Nghiên cứu đánh giá tính năng của hệ thống CIM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHẠM VĂN NAM

PHẠM VĂN NAM

CƠ ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÍNH NĂNG CỦA
HỆ THỐNG CIM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠ ĐIỆN TỬ

KHOÁ 2009
Hà Nội – 2011


B GIO DC V O TO
TRNG I HC BCH KHOA H NI
--------------------------------------PHM VN NAM

NGHIấN CU NH GI TNH NNG CA
H THNG CIM

Chuyờn ngnh: CƠ ĐIệN Tử

LUậN VĂN THạC Sĩ KHOA HọC
......................................

NGƯờI HƯớNG DẫN KHOA HọC:

TS. NGUyễN văn huyến

Hà Nội 2012


Luận văn Thạc sỹ khoa học

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. 7
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...........................................................................10
LỜI MỞ ĐẦU ..........................................................................................................11
Chương 1. KẾT CẤU HỆ THỐNG FMS, CIM ...................................................12
1.1.

Tổng quan về sản xuất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính ..................12

1.1.1. Định nghĩa về CIM .......................................................................................12
1.1.2. Ứng dụng của CIM .......................................................................................13
1.1.3. Hiệu quả của CIM ........................................................................................14
1.1.4. Hướng phát triển của CIM ..........................................................................14
1.2.

Cấu trúc của hệ thống CIM .........................................................................16

1.2.1. Máy công cụ CNC trong hệ thống CIM .....................................................16
1.3.

Các chỉ tiêu gia công của máy CNC............................................................21

1.3.1. Thông số hình học.........................................................................................21
1.3.2. Độ chính xác của máy CNC .........................................................................22
1.3.3. Độ tin cậy của máy CNC .............................................................................23
1.3.4. Tính vạn năng của máy CNC ......................................................................24
1.3.5. Robot công nghiệp trong hệ thống CIM .....................................................24
1.3.6. Kho chứa tự động trong hệ thống CIM ......................................................29
1.3.7. Hệ thống vận chuyển - tích trữ chi tiết gia công của CIM .........................33
1.4.

Hệ thống điều khiển của CIM .....................................................................38

HVTH: Phạm Văn Nam

2


Luận văn Thạc sỹ khoa học

1.4.1. Hoạt động của bộ điều khiển logic khả lập trình PLC trong các hệ thống CIM ......
38
1.4.2. Giới thiệu chung về các bộ PLC ...................................................................38
1.4.3. Các bộ PLC thường gặp...............................................................................39
1.5.

Hệ thống kiểm tra của CIM .........................................................................41

1.5.1. Chức năng của hệ thống kiểm tra tự động ..................................................41
1.5.2. Cấu trúc của hệ thống kiểm tra tự động .....................................................41
1.5.3. Nguyên tắc xây dựng hệ thống kiểm tra tự động.......................................43

1.5.4. Các thông số cần kiểm tra trong quá trình gia công chi tiết ....................43
1.6. Lập trình gia công trong hệ thống CIM .........................................................45
1.6.1. Lập trình cho máy CNC trong hệ thống CIM ............................................45
1.7. Lập trình cho Robot trong hệ thống CIM .....................................................48
1.7.1. Cơ sở lập trình cho robot, ngôn ngữ MCL II .............................................48
1.7.3. Các bước để lập trình một chương trình robot ..........................................53
1.8. Hệ thống Lắp Ráp tự động trong CIM ..........................................................54
1.8.1. Khái niệm về hệ thống lắp ráp tự động .......................................................54
1.8.2. Cấu trúc của hệ thống lắp ráp tự động ......................................................56
Chương 2. CÁC PHẦN MỀM CIM ......................................................................58
2.1. Lý luận chung về điều khiển logic lập trình PLC .........................................58
2.1.1. Mở đầu: ..........................................................................................................58
2.1.2. Các thành phần cơ bản của một bộ PLC ....................................................59
2.1.3. Các vấn đề về lập trình: ................................................................................64
2.1.4. Đánh giá ưu nhược điểm của PLC: .............................................................68
2.2 Giải pháp điều khiển PCL S7-300 ...................................................................70
2.2.1 Cấu hình cứng ...............................................................................................70

HVTH: Phạm Văn Nam

3


Luận văn Thạc sỹ khoa học

2.2.2. Vùng đối tượng. .............................................................................................74
2.2.3. Ngôn ngữ lập trình ........................................................................................75
2.2.4. Lập trình một số lệnh cơ bản: ......................................................................77
2.3. Tìm hiểu và ứng dụng phần mềm cimsoft ....................................................85
2.3.1. Cài đặt ............................................................................................................85

2.3.2. Phần mềm CimSoft .......................................................................................86
Chương 3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG CIM .................98
3.1. Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính cad. ....................................................98
3.1.1. Khái niệm cơ bản về CAD ...........................................................................99
3.1.2. Các bộ phận của CAD ................................................................................102
3.2. Sản xuất với sự trợ giúp của máy tình CAM (Computer-Aided
Manufacturing) ......................................................................................................103
3.2.1. Lập kế hoạch sản xuất ................................................................................103
3.2.2. Điều khiển sản xuất .....................................................................................104
3.3.

