GIÁO TRÌNH CAD CAM PHẦN 3 điều KHIỂN số sự KHỞI đầu của CAM CHƯƠNG 7

Chương 7. ĐIỀU KHIỂN SỐ CỔ ĐIỂN
Trung Thực

Lê

PHẦN III

ĐIỀU KHIỂN SỐ - SỰ KHỞI ĐẦU CỦA CAM
Chương 7. ĐIỀU KHIỂN SỐ CỔ ĐIỂN.
7.1. Mở đầu:

Nhiều thành tựu đạt được trong lónh vực CAD/CAM đều có nguồn gốc chung từ điều

khiển số (Numerical Control - viết tắt là NC).

Sự phát triển của điều khiển số trong kỹ thuật CAD/CAM cho đến nay vẫn còn
đang tiếp tục. Phần này dành riêng nói về NC cổ điển là có lý của nó.
Trong chương này chúng ta đònh nghóa khái niệm cơ sở và các ứng dụng của NC cổ
điển. Các hệ thống NC hiện đại chủ yếu dựa trên công nghệ máy tính. Chương 8 sẽ nói
về lập trình NC để gia công chi tiết, một lónh vực phụ thuộc mạnh mẽ vào máy tính.
Chương 9 liên quan đến điều khiển máy NC nhờ máy tính.

Đònh nghóa điều khiển số:

Là một dạng tự động có thể lập trình được , trong đó qúa trình được điều khiển
bằng số, chữ và các ký hiệu. Trong NC, các số tạo nên chương trình lệnh được thiết kế
cho một việc gia công cụ thể. Khi sản phẩm thay đổi, chương trình cũng thay đổi. Khả
năng dễ dàng thay đổi chương trình đối với mỗi sản phẩm làm cho NC có tính mềm
dẻo. Viết một chương trình mới dễ hơn nhiều so với thay đổi căn bản về thiết bò.
Công nghệ NC được ứng dụng cho nhiều lónh vực, kể cả vẽ, lắp ráp, kiểm tra, dập
kim loại tấm và hàn điểm.

Chi tiết được thiết kế có hình dạng và kích thước khác nhau. Phần lớn các chi tiết
máy hiện nay được sản xuất ở loại bé, đơn chiếc. Để sản xuất một chi tiết phải cần
nhiều nguyên công như khoan, phay, tiện v.v.
Tiện lợi của NC là thích ứng với cả 3 loại nguyên công trên, và đó là lý do về sự
phát triển mạnh mẽ của nó ngày nay.

Lòch sử phát triển:

Máy điều khiển số cổ điển chủ yếu dựa trên công trình của một người có tên là
John Parsons.
940 Parsons đã sáng chế ra phương pháp dùng phiếu
Parsons Từ những năm 1940
đục lỗ để ghi các dữ liệu về vò trí tọa độ để điều khiển máy công cụ . Máy được điều
khiển để chuyển động theo từng tọa độ, nhờ đó tạo ra được bề mặt cần thiết của cánh
máy bay.
Năm 1948 J. Parson giới thiệu hiểu biết của mình cho không lực Hoa Kỳ. Cơ
quan này sau đó đã tài trợ cho một loạt các đề tài nghiên cứu ở phòng thí nghiệm
Servomechanism của trường Đại học kỹ thuật Massachusetts (MIT).
Công trình đầu tiên tại MIT là phát triển một mẫu máy phay NC bằng cách điều
khiển chuyển động của đầu dao theo 3 trụ tọa độ. Mẫu máy NC đầu tiên được triển
lãm vào năm 1952.
1952 Từ 1953 khả năng của máy NC đã được chứng minh.
Một thời gian ngắn sau, các nhà chế tạo máy bắt đầu chế tạo các máy NC để bán,
và các nhà công nghiệp, đặc biệt là các nhà chế tạo máy bay đã dùng máy NC để chế
CAD/CAM

