Nghiên cứu Công nghệ gia công trên máy CNC

Lời nói đầu
Một trong những hớng của tự động hoá sản xuất là sử dụng các máy điều
khiển theo chơng trình số. Các máy điều khiển số là điều kiện kỹ thuật cơ bản
để thực hiện những dự án tự động hoá linh hoạt (fexible automatization) trên
từng máy công cụ điều khiển số riêng lẻ (CNC Machines), ở các trung tâm gia
công đều khiển số (CNC Engineering Centre), hay việc ghép nối chúng thành
một hệ thống tự động linh hoạt (flexible automatical Machine systyem), điều
khiển liên thông bằng các máy điện toán ghép mạng.
Vào những năm 50 của thế kỷ 20 máy điều khiển theo chơng trình số ra
đời sau khi chiếc máy tính điện tử ENIAC đợc đa vào sử dụng. Ngày nay, máy
điều khiển theo chơng trình số CNC đợc phát triển mạnh mẽ, nhanh chóng
cùng với sự phát triển của các ngành co tin - điện tử. Sự tiến bộ của kỹ
thuật vi điện tử đã tạo điều kiện nâng cao một cách đáng kể công năng của các
hệ điều khiển số, những cụm vi xử lí trở thành bộ phận chíng yếu của thiết bị,
giúp cho máy CNC khong ngững phát triển và đợc ứng dụng rộng rãi trong
ngành công nghệ chế tạo máy.
Các máy điều khiển số CNC đợc sử dụng để chế tạo các chi tiết cơ khí,
đặc biệt là chế tạo các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết phục vụ công nghiệp,
quốc phòng. Các máy công cụ điều khiển số còn đợc dùng trong nghiên cứu
khoa học, đào tạo cán bộ kỹ thuật, đào tạo nghề nhằm cung cấp nguồn nhân
lực lao động sản xuất trong tơng lại. Vì máy công cụ CNC có đặc tính u việt
và nổi bật là nâng cao chính xác và năng suất gia công, gia công đợc các bề
mặt của chi tiết phức tạp sản xuất. Tuy nhiên, chi phí mua sắm, bảo trì, lập
trình, môi trờng cho máy CNC lớn hơn nhiều lần so với máy thông thờng.
Vấn đề cấp thiết ở nớc ta là phải sử dụng và khai thác các loại máy CNC
đã đợc đầu t với hiệu quả cao nhất, đồng thời phải tổng kết kinh nghiệm khai
thác và sử dụng loại máy hiện đại này trong sản xuất để tìm ra những giải
pháp hữu hiệu hơn.
Với xu hớng đổi mới công nghệ hiện nay, nhiều cơ sở côgn nghiệp, viện
nghiên cứu, trờng học đã nhập các thiết bị điều khiển số dùng trong sản xuất
1

và nghiên cứu. Để góp phần trong vịêc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ gia
công trên máy công cụ CNC ở nớc ta hiện nay thì đề tài Nghiên cứu Công
nghệ gia công trên máy CNC là cần thiết, bởi vì nó quyết định đến hiệu quả
của việc đầu t hay không đầu t, năng suất và chất lợng, giá thành. Đặc biệt là
công việc chuẩn bị nhân lực kỹ thuật để tiếp nhận chuểyn giao công nghệ, vận
hành máy và bảo trì kỹ thuật trong quá trình sử dụng máy.
Em xin chân thành cảm ơn GS. TS Trần Văn Địch và các thầy, cô trong
khoa Cơ khí Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ, tạo điều
kiện để em hoàn thành bản luận văn này.
Cảm ơn các thầy, cô trong hội đồng đã cho ý kiến và xét duyệt.
Hà nội, ngày tháng năm 2007
Ngời thực hiện
Nguyễn Văn Nguyên

2


Chơng I
Tổng quan về công nghệ gia công trên máy CNC
1.1. Bản chất của điều khiển số
Máy công cụ điều khiển theo chơng trình số CNC (Computerrized
Numerical Cotrol) là máy đợc điều khiển thao chơng trình viết bằng mã kí tự
số.
Quá trình gia công trên máy công cụ, chi tiết và dụng cụ cắt thực hiện các
chuyển động tơng đối với nhau. Những chuyển động tơng đối này đợc lặp lại
nhiều lần khi gia công mõi chi tiết gọi là gia công. Mỗi chu kỳ gia công ta
phải xác định đại lợng và thứ tự của hành trình, phần đại lợng gọi là phần kích
thớc hay phần hình học, phần thứ tự của hành trình, phần đại lợng gọi là phần

kích thớc hay phần hình học, phần thức tự gọi là phần điều khiển. Chơng trình
làm việc của một máy tự động cần có thông tin về kích thớc (xác định hành
trình của chu kỳ); về điều khiển (xác định thứ tự của hành trình theo thời
gian).
Các hệ thống điều khiển máy công cụ đợc chia ra hai loại:
- Điều khiển không theo số (điều khiển truyền thống)
- Điều khiển số
1.1.1. điều khiển không theo số
a. Hệ thống điều khiển theo Cam
L2

Hệ thống điều khiển này hành trình L
đợc xác định theo công thức:
(1)

So : Là khoảng nâng Pròile của Cam (mm)

L1

L = S0.K

K: Tỷ số truyền trung gian (K = L2/L1)
b. Hệ thống điều khiển theo quãng đờng
Đại lợng hành trình của cơ cấu chấp
hành đợc giới hạn bởi hai bộ chuyển
hành trình KBB và KBH. Bộ KBB giới hạn

3

S0

Hình 1.1 Sơ đồ điều khiển theo Cam


b
a

a2

di chuyển của cơ cấu chấp
hành về bên trái hay phía trớc,
KBH giới hạn về bên phải hay

a2

KBH

KBH

phía sau. Đại lợng hành trình
l đợc xác định nh sau:

b2

b1

L = b a = b1 + b2 a2 +a1
Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển theo quãng đờng
b1 , b2 , a2 ,a1 : Là toạ độc của các chốt và các bộ truyền hành trình (mm).
c.Hệ thống điều khiển theo thời gian