Hệ thống CAD/CAM ..................................................................................105

3.4. Sản xuất tích hợp máy tính hoá CIM(Computer Intergrated
Manufacturing) .......................................................................................................105
3.5. Lập kế hoạch quá trình với sự trợ giúp của máy tính (Computer Aided
Process Planning – CAPP)....................................................................................108
3.5.1. Các hệ thống lập kế hoạch quá trình kiểu phục hồi ...............................108
3.5.2. Các hệ thống CAPP tạo lập .......................................................................109
3.5.3. Hệ thống lập kế hoạch sản xuất tích hợp máy tính hoá .........................110
3.5.4. Lập kế hoạch nhu cầu nguyên vật liệu (MRP) .........................................113
3.6. Lập kế hoạch nhu cầu năng lực sản xuất CRP...........................................122
(Capacity Requirement Planning) .........................................................................122

HVTH: Phạm Văn Nam

4


Luận văn Thạc sỹ khoa học

3.6.1. Vai trò của CRP .........................................................................................122
3.6.2. Cấu trúc của CRP .......................................................................................122
3.6.3. Hoạt động của hệ thống CRP .....................................................................123
3.6.4. Điều chỉnh năng lực sản xuất .....................................................................123
3.7. Điều khiển hoạt động sản xuất phân xưởng ................................................124
3.7.1. Cấu trúc của hệ thống SFC ........................................................................124
3.7.2. Hoạt động của hệ thống SFC .....................................................................125
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................127
1. Kết luận ..............................................................................................................127
2. Kiến nghị ............................................................................................................127
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................128

HVTH: Phạm Văn Nam

5


Luận văn Thạc sỹ khoa học

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn với đề tài: “Nghiên cứu đánh giá tính năng
của hệ thống CIM ” do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS.
Nguyễn Văn Huyến. Các số liệu và kết quả hoàn toàn trung thực.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu điều đó không đúng sự thật
Học viên thực hiện

Phạm Văn Nam

HVTH: Phạm Văn Nam

6


Luận văn Thạc sỹ khoa học

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Số hình

Nội dung hình vẽ, đồ thi

Trang

1.1

Các trục toạ độ của máy

16

1.2

Các dạng chạy dao trong điều khiển điểm-điểm

18

1.3

Các dạng chạy dao điều khiển theo đường thẳng

19

1.4

Điều khiển contour trên máy tiện (a) và máy phay (b)

