Nghiên cứu hệ điều khiển máy phay CNC 5 trục

MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................... i
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................. iv
Lời nói đầu .................................................................................................................. 1
Chương 1. Tổng quan về CNC .................................................................................... 2
1.1. Giới thiệu chung. .............................................................................................. 2
1.1.1. Khái niệm CNC. ........................................................................................ 2
1.1.2. Lịch sử phát triển. ..................................................................................... 2
1.1.3. Ưu nhược điểm của máy CNC. ................................................................. 4
1.1.4. Ứng dụng trong thực tế của công nghệ CNC. ........................................... 6
1.2. Công nghệ máy phay CNC. ............................................................................. 6
1.2.1. Trình độ hiện đại. ...................................................................................... 6
1.2.2. Mô hình cơ bản của một máy phay CNC................................................ 11
1.2.3. Các vòng điều khiển được thiết lập trong thuật toán điều khiển CNC. .. 16
Chương 2. Hệ thống điều khiển máy phay CNC....................................................... 22
2.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển máy phay CNC. .............................................. 22
2.1.1. Khối chức năng MMI. ............................................................................ 23
2.1.2. Khối chức năng PLC. ............................................................................. 25
2.1.3. Khối chức năng NCK (Numerical Control Kernel). .............................. 27
2.2. Vai trò của bộ điều khiển vị trí trong máy phay CNC. .................................. 29
2.1.1. Chức năng điều khiển vị trí trong khối NCK. ......................................... 29
2.1.2. Quá trình tạo lập dữ liệu đầu vào cho bộ điều khiển vị trí...................... 30
2.3. Hệ truyền động máy phay CNC - DMU 50T. ................................................ 33
2.3.1. Giới thiệu về máy phay CNC - DMU 50T.............................................. 33
2.3.2. Hệ truyền động máy phay CNC DMU 50T ............................................ 38
i


Chương 3. Thiết kế bộ điều khiển vị trí cho các trục máy phay CNC ...................... 40
3.1. Đặt vấn đề nghiên cứu bộ điều khiển. ............................................................ 40

3.1.1. Dạng đặc tính mô tả vị trí các trục. ......................................................... 41
3.1.2. Phương án truyền động. .......................................................................... 42
3.2. Xây dựng mô hình toán học động cơ PMSM trong hệ tọa độ dq. ................. 42
3.2.1. Véc tơ không gian của một đại lượng ba pha. ........................................ 42
3.2.2. Mô hình động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. .................................... 46
3.2.3. Nguyên lý điều chế véc tơ không gian. ................................................... 49
3.2.4. Phương pháp tựa từ thông roto FOC. ...................................................... 51
3.3. Thiết kế các bộ điều khiển. ............................................................................ 53
3.3.1. Bộ điều khiển dòng điện. ........................................................................ 53
3.3.2. Bộ điều khiển tốc độ. .............................................................................. 58
3.3.3. Bộ điều khiển vị trí.................................................................................. 60
3.3.4. Kết luận. .................................................................................................. 62
3.4. Mô phỏng kiểm chứng trên Matlab/simulink ................................................ 64
3.4.1. Đoạn chương trình gia công mô phỏng................................................... 64
3.4.2. Xây dựng mô hình điều chế véc tơ không gian ...................................... 65
3.4.3. Xây dựng mô hình điều khiển vị trí cho động cơ đồng bộ ba pha nam
châm vĩnh cửu. .................................................................................................. 67
3.4.4. Kết quả mô phỏng. .................................................................................. 68
Kết luận và hướng đề xuất ........................................................................................ 74
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................... 75

