Đồ Án Tốt Nghiệp Máy Và Hệ Thống Điều Khiển Số Theo Chương Trình 150 tc (CDIO) CHƯƠNG 11 ( Sách Giáo Trình)

Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC

CHƯƠNG 11: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY NC VÀ CNC
Mục tiêu chương 11: Sau khi học xong chương này, sinh viên có khả năng:
1. Trình bày được các thành phần của hệ thống CNC;
2. Trình bày được nguyên lý hoạt động của hệ thống NC điều khiển hở và hệ NC
điều khiển vòng kín;
3. Trình bày được nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển điểm, đoạn,
đường trong máy NC;
4. Trình bày được các thành phần trong hệ thống điều khiển máy NC;
5. Trình bày được các thành phần trong hệ thống phần mềm của máy CNC.

1


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC
11.1. CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG CNC
Theo quan điểm về chức năng, hệ thống CNC bao gồm đơn vị MMI, đơn vị NCK,
đơn vị PLC, được trình bày trong Hình 11.1

Open Application

MMI
(Man-Machine Interface)

Human

NCK (Numerical Control
PLCKernel)
(Programmable Logic Controller)

Servo System

Machine I/O

Hình 11. 1 – Cấu trúc của CNC
MMI (đơn vị giao tiếp người – máy), cung cấp giao diện giữa NC và người sử dụng,
thực hiện điều khiển hoạt động của máy, hiển thị tình trạng máy, cung cấp các chức năng
cho hiệu chỉnh chương trình và truyền thông. NCK (đơn vị điều khiển trung tâm), được xem
như là cái lõi của hệ thống CNC, biên dịch phần chương trình và thực thi việc nội suy, điều
khiển vị trí, và bù sai số dựa trên phần chương trình được biên dịch. Cuối cùng là điều khiển
hệ thống servo và gia công phôi. PLC (đơn vị điều khiển logic chương trình) sự thay đổi dao
cụ, tốc độ trục chính, thay đổi phôi, tín hiệu xử lý vào/ra và đóng vai trò điều khiển hành vi
của máy ngoại trừ điều khiển động cơ servo. Hình 11.3 chỉ ra khái niệm cấu trúc của máy
CNC theo quan điểm phần cứng và phần mềm.

2


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC

Hình 11. 2 – Hoạt động bên trong của hệ thống CNC

Hình 11. 3 – Các thành phần của hệ thống CNC
Theo quan điểm phần cứng, máy công cụ CNC bao gồm hệ thống điều khiển số, hệ
thống điều khiển động cơ và máy công cụ. Tín hiệu ra của vị trí điều khiển được gửi đến hệ
3


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC
thống điều khiển động cơ, hệ thống điều khiển động cơ vận hành động cơ servo bởi điều

khiển vận tốc và điều khiển momen, và cuối cùng, động cơ servo làm di chuyển phần
chuyển động thông qua bộ phận truyền động. Trong hệ thống CNC, các module xử lý các
chức năng của đơn vị MMI, đơn vị NCK, đơn vị PLC bao gồm bộ xử lý chính, hệ thống
ROM và hệ thống RAM, lưu trữ tương ứng các trình ứng dụng, phần chương trình gia công
và chương trình PLC. Modun xử lý thì được kết nối với một giao diện được gắn các phím
tín hiệu vào, hiển thị điều khiển, tín hiệu đầu vào bên ngoài và hệ thống bus truyền dữ liệu.
Vì vậy, kiến trúc của hệ thống CNC thì tương tự máy tính đa xử lý. Hệ thống CNC có một
thiết bị tương tự/số tín hiệu vào/tín hiệu ra cho việc truyền thông trực tiếp với các máy bên
ngoài và giao diện truyền thông được kết nối thiết bị điều khiển động cơ.
Trong hệ thống CNC, điều khiển vận tốc ban đầu trong định dạng tín hiệu tương tự
được sử dụng cho việc truyền các tín hiệu đến hệ thống điều khiển động cơ. Tuy nhiên, gần
đây, bởi vì nhiễu xuất hiện trong khi truyền các tín hiệu tương tự, không chỉ các tín hiệu
tương tự được sử dụng điều khiển tốc độ mà truyền thông các tín hiệu số được sử dụng cho
việc truyền thông giữa hệ thống CNC và hệ thống điều khiển động cơ. SERCOS là cơ cấu
truyền thông tín hiệu số phổ biến và đã trở thành chuẩn phổ biến. Trong truyền thông tín
hiệu số, có một sự thuận lợi là có thể trao đổi sự khác nhau về dữ liệu và loại bỏ nhiễu bởi
việc sử dụng các cáp quang. Vì vậy, có thể thiết lập các thông số của hệ thống điều khiển
trong NC, giám sát tình trạng điều khiển hệ thống, và tăng độ chính xác bởi việc loại bỏ
nhiễu.
Bởi việc mở rộng truyền thông tín hiệu số, cơ cấu truyền thông được ứng dụng cho
các thiết bị vào/ra. Việc kết nối giữa hệ thống CNC với các cảm biến khác nhau và thiết bị
cơ khí được thực hiện thông qua chỉ một đường truyền thông. Cho cơ cấu truyền thông, giao
thức truyền thông theo chuẩn và các giao thức truyền thông khác nhau như: Profi-Bus, CAN
Bus, và InterBus-S.
Một trình biên dịch đóng vai trò đọc chương trình, biên dịch bộ ký tự ASCII trong
phần chương trình, và lưu trữ dữ liệu được biên dịch trong bộ nhớ trong cho việc nội suy.
Nói chung, NC sinh ra các lệnh liên quan đến dữ liệu biên dịch và trình biên dịch đọc và
biên dịch khối lệnh kế tiếp trong khi câu lệnh đang thực thi. Tuy nhiên nếu thời gian để biên
dịch khối lệnh dài hơn thời gian để hoàn thành việc điều khiển, máy sẽ đợi cho hoàn tất sự
biên dịch của khối lệnh kế tiếp để tránh việc ngừng máy. Vì vậy, để tránh máy công cụ bị

