phần cứng không thể thiếu được trong cac
máy công cụ
CNC.
Trong cac nha may xi nghiêp
côn

g nghiêp ơ nươc ta hiên nay máy phay CNC
nói riêng và may công cụ điều khiển số CNC nói ch ung ngày càng được sử dụng
rông
rai
. Viêc phat huy hiêu qua sư dung , bảo dưỡng vân hành máy là vấn đề đăc
biêt quan tâm cua chung ta . Muôn phat huy đươc hiêu qua tôi đa khả năng thiết bị
cũng như việc cải tiến nó cho phù hợp vơi điêu kiên môi trương va con ngươi Viêt
Nam đoi hoi phai có sự hiểu biêt sâu săc vê may công cu
CNC
.
Viêc “Nghiên cưu khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động
cho bàn máy phay CNC ” có một ý nghĩa rât lơn trong ng ành tự động hóa . Đo
chính là nội dung đề tài luận văn tốt nghiệp cao
h
ọc của tôi.
Luận văn này được chia thành 5 chương sau:
Chương I - Tổng quan về máy công cụ CNC.
Chương II - Hệ thống đo lường và điều khiển trong máy CNC.
Chương III - Phân tích và chọn phương án truyền động cho bàn máy phay CNC
Chương IV - Tổng hợp hệ thống truyền động bàn máy phay CNC.
Chương V - Nâng cao chất lượng hệ truyền động bàn máy phay CNC bằng bộ
điều khiển mờ lai.
Tôi xin bay to long biêt ơn chân thanh tơi PGS .TS Vo Quang Lap
đ
ã hướng
dân tân
tinh
, chỉ bảo cặn kẽ để tôi hoàn thành luân văn
nay
. Xin gưi lơi cam ơn tơi

tât ca các Thầy các cô Khoa sau đai
hoc
, Khoa điện và các bạn đồng nghiệp
Trương ĐHKT Công nghiêp Thai Nguyên.
Thái nguyên Ngày 30 tháng 04 năm
2008
Tác giả luận
văn
Tạ Minh
Tiến
1
CHƢƠNG
I
TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ
CNC
1.1 Khái quát về các máy công cụ CNC.
1.1.1 Cơ sở của máy CNC.
Các trục của máy được trang bị dụng cụ đo vị trí để xác toạ độ của bàn máy
và của dao cụ (ví dụ Encoder vị trí gắn trên bàn máy để đo khoảng cách dịch
chuyển của bàn máy theo trục X trên hình 1.1). Khi trục máy di chuyển thì các dụng
cụ đo lường phát ra một tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu này và xác
định được toạ độ chính xác của các trục máy.
Z
Y X
Hình 1.1 Cơ sở của các máy CNC
Trong hệ toạ độ đề các được xây dựng trên ba trục toạ độ vuông góc
(X,Y,Z). Một điểm trong mặt phẳng được xác định bởi hai trục toạ độ, một điểm
trong không gian được xác định bởi ba trục toạ độ (X,Y,Z) hình 1.2 cho biết các
trục của máy được miêu tả như thế nào thông qua hệ toạ độ đề các và kí hiệu các
trục toạ độ theo quy tắc bàn tay phải. Các máy công cụ CNC có thể điều khiển tới

chín trục, đó là các trục (U,V,W) là các trục chuyển động thứ hai song song với các
trục (X,Y,Z) còn các trục (A,B,C) là các trục quay quanh các trục (X,Y,Z).
Ngoài ra, trong lập trình gia công còn xử dụng hệ toạ độ cực. Một điểm trong
mặt phẳng được biểu diễn thông qua hai giá trị là bán kính và góc trong hệ toạ độ
cực.
2
Hình 1.2 Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các
1.1.2 Đặc điểm và phân loại.
Một cách tổng quát các máy công cụ CNC có thể được phân loại theo đặc
điểm sau:
- Truyền động: Thuỷ lực, khí và điện
- Phương pháp điều khiển máy: Toạ độ hay quỹ đạo
- Hệ thống định vị: Định vị kích thước nối tiếp và định vị tuyệt đối.
- Các vòng lặp điều khiển .
- Số trục toa độ.
Theo chức năng thì các máy công cụ CNC cũng như các máy công cụ vạn
năng, có thể được chia thành các nhóm sau:
- Nhóm máy tiện đại diện cho các máy tiện trong, tiện ngoài trên một phôi
đang quay, cũng như cắt ren trong và ren ngoài
- Nhóm may khoan, doa để khoan, doa các phôi.
- Nhóm máy phay để phay những chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo ra
các bề mặt và các góc đa dạng và cũng có thể khoan, phay và doa. Thay đổi nguyên
công bằng cách thay dao cụ, có nghĩa là chỉ cần một lần gá kẹp.
- Nhóm máy mài để gia công tinh. Nhóm này bao gồm các máy mài trục, mài
lỗ, mài phẳng, mài răng, mài rãnh then, mài dụng cụ
- Nhóm trung tâm gia công: Khoan, phay, tiện, doa,
3
Các máy CNC có thể thay dao bằng tay hoặc tự động. Có nhiều phương pháp
thay dao tự động, nó phụ thuộc vào kết cấu cơ khí của máy, phụ thuộc vào chương
trình điều khiển thay dao.