ii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Ý nghĩa

Viết tắt

Ghi chú Tiếng Anh

ACDAI

Bộ điều khiển tăng tốc/giảm tốc sau nội Acc/Dec Control After
suy
Interpolation

ADCBI

Bộ điều khiển tăng tốc/giảm tốc trước
nội suy

Acc/Dec Control Before
Interpolation

ASCII

Chuẩn mã trao đổi thông tin Hoa Kì

American Standard Code
for Information Interchange

CAD/CAM

Thiết kế được sự hỗ trợ của máy tính/
Sản xuất tích hợp máy tính

Computer-aided design /
Computer-aided
manufacturing

CD

Đĩa CD

Compact Disc

CNC

Hệ điều khiển số

Computer Numerical Control

CPU

Bộ xử lý trung tâm

Central Proccessing Unit

DNC

Điều khiển số trực tiếp

Direct Numerical Control

FIFO

Bộ nhớ kiểu hàng đợi

First In, First Out

FOC

Điều khiển tựa từ thông rotor

Field-Oriented Control

MCU

Khối điều khiển máy

Machine Control Unit

MMI

Giao diện người - máy

Man Machine Interface

NC

Điều khiển số

Numerical Control

NCK

Bộ điều khiển số trung tâm

Numerical Control Kernel

OAC

Kiến trúc điều khiển mở

Open Architecture Control

PID

Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ

Proportional Integral
Derivative

PLC

Điều khiển logic khả trình

Programmable Logic Control

PMSM

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Permanent Magnet
Synchronous Motors

PWM

Điều chế độ rộng xung

Pulse-width modulation

RAM

Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên

Random Access Memory

iii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Lịch sử phát triển của CNC .........................................................................3
Hình 1.2. Máy CNC thế hệ đầu ...................................................................................4
Hình 1.3. Khả năng gia công của máy phay CNC ......................................................6
Hình 1.4. Mô hình máy khoan CNC loại 2 và 3 trục ..................................................7
Hình 1.5. Hai dạng máy khoang đứng với khả năng tự động thay mũi ......................8
Hình 1.6. Máy phay 5 trục có trục chính nằm ngang và thẳng đứng ..........................9
Hình 1.7. Máy phay 5 trục thay dao thủ công (trái) và loại 4 trục song song (phải) ..9
Hình 1.8. Trung tâm gia công 4 trục cho phép tiếp cận cắt gọt phôi từ 5 phía .........10
Hình 1.9. Các loại động cơ servo ..............................................................................12
Hình 1.10. Các phần tử cơ bản trong một hệ thống CNC .........................................12
Hình 1.11. Cấu tạo encoder .......................................................................................13
Hình 1.12. Vít me đai ốc ...........................................................................................15
Hình 1.13. Khới nối và đai truyền .............................................................................16
Hình 1.14. Hệ thống điều khiển chu trình hở ............................................................18
Hình 1.15. Hệ thống điều khiển chu trình kín ...........................................................19
Hình 1.16. Bộ điều khiển chu trình hỗn hợp .............................................................20
Hình 2.1. Cấu trúc của hệ điều khiển CNC ...............................................................22

Hình 2.2. Cấu trúc phần cứng và phần mềm hệ thống điều khiển CNC ...................23
Hình 2.3. Kiến trúc và chức năng của hệ thống PLC................................................26
Hình 2.4. Các khối chức năng của NCK ...................................................................28
Hình 2.5. Cấu trúc NCK loại ACDAI .......................................................................29
Hình 2.6. Dòng dữ liệu trong bộ NCK loại ACDAI .................................................30

iv


Hình 2.7. Mô tả bộ tăng tốc giảm tốc........................................................................31
Hình 2.8. Mô hình biểu diễn toán học của phương pháp bộ lọc số ..........................32
Hình 2.9. Dạng xung ra của bộ tăng tốc giảm tốc .....................................................33
Hình 2.10. Máy phay DMU – 50T. ...........................................................................34
Hình 2.11. Cấu trúc các trục......................................................................................37
Hình 2.12. Động cơ đồng bộ trong máy phay CNC thực tế......................................38
Hình 2.13. Cấu trúc hệ truyền động của các trục máy phay CNC ............................39
Hình 3.1. Quá trình thực thi một chương trình gia công ...........................................40
Hình 3.2. Các dạng đặc tính đầu vào của bộ điều khiển vị trí ..................................41
Hình 3.3. Sơ đồ cuộn dây và dòng stator ..................................................................43
Hình 3.4. Véc tơ không gian điện áp stator u s và các điện áp pha ..........................44
Hình 3.5. Véc tơ dòng điện stator trên hệ tọa độ dq .................................................45
Hình 3.6. Mô hình động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trên hệ tọa độ dq ............49
Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý của động cơ xoay chiều ba pha nuôi bằng biến tần nguồn
áp. ..............................................................................................................................50
Hình 3.8. Vị trí các Sector trong hệ tọa độ αβ ..........................................................51
Hình 3.9. Cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu dựa trên
nguyên lý tựa theo từ thông rô-to. .............................................................................52
Hình 3.10. Sơ đồ mô tả quan hệ id và ud trong động cơ PMSM ...............................53
Hình 3.11. Sơ đồ mô tả quan hệ iq và uq trong động cơ PMSM ...............................54
Hình 3.12. Sơ đồ khối điều khiển dòng id sử dụng bộ điều khiển PI ........................55