4


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC
ngừng hoạt động, một bộ nhớ đệm tạm thời lưu trữ dữ liệu được biên dịch. Bộ nhớ đệm,
được gọi là dữ liệu đệm bên trong, luôn luôn giữ đủ số lượng dữ liệu được biên dịch và tất
cả các dữ liệu được biên dịch được lưu trữ trong bộ nhớ đệm.
Bộ nội suy đóng vai trò đọc dữ liệu từ bộ đệm dữ liệu bên trong, tính toán vị trí và
vận tốc trên đơn vị thời gian của mỗi trục, và lưu trữ kết quả trong bộ nhớ đệm cho bộ điều
khiển gia tốc/giảm tốc. Một bộ nội suy đường thẳng và cung tròn là các bộ nội suy điển hình
được sử dụng trong hệ thống NC, còn nội suy parabol và nội suy spline được sử dụng một
phần trong hệ thống NC. Bộ nội suy sinh ra một xung tương ứng dữ liệu chạy dao và tần số
của các xung dựa vào vận tốc. Trong một hệ thống NC, khoảng dịch chuyển/xung quyết
định độ chính xác, ví dụ như, nếu 1 trục có thể di chuyển 0,002 mm/xung, độ chính xác của
hệ thống NC là 0,002 mm.
Nếu vị trí điều khiển được thực thi bởi việc sử dụng dữ liệu sinh ra từ bộ nội suy, dao
động lớn và sự va chạm xuất hiện bất cứ khi nào bộ phận di chuyển bắt đầu và kết thúc. Để
tránh dao động và va chạm, bộ lọc cho bộ điều khiển gia tốc/giảm tốc được thực thi trước
khi dữ liệu nội suy được gửi tới bộ điều khiển vị trí. Phương pháp này gọi là phương pháp
“gia tốc/giảm tốc sau nội suy”. Một phương pháp “gia tốc/giảm tốc trước nội suy” cũng tồn
tại, khi mà điều khiển gia tốc/giảm tốc được thực thi trước nội suy.
Bộ điều khiển vị trí đặc trưng là điều khiển PID và xuất ra các lệnh điều khiển vận
tốc đến hệ thống điều khiển động cơ để mà cực tiểu hóa sự khác nhau giữa vị trí điều khiển
và vị trí thực.
11.1.1. Chức năng của MMI
Bộ MMI cung cấp giao diện sử dung là cần thiết khi người sử dụng vận hàng máy
công cụ. Do đó có nhiều loại giao diện sử dụng dựa trên các khái niệm thiết kế của nhà sản
xuất CNC. Chức năng của giao diện sử dụng thường được phân thành năm nhóm.

5

Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC

Hình 11. 4 – Giao diện Man-Machine (HiTrol-M100)
a – Các chức năng hoạt động; b – Thiết lập thông số chức năng;
c – Các chức năng chỉnh sửa khi khoan; c – Tính hình dạng hình học
1. Chức năng hoạt động: Các chức năng này được sử dụng rất thường xuyên và hỗ
trợ hệ thống của máy và màn hình hiển thị cho thấy tình trạng máy. Hình 11.4a mô tả tình
trạng của máy trong khi nó đang chạy. Trong Hình 11.4a, vị trí, khoảng cách để đi, và
nguồn cấp dữ liệu của mỗi trục, tốc độ trục chính, khối đang được thực hiện, và ghi đè lên
trạng thái được hiển thị. Ngoài ra, chức năng để giúp máy hoạt động như rung, MDI, tìm
kiếm chương trình, hiệu chỉnh chương trình, và các công cụ quản lý được cung cấp;
2. Chức năng thiết lập tham số: Trong hệ thống CNC có các thông số khác nhau bên
trong và chúng được phân loại thành ba loại: thông số máy mà được sử dụng để thiết lập
quy định máy, servo/hệ thống truyền động trục chính, bù dao, làm việc phối hợp, và ranh
giới an toàn, các thông số chương trình đó phải được thiết lập trong quá trình chỉnh sửa của
các chương trình thành phần và các thông số tùy biến được sử dụng thích ứng với các máy
cho người sử dụng. Các chức năng này cung cấp giao diện để thiết lập, lưu trữ và tìm kiếm