Các máy CNC có thể cấp phôi bằng tay hoặc tự động. Những máy được
trang bị bộ phận cấp phôi tự động có thể làm các chi tiết mà không cần có sự phục
vụ của người vận hành. Kiểu máy này gọi là modul gia công linh hoạt (Flexibe
Manufacturing Module).
Các thông số kỹ thuật của máy CNC là:
1. Đường kính lớn nhất của phôi tiện trên máy tiện.
2. Đường kính khoan lớn nhất của máy khoan.
3. Đường kính trục doa lớn nhát của máy doa.
4. Chiều rộng lớn nhất của bàn máy phay.
5. Kích thước khuôn và trọng lượng máy.
6. Số trục phối hợp có thể điều khiển và số trục có thể điều khiển đồng
thời.
7. Ngăn chứa dụng cụ (dao).
8. Thiết bị cấp (tháo) phội tự động của máy.
9. Băng tải phôi của máy.
10. Hệ thống điều khiển của máy.
11.
Hệ thống truyền động của máy.
12.
Hệ thống đo lường.
1.2 Nguyên lí vận hành của một máy công cụ điều khiển
số.
1.2.1
Chƣơng
trình gia công chi tiết.
Chương trình gia công chi tiết gồm có các chương trình điều khiển và dữ
liệu.
Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lưu giữ
trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ hoặc đĩa Compact CD) sau đó được nạp vào hệ
điều khiển số qua cửa nạp tương thích.

Dữ liệu gồm các giá trị hiệu chỉnh biên dạng, các dữ liệu chỉnh máy, các số liệu
về dao cụ được nạp vào từ bảng điều khiển.
Chương trình điều khiển và dữ liệu được chuyển trực tiếp từ máy tính chủ sang
hệ điều khiển số của từng trạm gia công (hệ CNC).
1.2.2 Khối điều khiển.
Thực hiện chương trình gia công chi tiết trên cơ sở dữ liệu sẵn có và tín hiệu
từ bên ngoài.
Nhận các giá trị vị trí của các trục từ sensor đo vị trí (encoder), và tốc độ
của
các trục.
Thực hiện các chương trình điều khiển các cơ cấu chấp hành, động cơ của trục
chính, động cơ của các trục truyền động riêng lẻ để phối hợp tạo nên biên dạng và
tốc độ gia công đã xác định.
1.2.3 Điều khiển logic.
Điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ như sau:
Tốc độ chạy nhanh (Không cắt) tối đa, bố trí xếp đặt các trục máy, các trạng
thái đóng ngắt mạch của hệ điều khiển và giới hạn vùng làm việc của hệ thống
công nghệ (bàn máy, gá lắp, dao cụ), lệnh đóng/ngắt bơm dung dịch làm mát và bôi
trơn, lệnh tạo số vòng quay cho trục chính, lệnh đổi dao cụ.
Đầu ra khối điều khiển logic đi điều khiển các cơ cấu chấp hành như: Van
thuỷ lực, van khí nén, các rơle
1.3 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC.
Màn hình dùng để hiển thị toạ độ hiện tại của các trục truyền động, trạng thái làm
việc của toàn hệ thống
Bảng điều khiển để vao dữ liệu điều chỉnh máy, lập trình gia công, cài đặt hệ
thống
Tay quay điện tử dùng để vận hành máy trong các trường hợp để hiệu chỉnh
máy, đo chi tiết mà phải mở cửa làm việc.
Các khối vào ra (I/O), các bộ điều khiển truyền động (BKĐ) liên lạc với
CPU thông qua một BUS hệ thống. Các khối Flash + RAM để lưu dữ các chương