Trong hệ thống này, cơ cấu chấp hành đợc điều khiển bằng bộ điều khiển
hình cái trống, trên đó có một số đờng rãnh nhất định. Trên các đờng rãnh có
gá các cam. Các cam này đợc lắp với các cữ hành trình (bộ chuyển hành
trình). Cữ hành trình điều khiển mỗi chu kỳ gia công theo các lệnh điều khiển
dịch chuyển về bên trái theo cữ KBH hoặc dịch chyển về bên phải theo
cữ KBK. Chiều dài hành trình đợc xác định theo công thức:
L=

.V .T
(1.2)
360

Trong đó:
T Thời gian quay một vòng của bộ điều khiển (phút)
- góc gá cam
V Tốc độ trung bình của cơ cấu chấp hành

KBH

KBH

1




2

Hình 1.3. Sơ đồ điều klhiển theo thời gian
4

d. Hệ thống điều khiển theo chu kỳ.
Hệ thống điều khiển này alf tổng hợp của hệ thống điều khiển theo quãng
đờng và theo thời gian.Đại lợng hành trình đợc xác định bằng lợng hành trình
hoặc bởi bộ điều khiển tác động vào rơ le tiến thì cơ cấu chấp hành dịch
chuyển về phía trớc, khi tác động vào rơle lùi thì cơ cấu chấp hành dịch
chuyển về phía sau (về bên phải). Bộ điều khiển chỉ tác động vào rơle tiến
không làm việc. Rơ le tiến chỉ hoạt động khi cơ cấu chấp hành chạm vào cữ
KBH, lúc đó chu kỳ đợc lặp lại.
Các hệ thống điều khiển trên đây khác nhau nhng đại lợng hành trình lại
đợc điều khiển giống nhau (liên tục) - điều khiển khong theo chơng trình số.

KBH

KBH

Tiến
Lùi

Hình 1.4. Sơ đồ điều khiển theo chu kì
1.1.2. Điều khiển số
điều khiển số là hệ thống điêu fkhiển mà mỗi hành trình đợc điều khểin
theo số. Một thông tin đơn vị ứng với một dịch chuyển gián đoạn của cơ cấu
chấp hành.Đại lợng này gọi là gái trị xung của hệ thống. Cơ cấu chấp hành có
thể dịch chuyển với một đại lợng bất kỳ ứng với các giá trị xung. Nh vậy khi
biết các gí trị xung q và đại lợng dịch chuyển L của cơ cấu chấp hành, có thể
xác định số lợng xung N cần thiết tác động để có lợng dịch chuyển L:
5

L = q.N

(1.3)

Số lợng xung N đợc ghi trên kênh thôngtin gọi là một chơng trình xác
định đại lợng thông tin kích thớc. Các thông tin đợc ghi trên băng đục lỗ hoặc
băng từ, đĩa từ, đĩa compact, số lợngt hông tin đợc ghi trong một hệ thống mã
hoá nhất định.
1.1.3. Mã hoá thông tin
Giao diện giữa ngời và máy bằng ột ngôn ngữ mà máy có thể hiểu đợc.
Máy đọc đợc chơng trình do con ngời ghi và thực hiện theo chơng trình đó.
Khi có sự cố về cơ cấu điều khiển số, chơng trình có sai sót thì điều khiển số
sẽ truyền thông tin vê fnguyên nhân gây ngừng hoạt động.
a. Chữ cái
Chữ cái của mã số là tập hợp các kí hiệu đợc dùng mã hoá. Các phần tử
mới hiện nay của tự động hoá chỉ có hai trạng thái ổn định: Công tắc kín hoặc
công tắc hở, trong mạnh của băng đục lỗ có thể hoặc không có lỗ vv một
trạng thái ứng với kí hiệu 1 (cấp dòng năng lợng), còn trạng thái khác ứng
với kí hiệu 0 (ngắt dòng năng lợng). Vì vậy chữ cái của mã số chỉ chữa hai
kí hiệu 0 và 1.
b. Mã thập phân
Cơ sở của hệ thập phân (mã thập phân) là 10. hệ thống này có 10 lí tự số:
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. theo hệ thập phân thì số 5906, 38 đợc viết nh sau:
5.103 + 9.103 + 0.101 + 6.100 + 3.10-1+ 8.10-2
vị trí đầu tiên bên trái dấu phẩy ứng với mũ số 0, từ vỉtí này về bên trái
dấu phẩy các số mũ luỹ thừa tăng dần. Từ bên phải dấu phẩy các số mũ luỹ
thừa giảm dần. -1, -2, -3. v.v. Mã thập phân chứa đợc nhiều dung lợng nhng
phức tạp khi tính toán
c. Mã số đơn vị

Mã số đơn vị là loại mã trong đó mỗi số đợc biểu thj bằng số lợng các kí
hiệu chữ số 1. ví dụ:
1

1

6

111111

2

11

7

1111111
6


3

111

8

11111111

4

1111

9

111111111

5

11111

10

1111111111

Hệ thống mã đơn vị có u điểm là đơn giản, dễ sử dụng. Nó đợc dùng để
ghi số lợng các xung trên băng từ, nhng có nhợc điểm là nhiều kí hiệu. ví dụ:
Để viết số trong hệ thập phân 356810 thì cần có 3568 lí hiệu 111111111
d.Mã nhị phân
Cơ sở của hệ nhị phân là số 2. Đa cơ số 2 lên cấp có số mũ nguyên
(0,1,2,3,) sẽ đợc dẫy số 20, 21, 22, 23, 24 ứng với dãy số 1,2,4,6,16 Bất
kỳ một số trong hệ nhị phân đều là tổng của nhêìu số mà các số hạng của nó
là số 2 với các cấp mũ khác nhau.Các số trong hệ nhị phân là tổ hợp của chữ
số o và số 1. Để chuyển số từ hệ thập phân sang hệ nhị phân phải giải chia
tuần tự số thập phân cho 2 nh ví dụ số 45 sau đây.
45:2 = 22 lẻ 1
22:2 = 11 lẻ 0
11:2 = 5 lẻ 1
5:2 = 2 lẻ 1
2:2 =1 lẻ 0
1:2 = 0 lẻ 1