Hình 3.13. Sơ đồ khối điều khiển dòng iq sử dụng bộ điều khiển PI ........................56
Hình 3.14. Vòng điều khiển tốc độ cho động cơ PMSM ..........................................58
Hình 3.15. Mạch vòng điều khiển vị trí của động cơ PMSM ...................................60
v


Hình 3.16. Bản vẽ của chương trình gia công mô phỏng .........................................64
Hình 3.17. Sơ đồ tổng quát khâu điều chế véc tơ không gian ..................................65
Hình 3.18. Sơ đồ khối phát xung ..............................................................................65
Hình 3.19. Sơ đồ khối điều khiển van .......................................................................65
Hình 3.20. Sơ đồ khối tính toán thời gian đóng cắt van ...........................................66
Hình 3.21. Khối mạch lực .........................................................................................66
Hình 3.22. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển vị trí sử dụng bộ điều chỉnh PID cho
động cơ đồng bộ ........................................................................................................67
Hình 3.23. Đường đặc tính vị trí đặt trục X ..............................................................68
Hình 3.24. Đường đặc tính mô men tải trục X..........................................................69
Hình 3.25. Kết quả mô phỏng đáp ứng vị trí ............................................................69
Hình 3.26. Kết quả mô phỏng đáp ứng tốc độ ..........................................................70
Hình 3.27. Kết quả mô phỏng đáp ứng dòng điện id và iq .......................................70
Hình 3.28. Kết quả mô phỏng đáp ứng mô men .......................................................71
Hình 3.29. Kết quả mô phỏng dòng điện stator ........................................................71

vi


Lời nói đầu

Lời nói đầu
Các nước phát triển trên thế giới, sự đột phá về khoa học kỹ thuật đã giúp đỡ
họ tìm ra những kỹ thuật tiên tiến áp dụng trong sản xuất, chế tạo. Nhằm tạo ra

những công cụ giảm sức lao động của con người mà năng suất, hiệu quả kinh tế đạt
ở mức độ cao. Trong ngành chế tạo máy thì không ngừng đổi mới những tính năng
của các máy, quá trình tự động hóa, các phần mềm ứng dụng tin học được đưa vào
trong kỹ thuật chế tạo. Do vậy các thiết bị sản xuất được tự động hóa cao nhờ sự hỗ
trợ của hệ thống điều khiển số bằng máy tính đã có mặt ở các nhà máy, xí nghiệp,...
Trong chế tạo máy từ những máy thông thường đã dần được cải tiến nhờ
điều khiến số, lúc đầu xử dụng hệ điều khiển NC dùng điều khiển tự động một
chuỗi lệnh kế tiếp liên tục. Thế hệ sau của NC là hệ điều khiển số CNC dùng các
cụm vi xử lý thông qua máy tính để thức hiện một cách tự động các máy công cụ,
bằng các chương trình được lập trước...
Thời kỳ đổi mới đất nước ta đã chủ động trong việc phát triển ngành công
nghiệp nặng, trong đó có ngành cơ khí chế tạo được quan tâm, và không ngừng đổi
mới các trang thiết bị để nâng cao chất lượng và tính ưu việt của sản phẩm. Do vậy
các máy điều khiển số đang được sử dụng rộng rãi ở nước ta để chế tạo cơ khí, đặc
biệt áp dụng để chế tạo các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết phục vụ trong công
nghiệp Quốc Phòng. Các máy công cụ điều khiển số còn được dùng trong công tác
nghiên cứu khoa học và đào tạo, qua các lớp đào tạo về máy điều khiển số ta có thể
tìm hiểu vận hành và sử dụng chúng để nâng cao trình độ áp dụng trong sản xuất có
hiệu quả tối đa nhất.
Dưới đây tác giả xin trình bày nội dung luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu hệ
điều khiển máy phay CNC 5 trục ”.

1


Chương 1. Tổng quan về CNC

Chương 1. Tổng quan về CNC
1.1. Giới thiệu chung.
1.1.1. Khái niệm CNC.