trình điều khiển, dữ liệu máy và liên lạc với CPU thông qua BUS trong của CPU.
Các cơ cấu chấp hành là van thuỷ lực, van khí nén, công tắc tơ, rơle Các
sensor thường là các sensor trạng thái (Proxymity sensor), sensor áp suất, sensor
nhiệt độ Hệ thống đo lường là các cảm biến vị trí, cảm biến tốc độ để đưa các tín
hiệu phản hồi về các bộ điều khiển (Controller). Trục chính dùng để quay dao, còn
các trục toạ độ khác phục vụ cho việc di chuyển dao đến các vị trí được lập trình để
tạo nên biên dạng mong muốn.
KWH
1
4
3
2
HTĐK
CPU
Cnet Flash+Sram
BUS
I/O
BĐK
Sensor
HT đolường
Cơ
cấu
Chấp
hành
Trục chính
và
các trục TĐ
khác
Hình1.3 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC
1 Màn hình 2 Bảng điều khiển

3 Mạch ghép nối 4 Tay quay điện tử
Hình 1.4 sơ đô nguyên ly cua 1 máy phay đứng 3 trục (X,Y,Z).
1.4 Hệ thống truyền thông tin.
Bảng điều
khiển
Tay quay Đầu đọc
Máy
vi tính
Lớp 1
Bảng điều
khiển
Bảng điều
khiển
Dữ liệu dao Dữ liệu máy
Lớp 2
Quản lý
Chuẩn bị thông tin
Lớp 3
Xử lí thông tin
Lớp 4
Điều khiển
Điều chỉnh số
vòng quay
trục chính
Điều chỉnh vị
trí
Điều chỉnh
thích ứng
Lớp 5
Rơle vòng

quay hiệu
chỉnh dòng
Rơle vòng
quay hiệu
chỉnh dòng
Tổng thể máy
công cụ
Lớp 6
Truyền động
trục chính
Truyền động
chạy dao
Hình 1.5 Lưu thông tín hiệu trong điều khiển số
Lớp 1: Dữ liệu được nạp vào từ các nguồn.
- Bảng điều khiển
- Các cơ cấu tay quay điện tử. Cơ cấu này giới hạn cho việc gia công chi tiết
lẻ, kết cấu đơn giản hoặc quá trình hiệu chỉnh máy.
- Đầu đọc vật mang tin (băng từ, đĩa từ, đĩa compact).
- Từ một máy tính của hệ.
Lớp 2: Lưu dữ.
Thông tin đầu vào được lưu dữ trong các bộ nhớ. Chương trình gia công chi
tiết, các dữ liệu về dao cụ và giá trị hiệu chỉnh được lưu dữ trong bộ nhớ RAM. Các
dữ liệu hiệu chỉnh máy cũng được lưu dữ trong bộ nhớ RAM hoặc EPROM.
Lớp 3: Lưu chuyển.
Trong lớp này các dữ liệu chương trình bắt đầu được xử lý. Đường dịch
chuyển cần được thực hiện trong câu lệnh kế tiếp được tính toán, quỹ đạo tương
quan với biên dạng lập trình được tìm ra có tính đến khoảng cáchbằng bán kính dao.
Các phương pháp kiểm tra, nghiệm lại các thông số chương trình quan trọng như
trọng điểm kết một đường cong phi tuyến .v.v
Lớp 4: Lưu xử lí.

Lớp này bao gồm các bộ nội suy, tìm gia những giá trị cần về toạ độ cho
mạch vòng điều chỉnh vị trí trên từng trục và đưa ra các số liệu điều khiển trục
chính và điều khiển toàn
máy.
Lớp 5: Điều chỉnh
Gồm các bộ điều chỉnh dòng điện, bộ điều chỉnh tốc độ và bộ điều chỉnh vị
trí để điều khiển các động cơ truyền động các trục phù hợp với tốc độ chạy dao và
biên dạng đã lập trình.
Lớp 6: Cơ cấu chấp hành, cơ cấu dịch chuyển và đo lường.
1.5 Hệ thống tính toán và điều khiển.
1.5.1 Khái niệm và phân
loại.
Hệ điều khiển CNC thực hiện như lưu đồ điều khiển hình 1.6 Giai đoạn đầu
tiên, những thông tin về kích thước công nghệ được đưa sang khâu chuẩn bị chương
K
H
Ố
I