6


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC
các thông số. Hình 11.4b cho thấy màn hình hiển thị cho tìm kiếm các thông số bên trong và
chỉnh sửa chúng;
3. Chức năng chỉnh sửa chương trình: Các chức năng này có thể chỉnh sửa và sửa đổi
một phần chương trình, đó là G-code dựa trên tiêu chuẩn EIA/ ISO. Thực tế nó là cần thiết
cho người sử dụng biết G/M-code và thực hiện các phép tính toán học để tạo ra các chương
trình thành phần G-code. Bởi vì tính toán toán học làm cho nó khó khăn để chỉnh sửa

chương trình thành phần, CNC gần đây đã bắt đầu sử dụng hệ thống lập trình giao tiếp.
Hình 11.4c cho màn hình hiển thị hệ thống lập trình giao tiếp cung cấp để chỉnh sửa một
phần chương trình khoan. Bởi sự tương tác với giao diện, người dùng có thể nhanh chóng
tạo ra một chương trình khoan mà không cần ghi nhớ các thuộc tính đầu vào cho chu kỳ Gcode. Hình 11.4d cũng cho thấy tính hình dạng để giúp người dùng xác định các hình dạng
hình học. Gần đây, hệ thống lập trình hội thoại đã được công nhận là một chức năng thiết
yếu của CNC và do đó, trong cuốn sách này, việc thiết kế và ví dụ về một hệ thống lập trình
thông thường dựa trên tính năng sẽ được đề cập chi tiết;
4. Chức năng giám sát và báo động: hệ thống CNC luôn luôn thông báo cho một
người sử dụng về tình trạng của máy bằng cách giám sát và, nếu cần thiết, các chức năng
thực hiện các nhiệm vụ cần thiết và thông báo cho người sử dụng của kết quả. Các chức
năng này là rất cần thiết khi máy công cụ được thực hiện ở tốc độ cao. Các chức năng này
đóng vai trò trong việc cung cấp thông tin giám sát như tình trạng báo động, phương pháp
phục hồi khẩn cấp, tình trạng PLC;
5. Chức năng tiện ích: Ngoài bốn chức năng cần thiết khác, nhiều chức năng hữu ích
được cung cấp để hỗ trợ người sử dụng. Chức năng DNC để truyền một phần chương
trìnhmà được chỉnh sửa bên ngoài tới CNC, dịch vụ tập tin để sao chép các thông số bên
trong ra bên ngoài, và các chức năng thông tin liên lạc cho việc giao tiếp với các máy tính
thuộc về các chức năng này.
11.1.2. Chức năng của NCK
Nhìn chung, hệ thống NC diễn giải các dữ liệu đầu vào, giữ chúng trong bộ nhớ, gửi
lệnh vào hệ thống truyền động, và phát hiện tín hiệu phản hồi từ hệ thống truyền động. Hệ
thống NC cũng thực hiện quyết định hợp lý chẳng hạn như làm mát được cung cấp khi trục
bắt đầu xoay và các tính toán toán học cho việc kiểm soát tốc độ và nội suy của đường
7


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC
thẳng, đường tròn và parabol. Do đó, bộ NCK có nhiệm vụ là phụ trách của servo và kiểm
soát truyền động và bộ PLC có nhiệm vụ là phụ trách điều khiển logic, vì vậy gánh nặng
xảy ra trong khi điều khiển được cân bằng đầy đủ. Các khối chức năng và các dòng dữ liệu

của bộ NCK, là bộ phận chính của hệ thống CNC, được thể hiện trong Hình 11.5. Bộ
chuyển đổi, nội suy, điều khiển tăng/giảm tốc, và điều khiển vị trí là các chức năng chính
của NCK.

Hình 11. 5 – Bộ NCK điều khiển máy phay

Hình 11. 6 – Chức năng của NCK

8


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC
11.1.3. Chức năng của PLC

Hình 11. 7 – PLC Mitsubishi
Bộ điều khiển logic được sử dụng để thực hiện điều khiển liên tục trong một máy
tính và trong công nghiệp. Trong quá khứ, bộ điều khiển logic được thực hiện bằng cách sử
dụng phần cứng bao gồm rơle, bộ đếm, bộ tính giờ, và mạch điện. Do đó, nó được coi như
một logic dựa trên phần cứng điều khiển. Tuy nhiên, hệ thống PLC gần đây bao gồm một
vài thiết bị điện bao gồm bộ vi xử lý và bộ nhớ, có thể thực hiện hoạt động hợp lý, thực hiện
chức năng truy cập, chức năng hẹn giờ và phép tính số học. Vì vậy, một hệ thống PLC có
thể được xác định như một bộ điều khiển logic dựa trên phần mềm. Những lợi thế của hệ
thống PLC như sau:
-

