NGHIÊN cứu GIẢI PHÁP NÂNG cấp hệ dẫn ĐỘNG CHẠY DAO và TÍCH hợp hệ THỐNG điều KHIỂN CNC CHO máy TIỆN NC DFS2000

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CẤP HỆ DẪN ĐỘNG CHẠY DAO VÀ
TÍCH HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC CHO MÁY TIỆN NC DFS2000
ANALYZING SOLUTIONS FOR UPGRADING FEED DRIVES AND INTEGRATING
A CNC CONTROLLER FOR NC DFS2000 LATHE
Bùi Tuấn Anh
Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

TÓM TẮT
Máy tiện điều khiển số NC DFS2000 được đưa vào nghiên cứu, vận hành tại Trường
Đại học Bách khoa Hà Nội từ cuối những năm 1970. Tốc độ trục chính thay đổi trong phạm vi
từ 22,4 - 2000 vg/phút thông qua một hộp tốc độ. Các chuyển động chạy dao theo phương X
và Z được dẫn động bởi các động cơ thủy lực. Hệ thống điều khiển của máy có khả năng biên
dịch các chương trình thông qua băng giấy đục lỗ. Bài viết này trình bày nghiên cứu giải pháp
nâng cấp hệ dẫn động chạy dao đáp ứng yêu cầu điều khiển vô cấp, có khả năng được điều
khiển bởi bộ điều khiển CNC hiện đại; nghiên cứu tích hợp bộ điều khiển CNC thay thế bộ
điều khiển NC.
Từ khóa: máy tiện NC DFS2000, dẫn động chạy dao, điều khiển số.
ABSTRACT
The lathe NC DFS2000 was used and studied at Hanoi University of Science and
Technology since the late 1970s. The spindle speed is changed in a range from 22.4 to 2000
rpm through a gear box. The toolpath motion in the X and Z are driven by hydraulic motors.
The control system of the machine has the ability to compile programs through perforated
paper tape. This article presents analysis of solutions of drivetrain upgrades to meet the
requirements of stepless control, it is able to be controlled by a modern CNC controller;
Intergrating a CNC controller as an alternative of NC controller.
Keywords: NC DFS2000 lathe, feed drives, numerical Control.
1. GIỚI THIỆU
Máy tiện NC DFS2000 là dạng máy điều khiển số cỡ lớn, thế hệ cũ, máy có kích thước
khoảng 1,45 x 4,5 m tương ứng theo chiều cao và chiều dài. Khả năng gia công của máy với

các chi tiết có chiều dài lên tới 2 m, đường kính phôi lớn nhất 400 mm. Hình 1 mô tả sơ đồ
tổng thể máy tiện NC DFS2000, bao gồm các bộ phận chính như tủ điện điều khiển (1), hộp
tốc độ (2), bộ phận điều chỉnh tốc độ (3), bảng điều khiển (6). Tốc độ trục chính thay đổi theo
các cấp thông qua hộp tốc độ như các máy tiện vạn năng thông thường. Các động cơ thủy lực
đóng vai trò động cơ dẫn động chạy dao, có khả năng tạo ra chuyển động vô cấp cho các trục
X và Z. Hệ điều khiển số NC thế hệ cũ với khả năng biên dịch chương trình điều khiển trên
vật mang tin là băng giấy đục lỗ, hệ thống này cũng tích hợp bộ phận lập trình với giao tiếp
người - máy phức tạp, lạc hậu nên chỉ có thể viết các chương trình đơn giản. Ngoài ra, hệ
thống chứa dao dạng đầu revolve có khả năng chứa 8 dao cũng được tích hợp trên máy, mở
rộng khả năng gia công trên máy.