93


Chương 7. ĐIỀU KHIỂN SỐ CỔ ĐIỂN

Lê
Trung Thực
tạo các chi tiết cần thiết cho họ. Hoa kỳ tiếp tục cố gắng phát triển NC bằng cách tiếp
tục tài trợ cho MIT nghiên cứu ngôn ngữ lập trình để điều khiển máy NC. Kết qủa
của việc này là sự ra đời của ngôn ngữ APT: Automatically Programmed Tools. Mục
tiêu của việc nghiên cứu APT là đảm bảo một phương tiện để người lập trình gia công
có thể nhập các câu lệnh vào máy NC. Mặc dù APT bò chỉ trích là thứ ngôn ngữ qúa đồ
sộ đối với nhiều máy tính, nó vẫn là công cụ chính yếu và vẫn được dùng rộng rãi trong
công nghiệp ngày nay và nhiều ngôn ngữ lập trình mới là dựa trên APT.

7.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống NC

Có 3 TP chính:
1. Chương trình
2. Hệ thống điều khiển gọi là Machine control units MCU
3. Máy công cụ hoặc qúa trình được điều khiển khác
Quan hệ giữa 3 bộ phận được vẽ trên hình 7.1

a)

b)

c)

Hình 7.1 Ba bộ phận cơ bản của hệ thống điều khiển số: a) Chương trình, b) Bộ
điều khiển, c) Máy cắt.
1/ Chương trình điều khiển.
Là những tập hợp những câu lệnh điều khiển máy phải làm gì.
Các lệnh này được mã hóa ở dạng số và ký hiệu mà thiết bò điều khiển có thể
nhận dạng được. Chương trình trước kia được ghi trên vật mang chương trình là băng lỗ.

Về sau này các dạng vật mang chương trình khác được dùng là
- Phiếu đục lỗ
- Băng từ
- Băng phim như của phim ảnh
- Đóa từ
Có 2 phương pháp lập trình:
- Bằng tay
- Bằng máy tính

CAD/CAM

94


Chương 7. ĐIỀU KHIỂN SỐ CỔ ĐIỂN
Lê
Trung Thực
Chương trình được chuẩn bò bởi lập trình viên, trong đó người lập trình chỉ ra từng
bước theo trình tự công nghệ. Đối với máy công cụ, các bước công nghệ là các chuyển
động tương đối giữa dụng cụ cắt và phôi.
2/ Bộ điều khiển .
Là thành phần thứ 2 của hệ thống điều khiển số. Nó bao gồm các bo mạch điện tử
và phần cứng có thể đọc và biên dòch chương trình điều khiển và truyền đến máy công
cụ. Các phần tử cơ bản của bộ phận điều khiển là:
- Bộ lưu dữ liệu
- Bộ phân phối dữ liệu
- Bộ liên hệ ngược
- Bộ điều khiển tuần tự để phối hợp hoạt động của các phần tử trên.
Cần phải lưu ý là gần như tất cả các máy NC hiện đại được bán là có trang bò bộ
điều khiển gọi là Microcomputer. Vì vậy mà chúng được gọi là máy CNC.

Chúng ta sẽ bàn về CNC trong chương 9.
Chương 8 sẽ bàn về lập trình bằng tay.

Bộ đọc băng lỗ:

Là một thiết bò điện tử dùng để quay và đọc băng đục lỗ có chứa chương trình điều
khiển. Các dữ liệu chứa trên bằng lỗ được đọc và đưa vào bộ nhớ để lưu trữ thành
những block thông tin logic. Một block thông tin thường là một bước hoàn chỉnh của
quá trình công nghệ. Thí dụ 1 block có thể là những dữ liệu cần thiết để di chuyển bàn
máy đến một vò trí xác đònh và khoan 1 lỗ ở vò trí đó.
Các kênh xuất dữ liệu (Signal output channels) được nối với mô tơ điều khiển và
các bộ phận điều khiển khác trong máy công cụ. Qua các kênh này lệnh được truyền
đến cho máy cắt từ bộ điều khiển.
Bộ liên nghệ ngược kiểm tra hoạt động chính xác của máy và truyền tín hiệu đến
cho bộ điều khiển.
Bộ điều khiển tuần tự: phối hợp hoạt động của các phần tử khác của bộ điều
khiển.
Panel điều khiển: Là một bộ phận của máy trong đó có gắn các công tắc, nút nhấn,
tay quay mà người vận hành máy dùng để điều khiển máy, Nó cũng có thể có thêm
màn hình thông báo những thông tin cho người vận hành. Mặc dù hệ thống NC là một
hệ thống tự động nhưng yếu tố con người vẫn cần thiết để bật và tắt máy, thay dụng cụ
(một số máy NC có bộ thay dụng cụ tự động), đưa phôi vào và lấy chi tiết ra và để
thực hiện các nhiệm vụ khác. Để hoàn thành các nhiệm vụ này, người vận hành phải có
khả năng điều khiển hệ thống và chức năng này người vận hành thực hiện thông qua
Panel điều khiển.
3. Máy công cụ hoặc qúa trình được điều khiển khác.
Thành phần thứ 3 của hệ thống NC là máy công cụ hay qúa trình điều khiển klhác .
Đây là thành phần của hệ thống thực hiện công có ích. Phần lớn các mẫu máy NC được
thiết kế là để thực hiện việc gia công. Máy công cụ bao gồm bàn máy và trục chính
cũng như các mô tơ và các bộ điều khiển cần thiết để máy hoạt động. Nó cũng bao gồm

những dụng cụ cắt, đồ gá và các thiết bò phụ khác cần cho việc gia công (Xem hình
7.2).

CAD/CAM

95


Chương 7. ĐIỀU KHIỂN SỐ CỔ ĐIỂN
Trung Thực

Lê

Hình 7.2. Hệ thống NC cho thấy máy công cụ và thiết bò điều khiển.

CAD/CAM

96


Chương 7. ĐIỀU KHIỂN SỐ CỔ ĐIỂN
Lê
Trung Thực
Các máy NC rất đa dạng: từ những máy khoan lỗ, đục lỗ đơn giản đến các trung
tâm gia công thông minh kỳ diệu. Trung tâm gia công NC được giới thiệu vào cuối
những năm 1950. Đó là một máy có nhiều chức năng:
a/ Khoan, ren, doa, phay, tiện lỗ
b/ Thay dao tự động
c/ Có 2 bàn:
Mỗi một công việc đòi hỏi dụng cụ riêng. Sau mỗi công việc, thiết bò chứa dao được

đưa đến dầu trụ chính để lấy dao ra, xoay qua một góc, đưa dao vào đầu trục chính. Khi
công việc gia công đã xong, người vận hành máy lấy chi tiết ra và đưa một chi tiết vào.
Trong khi người thao tác bên này thì máy thực hiện việc gia công ở bàn thứ 2. Việc này
tăng hiệu qủa sử dụng bởi vì máy không phải đợi để gá đặt phôi vào và lấy phôi ra.
Một trung tâm gia công được giới thiệu trên hình 7.3.

Hình 7.3. Trung tâm gia công NC điều khiển nhờ máy tính

7.3. Thủ tục điều khiển số (NC)

Để sử dụng điều khiển số những bước sau đây phải được thực hiện.
1. Lập kế hoạch gia công (Process Planning)
2. Lập trình gia công NC (Part programming)
3. Chuẩn bò băng chương trình (băng lỗ)
4. Kiểm tra băng lỗ
5. Thực hiện việc gia công

CAD/CAM

97


Chương 7. ĐIỀU KHIỂN SỐ CỔ ĐIỂN
Trung Thực

Lê

7.4. Hệ tọa độ trong NC.

Cần thiết để người lập trình lên kế hoạch chuyển động cho dụng cụ so với chi tiết gia

công. Khi lập trình chi tiết coi như đứng yên còn dụng cụ thì di chuyển so với chi tiết gia
công.
Đối với máy phay và máy tương tự, hệ tọa độ được quy đònh như trên hình 7.4.
Đối với máy tiện hệ tọa độ được quy đònh như trên hình 7.5.