vậy giá trị số tơng ứng trong hệ nhị phân là 45 bằng 101101. ở đây số
trong hệ tính nhị phân lấy từ dới lên. Ta có thể viết số 45 nh sau:
45 = 101101 (1.25 + 0.24 + 1.23 + 1.22 + 0.21 + 1.20)
1.1.4. Máy công cụ điều khiển theo chơng trình số CNC
Là máy công cụ đợc điều khiển theo chơng trình viết bằng mã kí tự số,
chữ cái và các kí tự chuyên dụng khác trong đó hệ thống điều khiển có cài đặt
các bộ vi xử lý àP (mico processor) làm việc với các chu kì thời gian từ 1 đến
20àm và có bộ nhớ tối thiểu 4Kbyte, đảm nhiệm các chức năng cơ bản của
chơng trình điều khiển số nh: tính toán toạ độ trên các trục điều khiển theo
thời gian thực, giám sát các trạng thá của máy, tính toán các giá trị chính lý
dao cụ, tính toán nọi suy trong điều khiển quỹ đạo biên dạng, thực hiện so
7


sánh các cặp giá trị cần và giá trị thực Hình 1.5. là sơ đồ nguyê lý hoạt động
của máy gia công CNC.
In put
Bản vẽ chi tiết
( Công nghệ, KT....mã hía theo hệ nhị phân)
Lập trình
CAD
Lưu trữ
( băng từ, đĩa từ)

Vật mang tin

Vùng xử lí số trong máy

CAM

Vật mang tin

Đọc, nhớ giải mã
phân phối dữ liệu NC
Giá trị cần

Bộ chuyển đổi số
/tương tự

Bộ nội suy
Ouput

D

Bộ so sánh
A

Giá trị thực
Lệnh ĐK

Mô đun cơ khí

Động cơ

Hệ thống đo
toạ độ vị trí

Bộ khuyếch đại
công suất

Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy gia công CNC
1.1.4.1. Hệ thống điều khiển NC
hệ thống NC đầu tiên ra đời do nhu cầu chế tạo các chi tiết phức tạp với
số lợng ót. Trong hệ thống NC các thông số hình học của chi tiết và các lệnh
điều khiển máy đợc cho dới dạng dãy các con số.
a. Đa dữ liệu vào hệ thống
8


Toàn bộ các chỉ dẫn gia công đợc in vào băng đục lỗ dới dạng các câu
lệnh của chơng trình. Mỗi câu lệnh đợc đọc trong hệ thống điều khiển NC,
đồng thời đa vào các bộ phận hiệu chỉnh dụng cụ cần thiết và xê dịch các
điểm (0).
b. Xử lý dữ liệu và đa dữ liệu ra.
Các thông tin đa vào hệ thống điều khiển đợc mã hoá và tách thầnh thông
tin hình học và thong tin công nghệ (hình 1.5). Các thông tin hình học dịch
chuyển dụng cụ. Các thông tin công nghệ điều khiển các chức năng vận hành
m áy.
Để dụng cụ hoặc hci tiết gia công chuyển động, hệ thống điều khiển phát
tín hiệu điện qua Cụm khuyếch đại đến động cơ chạy dao của máy. Mỗi một
bàn trợt của máy có trang bị một hệ thống dò dịch chuyển để xác định vị trí
của bàn trợt và báo cho thiết bị so sánh giá trị thực với gia trị đã cho trong bộ
so sánh của hệ thống điều khiển (hình 1.5). Khi giá trị thực khác với giá trị đã
cho của hệ thống điều khiển, sai lệch này sẽ đợc biến đổi thành các tác động
điều khiển cụm chạy dao. Khi sai lệch điều khiển bằng 0 tức là đã đạt đợc vị
trí đã cho, động cơ chạy dao sẽ dừng. Chu trình điều khiển tốc độ cũng dựa
trên cơ sở của chu trình điều khiển vị trí. Số vòng quay thực đợc xác định nhờ
máy phát đo tốc độ lắp trong động cơ chạy dao.

9

Trang bị điều khiển

So sánh

Bộ

trị số thực

điều

và cho trước

khiển

Quãng đường điều khiển

Động cơ

Bàn
trượt

Hệ thống đo
Hệ thống đo
dịch chuyển

Hình 1.6. Chu trình điều khiển trong các hệ điều khiển NC
c. Bộ thích nghi
Các thông tin hình học và thông tin công nghệ chuyển qua bộ thích nghi.

Bộ thích nghi có chức năng nh một xích nối giữa máy CNC và hệ thống điều
khiển, kết nối các lệnh điều khiển CNC với các thông báo từ máy trở lại.
Chúng có chức năng chính nh là các chuyển đổi liên động, cho khả năng tránh
đợc việc thực hiện các lệnh không hợp lý. Ví dụ: Khi mâm cặp của máy tiện
cha kẹp chặt bộ thích nghi không phát lệnh chạy dao mặc dù hệ thống điều
khiển có phát lệnh dịch chuyển.
1.1.4.2. Hệ thống điều khiển CNC
Điều khiển NC có nhợc điểm là kém linh hoạt, tốn thời gian trong việc
thay đổi chơng trình vì phải sửa lại các băng đục lỗ. Ngày nay hệ htống điều
khiển NC đợc thay thế rộng rãi bằng các hệ thống điều khiển CNC (hình 1.7).
Đặc điểm điều khiển này có chơng trình hẹệ thống CNC do nàh máy tính.
Trong các hệ thống tính. Thông qua các phần mềm riêng lẻ, ví dụ: Chơng
trình giải mã và hệ điều hành chơng trình mà các chức năng CNC riêng lẻ đợc
thực hiện.
a. Đa dữ liệu vào hệ thống