19

1.5

1
2

20

1.6

Điều khiển contour 3D

21

1.7

Thông số hình học

21

1.8

Sai số gia công

22

1.9

Các bộ phận của robot công nghiệp

25

1.10

Minh hoạ không gian làm việc của robot

28

1.11

Các sơ đồ của các kho chứa tự động có dạng giá cần cẩu

30

1.12

Các sơ đồ của các kho chứa tự động có dạng cần cẩu cầu

31

1.13

Kho chứa tự động có dạng giá trọng lực

31

1.14

Mặt bằng kho chứa tự động có dạng giá cần cẩu

32

1.15

Ổ tích vệ tinh với xe tời di động của hãng Hitachi

34

Điều khiển contour 2 D

Seiki(Nhật Bản)
1.16

Hệ thống vận chuyển-tích trữ vệ tinh trong CIM của hãng

36

Cincinnati Milacron (Mỹ)
1.17

Hệ thống vận chuyển-tích trữ dụng cụ dạng xích của hãng

37

Hitachi Seiki (Nhật Bản)
1.18

Chi tiết điển hình vật thể tròn xoay

44

1.19

Sơ đồ lắp ráp một sản phẩm

55

2.1

Sơ đồ hệ thống PLC

59

HVTH: Phạm Văn Nam

7


Luận văn Thạc sỹ khoa học

2.2

Chu kì vòng quét PLC

60

2.3

Các tín hiệu vào/ra của PLC

62

2.4

Ghép nối tín hiệu vào với PLC bằng linh kiện cách ly

62

quang
2.5

Ghép nối tín hiệu vào của PLC

63

2.6

PLC kiểu hộp đơn

63

2.7

PLC kiểu module ghép nối

64

2.8

Quy trình lập trình PLC

64

2.9

Các đơn vị cơ bản của S7-300

70

2.10

Địa chỉ byte và địa chỉ kênh

73

2.11

Địa chỉ của module tương tự

73

2.12

Màn hình chính

86

2.13

Quản lý vật tư hàng hóa

88

2.14

Cân bằng vật tư hàng hóa

89

2.15

Cửa sổ Item Location Edit Form

90

2.16

Cửa sổ Location Name List

91

2.17

Khai báo phiếu vật tư

91

2.18

Cửa sổ Item List for New Born

92

2.19

Cửa sổ BOM Edit Form

93

2.20

Quy trình công nghệ

94

2.21

Lộ trình của chi tiết

95

2.22

Cửa sổ Routing Edit Form

96

2.23

Lịch trình sản xuất

96

3.1

Quá trình thiết kế với sự trợ giúp của máy tính

99

3.2

Mô hình lưới của một vật thể trong AutoCAD

100

3.3

Mô hình đặc được chuyển từ mô hình lưới và phủ màu

101

3.4

Phạm vi các chức năng của CAD/CAM và CIM

107

3.5

Các thành phần của CIM trong một hệ thống sản xuất

107

HVTH: Phạm Văn Nam

8


Luận văn Thạc sỹ khoa học

3.6

Hệ thống lập kế hoạch kiểu phục hồi

109

3.7

Các chức năng cơ bản và các hoạt động điển hình trong

111

lập kế hoạch và điều hành sản xuất

3.8

Cấu trúc của hệ thống lập kế hoạch nhu cầu vật tư

115

3.9

Ví dụ về một lịch trình sản xuất chủ (Yêu cầu sản xuất

116

theo các tuần)
3.10

Cấu trúc vật tư của sán phẩm P1

116

3.11

Cấu trúc vật tư của P2

118

3.12

Tình trạng lưu kho của vật tư M4

119

3.13

Kết quả tính toán của MRP cho ví dụ 3.1

121

3.14

Cấu trúc hệ thống lập kế hoạch nhu cầu năng lực (CRP)

123

3.15

Cấu trúc của hệ thống điều khiển hoạt động phân xưởng

125

HVTH: Phạm Văn Nam

9


Luận văn Thạc sỹ khoa học

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Số bảng

Nội dung bảng biêu

Trang

2.1

Bảng 2.1: Các vùng nhớ trong S7-300

74

2.2

Bảng 2.2 Các hằng số trong S7-300

75

HVTH: Phạm Văn Nam

10


Luận văn Thạc sỹ khoa học

LỜI MỞ ĐẦU
Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước vấn đề tự động hoá
sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng. Qua đó việc thành lập các hệ thống sản xuất
linh hoạt hoặc có sự trợ giúp của máy tính đóng một vai trò hết sức quan trọng.
Việc kết nối các hệ thống tự động riêng lẻ thành một hệ thống duy nhất với
sự trợ giúp của mạng máy tính nội bộ cho phép tăng năng suất lao động của các nhà
thiết kế, các nhà công nghệ và các tổ chức sản xuất và do đó nâng cao năng suất và

chất lượng sản phẩm. Các hệ thống sản xuất như vậy được gọi là hệ thống sản xuất
tích hợp có sự trợ giúp của máy tính (CIM ); CIM bao gồm: thiết kế có sự trợ giúp
của máy tính (CAP); lập quy trình có sự trợ giúp của máy tính ( CAP); lập kế hoạch
sản xuất và kiểm tra ( PP và C); kiểm tra chất lượng có trợ giúp của máy tính (
CAQ) và sản xuất có trợ giúp của máy tính (CAM).
Trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ khoa học với đề tài “Nghiên cứu đánh giá tính
năng của hệ thống CIM ” tôi đã nghiên cứu và tìm hiểu về các đặc điểm chính của hệ
thống sản xuất linh hoạt FMS hệ thống sản xuất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính CIM,
một số phần mềm CIM và đặc diểm của hệ thống điều khiển của hệ thống CIM.
Dưới sự hướng dẫn tận tình của TS. Nguyễn Văn Huyến, với nỗ lực của bản
thân tôi đã hoàn thành luận văn thạc sỹ với đề tài “Nghiên cứu đánh giá tính năng
của hệ thống CIM ”. Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu khó tránh khỏi những
thiếu sót, tôi rất mong được các thầy chỉ bảo thêm để luận văn hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Huyến, các đồng nghiệp, bạn bè
và gia đình đã hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.
Hà Nội, ngày 28 tháng 03 năm 2012
Học viên

Phạm Văn Nam

HVTH: Phạm Văn Nam

11


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Chương 1
KẾT CẤU HỆ THỐNG FMS, CIM
1.1.