Hình 7.4

Hình 7.5

Quan hệ giữa 3 trục x, y, z trong hệ tọa độ được xác đònh theo quy tắc bàn tay phải:
- Ngón cái chỉ chiều dương của trục X
- Ngón trỏ chỉ chiều dương của trục Y
- Ngón giữa chỉ chiều dương của trục Z
Chiều xoay quanh trục là dương khi nhìn từ đầu mũi tên trục đến gốc tọa độ mà ngược
chiều kim đồng hồ.

Điểm 0 cố đònh và điểm 0 di động

Có 2 phương pháp xác đònh điểm 0
1/ Điểm 0 cố đònh: Gốc tọa độ luôn luôn không đổi trên bàn máy. Thường là điểm ở
cực Tây Nam của bàn máy và toàn bộ dụng cụ là được xác đònh bởi tọa độ dương của
trục X và Y.
2. Điểm 0 di động: Nằm ở bất cứ vò trí nào của bàn máy, do người lập trình quy
đònh khi lập chương trình gia công. Điểm này thường là một điểm trên một góc phôi
hoặc tâm phôi, hoặc là một chỗ nào đó trên phôi.
Khi so dao, cho dụng cụ di chuyển đến vò trí này và người vận hành xác đònh đó là
điểm không của phôi.

Vò trí tuyệt đối và tương đối:

Vò trí của dụng cụ so với điểm 0 có thể là tuyệt đối hoặc tương đối. Khi ở vò trí
tuyệt đối tọa độ dụng cụ luôn luôn tính từ điểm 0 của gốc tọa độ. Khi ở vò trí tương
đối, vò trí sau của dụng cụ luôn luôn được tính từ vò trí trước đó của dụng cụ (hình 7.6)

CAD/CAM

98


Chương 7. ĐIỀU KHIỂN SỐ CỔ ĐIỂN
Trung Thực

Lê

B
70

Vò trí tiếp theo

Vò trí hiện tại

40
A
20

30

50

Hình 7.6 Vò trí tuyệt đối và tương đối

7.5. Hệ thống điều khiển chuyển động NC
Trong NC có 3 loại HT điều khiển chuyển động cơ bản:
1/ Điểm đến điểm
2/ Theo đường thẳng
3/ Theo đường cong
Điều khiển điểm tới điểm là hệ thống điều khiển thấp nhất.
Điều khiển theo đường cong hệ thống điều khiển cao nhất.
Hệ thống điều khiển chuyển động theo điểm:
Đường chuyển động của dụng cụ gia công được thực hiện tại mỗi điểm đònh vò (hình
7.7)

CAD/CAM

99


Chương 7. ĐIỀU KHIỂN SỐ CỔ ĐIỂN
Trung Thực

Lê

(50, 80)

B

70

Vò trí tiếp theo
Vò trí hiện tại

Đường di
chuyển dụng cụ

(30, 40)

40

A
Vò trí xuất phát

20

30

50

Hình 7.7 Hệ thống NC điểm tới điểm
Hệ thống cắt theo đường thẳng

60

Đường đi
của dụng cụ

20

Vò trí xuất phát
20

80

Hình 7.8. Hệ thống NC cắt theo đường thẳng
Hệ thống cắt theo đường cong:
Là hệ thống NC phức tạp nhất nhưng lại linh hoạt nhất, đắt tiền nhất. Hệ thống này
có khả năng cắt như hệ thống điểm tới điểm và theo đường thẳng. Khi gia công hệ
thống có thể điểu khiển chuyển động theo cả 3 trục tọa độ (hình 7.9).
Dụng cụ cắt

CAD/CAM

100


Chương 7. ĐIỀU KHIỂN SỐ CỔ ĐIỂN
Trung Thực

Lê

Hình 7.9. Hệ thống điều khiển NC gia công theo đường cong
Khi gia công đường cong, các đường cong được chia ra thành những đoạn thẳng nhỏ
nối với nhau. Độ dài của mỗi đoạn thẳng phụ thuộc vào đoạn đường cong và độ chính
xác của đường cong được khai báo (hình 7.10).
Đường cong hiện tại

