Máy Điều Khiển Số Và Robot Công Nghiệp

Máy điều khiển số
&
Robot công nghiệp
TS. Trần Đức Tăng
Học viện Kỹ thuật Quân sự

Giới thiệu về môn học
1. Tên môn học: Máy điều khiển số và robot công nghiệp
2. Số lợng đơn vị học trình: 03 (45 tiết)
3. Mục tiêu của môn học
* Kiến thức:
- Củng cố các kiến thức cơ bản về máy cắt kim loại điều khiển theo
chơng trình số
- Hiểu đợc cấu trúc hệ thống điều khiển theo chơng trình số cho
máy cắt kim loại
- Biết đợc cấu trúc, động học và ứng dụng của robot công nghiệp
* Kỹ Năng: Vận dụng đợc các kiến thức để có thể tiếp cận đợc công
nghệ gia công trên máy CNC.

1


Giới thiệu về môn học
Tài liệu học tập
[1]. Nguyễn Ngọc Cẩn - Máy điều khiển theo chơng trình số. Trờng ĐH
s phạm Kỹ thuật Tp. HCM, 1993.
[2]. Nguyễn Ngọc Cẩn - Điều khiển tự động - NXB Khoa học Kỹ thuật
[3]. Tạ Duy Liêm - Máy điều khiển theo chơng trình số và robot công
nghiệp Trờng ĐHBK Hà Nội - 1996
[4]. Tạ Duy Liêm - Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ - NXB Khoa
học & Kỹ thuật 2001

[5]. Nguyễn Thiện Phúc - Ngời máy công nghiệp - Trờng ĐHBK Hà
Nội 1995
[6] Kỹ thuật robot. Đào Văn Hiệp. NXB KH&KT 2004.
[7] Robot công nghiệp. Phan Bá, Nguyễn Xuân Huy. HVKTQS.
[8] Introduction to robotics. Phillip John McKerrow.
[9] Bi ging

Chơng 1.
Máy cắt kim loại
điều khiển theo chơng trình số
(Máy CNC)

1.1 Lịch sử máy CNC và các khái niệm liên quan
1.2 Điều khiển theo chơng trình số
1.3 Kết cấu máy CNC
1.4 Hiệu quả sử dụng máy CNC

2


1.1. Lịch sử máy CNC v các khái niệm liên quan

Lm thế no để gia công các chi tiết, khuôn mẫu phức tạp?
Xa xa
- Đợc chia thành các phần đơn giản hơn để gia công
- Sau khi gia công xong, chúng mới đợc ghép lại với nhau thành
chi tiết hoàn chỉnh bằng phơng pháp hàn, tán.
- Công nghệ đó đắt và không đảm bảo đợc độ chính xác về kích
thớc và hình học mong muốn cũng nh sự đồng đều về cơ tính vật
liệu.

Sau này
- Dùng máy chép hình, ngời ta đ chế tạo đợc các chi tiết phức tạp
hơn.
- Công nghệ gia công trên máy chép hình vẫn còn nhiều nhợc điểm
Độ chính xác không cao (do quán tính của hệ thống lớn, do sai số của
mẫu,...),
Năng suất thấp (do phải hạn chế tốc độ trợt của đầu dò trên mẫu),
Đắt và kém linh hoạt (vì các dỡng mẫu là các chi tiết cơ khí chính
xác, dùng vật liệu đặc biệt nên khó chế tạo).

3


ý tởng về điều khiển số (NC)
- Có thể hình dung máy công cụ điều khiển số là một máy chép hình,
nhng các dỡng, mẫu, cam,... cơ khí đợc thay bằng chơng trình
máy tính.
- Chơng trình không bị mòn nh các dỡng mẫu, mang đi mang lại
dễ dàng.
- Việc soạn thảo, sửa đổi chơng trình lại dễ, nhanh và rẻ hơn nhiều
so với chế tạo cam, dỡng,...
3 nguyên tắc đối với máy NC công nghiệp
- Sử dụng máy tính để tính toán quỹ đạo chạy dao và lu dữ liệu vào
bìa đục lỗ.
- Dùng thiết bị đọc tại máy để tự động đọc dữ liệu từ bìa đục lỗ.
- Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ xử lý và liên tục đa ra thông tin
điều khiển các động cơ đợc gắn lên trục vít me.

Điều khiển số
iều khiển số là hệ thống mà mỗi hành trình đợc điều khiển theo số.