Tính linh hoạt: Điều khiển logic có thể được thay đổi bằng cách thay đổi
một chương trình;

-

Khả năng mở rộng: Việc mở rộng của hệ thống là có thể bằng cách thêm các
module và thay đổi chương trình;

-

Hiệu quả kinh tế: Giảm chi phí có thể bằng cách giảm trong quá trình thiết
kế thời gian, độ tin cậy cao, và bảo trì dễ dàng;

-

Thu nhỏ: Kích thước cài đặt nhỏ hơn so với một hộp điều khiển relay;

-

Độ tin cậy: Khả năng thất bại xảy ra do tiếp xúc xấu giảm vì sử dụng chất
bán dẫn;

-

Hiệu suất: Chức năng nâng cao như phép tính số học và hiệu chỉnh dữ liệu
là có thể.
9


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC
11.1.4. Hệ thống điều khiển thời gian thực
Trong một hệ thống NC, bộ NCK, bộ PLC, và bộ MMI phải được thực hiện trong
khoảng thời gian liên tục. Với tính chất này, hệ thống NC là một hệ thống thời gian thực
phức tạp.
Ví dụ, giả sử rằng có một hệ thống có chức năng NCK như giải thích, nội suy, và

điều khiển vị trí và chức năng MMI. Trong hệ thống này, quản lý tốt của tiến độ thực hiện
các module mà chiếm nguồn xử lý là cần thiết, như thể hiện trong Hình 11.8. Có nghĩa là,
chức năng lịch trình công việc để quản lý việc thực hiện các module dựa trên khoảng thời
gian được xác định trước và ưu tiên là cần thiết.
Task Priority
Position

Interpolation

Interper

MMI

1

2

3

4

5

6

7

8

9

…

Hình 11. 8 – Quy trình làm việc của một hệ thống NC
11.2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY NC
-

Hệ thống điều khiển máy NC được chia làm hai loại chính:
+ Máy NC điều khiển theo điểm và theo đoạn;
+ Máy NC điều khiển theo đường.

-

Xét về mặt tính chất điều khiển, ta có thể phân loại máy NC thành hai loại:
+ Máy NC có hệ thống điều khiển hở;
+ Máy NC có hệ thống điều khiển vòng kín.

10


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC

Hình 11. 9 – Cấu trúc cơ bản của một máy NC
Hệ thống NC điều khiển hở (Hình 11.10) sử dụng động cơ bước cho truyền động bàn
máy. Sử dụng động cơ bước là cách đơn giản nhất để chuyển các xung điện thành lượng di
chuyển tỉ lệ và cung cấp một giải pháp tương đối rẻ tiền cho việc điều khiển máy. Vì không
có hồi tiếp từ vị trí trượt, độ chính xác của hệ thống phụ thuộc vào tính năng của động cơ
bước được sử dụng.
Bàn máy
Động cơ bước

Truyền động
cơ khí

Hình 11. 10 – Hệ NC điều khiển hở
Hệ NC điều khiển vòng kín (Hình 11.11) sử dụng các động cơ điện servo một chiều.
Hệ điều khiển này đo lường vị trí và vận tốc thực của động cơ và đem các giá trị đó so sánh
với các giá trị mong muốn thông qua đường hồi tiếp. Nếu tín hiệu là khác nhau, tín hiệu sai
lệch sinh ra và tiếp tục điều khiển động cơ cho đến khi hai tín hiệu này là bằng nhau.

11


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC
Bàn máy
Bộ
so sánh

Động cơ DC

DAC

Truyền động
cơ khí

Hình 11. 11 – Hệ NC điều khiển vòng kín
11.2.1. Điều khiển theo điểm
Trong quá trình điều khiển điểm, khi có lệnh yêu cầu các bàn máy và các trục của
máy đưa phôi hoặc dao đi đến vị trí mong muốn, các tín hiệu từ bộ điều khiển sẽ phát đi để
điều khiển riêng lẻ từng bàn máy hay trục để đạt được vị trí mong muốn đó mà không có

mối quan hệ, ràng buộc giữa các trục hay bàn máy của máy cần điều khiển. Như vậy, trong
quá trình điều khiển này, không có sự kiểm tra quỹ đạo đi từ điểm ban đầu cho đến điểm
mong muốn. Vị trí cần xác định chính xác là vị trí (điểm) yêu cầu mà thôi. Đặc điểm của
loại máy này là, trong quá trình điều khiển phôi hay dao vào vị trí gia công, dao không làm
việc (Hình 11.12b). Hệ thống điều khiển điểm được ứng dụng trong các máy khoan lỗ, hàn
điểm, đột lỗ, đánh dấu định tâm….
y
a