CNC – viết tắt cho Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) (điều khiển
bằng máy tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc khác với
mục đích sản xuất (có tính lập lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức
tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng kí hiệu chuyên biệt theo tiêu
chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G.
Máy ra đời với mục đích gia công các chi tiết khó với độ chính xác cao và rút
ngắn thời gian sản xuất, bằng việc ứng dụng những thành tựu tiên tiến của ngành
điều khiển tự động hóa trong những năm gần đây. Sự xuất hiện của các máy CNC
đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp. Các đường cong được thực hiện
dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và
một lượng lớn các thao tác do con người thực hiện được giảm thiểu. Việc gia tăng
tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát triển đáng kể về
độ chính xác và chất lượng. Kỹ thuật gia công của CNC giảm thiểu các sai sót và
giúp người thao tác có thời gian cho các công việc khác. Ngoài ra còn cho phép linh
hoạt trong việc lập trình thay đổi các chế độ gia công để phù hợp với các chi tiết có
hình dáng khác nhau. Trong môi trường sản xuất, một loạt các máy CNC kết hợp
thành một tổ hợp gọi là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận. Máy
CNC ngày nay được điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM, vì thế
một bộ phận hay lắp ráp có thể trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần các
bản vẽ in của từng chi tiết. Có thể nói CNC là các phân đoạn của các hệ thống robot
công nghiệp, tức là chúng được thiết kế để thực hiện nhiều thao tác trong sản xuất.
1.1.2. Lịch sử phát triển.
Lịch sử phát triển của CNC qua hơn 60 năm được tóm tắt bằng hình sau:
Những năm 1949, John Parson bắt đầu nghiên cứu máy phay NC 3 trục tạo phòng
thí nghiệm cơ điện tử của học viện công nghệ Masachusette
2


Chương 1. Tổng quan về CNC
Năm 1954, máy NC được ứng dụng vào sản xuất. Tuy nhiên, thế hệ máy NC

đầu sử dụng các cáp logic trong hệ thống. Phương pháp điều khiển theo điểm và
đường thẳng. Việc điều khiển mang tính cứng. Không có quan hệ hàm số giữa
chuyển động và tọa độ nên chỉ gia công được các chi tiết đơn giản.

Hình 1.1. Lịch sử phát triển của CNC
Do đó nghiên cứu thay thế thành phần cứng bằng thành phần mềm đã được
tiến hành. Sự tiến bộ của công nghệ ngành điều khiển trong những năm 1970-1980.
Nhất là hệ thống NC đã trở thành một hệ thống CNC có chức năng được thực hiện
bởi một vi xử lý. Tuy nhiên, hệ thống CNC là hột hệ kín mà người dùng không thể
thêm các chức năng tùy chỉnh vào hệ thống CNC.
Trong những năm 1990, một nỗ lực đã được thực hiện để thay đổi hệ thống
CNC kín sang một kiến trúc điều khiển mở (OAC), mà là một hệ thống CNC dùng
theo định hướng người dùng và PC-base open CNC dòm một máy tính và VWE đã
được giới thiệu như là bộ điều khiển cấu trúc mở. Tuy nhiên, PC-based open CNC
đã không đạt được mức độ mở hoàn hảo để đáp ứng đầy đủ các yêu cầu khác nhau
của người dùng từ các phần cứng và phần mềm.
Trong những năm đầu của thế kỷ 21 với sự phát triển của ngành khoa học
máy tính, người ta đã tích hợp bộ điều khiển máy NC bằng một máy
tính(computer), và một thế hệ máy mới ra đời lấy tên là máy điều khiển chương
trình số CNC. Việc điều khiển trở nên mềm hóa, có thể dẽ dàng lập trình và thay đổi
chương trình, tốc độ tính toán và xử lý nhanh. Gia công được nhiều bề mặt phức
tạp. Phương pháp điều khiển theo đường biên được thực hiện bằng bộ nội suy. Có
3


Chương 1. Tổng quan về CNC
quan hệ hàm số giữa chuyển
động và tạo độ. Chương trình
được soạn thảo tỉ mỉ hơn và có
thể gia công được các chi tiết

phức tạp. Phát triển các máy
CNC từ 3 trục lên 5 trục, 7 trục, 9
trục có thể gia công được hầu hết
các vật thể có độ khó cao.
1.1.3. Ưu nhược điểm của máy
CNC.
a) Ưu điểm.
Tự động hóa sản xuất, hiệu
quả kinh tế cao: Máy CNC không
chỉ quan trọng trong ngành cơ khí