10


Trong hệ thống NC thông thờng chơng trình gia công làm chỉ một lần
trên băng đục lỗ và nằm trong bộ phân lu giữ chơng trình. Hệ thống điều
khiển CNC, chơng trình gia công có thể đa vào trong hệ thống điều khiển
thông qua bảng điều khiển của hệ điều khiển số khi lập trình.
b. Xử lý dữ liệu và đa dữ liệu ra.
Chơng trình gia công đã đợc đa vào có thể gọi ra bất cứ lúc nào từ bộ hận
lu giữ chơng trình gia công. Vịêc sửa chữa, thay đổi và tối u một chơng trình
có thể tiến hành bất kỳ lúc nào ngay tại máy.
Việc kiểm tra tính toán nhận biết mã và tách ra thành các dữ liệu công
nghệ là do chơng trình giải mã đảm nhiệm. Chơng trình điều hành đối với bộ
chỉ dẫn các câu lệnh, chỉ dẫm các chơng trình con và nọi dung các chơng

trình gia công đang có trong bộ lu giữ chơn trình.
Điều khiển CNC hiện đại có một màn hình đồ hoạ, mô phỏng động học
quá trình cắt gọt. Nhờ bàn phím và giao diện trực tiếp với hệ thống điều khiển
cho phép đa chơng trình vào một cách nhanh chóng và tránh đợc các sai sót.

11


Băng từ

Bàn phím có
màn hình

In chương trình
đưa dữ liệu vào

Chương trình vào/ra
Chương trình giải mã
Chương trình điều hành bộ lưu giữ
chương trình
Chương trình in

Chương
trình
gia công
NC

Chương trình nội suy
Lưu giữ chương trình

Bộ khuyếch đại các thông tin dịch
chuyển và điều khiển máy

Điều khiển thích nghi

Máy CNC
Hình 1.7. Các dòng thông tin trong điều khiển CNC
c. bộ thích nghi
Bộ thích nghi trong hệ điều khiển NC thông thờng là một bộ chuyển đổi
liên động.Trong hệ điều khiển CNC bộ chuyển đổi liên động đợc thay thế
bằng bộ điều khiển chơng trình lữu giữ, bộ điều khiển này đợc nối với máy
tính. Một chơng trình có trong ổ chứa của bộ điều khiển chơng trình đã đợc lu

12


giữ sẽ theo dõi và ghép nối chức năng vận hành máy đến từ hệ điều khiển
CNC và máy.
d. Sơ đồ hệ điều khiển CNC
Các hệ điều khiển CNC hiện nay đợc cấu tạo để khi mở rộng hệ điểu
khiển có thể bổ sung thêm cho các chức năng đã có các mô đun mở rộng. Vì
vậy các hệ điều khiển đợc thiết kế thích hợp cho việc lắp vào phần mềm hoặc
sử dụng các linh kiện điện tử hiện đại thích hợp. Trong các hệ điều khiển
nhiều bộ vi xử lý thờng sử dụng cả phần cứng lẫn phần mềm.
1.1.4.3. Hệ thống DNC
DNC viết tắt (DirecNumerical Control) để biểu thị một hệ thống trong đó
nhiều máy tính gia công.
DNC cung cấp cho các mýa CNC riêng biệt các thông tin điều khiển. Các
chơng trình NC sẽ đợc sử dụng, lu giữ trên các đĩa cứng của các máy tính, bố
trí trên hệ thống DNC và có thể gọi ra trực tiếp tuỳ theo nhu cầu từng máy.

Trong các phân xởng có hệ thống DNC các chơng trình NC đợc lập và đa
thẳng vào trong máy tính. Phần lớn các hệ điều khiển CNC có các ngôn ngữ
lập trình khác nhau vì vậy khi lập trình bằng tay cần có phần mềm tơng ứng
cho việc biên dịch

13


Điều hành bộ lưu
giữ và hệ thống

Bộ xử lý chính

Bộ xử lý chính

Bus thông tin trung tâm

Điều hành bộ lưu
giữ và hệ thống

Bộ lưu giữ
hệ thống
Bộ lưu giữ
chương trình
Điều khiển
bên ngoài
Điều khiển
vị trí
Bộ vi xử lý

Bộ lưu giữ
hệ thống
Bộ lưu giữ
chương trình
Điều khiển
bên ngoài
Điều khiển
vị trí
Bộ vi xử lý

Bộ lưu giữ

Bộ lưu giữ

Điều khiển
bên ngoài

Điều khiển
bên ngoài

Máy CNC
Hình 1.8. Phơng án nhiều bộ vi xử lý
NC. Lập trình bằng máy đòi hỏi đối với từng kiểu điều khiển một chơng
trình dịch riêng (Postprocessor). Trong phân xởng có nhiều máy CNC, các
trang bị công nghệ đợc lữu giữ và điều hành trong một ngân hàng giữ liệu
trung tâm của máy tính.Nhờ đó, các dữ liệu về dụng cụ và trang bị công nghệ
đợc gọi ra trên màn hình.Các hệ thống DNC có các u điểm sau:
- Có một ngân hàng dữ liệu trung tâm cho biết các thông tun của chơng
trình, của chi tiết gia công và dụng cụ.
- Truyền dữ liệu nhanh, tin cậy, phát huy tốt hiệu quả của các máy CNC

- Điều khiển và lập kế hoạch gia công
- Có khả năng ghép nối vào hệ thống gia công linh hoạt,
1.1.4.4. Điều khiển thích nghi AC(Adaptve Control)
14