E
a

D
a

A(x1;y1)
a

B(x2;y2)
a
F
a
C
a
x
a

a)

b)

Hình 11. 12 – Sơ đồ điều khiển điểm

Hình 11.12a thể hiện các quĩ đạo có thể có mà bàn máy x và y thực hiện để mang
phôi hoặc dao từ điểm A(x1,y1) đến điểm B(x2,y2):
-

Trong trường hợp hai bàn máy không chuyển động cùng lúc: quỹ đạo của nó
đi từ A đến B có thể là:
+ A→C→B
12


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC
+ A→D→B
-

Trong trường hợp hai bàn máy chuyển động cùng lúc: quỹ đạo của nó đi từ
A đến B là:
+ A→E→B
+ A→F→B
+ A →B

11.2.2. Điều khiển theo đoạn
Cũng như điều khiển theo điểm, điều khiển theo đoạn cũng không có sự phối hợp
giữa các chuyển động khác nhau của máy. Sự khác biệt so với điều khiển điểm là khi điều
khiển đoạn, dao cắt làm việc. Do không có sự phối hợp chuyển động giữa các bàn máy, nên
đường gia công chỉ song song với một trong các hướng chuyển động. Ví dụ: Song song
phương chuyển động của bàn máy y hay song song phương chuyển động của bàn máy x
(Hình 11.13b).
Loại điều khiển này dùng cho dùng cho các máy phay rãnh, khoan, tiện trụ có bậc.

y
B(x1;y2)

y2

y1

A(x1;y1)
x1

C(x2;y1)
x2

x

a)

b)

Hình 11. 13 – Sơ đồ điều khiển theo đoạn
Hình 11.13a thể hiện các quĩ đạo có thể có mà máy có thể thực hiện tại một thời
điểm bắt đầu từ điểm A(x1,y1) là:
-

A →B: x1 không đổi

-

A →C: y1 không đổi

Sơ đồ cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển điểm và đoạn được thể hiện trên Hình
11.13.
13


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC
Trên sơ đồ này ta thấy số liệu hình dáng và số liệu công nghệ là cơ sở để tạo nên dữ
liệu gia công. Các dữ liệu này phải được sắp đặt và biểu diễn theo một quy tắc nào đó; đó là
công việc lập chương trình. Chương trình đã được lập phải được ghi trên băng đục lỗ, băng
từ, đĩa từ… nhờ vào cơ cấu ghi; và ta có chương trình lưu trên các thiết bị lưu trữ. Như vậy,
từ lưu đồ từ số liệu hình dáng và công nghệ cho đến chương trình là phần thao tác bên ngoài
và không liên quan đến máy. Các khâu kế tiếp của chuỗi điều khiển này thuộc về bên trong
máy và được gọi là phần xử lý dữ liệu bên trong.

Hình 11. 14 – Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo điểm và đoạn
Chương trình lưu trên thiết bị nhớ được máy “hiểu” nhờ vào cơ cấu đọc và cơ cấu
giải mã. Cơ cấu đọc sẽ chuyển những thông tin, dữ liệu trên thiết bị nhớ dưới dạng tín hiệu
số cho cơ cấu giải mã. Cơ cấu giải mã sẽ chuyển những tất cả các tín hiệu số đó thành tín
14


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC
hiệu điều khiển máy bao gồm hai loại tín hiệu: tín hiệu hành trình và tín hiệu khởi động. Tín
hiệu khởi động có tác động tắt mở các cơ cấu hoạt động. Tín hiệu hành trình được đưa
đến cơ cấu so sánh thông qua cơ cấu chuyển đổi. Cơ cấu chuyển đổi ở đây có nhiệm vụ
chuyển đổi tín hiệu hành trình thành một dạng tín hiệu giống với tín hiệu vị trí tức thời của
bàn máy mà thiết bị đo hành trình đưa về cơ cấu so sánh để so sánh trong đó tín hiệu hành
trình sẽ là tín hiệu chuẩn được xác định từ chương trình. Nếu hai tín hiệu này khác nhau, cơ
cấu so sánh sẽ phát tín hiệu sai lệch và thông qua cơ cấu khuyếch đại để tiếp tục điều khiển
động cơ truyền động bàn máy cho đến khi hai tín hiệu này giống nhau, tức là bàn máy đã

đạt đến vị trí xác lập từ chương trình, cơ cấu so sánh ngừng phát tín hiệu sai lệch và bàn
máy dừng lại.
11.2.3. Hệ thống điều khiển theo đường
Hệ thống điều khiển theo đường là hệ thống điều khiển có sự phối hợp chuyển động
giữa các bàn máy hay giữa các trục để tạo nên một chuyển động tương đối giữa phôi và dao
theo một đường có hình dáng bất kỳ.
y
A

B
x

a)

b)

Hình 11. 15 – Hệ thống điều khiển theo đường
Sơ đồ cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển đường được thể hiện trên Hình
11.16. Nói chung sơ đồ này giống với sơ đồ của hệ thống điều khiển điểm và đoạn. Điểm
khác biệt ở chỗ, trong sơ đồ điều khiển đường có sử dụng thêm cơ cấu nội suy. Cơ cấu nội
suy có chức năng tìm ra các điểm trung gian cho phép hình thành nên một biên dạng trong
dung sai cho phép. Tuỳ thuộc vào vị trí của cơ cấu nội suy ở bên trong hay bên ngoài phần
xử lý dữ liệu mà ta có thể phân hệ thống điều khiển theo đường thành hai loại:

15


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC
-

Hệ thống điều khiển theo đường với cơ cấu nội suy trong (Hình 11.16).