173


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
7
4

6
8

3

1

Control
panel

2000

2

1450

9
5

Electric
Box

730
2250

1520

800

Hình 1. Sơ đồ tổng thể máy tiện NC DFS2000
Hệ thống thủy lực tích hợp trên máy thực hiện điều khiển cơ cấu gá kẹp phôi bao gồm ụ
chống tâm và mâm cặp 3 chấu và các động cơ chạy dao. Tốc độ trục chính được thay đổi
thông qua các tay gạt điều khiển trong phạm vi từ 22,4 – 2000 vg/ph.
Bảng 1 mô tả việc thay đổi tốc độ trục chính trong các vùng gạt khác nhau. Có thể thấy
rằng một số tốc độ trục chính bị trùng trong các vùng gạt khác nhau, nên thực tế hộp tốc độ
chỉ tạo ra được 15 tốc độ trục chính khác nhau.
Bảng 1. Tốc độ trục chính máy tiện NC DFS2000
Vùng
gạt

Tốc độ (vg/ph)

I

22,4

31,5

45

63

90

125

180

250

II

45

63

90

125

180

250

355

500

III

90

125

180

250

355

500

710

1000

IV

180

250

355

500

710

1000

1400

2000

Thông qua việc phân tích thực trạng máy tiện điều khiển số NC DFS2000, có thể thấy
rằng cần thiết phải đưa ra một số giải pháp nâng cấp, thay thế các bộ phận hỏng, lạc hậu,
không phù hợp với máy điều khiển số hiện đại. Thật vậy, hệ thống dẫn động trục chính, dẫn
động chạy dao và hệ điều khiển có thể được nghiên cứu, thiết kế, chế tạo nhằm nâng cấp máy
trở thành máy tiện điều khiển số CNC. Ngoài ra, việc khảo sát máy cũng cho thấy, các bộ
phận hộp tốc độ, động cơ trục chính, vít me - đai ốc bi dẫn động hai trục chạy dao Z và X vẫn
trong trạng thái hoạt động được. Do đó, các bộ phận này sẽ được xem xét tiếp tục sử dụng khi
thực hiện các giải pháp thiết kế, nâng cấp máy. Thật vậy, tác giả đề xuất giải pháp thiết kế,
thay thế hệ dẫn động chạy dao vô cấp sử dụng động cơ servo có công suất tương ứng; giữ lại
hoặc thay thế động cơ trục chính cùng hộp tốc độ của máy; tích hợp hệ thống điều khiển CNC
hiện đại thay thế hệ điều khiển cũ không còn hoạt động. Tuy nhiên, việc thiết kế, nâng cấp
này cần phải đảm bảo nhiệm vụ của bộ điều khiển trong máy công cụ, đó là khởi động, dẫn
dắt và kết thúc chính xác các chuyển động của máy như chuyển động trục chính, các chuyển
động chạy dao; Biến đổi tốc độ, lực, mômen hay công suất trong các xích động theo yêu cầu
điều khiển; Định vị chính xác các đối tượng chuyển động để đảm bảo độ chính xác tương
quan giữa dao và phôi [1-4].
174

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2. PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP NÂNG CẤP HỆ DẪN ĐỘNG CHẠY DAO
Trên thực tế, một số bộ phận cơ khí quan trọng trong hệ dẫn động chạy dao bao gồm
các vít me - đai ốc bi trên máy tiện NC DFS2000 vẫn trong trạng thái bình thường. Do đó,
việc nghiên cứu thiết kế, nâng cấp hệ thống động lực chạy dao trong trường hợp này tập trung
các bộ phận khác như động cơ dẫn động và bộ phận phản hồi tín hiệu điều khiển. Nguyên tắc
thiết kế là phải bảo đảm nhiệm vụ chính của hệ dẫn động chạy dao, bảo đảm mối tương quan
giữa dao và chi tiết theo các quy luật xác định, phù hợp với chế độ cắt gọt được lựa chọn.
Truyền động chạy dao phải đảm bảo dịch chuyển của dụng cụ cắt chính xác theo quỹ đạo
được thiết kế, đảm bảo yêu cầu về biên dạng và chất lượng gia công. Hình 2 mô tả sơ đồ thiết
kế hệ dẫn động chạy dao trên máy tiện NC DFS2000, trong đó 1- Động cơ DC servo dẫn động
chạy dao trục Z, 2- Bộ phận phản hồi tốc độ chạy dao trục Z, 3- Bộ phận phản hồi tốc độ chạy
dao trục X, 4- Động cơ DC servo dẫn động chạy dao trục X, 5- Bộ phận phản hồi vị trí bàn dao
theo trục X, 6- Bộ phận phản hồi vị trí bàn dao theo trục Z. Hệ dẫn động chạy dao của máy
CNC phải thỏa mãn yêu cầu khi đại lượng dẫn biến đổi bàn máy phải theo kịp biến đổi trong
thời gian ngắn nhất. Hơn nữa, nó cần có độ ổn định tốc độ quay cao trong trường hợp lực cản
chạy dao biến đổi và hạn chế thấp nhất ảnh hưởng của nó đến tốc độ chạy dao. Trường hợp
chạy dao với tốc độ nhỏ nhất cũng đòi hỏi một tốc độ ổn định. Đây là nhiệm vụ khi thiết kế,
tính toán, lựa chọn phù hợp các bộ phận cấu thành hệ dẫn động chạy dao cho máy.
3