Điều khiển thích nghi AC là điều khiển tự động quá trình gia công không
có tác động của ngời vận hành máy. Nhằm tự động quá trình gia công theo
ảnh hởng khong thể dự kiến trớc trong quá trình gia công. ví dụ: Kích thớc
phôi thay đổi thì điều khiển thích nghi sẽ thay đổi tốc độ chạy dao cho phù
hợp. Tuỳ theo mục tiêu sử dụng ngời ta phân chia các hệ thống điều khiển
thích nghi thành:
- Điều khiển thích nghi cỡng bức ACO (Adaptive Control Constria)
- Điều khiển thích nghi tối u ACO (Adptive Control Optimation)
ACC dùng để điều khiển giới hạn của các thông số cắt gọt. ví dụ: Khi
tiện côn, chiều sâu cắt gọt thay đổi do vậy lợng chạy dao và số vòng quay của
dao phải đợc điều khiển sao đảm bảo công suất cắt tối đa cho phép.
Lưu dữ liệu phân xưởng
Các chức năng
mở rộng

Theo dõi các máy
Điều khiển gia công

Máy tính

Các chức năng
cơ bản

Phân phối dữ

liệu điều khiển

Các máy CNC

Hệ thống
vận chuyển

Điều hành chương trình
Lưu giữ

Thực hiện
Chương trình

Hình 1.9. Hệ thống DNC
ACO dùng cho việc tối u hoá các quá trình gia công nhằm giảm thời gian gia
công hoặc giảm giá thành gia công có chú ý đến hiều yếu tố ảnh hởng ngợc
nhau (công suất cắt cao sẽ làm giảm tuổi bền của dụng cụ cắt). Hiện nay ccs
hệ thống ACO ứng dụng nhiều trong gia công bằng mài và gia công bằng tia
lửa điện.

15


Hệ thống điều khiển thích nghi đợc ứng dụng rộng rãi cho các chức năng
bổ sung thêm của các hệ điều khiển CNC nh tự động theo dõi dụng cụ cắt và
đo chi tiết trong quá trình gia công.
1.1.4.5. Hệ thống gia công linh hoạt FMS (flexible manufacturing
systems)
Sự đa dạng của sản phẩm dẫn đến giảm số lợng chi tiết gia công trong
một loạt và làm tăng gia thành. Một số ngành công nghiệp chế tạo do số lợng

kiểu sản phẩm và các phơng án mẫu mã ngày càng tăng. Dây chuyền sản xuất
truyền thống không hiệu quả kinh tế đối với khối lợng lớn chủng loại chi tiết.
Các hệ thống gia công linh hoạt có khả năng gia công các chi tiết khác
nhau trong cùng một họ chi tiết và thứ tự gia công tuỳ ý. Giá thành chế tạo chi
tiết, kể cả trong điều kiện gia công loạt nhỏ vẫn đạt hiệu quả kinh tế.
Tuỳ theo tính linh hoạt và năng suất, ngời ta phân loại các hệ thống gia
công linh hoạt thành.
- Các tế bào gia công linh hoạt
- Các cụm gia công linh hoạt
- Các dây chuyền gia công linh hoạt
Một hệ thống gia công linh hoạt thờng có ba thành phần chính
- Một hệ thống vận chuyển chi tiết và dụng cụ
- máy tính của hệ thống DNC đóng vai trò là thiết bị chỉ đạo.
Hạt nhân của tế bào gia công là máy CNC. Một trung tâm gia công có
trang bị ổ chứa dụng cụ cắt, các trang bị thay đổi gá lắp, hệ thống thay đổi
dụng cụ và chi tiết tạo thành một tế bào gia công linh hoạt. Một hệ thống gia
công linh hoạt làm việc tự động đòi hỏi các thiết bị giám sát và đo lợng tự
động nh: Đo kích thớc dụng cụ ở trên máy, theo dõi tự động tuổi bền của dao,
đo chi tiết.
1.2. Lịch sử phát triển của các máy CNC
ý tởng điều khiển một dụng cụ thông qua chuỗi lệnh kế tiếp liên tục, mà
chúng đợc ứng dụng trong các máy điều khiển CNC ngày nay đa đợc phát

16


kiến từ thế kỷ thứ 14. bắt đầu từ những cụm chuông đợc điều khiển bới các
trục đục lỗ.
1808 JosephM. Jacquard đã dùng bìa tôn có đục lỗ để điều khiển các máy
dệt. Vật mạng tin, có thể thay thế đợc dùng để đièu khiển máy đã đợc phát

minh.
1963 m. Fourneaux ddax sáng chees ra đã sáng chế ra đàn Dơng cầm tự
động, có dùng một bìa giấy khổ rộng 30cm với các lỗ tơng ứng để điều tiết khí
nén, tác động lên hệ phím ấn cơ khí tạo ra nhạc điệu. Phơng pháp này đã đợc
tiếp tục phát triển để sau đó có thể điều khiển các chức năng phụ đã đợc phát
minh.1938 Claude E. Shannon đã thành công việc tính toán và chuyển nhanh
dữ liệu ở dạng nhị phân (binnary data) có vận dụng lý thuyết đại số BOOL và
xác nhận công tắc điện tử là thành phần hiện thực duy nhất cho giải phấpnỳ.
1946 Tiến sĩ Jonh W. Mauchly và J. Presper Eckrt đã cung cấp máy tính
số điện tử đầu tiên có tên là ENIAC cho quân đội Hoa kỳ. Cơ sở kĩ thuật xử lý
dữ liệu điện tử đã đợc tạo lập.
1949 - 1952Jonh Parsons và viện công nghệ MIT đã nghiên cứu theo hợp
đồng của không lực Hoa Kỳ một hệ thống dùng cho các máy công cụ để điều
khiển trực tiếp vị trí của các trục vít me bằng đầu ra của một máy tính và
chứng minh chức năng thông qua gia công một chi tiết. Parsons đã công bố
bốn luận điểm cơ bản về ý tởng này nh sau:
- Lu trữ các vị trí đã tính toán ở bìa đục lỗ.
- Bìa đục lỗ đợc đọc tự động trên máy
- Các vị trí đã đợc đọc phải đợc thông báo liên tục và các giá trị trung
gian bổ sung phải đợc tính toán cho các giá trị trung gian nội tại sao cho:
- Động cơ Servo (vô cấp tốc độ) có thể điều khiển chuyển động của các
trục.
Với máy nh vậy cần phải chế tạo đợc các phần tử tính hợp ngày càng
phức tạp hơn. Những chi tiết đó vào thời kỳ này đfã đợc miêu tả chính xác với
một số ít các dữ liệu toán học, nhng việc chế tạo chúng bằng tay rất khó khăn.