Hình 1.2. Máy CNC thế hệ đầu

mà còn nhiều ngành khác như
may mặc, giày dép, điện tử v.v… Bất cứ máy CNC nào cũng cải thiện trình độ tự
động hóa của doanh nghiệp: người vận hành ít, thậm chí không còn phải can thiệp
và hoạt động của máy. Sau khi nạp chương trình gia công, nhiều máy CNC có thể
chạy tự động liên tục cho đến khi kết thúc, và như vậy giải phóng nhân lực cho
công việc khác. Thứ nữa, ít xảy ra sai hỏng do lỗi vận hành, thời gian gia công được
dự báo chính xác, người vận hành không đòi hỏi phải có kỹ năng thao tác (chân,
tay) cao như điều khiển máy công cụ CN truyền thống.
-

Lập trình được trực tiếp trên máy bới khả năng nhập bằng tay.

-

Việc đảm trách ở bộ phận chuẩn bị sản xuất cho việc lập trình, sẵn sàng
vật liệu cũng như dụng cụ cắt và nhập các dữ liệu được thực hiện tại chỗ
làm việc.

-

Lưu trữ trong các trường hợp gia công lặp lại của một chương trình gia
công chi tiết đặc biệt dưới dạng chương trình con.
4


Chương 1. Tổng quan về CNC
-

Tối ưu hóa chương trình NC trong hệ điều khiển.

Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm: Các máy CNC thế hệ mới cho phép
gia công các sản phẩm cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được. Một
khi chương trình gia công đã được kiểm tra và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo
cho ra hành loạt sản phẩm có tính đồng nhất cao. Đây là yếu tố vô cùng quan trọng
trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn.
Chất lượng chi tiết gia công ổn định, ít phế phẩm: Làm tăng độ chính xác gia
công do cấp chính xác cao của máy (1/1000mm độ chính xác đo).
Linh hoạt: Chế tạo ra chi tiết mới trên máy CNC đồng nghĩa với nạp cho máy
một chương trình gia công mới. Được kết nối với các phần mềm CAD/CAM giúp
người lập trình dễ dàng thay đổi hình dạng và chỉnh sửa các đường gia công theo ý
muốn, ngoài ra còn có thể chạy thử để giảm thiểu đến mức ít nhất những sai xót khi
gia công thực tế, công nghệ CNC trở nên vô cùng linh hoạt giúp các doanh nghiệp
thích ứng với các thay đổi nhanh chóng và liên tục về mẫu mã và chủng loại sản
phẩm của khách hàng.
Giảm thiểu mặt bằng: Có những máy CNC được tích hợp cho phép thao tác
được nhiều nguyên công khác nhau trên một máy, điều mà các máy công cụ thông
thường không làm được. Do đó làm giảm đáng kể diện tích mặt bằng được sử dụng.

Nhiều máy CNC có hợp với nhau tạo lên một tổ hợp sản xuất liên tục.
b) Nhược điểm.
Giá thành cao: Hiện nay để có được một máy CNC 3 trục, 5 trục, 7 trục tầm
trung cũng phải đầu tư 3-5-7 tỷ đồng như vậy là một thách thức đối với các doanh
nghiệp vừa và nhỏ, do tỷ lệ nội địa hóa không cao, hầu hết là phải nhập nguyên
chiếc từ nước ngoài.
Sửa chữa khó: Ngoài giá thành ra thì vấn đề bảo trì sửa chữa, chỉnh định trong
quá trình hoạt động đối với các máy CNC là rất khó khăn, có những tình trạng đáng
buồn là một số máy CNC bị hỏng những lỗi nhỏ thôi nhưng cũng không thể sửa
chữa mà phải dừng hoạt động do đây là một lĩnh vực tuy đã phát triển khá lâu ở các
5