Tổng quan về sản xuất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính

1.1.1. Định nghĩa về CIM
CIM (Computer Integrated Manufacturing) là hệ thống sản xuất tự động hoàn
chỉnh có sự trợ giúp của máy tính. Trong hệ thống CIM các chức năng thiết kế và
chế tạo được gắn kết với nhau, cho phép tạo ra những sản phẩm nhanh chóng bằng
các quy trình sản xuất linh hoạt và hiệu quả. Khái niệm về CIM tuy chưa xuất hiện
lâu (vào đầu những năm 70) nhưng ngày nay đã trở thành quen thuộc trong sản xuất
hiện đại, cùng với sự phát triển của sản xuất, sự phát triển của khoa học công nghệ
đặc biệt là trong lĩnh vực tự động hoá và phần mềm máy tính thì một hệ thống CIM
được triển khai ở một cơ sở sản xuất công nghiệp ngày càng trở nên quen thuộc và
trở thành chiến lược nền tảng của tích hợp các thiết bị và hệ thống sản xuất thông
qua các máy tính hoặc các bộ vi xử lí.
Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về CIM tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng của nó,
sau đây là một số các định nghĩa về CIM tiêu biểu và ngày càng được công nhận
rộng rãi trên thế giới :
Hiệp hội các nhà sản xuất SME (Society of Manufacturing Engineers) định
nghĩa về CIM như sau: CIM là một hệ thống tích hợp có khả năng cung cấp sự trợ
giúp của máy tính cho tất các các chức năng thương mại của một nhà máy sản xuất,
từ khâu tiếp nhận đơn đặt hàng, thiết kế, sản xuất, cho đến khâu phân phối sản phẩm
đến tay khách hàng.
Từ điển về các công nghệ sản xuất tiên tiến AMT (Advanced Manufacturing
Technologies) định nghĩa về CIM như sau: CIM là một nhà máy sản xuất tự động
hoá toàn phần, nơi mà tất cả các quá trình sản xuất được tích hợp và được điều khiển
bởi máy tính.
Công ty máy tính IBM của Mỹ định nghĩa: CIM là một ứng dụng, có khả
năng tích hợp các nguồn thông tin về thiết kế sản phẩm, kế hoạch sản xuất, thiết lập

HVTH: Phạm Văn Nam

12


Luận văn Thạc sỹ khoa học

và điều khiển các nguyên công trong toàn bộ quá trình sản xuất.
Một hệ thống CIM có thể được xem tạo thành từ các phân hệ sau:
-

CAD, CAM, CAP, CAPP.

-

Các tế bào gia công. Hệ thống cấp liệu.

-

Hệ thống lắp ráp linh hoạt.

-

Hệ thống mạng LAN nội bộ liên kết các thành phần trong hệ thống.

-

Hệ thống kiểm tra và các thành phần khác

1.1.2. Ứng dụng của CIM
Thiết lập một hệ thống sản xuất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính CIM là một

vấn đề không đơn giản nó không chỉ phụ thuộc vào khả năng tài chính của công ty mà
còn phụ thuộc vào đội ngũ nhân lực của công ty do đó việc ứng dụng một hệ thống
CIM vào sản xuất của một công ty phải được xem xét một cách cẩn thận. Thực tế khi
mà sản xuất phát triển, nhu cầu của khách hàng thay đổi thường xuyên và không ngừng
nâng cao, sự cạnh tranh mạnh của nhiều công ty cần thiết. Trong hệ thống CIM chức
năng thiết kế và chế tạo được gắn kết với nhau cho phép khép kín chu trình chế tạo sản
phẩm và tạo ra sản phẩm một cách nhanh chóng bằng các quy trình sản xuất linh hoạt
và hiệu quả. Với hệ thống CIM, nó có khả năng cung cấp sự trợ giúp máy tính cho tất
cả các chức năng thương mại, bao gồm các hoạt động từ khâu tiếp nhận đơn đặt hàng
cho đến cung cấp, phân phối sản phẩm của một nhà máy.
CIM tham gia vào môi trường sản xuất công nghiệp: điều khiển robot, lắp
ráp, gia công, sơn phủ đánh bóng, gia công hàn, kiểm soát chất lượng sản phẩm,
đóng gói, vận chuyển và phân phát hàng hoá.
CIM tham gia vào các quá trình công nghệ: thiết kế và sản xuất có trợ giúp máy tính
(CAD/CAM). Lập kế hoạch sản xuất và quy trình công nghệ có trợ giúp của máy
tính

(Computer Aided

Process

Planning/

Computer Aided

Engineering

(CAPP/CAE).
CIM bao gồm mạng và các hệ thống: các phần cứng và phần mềm truyền
thông trong nhà máy, quản lý thông tin dữ liệu bao gồm cả việc thu thập, lưu trữ và

truy xuất dữ liệu.