Đ
I
̉
Ê
U

K
H
I
Ể
N

trình, sau đó là công việc lập trình điều khiển.
Chương trình điều khiển được đưa vào thiết bị tính toán điều khiển, tạo ra tín
hiệu điều khiển các hệ tự động.
Cấu trúc của thiết bị tính toán điều khiển có thể chia ra làm hai nhóm: NC
(Numerical Control) và CNC (Computer Numerical Control).
Chuẩn bị số liệu
cho lập trình
Chuẩn bị số liệu
cho lập trình
Chương trình
điều khiển
Thiết bị tính
toán và điều
khiển
Hệ truyền
động điện
tự động
Hình 1.6 Lưu đồ điều khiển hệ CNC
Trong hệ CNC (hình 1.7) chương trình điều khiển được đưa vào khối sao
chương trình sau đó qua đầu vào đưa dến khối giải mã nhằm tạo ra các mã tương
thích của máy. Tín hiệu này hoặc đưa trực tiếp vào khối điều khiển hoặc đưa vào bộ
nhớ đệm và cuối cùng đến khối nội suy (Interpolation) để tính toán phân ra các toạ
độ truyền động. Mặt khác thông tin điều khiển còn đưa ra các lệnh điều khiển công
nghệ như tốc độ cắt, xoay chi tiết, thay dao.v.v
3 1 2
4
5
6
8
Hệ T. Động

7
9
Lệnh công nghệ
Hình 1.7 Cấu trúc hệ điêu khiển NC
3 1 2
Từ máy tính
ALU
Nhớ cố
định
Nhớ
Lệnh công nghệ
Hệ T. Động
Hình 1.8 Cấu trúc hệ điêu khiển CNC
Trong hệ CNC (hình 1.8) khối ALU (Arithmetic Logic Unit) thực hiên các
phép toán số học và logic. Khối ALU nhận thông tin về công nghệ và thông tin điều
khiển từ máy tính thông qua khối I/O. Bên cạnh ALU là bộ nhớ để chương trình và
dữ liệu cần thiết để thực hiện chương trình. Hệ CNC bao gồm bộ vi điều khiển cấp
dưới và máy vi tính cấp trên. Nhờ vậy, có thể khếp nối với hệ điều khiển cấp trên để
thực hiện thiết kế tự động CAD và hệ điều hành sản xuất tự động CAM hợp thành
một hệ sản xuất linh hoạt FMS
1.5.2 Chuẩn bị
chƣơng
trình điều khiển cho hệ CNC.
a. Chuẩn bị chương trình bằng tay.
Những thông tin cần thiết để chuẩn bị chương trình là: Các bản vẽ chi tiết và
các điều kiện công nghệ. Người soạn thảo chương trình phải chuyển thông tin đó
thành chương trình điều khiển số cho máy gia công.
Bản vẽ chi tiết
Kế hoạch
gia công

Kế hoạch
dụng cụ cắt
Bảng các
toạ độ
Kế hoạch
đồ gá
Biểu đồ
Công nghệ
Chương trình
dạng Text
Mã hó
a
Ghi băng
Hình 1.9 Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay
+ Chọn hệ toạ độ (Tương ứng với hướng dẫn của ISO) sao cho điểm toạ độ
ban đầu cần phải trùng với điểm xuất phát của dụng cụ cắt hoặc chi tiết gia công.
+ Dựa trên quỹ đạo chuyển động giữ các điểm tựa, viết chương trình quỹ đạo
chuyển động (đường thẳng, đường tròn, Parabol, ). Nếu như dùng phương pháp
gần đúng thì phải tính sai số.
+ Dựa vào các thông tin về công nghệ như chế độ căt, dụng cụ cắt, tốc độ cắt
thành lập biểu đồ công nghệ.
b. Chuẩn bị chương trình từ máy vi tính.
Chuẩn bị chương trình điều khiển thực hiện bằng tính toán trực tiếp với chi
tiết gia công phức tạp mất nhiều thời gian và độ chính xác không đảm bảo. Ngày
nay người ta thường thực hiện chuẩn bị chương trình nhờ máy tính. Đặc trưng của
lập trình bằng máy là việc ứng dụng một ngôn ngữ lập trình định hướng đối tượng.
Bản vẽ chi tiết thô
& bản vẽ sản phẩm
Kế hoạch đầu ra
Khai báo chương