Chương 1. Tổng quan về CNC
nước tiên tiến, nhưng lại là một vấn đề còn khá mới mẻ ở Việt Nam chính về thế
nên đội ngũ kỹ thuật có chuyên môn sâu rất ít hầu hết là phải mời từ chuyên gia từ
nước ngoài. Dẫn đến chi phí sửa chữa và bảo trì cao, các doanh nghiệp cũng vì
nguyên nhân này mà còn dặt dè trong việc đầu tư vào máy CNC.
Phải chọn và bồi dưỡng đội ngũ NC: Đội ngũ NC không phải là công nhân kỹ
thuật cơ khí thông thường mà phải là những người có chuyên môn, và hiểu biết sâu
về máy CNC phải được đào tạo trong thời gian dài và kết hợp với làm thực tế thì
mới có thể vận hành được máy hoạt động tốt theo yêu cầu công nghệ.
1.1.4. Ứng dụng trong thực tế của công nghệ CNC.
Vì những đặc tính kỹ thuật vượt trội của mình máy CNC có rất nhiều ứng
dụng trong thực tế như gia công phay, tiện, mài,… những chi tiết cơ khí phức tạp.

Hình 1.3. Khả năng gia công của máy phay CNC
1.2. Công nghệ máy phay CNC.
1.2.1. Trình độ hiện đại.
Các chức năng tính toán trong hệ thống CNC ngày nay càng hoằn thiện hơn và

đạt độ xử lý cao do tiếp tục ứng dụng những thành tựu phát triển của bộ vi xử lý.
Các hệ thống CNC được chế tạo hàng loạt lớn theo công thức xử lý đa năng, dùng
cho múc đích điều khiển khác nhau.
Vật mang tin từ băng đục lỗ, băng từ, đĩa từ tiến tới đĩa compact (CD ) có
dung lượng nhớ ngày càng mở rộng, độ tin cậy và tuổi thọ ngày càng cao.Việc cài
6


Chương 1. Tổng quan về CNC
đặt các cụm vi tính trực tiếp vào hệ NC để trở thành hệ CNC ( Computer Numerical
Control ) đã tạo điều kiện ứng dụng máy công cụ CNC ngay cả trong xí nghiệp nhỏ
không có phòng lập trình riêng. Nghĩa là ngoài điều khiển có thể lập trình trực tiếp
trên máy. Dữ liệu lập vào nội dung lưu trữ, thông báo về tình trạng hoạt động cảu
máy công cụ chỉ dẫn cần thiết cho người điều khiển được thực hiện trên màn hình.

Hình 1.4. Mô hình máy khoan CNC loại 2 và 3 trục
Các hệ CNC riêng lẻ có thể ghép mạng cục bộ hay có thể mở rộng quản lý và
điều hành một cách tổng thể sản xuất cảu một xí nghiệp hay của một tập đoàn công
nghiệp…
Với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi của tin học vào ngành cơ khí, cùng với xu
hướng con người đang có nhu cầu tìm các loại vật liệu thông minh mới nhằm thay
đổi các loại vật liệu sản xuật trước đây, thì trong tương lai ngành cơ khí còn có
nhiều những bước phát triển khác nhằm đem lại hiệu quả kính tế cao phục vụ và đáp
ứng tốt nhu cầu của xã hội.
Máy gia công cắt gọt kim loại: Đây là lĩnh vực sử dụng nhiều nhất thiết bị điều
khiển CNC. Chúng ta đã rất quen với các loại máy phay, máy tiện, hay máy khoan

7

Chương 1. Tổng quan về CNC
điều khiển CNC. Hãy bắt đầu từ máy khoan: Loại máy này đều mang 2 đặc điểm
kết cấu chung (hình 1.5), chúng có:
-

Một trục quay chính với đầu kẹp mũi khoan theo phương thẳng đứng và
khả năng chuyển động tịnh tiến (theo trục Z có phương thẳng đứng).

-

Một bàn máy mang bộ đồ gá lắp phôi với khả năng chuyển động tịnh
tiến theo 2 chiều X, Y nằm dưới trục chính.

Hình 1.5. Hai dạng máy khoang đứng với khả năng tự động thay mũi
Kết cấu đó có lợi thế là lực đẩy mũi khoan luôn hướng xuống vuông góc với
bàn máy, ép phôi xuống mặt bàn và do đó không gây nên các lực bất lợi có thể đẩy
phôi, đồ gá và hệ truyền động trục XY trượt trên mặt bàn. Việc điều khiển NC các
mũi khoan theo hệ tọa độ mặt bàn máy có thể được thực hiện rất đơn giản. Để có
thể tự động hóa hoàn toàn quá trình khoan, kết cấu máy ở hình 1.5 sẽ được mở rộng
thêm một cơ chế tự động thay dao phay nhờ kho dụng cụ dạng mâm tròn (hình trái)
hoặc chuỗi dây xích (hình phải), thậm chí có thể có khả năng thay đổi bàn máy, tức
là khả năng thay phôi gia công (hình phải).
Dạng thiết bị gia công có kết cấu phức tạp hơn là máy phay, được phân thành
2 nhóm chính là loại có trục chính theo phương nằm ngang hay phương thẳng đứng
(hình 1.6), điều khiển theo quỹ đạo. Trên hình đó ta có thể dễ dàng nhận biết cách
định nghĩa các trục: 3 trục tịnh tiến XYZ và 2 trục quay AB hoặc BC (hình 1.6).