HVTH: Phạm Văn Nam

13


Luận văn Thạc sỹ khoa học

CIM tham gia vào việc cải thiện không ngừng các quá trình sản xuất: lập kế
hoạch và kiểm soát nguyên liệu đầu vào, các hệ thống theo dõi và kiểm soát chất
lượng, các kỹ thuật và phương pháp thanh tra giám sát như lập kế hoạch và quản lý
nguồn lực sản xuất, lập kế hoạch và quản lý nguồn lực công ty, kiểm tra chất lượng
toàn bộ và phương thức sản xuất đáp ứng kịp thời sự thay đổi nhanh chóng của các
chủng loại sản phẩm.
1.1.3. Hiệu quả của CIM
Hệ thống CIM có thể tạo ra lợi nhuận vững chắc cho người sử dụng hơn là
các hệ thống sản xuất thông thường khác. CIM cho phép một nhà máy sản xuất
thích ứng nhanh chóng với sự thay đổi của thị trường và cung cấp các hướng phát
triển cơ bản của sản phẩm trong tương lai. Với sự trợ giúp của các máy tính trong
CIM, các hoạt động phân đoạn của quá trình sản xuất được tích hợp thành một hệ
thống sản xuất thống nhất, hoạt động trôi chảy với sự giảm thiểu thời gian và chi
phí sản xuất đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm. Trong hệ thống CIM cho
phép sử dụng tối ưu các thiết bị, nâng cao năng xuất lao động, luôn ứng dụng các
công nghệ tiên tiến và giảm thiểu sai số gây ra bởi con người, kinh nghiệm sử dụng
CIM cho thấy những lợi ích điển hình sau đây:
- Nhanh chóng cho ra đời sản phẩm mới kể từ lúc nhận đơn đặt hàng:
Giảm 15-30% giá thành thiết kế.
Giảm 30-60% thời gian chế tạo chi tiết.
Tăng năng suất lao động lên tới 40-70%.

Nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm được 20-50% phế phẩm. Quản lý vật tư
hàng hoá sát thực tế hơn.
Tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm và đáp ứng nhu cầu thị trường.
Hoàn thiện được phương pháp thiết kế sản phẩm, ví dụ: sử dụng phương pháp
phần tử hữu hạn cùng với máy tính cho phép thực hiện phép tính nhanh hơn 30 lần so
với các phương pháp thông thường khác cho nhiều phương án thiết kế khác nhau.
1.1.4. Hướng phát triển của CIM
Ngày càng nhiều, trên thế giới người ta đã đạt được những thành tựu to lớn

HVTH: Phạm Văn Nam

14


Luận văn Thạc sỹ khoa học

trong việc ứng dụng hệ thống CIM vào sản xuất công nghiệp. Cùng với sự phát triển
mạnh của các ngành khoa học liên quan phục vụ cho sự phát triển hoàn thiện của
CIM các nhà khoa học và các nhà sản xuất vẫn luôn nghiên cứu để nâng cao hiệu
quả, kĩ thuật và sự hoàn thiện của CIM, trong đó một trong những hướng phát triển
khá mới mẻ của CIM là khái niệm về “sản xuất thực sự” (Virtual Manufactring) hay
“CIM -thực sự” (Virtual CIM).
Khái niệm “sản xuất thực sự” xuất hiện khi các đơn vị sản xuất được liên kết
với nhau trên phạm vi toàn cầu để giải quyết tất cả các vấn đề của quá trình sản xuất
từ hoạch định sản xuất đến phân phối sản phẩm. Trên thế giới hiện nay ngày càng
xuất hiện nhiều sự liên kết giữa các nhà sản xuất trong rất nhiều lĩnh vực công
nghiệp. ở đây nhà máy thực sự (Virtual Firm) được định nghĩa như một mạng liên
kết toàn cầu để phục vụ cho toàn bộ quá trình sản xuất một số sản phẩm nhất định
và khi sản xuất phát triển chỉ có nhà máy thực sự mới đáp ứng được sự cạnh tranh
và thị trường toàn cầu. Với khái niệm nhà máy thực sự này người ta đa ra khái niệm

“CIM thực sự” và việc nghiên cứu, ứng dụng “CIM thực sự” trong phạm vi toàn cầu
ngày càng trở nên cần thiết.
Để thúc đẩy sự phát triển của CIM cũng như thúc đẩy sự phát triển của sản xuất
một số hướng nghiên cứu về CIM đang được nhiều nhà khoa học tiến hành như sau:
Hợp lí hoá CIM và chiến lược quản lí CIM: Đảm bảo cho các nhà quản lý
nắm vững các nguyên tắc ứng dụng CIM trong môi trường sản xuất của mình.
Nhà máy tích hợp CIM với các ranh giới địa lí trên phạm vi toàn cầu: Cấu trúc và
mô hình hoá các nhà máy tích hợp được nghiên cứu trên cơ sở hợp tác và liên kết
toàn cầu về quản lí và chia sẻ dữ liệu.
Mạng liên kết của CIM: Nghiên cứu các ứng dụng mạng trên phạm vi rộng và
Internet cho CIM, tăng cường sự trao đổi thông tin bằng dữ liệu tích hợp, mối quan hệ
giữa khách hàng và nhà cung cấp, các dữ liệu về quản lí trong hệ thống CIM.
Công cụ và công nghệ tiên tiến cho việc ứng dụng CIM: Nghiên cứu về ứng dụng
robot trong sản xuất, nâng cao tính tự động hoá trong sản xuất, ứng dụng trí tuệ nhân tạo.
Mô hình hệ thống sản xuất: Tích hợp các mô hình thông tin với các mô hình

HVTH: Phạm Văn Nam

15


Luận văn Thạc sỹ khoa học

chức năng của CIM, mô hình mô phỏng tích hợp của CIM và các hệ thống thiết kế
của CIM, ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI-Artificial Intelligence) nhờ Logic mờ, mạng
Noron tích hợp vào trong các hệ thống sản xuất.
1.2.