Mỗi thông tin đơn vị ứng với một dịch chuyển gián đoạn của cơ cấu
chấp hành. Đại lợng này gọi là giá trị xung.
Cơ cấu chấp hành có thể dịch chuyển với một đại lợng bất kỳ ứng với
giá trị xung.
Khi biết giá trị xung q và đại lợng dịch chuyển L của cơ cấu chấp
hành, ta có thể xác định số lợng xung N cần thiết tác động để có
lợng dịch chuyển L:
L = q.N

4


Hệ điều khiển NC (Numerical Control)
Điều khiển NC thờng đợc gọi là điều khiển nối cứng (hard-wired
control). Chúng sử dụng các bộ logic số IC (mạch tích hợp) - thờng là
các mạch tích hợp cỡ vừa, đợc định vị và nối dây theo một sự sắp xếp
cố định và ghép vào các bảng mạch in.
Tín hiệu điều khiển sử dụng trong các hệ điều khiển nối cứng là xung
điện áp. Mỗi xung điện áp tạo một sự chuyển động của một đơn vị
chiều dài cơ sở của trục đang đợc điều khiển. Số lợng các xung đặt
lên trục xác định khoảng cách dịch chuyển, tần số xung cho ta vận tốc.

Lịch sử phát triển NC
1949:
- Mẫu đầu tiên của máy NC do MIT (Viện công nghệ Massachusetts) thiết
kế và chế tạo theo đặt hàng của Không lực Hoa kỳ, để sản xuất các chi tiết
phức tạp và chính xác của máy bay.
1952:
- chiếc máy phay đứng 3 trục điều khiển số của h ng Cincinnati Hydrotel
đợc trng bày tại MIT.

1960s:
- máy NC đợc sản xuất và sử dụng trong công nghiệp.
- các bộ điều khiển số đầu tiên dùng đèn điện tử nên tốc độ xử lý chậm,
cồng kềnh và tiêu tốn nhiều năng lợng.
- chơng trình đợc chứa trong các băng và bìa đục lỗ, khó hiểu và không
sửa chữa đợc.
- Giao tiếp ngời - máy rất khó khăn vì không có màn hình, bàn phím.
1970s:
- các linh kiện bán dẫn đợc sử dụng phổ biến trong công nghiệp
- máy NC gọn hơn, tốc độ xử lý cao hơn, tiêu tốn ít năng lợng hơn,...
- các băng đục lỗ sau này đợc thay bằng băng hoặc đĩa từ,...
- tính năng sử dụng của các máy NC vẫn cha đợc cải thiện đáng kể, cho
đến khi máy tính đợc ứng dụng.

5


Hệ điều khiển CNC (Computer Numerical Control)
Điu khiển CNC là hệ thống điều khiển số nối mềm (soft-wired NC
system) sử dụng máy tính nhỏ có khả năng lập trình (programmable
minicomputer) với bộ nhớ có thể đọc-ghi để điều khiển máy công cụ
(Điều khiển CNC là một hệ NC sử dụng máy vi tính nh là bộ điều
khiển máy - MCU)
Việc sử dụng máy tính đ loại bỏ phần lớn các mạch phần cứng, đặc
biệt là bộ nội suy và các rơle nối cứng.
Tín hiệu điều khiển trong hệ CNC là dạng của các số nhị phân. Mỗi số
bao gồm 16 bit, 32 bit, hoặc 64 bit phụ thuộc vào kiểu bộ xử lý máy
tính đợc xử dụng. Mỗi bit dữ liệu tạo ra một đơn vị chiều dài chuyển
động trong trục điều khiển.
Với u điểm của công nghệ máy tính hiện đại, rất nhiều đặc tính mong

muốn đ đợc đa vào bộ điều khiển CNC. Điều khiển CNC ngày nay
có khả năng thực hiện mọi thứ chúng ta muốn trên máy công cụ.

Thiết bị đọc
chơng trình

Lu trữ
chơng trình
NC

Máy vi tính
(các chức năng
phần mềm)

Giao tiếp phần
cứng máy tính và
hệ thống servo

Cu hỡnh chung ca mt h CNC

6


Lịch sử phát triển CNC
Đầu 1970s, máy CNC ra đời:
- Các bộ điều khiển số trên máy công cụ đợc tích hợp máy tính và
thuật ngữ CNC ra đời.
Máy CNC u việt hơn máy NC thông thờng về nhiều mặt
- tốc độ xử lý cao, kết cấu gọn,...
- u điểm quan trọng nhất của chúng là ở tính năng sử dụng, giao

diện với ngời dùng và các thiết bị ngoại vi khác.
Các máy CNC ngày nay
- có màn hình, bàn phím và nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin
với ngời dùng.
- nhờ màn hình, ngời dùng đợc thông báo thờng xuyên về tình
trạng của máy, cảnh báo báo lỗi và nguy hiểm có thể xảy ra, có thể
mô phỏng để kiểm tra trớc quá trình gia công,...
- có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác nh robot,
băng tải, thiết bị đo,... trong hệ thống sản xuất.
- có thể trao đổi thông tin trong mạng máy tính các loại, từ mạng cục
bộ (LAN) đến mạng diện rộng (WAN) và Internet.