Dung sai trong

Đường cong hiện tại

Dung sai ngoài

Đường cong hiện tại
Giới hạn dung sai ngoài
Trường dung sai
Giới hạn dung sai trong

Hình 7.10 Đường cong được thay bằng những đường thẳng nối tiếp nhau. Độ dài của
đường thẳng được xác đònh bởi độ chính xác yêu cầu của đường cong.

7.6 Các ứng dụng của điều khiển số.

Được ứng dụng rộng rãi hiện nay đặc biệt là trong gia công kim loại:
- Phay
- Khoan và các nguyên công tương tự

CAD/CAM

101


Chương 7. ĐIỀU KHIỂN SỐ CỔ ĐIỂN
Lê
Trung Thực
- Tiện trong (boring)
- Tiện
- Mài
- Cắt dây
Mỗi loại máy NC có công dụng riêng. Có thể khi gia công loại sản phẩm này thìø tốt
nhưng khi gia công loại sản phẩm khác thì lại không thích hợp.
Đặc điểm chung của các loại sản phẩm làm trên máy NC là:
1/ Các chi tiết thường được gia công với số lượng nhỏ.

2/ Hình dạng phức tạp
3/ Có nhiều nguyên công phải được thực hiện
4/ Nhiều kim loại phải loại bỏ
5/ Thiết kế kỹ thuật giống nhau
6/ Chi tiết phải có yêu cầu chính xác cao
7/ Là loại sản phẩm đắt tiền nên một sai lầm nhỏ có thể trả giá lớn
8/ Các sản phẩm yêu cầu phải kiểm tra 100%.
Thường loạt sản xuất được đánh gía khoảng 50 cái hoặc nhỏ hơn. Sản xuất loạt
nhỏ và loạt vừa là lý tưởng để dùng máy NC.
Ngoài gia công kim loại hệ thống điều khiển NC cũng được dùng trong các lónh
vực sau:
- Máy dập
- Máy hàn
- In bản vẽ tự động
- Máy lắp ráp
- Máy uốn ống
- Máy cắt gió đá
- Máy cắt bằng Plasme
- Các công nghệ Laser
- Máy đan tự động (thêu)
- Máy cắt quần áo
- Máy tán đònh tự động
- Máy buộc dây

7.7. Tính kinh tế của điều khiển số

Ưu điểm của NC

- Giảm thời gian chạy không
- Giảm thời gian gá đặt

- Giảm thời gian gia công
- Sản xuất mềm dẻo hơn
- Nâng cao chất lượng sản phẩm
- Giảm tồn kho
- Giảm diện tích mặt bằng

Nhược điểm của NC

- Gía thành đầu tư cao
- Giá thành bảo trì cao
- Phải chọn và huấn luyện đội ngũ NC
CAD/CAM

102


Chương 7. ĐIỀU KHIỂN SỐ CỔ ĐIỂN
Trung Thực

Lê

Câu hỏi ôn tập

1. Cấu hình của một hệ thống NC gồm những thành phần gì? Cho biết chức năng
của mỗi thành phần.
2. Thủ tục điều khiển máy NC gồm những gì?
3. Có những phưỡng pháp điều khiển chuyển động nào được dùng trong NC?
Phương pháp nào là được dùng đễ gia công những mặt cong phức tạp? Độ chính
xác bề mặt trong NC được xác đònh như thết nào? Có thể lập trình được không?
4. Hệ trục tọa độ trong NC được xác đònh như thế nào? Như thế nào là điểm 0 cố

đònh, điểm 0 di dộng, tọa độ tuyết đối, tọa độ tương đối?
5. Cho biết ưu nhược điểm của điều khiển số và nơi ứng dụng?

HẾT CHƯƠNG 7

Comment [ltt1]:

CAD/CAM

103