Cấu trúc của hệ thống CIM

1.2.1. Máy công cụ CNC trong hệ thống CIM
Chúng ta đã biết trước thế hệ máy CNC đã có máy công cụ thông thường và
máy công cụ NC. Máy công cụ thường được điều khiển trực tiếp bởi tay người công
nhân nên chất lượng và năng suất gia công phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của
công nhân. Với máy điều khiển số NC thì việc điều khiển máy được quyết định bởi
các chương trình đã lập sẵn. Máy CNC là mức phát triển cao từ các máy NC. Máy
CNC có 1 máy tính để thiết lập phần mềm điều khiển các chức năng máy. Các
chương trình gia công được đọc và lưu vào bộ nhớ để sử dụng cho việc điều khiển
quá trình gia công. Máy CNC có thể thực hiện các chức năng: nội suy đường thẳng,
cung tròn, mặt xoắn, mặt parabol và bất kỳ mặt bậc 3 nào. Máy CNC có thể bù chiều
dài và đường kính của dụng cụ.
1.2.1.1.

Hệ trục toạ độ của máy CNC

Các trục toạ độ của máy CNC cho phép xác định chiều chuyển động của cơ
cấu máy và dụng cụ cắt. (hình vẽ). Các trục X, Y, Z được xác định theo quy tắc bàn
tay phải. Các trục quay tương ứng của các trục X, Y, Z là A, B, C; chiều quay là theo
quy tắc vặn đinh ốc (hình 1.1).

Hình 1.1. Các trục toạ độ của máy

HVTH: Phạm Văn Nam

16


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Trục Z

Nhìn chung trục Z luôn song song với trục chính của máy.
- Máy tiện: trục Z song song với trục chính của máy
và có chiều dương chạy từ mâm cặp tới dụng cụ (chạy xa khỏi chi tiết gia công
được cặp trên mâm cặp).
- Máy khoan đứng, máy phay đứng, máy khoan cầu: Trục Z song song với
các trục chính và có chiều dương hướng từ bàn máy lên phía trục chính.
Các máy phay có nhiều trục chính: trục Z song song với đường tâm trục chính
vuông góc với bàn máy (chọn trục chính có đường tâm vuông góc với bàn máy làm
trục Z), chiều dương của nó hướng từ bàn máy đến trục chính.
Trục X
Trục X là trục nằm trên mặt bàn máy và thường được xác định theo phương
nằm ngang. Chiều của trục X được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Máy phay đứng, máy khoan đứng: nếu đứng ngoài nhìn vào trục chính thì chiều
dương của trục X hướng về bên phải.
Máy khoan cầu: nếu đứng ở vị trí điều khiển máy ta có chiều dương của trục
X hướng vào trụ máy.
Máy phay ngang: nếu đứng ngoài nhìn thẳng vào trục chính thì ta có chiều
dương của trục X hướng về bên trái, còn nếu đứng ở phía trục chính để nhìn vào chi
tiết thì ta có chiều dương của trục X hướng về bên phải.
Máy tiện: trục X vuông góc với trục máy và có chiều dương hướng về phía bàn
kẹp dao (hướng về phía dụng cụ cắt). Như vậy nếu bàn kẹp dao ở phía trước trục
chính thì chiều dương của trục X hướng vào người thợ, còn nếu bàn kẹp dao ở phía
sau trục chính thì chiều dương đi xa khỏi người thợ.
Máy bào: trục X nằm song song với mặt định vị chi tiết trên bàn máy và chiều
dương hướng từ bàn máy đến thân máy.
Trục Y
Trục Y được xác định sau khi đã xác định 2 trục X, Z theo quy tắc bàn tay phải.
Ngón trỏ chỉ chiều dương của trục Y.

HVTH: Phạm Văn Nam

17


Luận văn Thạc sỹ khoa học

1.2.1.2.

Các dạng điều khiển của máy công cụ CNC

Do máy CNC có khả năng gia công được các bề mặt khác nhau như: các lỗ,
mặt phẳng, các mặt định hình ... Vì vậy có các dạng điều khiển máy như: điều
khiển điểm-điểm, điều khiển theo đường thẳng và theo đường biên dạng (đường
contour).
1.2.1.3.

Điều khiển điểm - điểm

Điều khiển điểm - điểm (theo vị trí) được dùng để gia công các lỗ bằng các
phương pháp khoan, khoét, doa và cắt ren lỗ. Chi tiết gia công được gá cố định trên
bàn máy, dụng cụ cắt thực hiện chạy dao nhanh đến các vị trí đã lập trình (hoặc chạy
bàn máy). Khi đạt tới các điểm đích thi dao bắt đầu cắt (hình vẽ).
Vị trí của các lỗ có thể được điều khiển đồng thời hoặc kế tiếp theo 2 trục toạ độ
(hình vẽ).