trình các dữ liệu
công nghệ
Soạn thảo chương
trình bằng ngôn
ngữ biểu tượng
Hộp lưu dữ,
băng đục lỗ
Trao đổi thông tin
Chương trình xử lý
Tính toán
Hoạt động theo
nguyên tắc trực
tiếp với máy NC
hay ghép nối DNC
Bảng danh mục
Băng đục lỗ. vật
mang tin, đĩa CD
Hình 1.10 Lưu đồ lập trình bằng máy
Với sự trợ giúp của ngôn ngữ lập trình như vậy ta có thể:
- Xác định những nhiệm vụ gia công tương đối đơn giản và không thực hiện
các tính toán bằng tay.
- Chỉ cần truy nhập một số ít dữ liệu có thể sản sinh một số khối lượng lớn
các số liệu cho nhiệm vụ gia công.
- Những tính toán cần thiết đều do máy tính thực hiện.
- Dùng một ngôn ngữ biểu tượng tương đối dễ học mà các từ của nó hợp
thành bởi những khái niệm phổ biến Trong ngôn ngữ chuyên môn của kỹ
thuật gia công.
- Tiết kiệm phần lớn thời gian trong khi mô tả chi tiết cần gia công và các
chu trình công tác cần thực hiện.
- Hạn chế được các lỗi lập trình, vì so với lập trình bằng tay chỉ cần cấp ít dữ

liệu vào máy tính và hầu như không cần phải tính toán.
Nếu tất cả các giai đoạn chuẩn bị chương trình đều thực hiện nhờ máy tính
gọi là tự động tự động hoá toàn bộ khâu chuẩn bị chương trình. Tuy nhiên trong
trường
hơ
p chuyển từ giai đoạn này sang giai đoạn khác cần phải thực hiện bằng
chương trình công nghệ theo mô hình toán học mô tả đối tượng. Hiện nay tồn tại
nhiều ngôn ngữ lập trình cho việc thực hiện tự động hoá chuẩn bị chương trình điều
khiển.
Trong việc thực hiện tự động hoá chuẩn bị chương trình điều khiển máy tính
sẽ đảm nhận các bài toán về kích thước hình học và công nghệ tính toán các toạ độ
điểm tựa, tiệm cận hoá các đường cong, tính toán các tham số khoảng cách đẳng trị.
Tính toán lượng ăn dao và tốc độ cắt, cụ thể gồm các bước sau:
1. Chọn ngôn ngữ để mô tả quỹ đạo chuyển động, ngôn ngữ này phải có đủ khả
năng mô tả được các kích thước tham số của quỹ đạo chuyển động với lời
diễn tả đơn giản dễ sử dụng.
2. Gia công thuật biến đổi thông tin về kích thước hình học sao cho có thể phối
hợp với ngôn ngữ của máy gia công.
3. Tạo các thuật toán giải các bài toán mẫu theo các quỹ đạo gia công đặt ra.
4. Gia công các thuật toán đẻ phục vụ cho các đối tượng cụ thể.
1.5.3 Cấu trúc hệ điều khiển CNC.
Hình 1.11 Cấu trúc đầy đủ của một hệ CNC
Máy tính có nhiệm vụ quản lý, quan sát, lập trình. Ngoài ra nhờ có khối ghép
nối (Interface Bus) để hệ có thể nối mạng với các máy tính bên ngoài với mục đích
để truyền dữ liệu, quản lý, theo dõi hoặc điều khiển DCN. Bảng điều khiển và tay
quay điện tử dùng để vận hành máy, vào các dữ liệu, chọn các chế độ làm việc, lập
trình gia công
Máy tính lập trình,
quản lý, theo dõ
i,