-

Hệ thống điều khiển theo đường với cơ cấu nội suy ngoài.

Hình 11. 16 – Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo đường
Dựa vào quỹ đạo gia công, cơ cấu nội suy ngoài dùng máy tính điện tử để tính toán
và nội suy sẵn các vị trí trung gian và các thông số liên quan khác và sau đó ghi thẳng vào
chương trình. Trong khi đó, cơ cấu nội suy trong nằm trong máy và thực hiện công việc nội
suy trực tiếp dựa trên quỹ đạo yêu cầu từ chương trình khi máy đang hoạt động.
16


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC
11.3. CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY NC/CNC
11.3.1. Dữ liệu gia công
11.3.1.1. Xác định số liệu hình dáng
Dựa trên số liệu hình dáng, tức các kích thước chi tiết, ta xác định tọa độ các điểm,

đoạn hay các đường quỹ đạo gia công. Ví dụ: từ bản vẽ chi tiết (Hình 11.16a), ta biến đổi
kích thước của chi tiết theo tọa độ (Hình 11.16b).

a)

b)

Hình 11. 17 – Các dạng ghi kích thước
Trên cơ sở những yêu cầu đối với chi tiết gia công và dựa vào các điều khiển đã có
của máy, dao cắt và đồ gá, ta thiết kế quy trình công nghệ gia công. Trong khi lập quy trình

này, ta lập thành bảng các số liệu cần thiết để gia công, tức là lập chương trình điều khiển
quá trình gia công dưới dạng các mã hiệu.
Khi xác định số liệu, cần thiết lập hệ thống tọa độ (chuẩn chi tiết, chuẩn thảo
chương).

17


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC
11.3.1.2. Xác định số liệu công nghệ
Số liệu công nghệ là những số liệu bổ sung cần thiết để tạo nên hình dáng của chi tiết
gia công, trong đó bao gồm cả những số liệu về tính năng kỹ thuật của máy. Trên cơ sở đó,
ta có thể xác định các chế độ cắt để gia công chi tiết.
Tất cả những số liệu hình dáng và số liệu công nghệ được tổng hợp lại trong một
bảng kê chương trình có số cột và số hàng được qui chuẩn hóa, để tiến hành biến đổi các số
liệu thành mã hiệu.
11.3.2. Chương trình NC
Một chương trình NC bao gồm một chuỗi các lệnh mà máy công cụ CNC sẽ được
hướng dẫn để sản xuất ra một công cụ nhất định.
Đối với mỗi quá trình gia công trên một máy công cụ CNC, chương trình NC có một
lệnh với các thông tin có liên quan. Các lệnh này được mã hóa, chúng bao gồm chữ cái, số
và ký tự.
11.3.2.1. Chương trình NC tiêu chuẩn (ISO)
Tiêu chuẩn ISO-6983 đạt tiêu chuẩn lập trình NC của máy trong các khu vực sản
xuất. Tuy nhiên điều này sẽ giới hạn tiêu chuẩn hóa các lệnh nhất định cũng như các cấu
trúc chung của một chương trình NC. Các nhà sản xuất bộ điều khiển CNC có quyền tự do
đáng kể cho kết hợp lệnh NC của mình trong điều khiển của họ.
Sau đây, cấu trúc chung của một chương trình NC theo tiêu chuẩn ISO 6983 được
minh họa.
11.3.2.2. Cấu trúc của một chương trình NC

Một chương trình NC hoàn chỉnh bao gồm các yếu tố sau:
%TP0147

Bắt đầu chương trình NC

N10 G54 X80 Y100

Một chuỗi của NC với thông tin gia công

…
N75 G01 Z-10 F0,3 S1800 T03 M08
…

18


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC
N435 M30

Một lệnh kết thúc chương trình

Hình 11. 18 – Cấu trúc của chương trình NC
Chương trình bắt đầu bao gồm một kí tự hoặc một lệnh mà thông báo cho bộ điều
khiển CNC một chương trình NC sẽ làm theo. Ngoài ra, dòng đầu tiên của chương trình NC
cũng chứa tên chương trình (ví dụ như: TP0147). Hơn nữa, cả hai đặc điểm cũng rất quan
trọng cho người quản lý chương trình NC cũng như gọi ra các chương trình NC trong bộ
điều khiển CNC.
Tên chương trình NC có thể chứa các ký tự là chữ, số hoặc chữ số. Đối với hầu hết
bộ điều khiển CNC 2-6 chuỗi ký tự chữ số được sử dụng để nhận dạng.
Chương trình NC bao gồm các chuỗi theo thời gian của các khối. Chúng chứa các