Hình 1.2. Các dạng chạy dao trong điều khiển điểm-điểm.
a)

Điều khiển đồng thời theo 2 trục

b)

Điều khiển kế tiếp

HVTH: Phạm Văn Nam

18


Luận văn Thạc sỹ khoa học

1.2.1.4. Điều khiển đường thẳng

Hình 1.3. Các dạng chạy dao điều khiển theo đường thẳng
Là điều khiển mà khi gia công dụng cụ cắt thực hiện lượng chạy dao theo 1
đường thẳng nào đó. Trên máy tiện dụng cụ cắt chuyển động song song hoặc
vuông góc với trục của chi tiết (trục Z) (hình vẽ). Trên máy phay dụng cụ cắt
chuyển động song song với trục Y hoặc trục X (hình vẽ). Dụng cụ cắt chuyển động
độc lập theo từng trục.
1.2.1.5. Điều khiển theo biên dạng (contour)

Hình1.4. Điều khiển contour trên máy tiện (a) và máy phay (b).
Điều khiển theo biên dạng cho phép thực hiện chạy dao trên nhiều trục cùng
lúc. Các chuyển động theo các trục có sự quan hệ hàm số ràng buộc với nhau. Dạng
điều khiển này được áp dụng trên máy tiện, máy phay và các trung tâm gia công.
Có 3 dạng điều khiển: điều khiển contour 2D, 21/2D và điều khiển 3D (D là kích
thước).
Điều khiển contour 2D: Cho phép thực hiện chạy dao theo 2 trục đồng thời

HVTH: Phạm Văn Nam

19


Luận văn Thạc sỹ khoa học

trong 1 mặt phẳng gia công (ví dụ mặt phẳng XZ, XY). Trục thứ 3 được điều khiển
hoàn toàn độc lập với các trục kia.
Điều khiển contour 21/2D: điều khiển contour 21/2D cho phép ăn dao đồng thời
theo 2 trục nào đó để gia công bề mặt trong 1 mặt phẳng nhất định.
Trên máy CNC có 3 trục X, Y, Z ta sẽ điều khiển được đồng thời X và Y, X và
Z, hoặc Y và Z. Trên các máy phay thì điều này có nghĩa là chiều sâu cắt có thể
được thực hiện bất kỳ 1 trục nào đó trong 3 trục, còn 2 trục kia để phay contour
(hình vẽ).

1
2

Hình1.5. Điều khiển contour 2 D
Điều khiển contour 3D: điều khiển contour 3D
cho phép đồng thời chạy dao theo cả 3 trục X, Y, Z (hình vẽ). Điều khiển contour 3D
được áp dụng để gia công các khuôn mẫu, gia công các chi tiết có bề mặt không gian
phức tạp.

HVTH: Phạm Văn Nam

20


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Hình 1.6. Điều khiển contour 3D
1.3.

Các chỉ tiêu gia công của máy CNC

1.3.1. Thông số hình học
Thông số hình học của máy CNC hay của vùng gia công là thông số của không
gian mà trong đó dụng cụ cắt và chi tiết gia công có thể tác động qua lại ở bất kỳ vị trí
nào. Như vậy trên các máy gia công chi tiết quay thì vùng gia công là 1 khối lăng trụ
được xác định bằng bán kính và chiều dài dịch chuyển của các toạ độ (hình vẽ) .
Trên các máy gia công chi tiết hình hộp chữ nhật thì vùng gia công là 1 khối
hộp được xác định bằng các chiều dài dịch chuyển của các toạ độ (hình vẽ). Các
điểm giới hạn của vùng làm việc được đánh số tương tự ký hiệu số của ma trận. Để
thuận tiện và dễ nhớ người ta đánh thứ tự các số theo quy tắc sau: số thứ nhất của
các chữ số ký hiệu các điểm theo trục thẳng đứng, số thứ 2 của các chữ số ký hiệu
các điểm theo trục dọc (trục Z), còn số thứ 3 của các chữ số ký hiệu các điểm theo
trục nằm ngang (trục X) (hình vẽ).

Hình 1.7. Thông số hình học

HVTH: Phạm Văn Nam

21


Luận văn Thạc sỹ khoa học

1.3.2. Độ chính xác của máy CNC
Sai số gia công tổng cộng trên các máy CNC xuất hiện trong các hệ thống

truyền động của máy, trong các hệ thống điều khiển và kiểm tra và trong bản thân
chi tiết gia công (hình vẽ) .