17


1852 Viện Công nghệ MIT đã vận hành máy công cụ điều khiển số đầu

tiên. Đó là máy Cincinati Hydrotel có trục vít me thẳng đứng, hệ điều
khiển có cấu tạo gồm nhiều đèn điện tử, tạo khả năng chuyển động đồng thời
ba trục, tức là nội suy đờng thẳng đồng thơi theo ba trục và nhận dữ liệu thông
qua băng đục lỗ mã nhị phân (Benary Code Punched Band)
1954 Bendix chế tạo ra hệ điều khiển NC hoàn chỉnh đầu tiên có dùng
các đèn điện tử.
1957 không lực hoa kì đã lắp đặt những máy phay NC đầu tiên.
NC

CIM
CAD/CAM
CAD

CNC Comoptterized Numerucal Control
FMS Fiexible manufaturing sytem
CAD Computer aided drawing/desingn
CAM Computer aided manufacturing

FFS

CIM Computer integrated manu facturing
with planning design and manufacturing

CNC

1980

Numerical control

1990

Hình 1.10. Lịch sử phát triển của CNC

1958 ngôn ngữ lập trình (Symbolish) đầu tiên là công cụ lập trình tự động
APT (Automatically Programmed Tool) đã đợc giới thiệu trong quan hệ liên
kết với máy tính IBM 704.
1960 các hệ điều khiển NC trong kỹ thuậth đèn bán dẫn (Transior) đã
thay thế các hệ điều khiển cũ (dùng đèn điện tử).
1965 giải pháp thay dụng cụ tự động ATC (Automatic ToolChange) đã
nâng cao trình độ tự động hoá khâu gia công.
1968 Kỹ thuật mạch tích hợp IC (Integrated Ciruits) làm cho hệ điều
khiển có kích thớc nhỏ, gọn và tin cậy hơn.
1969 Những giải pháp đầu tiên về điều khiển liên kết chung từ một máy
tính trung tâm DNC (Direct Numerical Control) đã đợc thiết lâp tại Mỹ bằng
18


hệ điều khiển Sunđstran (omnicontrnl) và máy tính IBM. Giải pháp thay bệ
phiến gá phôi tự động (Automatic Palrte Change).
1972 hệ điều khiển NC đầu tiên có lắp đặt một máy tính nhỏ đợc chế tạo
hàng loạt đã tạo ra một thế hệ mới có tiềm lực mạnh hơn, đó là hệ điều khiển
số dùng máy tính nhỏ CNC nhng thế hệ này lại đợc thay thế nhanh bởi thế hệ
mới, mạnh hơn, đó là hệ điều khiển số dùng máy tính có hệ vi xử lý
(Microprocessor CNC) sau này.
1976 các hệ vi xr lý tạo ra một cuộc cách mạng trong kỹ thuật CNC.
1978 các hệ thống gia công linh hoạt FMS
1979 các khớp nối liên hoàn CAD / CAM đầu tiên xuất hiện
1980 công cụ trợ giúp lập trình tích hợp trong hệ điều khiển CNC đã tạo
ra cuộc tranh luận về quan điểm, xoay quanh vấn đề cần hay không cần giải
pháp điều khiển có dùng cách nạp dữ liệu bằng tay.
1984 hệ điều khiển CNC mạnh, có các công cụ trợ giúp lập trình đồ hoạ,

đã đạt những chuẩn mực mới cao hơn đối với việc lập trình tại xởng sản xuất.
1985/1997 các giao diện tiêu chuẩn hoá (Stadard interfaces) mở ra con đờng tiến tới công xởng tự động hoá trên cơ sở một hệ thống trao đổi thông tin
liên thông CIM.
1990 các giao diện số (Digital interfaces) giữa các hệ điều khiển NC và
các hệ khởi động, cải thiện độ chính xác và đáp ứng điều khiển các trục NA và
trục chính của máy.
1992 các hệ thống CNC hở (open ended Control)tạo khả năng và biến
đổi thích ứng theo yêu cầu sử dụng.
1993 Sử dụng theo tiêu chuẩn các hệ thống khởi động cơ tuyến tính ở các
trung tâm gia công MC (Manufacturing cents)
1994 Khép kín chuỗi quá trình CAD/CAM/CNC bằng cách sử dụng hệ
NủBS (not Uniforme Rationale - Splines) làm phơng pháp nội suy
(Interpolation method) trong các hệ CNC. NURBS là phơng pháp dùngdeer
diến tả toán học đối với các ề mặt thông thờng và các bề mặt đặc biệt bằng các
điểm và các thông số (parameters) tạo thành mô hình lới gồn nhiều nút để
19


diễn tả bề mặt đạt độ mịn và độ sắc nét cao. Những hệ thống CAD/CAM mới
xử lý trực tiếp NURBS, đợc truy cập trực tiếp từ hệ CAD. Trong hệ CNC, giải
pháp này giảm đợc khối lợng dữ liệu nâng cao độ chính xác và tốc độ xử lý
tạo ra chuyển động đều đặn của máy tăng tổi thọ của máy và dụng cụ.