4

5
2

1
6

Hình 2. Sơ đồ hệ dẫn động chạy dao máy tiện NC DFS2000

Hình 3. Cấu trúc đầu revonve và ụ động thủy lực trên máy tiện NC DFS2000
175


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Việc thiết kế hệ dẫn động chạy dao của máy công cụ điều khiển số đòi hỏi phải có hệ
thống điều khiển có khả năng điều khiển chính xác đồng thời cả tốc độ và vị trí các cơ cấu
chấp hành. Cùng với sự phát triển công nghiệp điện từ, động cơ xoay chiều điều khiển tốc độ
bằng biến tần ngày càng được ứng dụng rộng rãi, tuy nhiên động cơ DC Servo vẫn được lựa
chọn và sử dụng phổ biến trong các máy công cụ điều khiển số. Tín hiệu phản hồi là tốc độ
quay trục động cơ hoặc vị trí góc trục. Để đảm bảo chuyển động chính xác của bàn máy cũng
như tốc độ trục chính, các giá trị này cần được phản hồi liên tục cho bộ phận điều khiển. Đây
cũng là nhiệm vụ tính toán, thiết kế hệ thống đo trên máy điều khiển số.
Hình 3 mô tả cấu trúc đầu revonve và ụ động thủy lực trên máy tiện NC DFS2000. Các
bộ phận này được nghiên cứu, bảo dưỡng để tiếp tục sử dụng sử dụng. Tuy nhiên, hệ thống
thủy lực phục vụ ụ động thủy lực cần được thiết kế phù hợp với phương án thiết kế mới. Hơn
nữa, động cơ điện dẫn động đầu revonve điều khiển thông qua ly hợp điện từ và bộ phận định
vị đầu dao cũng cần nghiên cứu, cải tiến để sử dụng lại hoặc thiết kế, thay thế mới nhằm phù
hợp với hệ thống điều khiển CNC.
3.

PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP NÂNG CẤP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC CHO
MÁY TIỆN NC DFS2000

Hệ thống điều khiển hiện tại trên máy tiện NC DFS2000 bao gồm bảng điều khiển, tủ
điều khiển và cũng tích hợp bộ phận lập trình với giao tiếp người - máy phức tạp. Bộ điều
khiển được thiết kế với khả năng biên dịch chương trình điều khiển trên vật mang tin là băng
giấy đục lỗ. Các bộ phận này không còn khả năng hoạt động và không phù hợp với hệ thống

điều khiển CNC hiện đại. Vì vậy, tác giả đề xuất nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển
CNC thay thế bộ điều khiển lạc hậu này. Hình 4 mô tả hệ thống điều khiển nguyên mẫu máy
tiện NC DFS2000.

Hình 4. Hệ thống điều khiển máy tiện NC DFS200
Hệ thống điều khiển được thiết kế để điều khiển các cơ cấu chấp hành theo các quy luật
được quy định trong chương trình điều khiển. Bộ điều khiển có nhiệm vụ biên dịch, giải mã
và phát tín hiệu điều khiển các động cơ tương ứng. Bộ điều khiển máy CNC được xây dựng
bao gồm phần cứng và phần mềm điều khiển. Bộ phận phần cứng quan trọng phải kể đến
chính là Card điều khiển, được thiết kế để điều khiển các động cơ, tiếp nhận tín hiệu phản
hồi,… Ngoài ra, có nhiều phần mềm phục vụ cho việc thiết kế và tích hợp vào hệ thống điều
khiển máy CNC. Các phần mềm này được chia theo hai hướng là phần mềm thương mại hoặc
phần mềm mã nguồn mở. Phần mềm thương mại cung cấp cho người dùng đầy đủ các tính
năng của phần mềm, với sự hướng dẫn và hỗ trợ kỹ thuật tin cậy từ hãng sản xuất, tuy nhiên
176