Hình 1.8. Sai số gia công
Các sai số gia công được ký hiệu và giải thích như sau:
δ1, δ2, δ3, δ4 - các sai số lập trình, nội suy, hiệu chỉnh nội suy và sai số của
“lệnh trở về điểm O”.
δ5, δ6 - sai số của bước bên trong và sai số tích luỹ của đatric.
δ7- sai số của cơ cấu chuyển đổi tín hiệu.
δ8 - sai số của dreipha đặc tính truyền động( sai số thời gian phát xung).
δ9, δ10, δ11 - sai số của truyền động( lực, mômen, tốc độ).
δ12 - sai số của trục vít bi
δ13 - sai số hình học của máy.
δ14, δ15 - sai số biến dạng đàn hồi của máy và đồ gá

HVTH: Phạm Văn Nam

22


Luận văn Thạc sỹ khoa học

δ16 - sai số của kích thước gá đặt dao.
δ17 - sai số do mòn dao.
δ18 - sai số biến dạng đàn hồi của dao.
δ19 - sai số gá đặt của chi tiết gia công
δ20 - sai số biến dạng đàn hồi của chi tiết gia công
δ21 - sai số biến dạng nhiệt của chi tiết gia công
Sai số tổng cộng được xác theo công thức.
∆Σ = ∆1+ ∆2+ ∆3+ ∆4+ ∆5+ ∆6

Trong đó :
∆1 = δ1+ δ2+ δ3+ δ4 ; ∆2 = δ5+ δ6+ δ7; ∆3 = δ8+ δ9+ δ10+ δ11+ δ12
∆4 = δ13+ δ14+ δ15 ; ∆5 = δ16+ δ17+ δ18; ∆6 = δ19+ δ20+ δ21
1.3.3. Độ tin cậy của máy CNC
Các máy CNC có giá thành rất cao nên nó chỉ mang lại hiệu quả kinh tế khi
chúng làm việc liên tục 2 hoặc 3 ca và không có hỏng hóc nào khi làm việc. Trong
quá trình làm việc các máy CNC phải đảm bảo độ chính xác gia công và nếu có bị
hỏng hóc thì máy phải có khả năng được sửa chữa hoặc thay thế một số cơ cấu dễ
dàng và thuận tiện.
Vậy độ tin cậy của máy CNC là tính chất thực hiện chức năng gia công giữ
được các chỉ tiêu công nghệ cũng như sửa chữa theo một thời gian quy định.
- Độ tin cậy của máy được đặc trưng bởi 3 tính chất sau:
- Tính làm việc không bị hỏng: Tính chất này được đặc trưng bằng sự làm
việc liên tục của máy trong một thời gian nhất định (thời gian chạy rà và làm việc
của máy).
- Tuổi thọ của máy: Tính chất này là sự ổn định làm việc cho tới lúc sửa chữa
(1 phần tuổi thọ) và sau đó máy lại tiếp tục làm việc.
Như vậy 2 tính chất trên đều đặc trưng cho khả năng làm việc của máy (tính
chất làm việc không bị hỏng) tồn tại trong 1 khoảng thời gian nhất định, còn tính
chất tuổi thọ tồn tại trong suốt thời gian quá trình máy được sử dụng, kể cả thời gian
dừng để sửa chữa.

HVTH: Phạm Văn Nam

23


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Khả năng sửa chữa: Tính chất này có nghĩa là người ta có khả năng phát hiện

những khuyết tật hỏng hóc của máy và có khả năng sửa chữa những khuyết tật và
hỏng hóc đó.
Đối với các máy CNC thì 2 tính chất 1 và 3 là quan trọng nhất bởi vì các máy
CNC có cấu trúc rất phức tạp và có rất nhiều cơ cấu có tác động qua lại lẫn nhau.
1.3.4. Tính vạn năng của máy CNC
Tính vạn năng của máy CNC đợc xác định bằng chi phí cần thiết để chuyển
công nghệ gia công nhóm chi tiết gia công này sang công nghệ gia công nhóm chi
tiết gia công khác. Mỗi loại máy hoặc mỗi máy có tính vạn năng riêng, nghĩa là có
điều kiện tối ưu để sử dụng máy.
1.3.5. Robot công nghiệp trong hệ thống CIM
Định nghĩa: Robot công nghiệp là một loại máy tự động có thể lập trình
được để thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau như: lắp ráp, cấp phôi, sử dụng trong
kĩ thuật hàn, kĩ thuật sơn, gián, máy nâng chuyển…
Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng
dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá sản xuất. Đặc biệt là trong các hệ thống
CIM, tính tự động hoá của hệ thống sản xuất tích hợp và yêu cầu linh hoạt trong
việc thay đổi sản phẩm đòi hỏi ứng dụng một số lượng lớn các robot công nghiệp
thực hiện các chức năng chủ yếu như cấp phôi cho các trung tâm gia công, gắp các
chi tiết ra sau khi đã gia công, thực hiện quá trình lắp ráp tự động.
1.3.5.1. Những khái niệm cơ bản về robot công nghiệp trong hệ thống CIM
1.3.5.1.1. Các bộ phận cấu thành robot công nghiệp
Các bộ phận chủ yếu của robot được thể hiện trên hình vẽ:

HVTH: Phạm Văn Nam

24