So sánh điều khiển NC v CNC
c tính so sánh

Điều khiển NC

Điều khiển CNC

Thời gian xuất hiện

1954 - đầu 1970

1970 - nay

Thực hiện các chức
năng ĐK

Mạch phần cứng điện tử

Máy tính với các chơng trình điều
khiển máy công cụ

Các tín hiệu ĐK

Các xung điện áp

Các bit số

Nhập chơng trình

Thông tin trên băng đục lỗ
đợc nạp, đọc và thực hiện
theo từng block.

Toàn bộ chơng trình đợc đọc một lần
và lu trong bộ nhớ máy tính. Trong quá
trình gia công máy tính truy xuất các
lệnh chơng trình lu trong bộ nhớ máy
tính để điều khiển máy.

Giá

Đắt, bởi vì nội suy và các
chức năng điều khiển khác
đơc thực hiện bởi mạch
điện tử

Tơng đối rẻ, bởi vì nội suy và các chức
năng điều khiển khác đợc cung cấp bởi

phần mềm trong máy tính

7


Khả năng

Giơi hạn các chức năng cơ bản:
- Nội suy (tuyến tính, cung tròn)
- Nhận định dạng băng từ
- Vị trí tuyệt đối và tơng đối
- Nhận m ký tự

Bao gồm các chức năng cơ bản
và chức năng mở rộng:
- Nội suy (tuyến tính, cung tròn,
xoắn ốc, parabol)
- Soạn thảo
- Truyền thông
- Bộ nhớ
- Hiển thị
- Giao tiếp vào/ra

Cấu trúc phần cứng
điều khiển

Phức tạp, bởi vì các chức năng
ĐK đợc thực hiện bởi các mạch
điện tử

Đơn giản hơn vì tất cả các chức
năng ĐK đợc thực hiện bởi
phần mềm

Bộ nhớ (lu trữ)
chơng trình

Không có khả năng

Có bộ nhớ ngoài để lu trữ
chơng trình. Chơng trình gia
công có thể lu ở đĩa cứng

CNC v CAD/CAM
CAD (Computer Aided Design) - "thiết kế có trợ giúp của máy tính
- là một lĩnh vực ứng dụng của CNTT vào thiết kế.
- trợ giúp cho các nhà thiết kế trong việc mô hình hoá, lập và xuất
các tài liệu thiết kế dựa trên kỹ thuật đồ hoạ.
CAM (Computer Aided Manufacturing) - "sản xuất có trợ giúp của
máy tính
- xuất hiện do nhu cầu lập trình cho các thiết bị điều khiển số (máy
CNC, robot, thiết bị vận chuyển, kho tàng, kiểm tra) và điều khiển
chúng.
CAD/CAM
- vốn xuất hiện độc lập với nhau, nhng ngày càng xích lại gần nhau.
- là thuật ngữ ghép, dùng để chỉ một môi trờng thiết kế - sản xuất
với sự trợ giúp của máy tính.
Sự phát triển của máy CNC và công nghệ gia công trên máy CNC
liên quan đến:
- kỹ thuật điều khiển tự động,

- kỹ thuật thiết kế và sản xuất có trợ giúp của máy tính (CAD/CAM).

8


CNC v FMS/CIM
FMS
- Một hệ thống sản xuất tự động, có khả năng tự thích ứng với sự
thay đổi đối tợng sản xuất đợc gọi là hệ thống sản xuất linh hoạt
(Flexible Manufacturing System - FMS).
- FMS gồm máy các CNC, robot, các thiết bị vận chuyển, thiết bị
kiểm tra, đo lờng,... làm việc dới sự điều khiển của một mạng
máy tính.
CIM
- Sự tích hợp mọi hệ thống thiết bị sản xuất và tích hợp mọi quá trình
thiết kế - sản xuất - quản trị kinh doanh nhờ mạng máy tính với các
phần mềm trợ giúp công tác thiết kế và công nghệ, kinh doanh,...
tạo nên hệ thống sản xuất tích hợp nhờ máy tính (Computer
Integrated Manufacturing - CIM).