1.3. Hớng phát triển của máy CNC trên thế giới và việt nam
So với các máy tự động điều khiển theo chơng trình cứng (dùng cam, dỡng, cữ chặn, trục gài bi, công tắc hành trình) Máy CNC có tính linh hoạt
cao trong công việc lập trình, đặc biệt có trợ giúp của máy tính, tiết kiệm đợc
thời gian điều chỉnh máy, tính kinh tế cao ngay cả với loạt sản phẩm nhỏ.
Ưu điểm chỉ có trong máy CNC là phơng thức làm việc với hệ thống xử
lý thông tin điện tử- số hoá cho cho phép nối ghép với hệ thống xử láNố
trong phạm vi quản lý toàn xí nghiệp, tạo điều kiện tự động hoá toàn bộ quá

trình sản xuất, ứng dụng các kỹ thuật quản lý hiện đại thông qua mạng liên
thông cục bộ LAN (Location Area Network) hay mạng liên thông toàn cầu
WAN (World are Network).
Cùng với sự phát triển của điện tử, công nghệ thông tin các chức năng
tính toán trong hệ thống CNC ngày càng hoàn thịên và đạt tốc độ xử lý cao
nhờ ứng dụng những thành tựu phát triển của vi xử lý àP. Các hệ thống CNC
đợc chế tạo hàng loạt lớn theo phơng thức xử lý đa chức năng dùng cho nhiều
mục đích điều khiển có dung lợng nhớ lớn, độ tin cậy ngày càng cao. Việc cài
đặt các cụm vi sử lý trực tiếp vào hệ NC để trở thành hệ CNC đã taok điều
kiện ứng dụng máy công cụ CNC ngay cả trong xí nghiệp nhỏ, không có
phòng lập trình riêng, ngời điều khiển máy tình trạng hoạt động của máy cùng
các chỉ dẫn cần thiết khác cho ngời điều khiển hình màu đồ hoạ (mô phỏng
20


tĩnh hay động), biên dạng của chi tiết gia công, chuyển động của dao cụ đều
đợc hiển thị.
1.3.1. Từ các máy CNC tới FMS
Do có tính linh hôậtc, trên một máy CNC có thể thực hiện hcức năng
công nghệ khác nhau về việc chuyển đổi giữa các chức năng dễ dàng. Trên
một máy có thể thực hiện đợc nhiều loại sản phẩm khác nhau. Máy CNC có
khả năng tập trung nguyên công cao để gia công các chi tiết phức tạp. Nhờ
tính linh hoạt cao máy CNC đợc sử dụng phổ biến trên các dây chuyền, trong
các tế bào sản xuất tự động
Để nâng cao năng suất của máy CNC vão những năm 1970 1980 ngời
ta nhóm các máy này thành các hệ thống sản xuất linh hoạt, có năng suất gần
bằng năng suất của các dây chuyền tự động sản xuất lớn và loại trừ đợc nhợc
điểm của công nghệ này thì bất kì chi tiết nào (trong phạm vi đặc tính kĩ thuật
của máy) cũng có thể đợc đa vào hệ thống FMS theo bất kì tuần tự nào và đợc
gia công với bất kì sản lợng nào.

Khi làm việc trên máy CNC ngời công nhân thực hiện chức năng phôi
cho máy, thao chi tiết sau khi gia công, thay đồ gá, mở máy, kiểm tra chi tiết
và quan sát chung hoạt động của máy. Nừu các chức năng đó đợc tự động hoá
thì tỷ lệ thời gian máy tăng lên do đó tăng đợc năng suất của thiết bị.
Hệ thống FMS dùng để chế tạo nhiều chủng loại chi tiết với sản lợng nhỏ
và vừa.FMS gồm các máy CNC để gia công tự động, hệ thống cấp và tháo
phôi, hệ thống vận chuyển phôi, các máy tính, hệ thống cung cấp chơng trình
để điều khiển toàn bộ công việc.
Điều chỉnh linh hoạt trên các máy CNC đợc thực hiện theo các hớng sau:
1. Trang bị ổ tích dụng cụ cho máy (magazin dụng cụ)
2. Trang bị cho máy cơ cấu vệ tinh thay đổi
3. Chế tạo máy nhiều trục chính
4. Gia công đồng thời bằng nhiều dao.
5. Điều khiển các máy CNC bằng máy tính.

21


6. Tập hợp các máy CNC thành từng nhón và điều khiển chúng bằng
máy tính.
7. Tập hợp các máy CNC thành hệ thống FMS.
1.3.1.1. Trang bị ổ tích dụng cụ cho máy
ổ tích dụng cụ (Tool magazin) với cơ cấu thay dao tự động cho
phép gia công nhiều bề mặt của chi tiết trong một hoặc một số lần gá, do
đó giảm đợc thời gian gia công. Những magazin dụng cụ đầu tiên đã đợc
sử dụng trong các máy nhiều nguyên công. Khi30 thì các magazin dụng
cụ đợc chế tạo dới dạng tang trống, số lợng dụng cụ 30magazin dụng cụ
đợc chế tạo dới dạng băng xích. Hiện nay các magazin dụng cụ đợc sử
dụng tăng lên đáng kể. Hãng Ôlivetti (Italia) đã chế tạo máy với magazin
dụng cụ dạng tang trống chứa 80 dụng cụ trong magazin dụng cụ là 215.

Máy nhiều nguyên công của Nga có magazin chứa 80 dụng cụ. Hình
1.11, hình 1.12
Khi tăng dung lợng của magazin dụng cụ thì kết cấu máy cồng
kềnh hơn, giá thành của máy tăng, giảm đợc tốc độ dịch chuyển của các
xích chuyển động, tăng thời gian chọn dao cần thay thế. Nh vậy, magazin
dụng cụ giảm đợc chức năng của con ngời và nó là một bớc phát triển
trong công nghệ sản xuất linh hoạt.