thông tin hình học và kỹ thuật có liên quan mà các bộ điều khiển CNC đòi hỏi cho mỗi bước
gia công.
Kết thúc chương trình ta dùng lệnh M30 hoặc M02.
Tất cả ký tự mà đứng trước các ký tự % trình bày ý kiến chương trình bị bỏ qua bằng
sự điều khiển. Điều này cho phép bất kỳ lời giải thích về chương trình, công cụ được đính
kèm trước chương trình thực tế. Các ý kiến cũng được cho phép trong một chương trình, ví
dụ để xác định các khối cụ thể, tuy nhiên, phải được đặt trong dấu ngoặc đơn.
11.3.2.3. Cấu trúc của một khối chương trình
Mỗi khối NC bao gồm một số khối, một số từ cũng như một ký tự điều khiển cụ thể
mà thông báo cho bộ điều khiển CNC rằng khối NC đã kết thúc. Kí tự điều khiển này được
gọi là LF cho đường ăn dao. Nó sẽ tự động tạo ra trong lập trình NC khi phím Enter của bộ
điều khiển CNC hoặc phím enter trên bàn phím máy tính được nhấn.
Bảng 11. 1 – Cấu trúc của khối chương trình
N7
5

Z
0
1

Số
của
khối

10.
75

F
0
.

3

S
1
8
0
0

T
0
3

Thông tin trong khối

M

LF

08

Kí
tự cuối
của
19


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC
NC

khối

• Cấu trúc chữ chương trình
Một chữ bao gồm các vị trí chữ cái và một số với một dấu + / -. Định nghĩa và trình
tự được trình bày trong các hướng dẫn lập trình của hệ thống điều khiển CNC. Tùy thuộc
vào vị trí chữ cái, số hoặc gắn liền với một mã số hoặc một giá trị.
Bảng 11. 2 – Cấu trúc chữ chương trình
V

Đ

S
ố

N

N

7
5

G

G

0
1

Đối với địa chỉ G, 01 là một mã, Lệnh NC G01 là:
“Di chuyển dao dọc theo một đường thẳng tại infeed
speed”

Z

Z

1
0
.
7
5

Đối với địa chỉ Z, -10,75 là một giá trị. Tương ứng
với lệnh NC G01 của ví dụ về khối NC trước đó, điều
này có nghĩa là dao sẽ được di chuyển đến vị trí Z=10.75 trong hệ tọa độ dao hiện tại

í
dụ

ịa
ch
ỉ

75
01

10.
75

Định nghĩa

Đối với địa chỉ N, 75 là số của khối NC

Dưới hình thức số nhập phụ thuộc vào bộ điều khiển CNC: Z-35.5 là tương đương
với ví dụ: cùng một mục tiêu phối hợp như Z-035.500. Đối với hầu hết bộ điều khiển CNC,
các ký hiệu "+" có thể được loại trừ trong chương trình NC.
Nói chung, ba cụm chữ trong một khối NC có thể được phân biệt:
Bảng 11. 3 – Cụm chữ chương trình
Hàm G

Tọa độ

G00

X

G

G01

Y

S

G02

Z

T

G04

Hàm bổ sung và
chuyển đổi

M

20


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC
Trình tự của các chữ trong một khối NC được trình bày như sau:
Bảng 11. 4 – Trình tự chữ chương trình
Địa chỉ

Định nghĩa

1

N

Số khối

2

G

Hàm G

3

X, Y, Z

Tọa độ

4

I, J, K

Tham số nội suy

5

F

Bước tiến dao

6

S

Tốc độ

7

T

Vị trí dao

8

M

Hàm bổ sung

.
.
.
.
.
.
.
.
Chữ mà không cần thiết bởi một khối có thể được loại trừ.
• Số khối N
Số khối là từ đầu tiên trong một khối và chỉ định nó. Nó chỉ có thể được trao cho
trong một lần. Số lượng khối không ảnh hưởng đến việc thực hiện của các khối riêng kể từ
khi chúng được gọi theo thứ tự mà chúng được nhập vào bộ điều khiển.
• Hàm G
Kèm theo các chữ cho các tọa độ, từ này về cơ bản xác định phần hình học của
chương trình NC. Nó bao gồm địa vị trí chữ G và một mã số có hai chữ số.
• Tọa độ X, Y, Z
Các tọa độ X, Y, Z xác định các điểm mục tiêu cần thiết cho việc chuyển động.
• Nội suy các thông số I, J, K
Nội suy các thông số I, J, K là ví dụ được sử dụng để xác định trung tâm của một
vòng tròn cho chuyển động tròn. Chúng thường được nhập vào từng bước.
21