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
người dùng không thể sửa đổi, cải tiến và phát triển phần mềm. Phần mềm mã nguồn mở
được cung cấp dưới dạng mã nguồn, người sử dụng có thể phát triển, sửa đổi, cải tiến và nâng
cấp theo các nguyên tắc chung. Các phần mềm điều khiển của máy điều khiển số hiện đại
được xây dựng trên môi trường Windows ngày càng được ứng dụng rộng rãi khi thiết kế bộ
điều khiển máy phay cũng như máy tiện CNC, bao gồm Mill Master For Windows, Kcam,
NC Studio, Mach 3,… Mỗi phần mềm điều khiển đều có những đặc trưng riêng, thể hiện điểm
mạnh cũng như những hạn chế của nó.
Mach3Turn là phần mềm điều khiển số của hãng ArcSoft, được xây dựng trên nền hệ
điều hành Windows phục vụ cho việc điều khiển hoạt động máy tiện điều khiển số. Phần mềm
có giao diện trực quan, có thể tùy biến hoàn toàn theo ý người sử dụng, dễ dàng sử dụng với
thao tác bằng chuột đơn giản. Có thể dùng được với màn hình cảm ứng. Ngoài các chức năng
cơ bản, phần mềm Mach3Turn còn cung cấp nhiều chức năng phụ khác tương tự như các

phần mền điều khiển hoàn thiện chuyên nghiệp cho máy công cụ trong công nghiệp, như thiết
lập đơn vị điều khiển (mm/inch), lựa chọn dụng cụ, lựa chọn chế độ cắt, lập chương trình, mô
phỏng quá trình cắt gọt trước khi gia công, thiết lập điểm gốc và tính toàn, lựa chọn thông số
cắt ren. Mach 3 cho phép nhập mã lệnh G-code trực tiếp trong chương trình hay nhập tệp dữ
liệu G-code được tạo ra từ các phần mềm CAM thông dụng [5]. Do đó, Mach 3 là phần mềm
điều khiển được tác giả đề xuất cho giải pháp về phần mềm điều khiển CNC, nâng cấp máy
tiện NC DFS2000. Hình 5 mô tả giao diện phần mềm điều khiển Mach3turn khi thực hiện
chương trình gia công, thể hiện trực quan các thông số mô tả quá trình cắt gọt, giúp người vận
hành dễ dàng can thiệp xử lý sự cố hay điều chỉnh thông số cắt gọt phù hợp.

Hình 5. Giao diện Mach3turn khi thực hiện chương trình gia công [6]
Trên cơ sở phân tích hệ thống động lực chạy dao và dẫn động trục chính, có thể thấy
rằng hệ thống điều khiển có thể được thiết kế theo hai phương án: (1) trục chính được dẫn bởi
động cơ xoay chiều 3 pha tích hợp sẵn thông qua hộp tốc độ, các chuyển động chạy dao được
dẫn động bởi các động cơ servo độc lập, có tích hợp hệ thống đo; (2) sử dụng các động cơ
servo để dẫn động trục chính và các chuyển động chạy dao. Khi áp dụng phương án (1), có
thể tận dụng tối đa các bộ phận cơ khí tích hợp sẵn trên máy khi nghiên cứu nâng cấp, tuy
nhiên phương án này cũng gặp các khó khăn nhất định. Thực vậy, số cấp tốc độ trục chính
hữu hạn là một yếu tố gây khó khăn hơn khi chọn chế độ gia công phù hợp với các yêu cầu
khác nhau, đặc biệt khi tiện ren thì người vận hành cần phải có kỹ năng lựa chọn thông số
điều khiển phù hợp. Trường hợp sử dụng phương án (2) làm phương án nâng cấp máy, khi đó
hệ điều khiển có nhiệm vụ điều khiển đồng thời các động cơ chạy dao và trục chính với tốc độ
177


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
vô cấp. Việc điều khiển máy và lựa chọn các thông số trên phần mềm điều khiển Mach3Turn
sẽ dễ dàng được thực hiện, đặc biệt khi gia công ren với sự hỗ trợ lựa chọn các thông số ren
một cách trực quan. Tuy nhiên, phương án này sẽ làm tăng chi phí nâng cấp bao gồm việc
thay thế động cơ 3 pha công suất lớn và hộp tốc độ của máy. Hình 6 là sơ đồ điều khiển máy

theo phương án này. Sơ đồ điều khiển bao gồm các bộ phận chính như máy tính tích hợp card
Mach 3 và phần mềm điều khiển Mach3Turn, bộ phận điều khiển các động cơ servo chạy dao,
bộ phận phản hồi tốc độ trục chính và vị trí dịch chuyển của dụng cụ cắt gọt.