1.3.1.2. Trang bị cho các máy cơ cấu vệ tinh thay đổi
Cơ cấu vệ tinh thay đổi là cơ cấu cấo phôi tự động và đẩy chi tiết
đã gia công đến vị trí xác định. Cơ cấu vệ tinh cho phép làm trùng thời
22


gian phụ (thời gian tháo và thời gian gá đặt phôi trong đồ gá) với thời
gian máy khi gai công. Cơ cấu vệ tinh có kết cấu tiêu chuẩn để có thể gá
và kẹp chặt trên bàn máy. Một số cơ cấu vệ tinh đợc gá trên máy nhiều
nguyên công (hình 1.13).
Phôi đợc gá trên đồ gá, đồ gá đợc lắp trên cơ cấu vệ tinh và cơ cấu
vệ tinh này đợc đặt ở vị trí xác định. Cơ cấu vệ tinh khác đợc lắp trên bàn
máy trên cơ cấu vệ tinh này cũng có đồ gá với chi tiết gia công. Các cơ
cấu vệ tinh đổi chỗ cho nhau (theo lệnh điều khiển) nhờ cơ cấu thay đổi
các vệ tinh.
Số cơ cấu vệ tinh thay đổi tăng theo mức độ hiện đại của máy
nhiều nguyên công. Sử dụng magazin với các cơ cấu vệ tinh có một số
nhợc điểm nh: Khi gia công các chi tiết giống nhau cần phải có số đồ gá
bằng số cơ cấu vệ tinh có số đồ gá bằng số cơ cấu vệ tinh, điều kiện này
làm tăng chi phí và không đảm bảo độ chính xác cao của các chi tiết đợc
gia công

Hình 1.13. Máy nhiều nguyên công với hệ thống thay phôi và
dao tự động
Các máy với magazin vệ tinh chiếm diện tích sản xuất lớn hơn so
với máy thông thờng khác.
23


Thực tế cho thấy số lợng cơ cấu vệ tinh thay đổi của máy từ 2ữ3 là
kinh tế nhất, vì nó cho phép mơr rộng khả năng phục vụ nhiều máy và
khả năng lắp máy với hệ thống di chuyển cơ cấu vệ tinh từ ổ chứa tới vị
trí yêu cầu. Nh vậy có thể giải quyết đợc nhiều vấn đề công nghệ điều
chỉnh linh hoạt và máy có khả ănng làm việc liên tục.
1.3.1.3. Chế tạo máy nhiều trục chính
Máy nhiều trục chính là các máy phay chuyên dùng, đợc sử dụng
để gia công đồng thời nhiều chi tiết giống nhau hoặc gia công đồng thời
nhiều bề mặt của một chi tiết bằng nhiều dao với ănng suất gia công cao.
Hình 1.12
Do có nhiều trục chính nên lực tác động tới các cơ cấu của máy
cũng tăng lên. Vì vậy, máy phải có độ cứng đảm bảo, nghĩa là phải tăng
kích thớc của các cơ cấu máy và khối lợng của vật liệu để chế tạo các cơ
cấu đó. Đồng thời với số trục chính tăng lên thì thời gian chuẩn bị kết
thúc cho một trục chính cũng tăng lên (do không thể chuẩn bị công việc
cùng một lúc cho tất cả các trục chính). Do vậy mà các máy thờng chỉ đợc trang bị 2ữ4 trục chính trong điều kiện gia công nhẹ và trung bình.
1.3.1.4. Gia công đồng thời bằng nhiều dao
Chi tiết trong cùng một thời gian đợc gia công bằng nhiều dao
khác nhau. Hình 1.14 là máy CNC điều chỉnh nhiều nguyên công với
nhiều trục chính thay đổi nên những

Các ụ trục chính đợc chuyển từ magazine tới ụ (4) và nhờ cánh
tay quả lắc (6) và bộ định vị tự động Rôbôt (7). Trên phần ngang của thân

(1) có bàn (10) và trên phần trợt của bàn (10) có bàn phân độ (9). Trên
bàn phân độ (9) có lắp các đồ gá với chi tiết gia công.
Quá trình gia công đợc thực hiện nhờ di chuyển theo phơg ngang
của ụ (4) với trục chính (8). Gá đặt phôi theo tọa độ đợc thực hiện nhờ
dịch chuyển của bàn (10), còn gá đặt phôi theo mặt phẳng gia công đợc
24


thực hiện bằng cách xoay bàn phân độ (9) đi một goá. Điều chỉnh đợc
thực hiện bằng cách thay đổi các ụ chính với các dụng cụ và các phiến
dẫn, đồ gá vệ tinh và phần tử màn chơng trình.
Do tất cả các dụng cụ của ụ trục chính đợc di chuyển theo một chơng trình và máy có khả ănng chuyên môn hoấ hẹp cùng với nhiều công
việc điều chỉnh cha đợc tự động hoá, cho nên máy này dùng để gia công
các chi tiết loạt vừa và loạt lớn.
Các máy tổ hợp CNC cho phép tăng hệ số tải trọng lên tới 0,8ữ0,9 và
tăng hiệu quả lên tới 5ữ6 lần so với các máy tổ hợp truyền thống khác.
Hiệu quả cao khi sử dụng máy tổ hợp CNC là nhờ gia công bằng nhiều
dao và mỗi dao thực hiện gia công theo chơng trình riêng, còn dịch
chuyển của các trục chính và bàn quay đợc điều khiển chung bằng một
cơ cấu điều khiển số. Hiệu quả cao khi sử dụng các máy tổ hợp CNC đợc
xác định bằngcác thông số công nghệ và nó không dùng cho mọi trờng
hợp. Nh vậy, gia công đồng thời bằng nhiều dao cho phép nâng cao năng
suất của máy và cho phép thực hịên điều chỉnh linh hoạt.
1.3.1.5. điều khỉên máy CNC bằng máy tính
Điều khiển máy CNC bằng máy tính cho phép thực hiện công nghệ
điều chỉnhlinh hoạt (nhờ kết nối với máy tính, khả năng điều khiển thích
nghi và điều khiển di chuyển của các vệ tinh thay đổi), giảm kích thớc
của máy, nâng cao đợc năng suất và chất lợng gia công.
1.3.1.6. Tập hợp các máy CNC thành nhóm và điều khiển chúng
bằng máy tính.

Điều khiển nhóm máy CNC bằng máy tính cho phép hiệu chỉnh chơng trình trực tiếp trên máy và điều chỉnh công việc của các máy.
Hiệu quả kinh tế, kỹ thuật của điều khiển nhóm máy này bằng máy
tính đợc thể hiện qua những u điểm sau:
- Giảm chu trình lập trình
- Loại bỏ các abng từ
- Giảm số dụng cụ sử dụng
25