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC

22


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC
• Bước tiến dao F
Tốc độ mà dao di chuyển được lập trình với hàm F. Tốc độ chạy dao thường được
nhập theo mm/phút. Cho quay, đơn vị mm/U liên quan đến quay trục chính cũng có thể được
sử dụng.
• Tốc độ trục chính S
Hàm S được nhập vào tốc độ trục chính. Nó có thể được lập trình trực tiếp trong
vòng một phút.
• Vị trí dao T
Vị trí T cùng với một mã số xác định một dao đặc biệt. Định nghĩa của địa chỉ này
khác nhau tùy theo sự điều khiển và có thể có các chức năng sau:
-

Tiết kiệm kích thước dao trong bảng bù dao

-

Tải trọng dao từ ổ chứa dao.

• Hàm bổ sung M
Các hàm bổ sung, còn được gọi là hàm phụ trợ, chủ yếu là chứa dữ liệu kỹ thuật mà
không được lập trình trong các từ với các chữ cái địa chỉ F, S, T. Các hàm này được nhập
với vị trí chữ M và một mã số có hai chữ số.
11.3.3. Cơ cấu mang chương trình
Dựa trên dữ liệu gia công, người ta tiến hành lập chương trình. Thực chất của việc
lập trình là chuyển nội dung dữ liệu gia công thành dữ liệu tương ứng ở dạng số mà máy có
thể “đọc” và “hiểu” được. Dạng phổ biến nhất là mã nhị phân và các loại mã cũng dùng 2

bit 0 và 1. Các thiết bị lưu trữ chương trình này có thể là bìa đục lỗ, băng đục lỗ, đĩa từ…
11.3.3.1. Bìa đục lỗ
Bìa đục lỗ là một dạng thiết bị nhớ mà trên đó nó lưu trữ chương trình gia công. Các
vị trí có lỗ tương đương với tín hiệu 1 và các vị trí không có lỗ tương đương với tín hiệu 0.
Trên bìa đục lỗ, ngoài những dữ liệu về tọa độ gia công, còn có cả các thông tin về lượng
chạy dao và vận tốc vòng trục chính (Hình 11.19).

23


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC

Hình 11. 19 – Bìa đục lỗ
11.3.3.2. Băng đục lỗ
Băng đục lỗ (Hình 11.20) cũng là một dạng thiết bị nhớ tương tự như bìa đục lỗ và
được sử dụng rộng rãi trong những thập niên trước đây. Băng đục lỗ có thể được chế tạo từ
giấy, nhựa, kim loại với kích thước được tiêu chuẩn hoá: ví dụ: băng 5 hàng lỗ có kích
thước 17,4mm (châu Âu) và băng 8 hàng lỗ có kích thước 24,5mm (Mỹ).

Hình 11. 20 – Băng đục lỗ

24


Chương 11: Hệ thống điều khiển máy NC và CNC
Ưu điểm cơ bản của loại thiết bị nhớ này là rẻ, các tín hiệu dễ kiểm tra, khả năng
chứa tín hiệu lớn hơn và kích thước nhỏ hơn bìa đục lỗ.
11.3.3.3. Băng từ
Băng từ có mật độ chứa tín hiệu cao hơn nhiều so với bìa và băng đục lỗ. Nó thường
được làm bằng nhựa có tráng một lớp chất nhiễm từ.

Ưu điểm của loại cơ cấu mang chương trình này là dễ dàng tẩy xóa và ghi lại, dung
lượng chứa lớn. Tuy nhiên nó dễ bị nhiễm bẩn, và môi trường làm việc cũng phải có tính
chống bụi cao và khó kiểm tra các sai sót. Việc đọc tín hiệu trên băng từ là quá trình ngược
lại của quá trình ghi.
Hình 11. 21 – Băng từĐĩa từ
11.3.3.4.
Đĩa từ (platter): Đĩa thường cấu tạo bằng nhôm hoặc thuỷ tinh, trên bề mặt được phủ
một lớp vật liệu từ tính là nơi chứa dữ liệu. Tuỳ theo hãng sản xuất mà các đĩa này được sử
dụng một hoặc cả hai mặt trên và dưới. Số lượng đĩa có thể nhiều hơn một, phụ thuộc vào
dung lượng và công nghệ của mỗi hãng sản xuất khác nhau. Mỗi đĩa từ có thể sử dụng hai
mặt, đĩa cứng có thể có nhiều đĩa từ, chúng gắn song song, quay đồng trục, cùng tốc độ với
nhau khi hoạt động.
Để tăng dung lượng tín hiệu, người ta ghi ở cả hai mặt của đĩa từ và trên một trục
quay có thể lắp nhiều đĩa. Vì thế dung lượng của loại này khá lớn và làm việc cũng tin cậy
hơn.
Hình 11. 22 – Đĩa từ

25