Mạch phản hồi

Máy tính tích hợp
Card và phần mềm
điều khiển Mach3

Mạch phản hồi

Điều khiển Đ/C
Servo X

Điều khiển Đ/C
Servo Z

Hộp tốc độ

Động cơ
trục X

Động cơ
trục Z

Trục
chính

Điều chỉnh

tốc độ

Hình 6. Sơ đồ điều khiển máy tiện NC DFS2000 theo phương án dùng hộp tốc độ (PA1)

Mạch phản hồi

Máy tính tích hợp
Card và phần mềm
điều khiển Mach3

Mạch phản hồi

Điều khiển Đ/C
Servo X

Điều khiển Đ/C
Servo Z

Điều khiển Đ/C
trục chính

Động cơ
trục X

Động cơ
trục Z

Động cơ
trục
chính

Hình 7. Sơ đồ điều khiển máy tiện NC DFS2000 theo phương án dùng động cơ trục
chính vô cấp (PA2)
Hệ thống điều khiển theo phương án 2 với sơ đồ điều khiển được mô tả trên Hình 7.
Theo đó, các bộ phận chính khác với phương án vẫn dùng hộp tốc độ đó là bộ phận điều khiển
động cơ servo trục chính. Các bộ phận khác bao gồm máy tính tích hợp phần mềm và card
điều khiển, bộ phận phản hồi,… tương tự như phương án thiết kế 1.
178


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Hai phương án thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển CNC thay thế hệ thống điều khiển
NC cũ đã được tác giả nghiên cứu và đề xuất. Giai đoạn đầu, tác giả sẽ triển khai phương án
thiết kế 1 và đánh giá hiệu quả việc thiết kế, nâng cấp các bộ phận này. Phương án 2 sẽ được
triển khai trong giai đoạn hoàn thiện việc nâng cấp hoàn toàn máy tiện NC thành máy tiện CNC.
4. KẾT LUẬN
Máy tiện NC DFS2000 là máy tiện điều khiển số thế hệ cũ, các bộ phận dẫn động chạy
dao, trục chính và hệ thống điều khiển cần được thiết kế, nâng cấp, thay thế. Bài viết tập trung
phân tích thực trạng của máy, đưa ra giải pháp nâng cấp hệ dẫn động chạy dao và tích hợp hệ
thống điều khiển CNC cho máy theo hai phương án: (1) giữ nguyên động cơ trục chính và
hộp tốc độ, thiết kế, nâng cấp hệ dẫn động chạy dao và hệ thống điều khiển CNC; (2) thiết kế,
nâng cấp và thay thế động cơ trục chính vô cấp, hệ thống dẫn động chạy dao vô cấp và tích
hợp hệ thống điều khiển CNC mới phù hợp với trình độ khoa học, công nghệ đương đại nước
ta. Các phân tích này là cơ sở triển khai việc phục hồi hoạt động và nâng cấp toàn diện máy
tiện NC DFS2000 thành máy tiện CNC trong thời gian tới.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Tạ Duy Liêm, Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ, NXB KH&KT, 2001.
[2]. Bùi Quý Lực, Hệ thống điều khiển số trong công nghiệp, NXB KH&KT, 2003.
[3]. Đặng Xuân Phương, Máy công cụ và phương pháp lập trình gia công, NXB Đại học Nha
Trang, 2011.

[4]. Suk-Hwan Suh, Seong Kyoon Kang, Dae-Hyuk Chung, and Ian Stroud, Theory and
Design of CNC Systems: Springer-Verlag London, 2008.
[5]. />Available: />[6]. Mach3Turn. Available: />THÔNG TIN TÁC GIẢ
Bùi Tuấn Anh. Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Điện thoại: 0977.535.066.

179