DNC
Bảng điều khiển,
Tay quay điện tử
Máy tính quan sá
t
& vận hành
Interface Bus
Khối
NC
Khối
NC
Khối
Vi ĐK
Biến
đổi 1
Biến
đổi 2
…
Biến
đổi n
Đo lường
M1 M1 Mn
…
Hình 1.11 Cấu trúc của hệ CNC
Khối NC có nhiệm vụ thu thập và xử lý dữ liệu, nội suy, tính toán quỹ đạo,
điều phối. Chức năng của PLC là điều khiển quá trình công nghệ của toàn hệ.Trong
một số trường hợp cả ba khối (NC, PLC, và khối vi điều khiển) được chế tạo thành
một khối (hình 1.11), nó đảm bảo toàn bộ chức năng điều khiển của hệ.
Khối vi điều khiển gồm các Controller (bộ điều khiển vị trí, bộ điểu chỉnh
tốc độ ) thực hiện tất cả các bước cho chuyển động tuyến tính, các chuyển động

phi tuyến để đạt được biên dạng lập trình.
Các bộ phận của cấu trúc này như truyền động điện, đo lường, hệ điều khiển
sẽ được nghiên cứu chi tiết ở các chương sau.
1.6 Hệ DNC.
Máy công cụ CNC được điều khiển theo chương trình số viết bằng các mã ký
tự số, các chữ cái và một số ký tự chuyên dụng khác. Trong đó hệ thống điều khiển
có cài đặt các bộ vi xử lí đảm nhiệm các chức năng cơ bản của chương trình số như:
tính toán toạ độ trên các trục điều khiển theo thời gian thực, giám sát các trạng thái
thực của máy, tính toán các giá trị chỉnh lý dao cắt, tính toán nội suy trong điều
khiển quỹ đạo biên dạng (tuyến tính, phi tuyến), thực hiện so sánh các cặp giá trị
mong muốn và giá trị thực.
Điều khiển trực tuyến DNC (Direct Numerical Control) là một hệ thống điều
khiển trong đó dùng máy tính điều hành trực tiếp nhiều máy công tác điều khiển
theo chương trình số. Đặc tính cơ bản của hệ DNC là sự ghép nối trực tuyến
(online) nhiều máy CNC với một máy tính.
Máy tính chủ
Bộ phận ghép nối
Dữ liệu từ vật
mang
ti
n
Máy
C
NC
Máy
CNC
Hình 1.12 Hệ DNC
Hệ DCN có thể trao đổi thông tin theo hai cách:
Cách 1: Vận hành BTR (Behind Tappe Reader). Thông tin điều khiển từ máy
tính sau khi qua bộ phận đọc dữ liệu từ vật mang tin sẽ được chuyền vào hệ điều

khiển CNC.
Cách 2: Vận hành trực tiếp. Máy tính trung tâm gộp luôn các bộ nhớ thông
tin và bộ nhớ nội suy cũng như các khả năng khác của CNC vào trong máy tính.
Các máy công tác chỉ còn có cụm điều khiển logic và các mạch vòng điều chỉnh,
ngoài ra giữa chúng còn có một mạch nối ghép thích hợp .
Cách 2 có ưu điểm là hệ điều khiển máy công tác rẻ hơn nhiều (do máy tính
chủ đã phụ trách một số công việc). Nhưng do lệ thuộc hoàn toàn vào máy tính chủ
nên ít dùng.
Trong hệ DCN, nhiệm vụ cơ bản của máy tính trung tâm và quản lý tập trung
các chương trình gia công CNC và phân phối đến các máy công tác.
Quá trình lưu trữ và cập nhật dữ liệu điều khiển số cho từng máy CNC trong
hệ thống có tính tiện lợi và kinh tế.
Chức năng của một hệ DNC
Chức năng cơ bản Quản lý chương trình NC
Phân phối dữ liệu NC
Sửa chữa dữ liệu NC
Điều chỉnh chương trình NC
Thu thập và xử lý các dữ liệu hoạt động
Chức năng điều khiển cho dòng vật chất
Các chức năng thành phần của quá trình gia công
Tuỳ thuộc vào cấu hình của máy CNC riêng lẻ mà nó có thể ghép nối trực
tiếp với máy tính chủ bởi giao thức truyền TCP/IP hình 1.13, OSI hoặc giao thức
khác. Người điều khiển có thể thông qua một Terminal mà liên hệ với máy tính
trung tâm. Theo nguyên tắc, người điều khiển máy chỉ cần thông báo cho máy tính
trung tâm chương trình nào được khai thác tiếp theo. Bộ xử lý trung tâm của máy
tính chủ cho phép gọi ra chương trình CNC cần thiết từ bộ nhớ ngoại vi của nó. Từ
đó, các dữ liệu điều khiển máy CNC sẽ được thông báo, tuỳ thuộc hình thức tổ chức
trong hệ điều khiển của máy công tác, theo từng câu lệnh riêng lẻ hoặc toàn bộ
chương trình.