Lịch sử phát triển của CNC

9


Máy công cụ thông thờng, máy NC v máy CNC
Máy công cụ thông thờng
Khi gia công các chi tiết trên máy công cụ thông thờng công nhân
thờng dùng tay để điều khiển máy. Công nhân căn cứ vào phiếu
nguyên công để cắt gọt chi tiết nhằm đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật đặt

ra.
Năng suất và chất lợng sản phẩm phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề
của công nhân.
Mặc dù còn nhiều hạn chế so với máy NC và CNC nhng các máy
công cụ thông thờng vẫn còn đợc sử dụng rộng r i do giá thành thấp
và thuận tiện cho công việc sửa chữa và cho nền sản xuất hiện đang
còn ở trình độ thấp.

Ví dụ: Máy tiện truyền thống

10


Máy công cụ NC
Đối với các máy công cụ NC thì việc điều khiển các chức năng của
máy đợc quyết định bằng các chơng trình đ lập sẵn.
Hệ thống điều khiển của máy NC là mạch điện tử. Thông tin vào chứa
trên băng từ hoặc băng đục lỗ, thực hiện chức năng theo từng khối, khi
khối trớc kết thúc, máy đọc tiếp các khối lệnh tiếp theo để thực hiện
các dịch chuyển cần thiết.
Các máy NC chỉ thực hiện các chức năng nh: nội suy đờng thẳng,
nội suy cung tròn, chức năng đọc theo băng.
Các máy NC không có chức năng lu trữ chơng trình.

Máy công cụ CNC
Máy công cụ CNC là bớc phát triển cao từ các máy NC. Các máy
CNC có một máy tính để thiết lập phần mềm dùng để điều khiển các
chức năng dịch chuyển của máy.
Các chơng trình gia công đợc đọc cùng một lúc và đợc lu trữ vào
bộ nhớ.

Khi gia công, máy tính đa ra các lệnh điều khiển máy.
Máy công cụ CNC có khả năng thực hiện các chức năng nh: nội suy
đờng thẳng, nội suy cung tròn, mặt xoắn, mặt parabol và mặt bậc ba.
Máy CNC cũng có khả năng bù chiều dài và đờng kính dao.

11


Các ứng dụng của điều khiển số CNC
Các ứng dụng của công nghệ CNC có thể đợc phân thành 5 dng:
1. Gia công cắt gọt (máy tiện CNC, máy phay CNC, máy khoan CNC,
máy taro ren): chiếm 75%
2. Mài (máy mài CNC): chiếm 7%
3. Gia công không truyền thống (máy cắt dây CNC, máy EDM, máy cắt
bằng tia nớc...): chiếm 7%
4. Gia công tấm mỏng (máy đột lỗ, máy uốn, cắt tấm mỏng, ): chiếm
5%
5. Các ứng dụng đặc biệt (máy đo tọa độ CMM, máy lắp ghép, máy vận
chuyển vật liệu)

Máy tiện CNC

12


M¸y tiÖn CNC

Sản phẩm gia công trên máy tiện

13

M¸y tiÖn CNC 5 trôc

14


M¸y phay CNC 3 trôc

Sản phẩm gia công trên máy phay

15


M¸y phay CNC 5 trôc

M¸y phay CNC 5 trôc XYZAB

16


S¶n phÈm gia c«ng trªn m¸y CNC 5 trôc

17


M¸y mài

M¸y ®óc ¸p lùc

18


M¸y c¾t d©y CNC

S¶n phÈm gia c«ng trªn m¸y c¾t d©y

19


M¸y xung EDM

20


S¶n phÈm gia c«ng trªn m¸y xung EDM

21


M¸y phay trôc ¶o (virtual axis milling machine)

22


Các u, nhợc điểm của công nghệ CNC
Các u điểm
Tng nng suất: năng suất của một máy CNC gấp 3-4 lần máy truyền
thống tơng đơng, bởi vì nó không yêu cầu nhiều thời gian cho setup
và điều chỉnh, các chi tiết đợc sản xuất nhanh hơn và yêu cầu ít thời

gian kiểm tra hơn.
Độ chính xác cao: độ chính xác đợc xác định bởi khả năng di chuyển
dao cắt tới đúng vị trí đợc chỉ ra.
Giảm giá thành sản xuất: Các nhân tố giúp giảm giá thành sản xuất bao
gồm:
-

Tiết kiệm dao, đồ gá kẹp

-

Tuổi bền của dao cao hơn do tối u các điều kiện cắt

-

Tiết kiệm giá nhân công do không cần nhân công với tay nghề cao

-

Tiết kiệm từ việc sử dụng lại các chơng trình gia công

-

Giảm tổng thời gian sản xuất

-

Khai thác máy tốt hơn do giảm thời gian dừng máy

-

Giảm đợc nhiều thao tác bằng tay

-

Giảm đợc các lỗi, sai sót do con ngời
Giảm đợc chi phí gián tiếp:

-

Giảm hàng tồn kho

-

Giảm lead time (thời gian giữa lúc bắt đầu và hoàn thành của một quá
trình sản xuất)

-

Máy an toàn hơn do ít cần sự can thiệp của công nhân

-

Khai thác máy tốt hơn vì phần lớn thời gian máy là cắt thực

-

Giảm đợc thời gian kiểm tra do máy CNC tạo các chi tiết với chất
lợng đồng đều

23


Thuận lợi cho việc gia công các chi tiết phức tạp: máy CNC cho phép
gia công nhanh và chính xác các chi tiết phức tạp chẳng hạn các bề mặt
3 chiều
Tính linh hoạt cao: Máy CNC cho phép thay đổi nhanh từ việc gia công
từ chi tiết này tới chi tiết khác, với thời gian setup, thay dao, đồ gá nhỏ.
Không yêu cầu ngời vận hành có kỹ năng cao: các kỹ năng yêu cầu
cho ngời vận hành máy CNC chủ yếu là lắp, tháo phôi, thao tác với
bàn phím điều khiển. Các nhiệm vụ này không yêu cầu mức độ kỹ
năng cao nh cần thiết đối với máy truyền thống.
Thuận lợi cho tự động hóa linh hoạt: CNC có thể tạo nên rất nhiều hệ
thống sản xuất tự động, nh: các tế bào tự động và hệ thống sản xuất
linh hoạt.

Các nhợc điểm của CNC
Yêu cầu đầu t ban đầu lớn
-

Các máy công cụ CNC có giá từ vài trục ngàn USD đến hàng triệu USD

-

Vì vậy để đặt hiệu quả kinh tế cần khai thác hết khả năng của máy
Yêu cầu bảo trì, bảo dỡng cao

-

Máy CNC là thiết bị công nghệ cao và hệt thống cơ khí và điện có thể

rất phức tạp. Để bảo đảm độ chính xác của chúng máy phải đợc giữ
trong điều kiện tốt và các bộ điều khiển phải đợc bảo dỡng thờng
xuyên. Ngời làm công việc bảo dỡng phải có kỹ năng về điện, điển
tử và cơ khí
Không hiệu quả cho sản xuất đơn lẻ:

-

Dùng máy CNC để sản xuất một hay một số chi tiết với hình dạng
không phức tạp sẽ không hiệu quả. Một thợ máy có kinh nghiệm có thể
hoàn thành công việc tơng tự với giá thành thấp hơn.

-

Tuy nhiên với chi tiết co độ phức tạp cao, sử dụng máy CNC sẽ trở lên
kinh tế hơn

24


Xu hớng của công nghệ CNC
So với 4 thập kỷ trớc đây, máy CNC ngày nay có độ tin cậy cao hơn,
độ chính xác cao hơn và nhanh hơn, có nhiều tính năng hơn và có khả
năng thực hiện nhiều chức năng.
Công nghệ CNC là giải pháp cho năng xuất, chất lợng và hạ giá thành
sản phẩm trong môi trờng sản xuất cạnh tranh toàn cầu ngày nay.
Trớc đây phần lớn các nhà sản xuất đều quan niệm rằng máy CNC là
để áp dụng cho sản xuất hàng loạt. Quan điểm này đ dần thay đổi.
Phần lớn các máy công cụ sử dụng trong dây chuyền sản xuất trong
công nghiệp ô tô là các bộ điều khiển CNC không phải chỉ cho một

mục đích (single-purpose type)
Mặc dù công nghệ CNC đ tơng đối phát triển, các nhà nghiên cứu
vẫn đang nỗ lực để nâng cao khả năng và các chức năng của CNC.
Dới đây là một số xu hớng phát triển của công nghệ CNC:

1.

Bộ xử lý (Processor):

-

Các máy CNC ngày nay sử dụng bộ xử lý nhanh hơn và hệ thống
nhiều bộ xử lý (multiprocessor). Sử dụng bộ xử lý 64-bit và bộ đồng
xử lý (coprocessor) 64-bit và đờng truyền thông 64-bit.

-

Cấu hình nhiều bộ xử lý cho phép nhiều chức năng đợc thêm vào hệ
thống

2. Bộ nhớ RAM
-

Việc sử dụng trạng thái zero-wait-state RAM (trạng thái đợi = 0) cho
phép các chơng trình lu trữ và dữ liệu đợc truyền trong tích tắc

25