8

Chương 1. Tổng quan về CNC
Các máy phay CNC thường được trang bị khả năng điều khiển theo quỹ đạo
cho ít nhất 3-5 trục, sử dụng nội suy (Interpolation) không gian cho tất cả các trục.
Việc lập trình chuyển động vì vậy thường được thực hiện nhờ các hệ thống lập trình
chuyên dụng chạy trên máy tính. Để tăng tính linh hoạt khi sử dụng, các hệ thống
còn có thể được lập trình trực tiếp trên máy.

Hình 1.6. Máy phay 5 trục có trục chính nằm ngang và thẳng đứng
Một máy phay có 5 trục điều khiển CNC (hình 1.7, trái) có thể đưa mũi của
dụng cụ gia công tới một điểm bất kỳ và chuyển động trên bề mặt phôi, đồng thời
duy trì một góc nghiêng định trước so với bề mặt.

Hình 1.7. Máy phay 5 trục thay dao thủ công (trái) và loại 4 trục song song (phải)
Có thể thực hiện linh hoạt chuyển động tương đối đó giữa dụng cụ và phôi
theo một trong 3 cách.
9


Chương 1. Tổng quan về CNC
- Giữ cố định trục của dụng cụ, thực hiện xoay bàn gá phôi theo 2 trục.
- Thực hiện xoay trục của dụng cụ và một trục của bàn gá phôi.
- Giữ cố định phôi và xoay 2 trục của dụng cụ
Với các máy phay CNC như vậy ta có thể gia công các chi tiết rất phức tạp.
Ngoài ra, máy phay CNC còn có thể có nhiều trục chính kết cấu song song với nhau
(hình 1.7 phải).

Hình 1.8. Trung tâm gia công 4 trục cho phép tiếp cận cắt gọt phôi từ 5 phía
Đối với máy công cụ kích cỡ trung bình, ngày nay các nhà sản xuất có xu
hướng thực hiện máy phay tích hợp trong một trung tâm gia công (hình 1.8). Đó là
một thiết bị điều khiển CNC với ít nhất 3 trục, có khả năng thực hiện cả 2 công

đoạn khoan và phay, cho phép dao tiếp cận cắt gọt phôi dạng lập thể từ ít nhất 4
phía mà không cần bất kỳ sự can thiệp thủ công nào. Một cơ chế thay dụng cụ tự
10


Chương 1. Tổng quan về CNC
động có nhiệm vụ lấy dụng cụ từ khay/mâm dụng cụ đưa tới lắp vào trục chính,
hoặc tháo từ trục chính đưa ngược trở lại khay/mâm. Trình tự tháo lắp đó đều được
lập trình sẵn.
Trung tâm gia công là loại thiết bị CNC điển hình với những đặc điểm chính
sau đây:
-

Có 3 trục NC chuyển động thẳng và bàn máy tròn, cho phép tiếp cận gia công từ
4 phía phôi dạng lập thể được gá cố định.

-

Có thể thực hiện mọi nguyên công cắt gọt kim loại như phay thẳng, khoan, tiện,
vê bóng bề mặt, khoan cắt ren trong. Nếu được trang bị đủ còn thêm cả phay
theo quỹ đạo, khoan nghiêng, cắt ren ngoài. Mỗi dụng cụ đều phải có khả năng
lập trình tốc độ quay và chuyển động tịnh tiến.

-

Dụng cụ được cất trong một khay/mâm/đĩa dụng cụ, được chương trình điều
khiển tự động lựa chọn đưa tới lắp vào trục công tác. Kết cấu và dung lượng của
khay/mâm/đĩa dụng cụ trên các máy là rất khác nhau.

-

Đôi khi còn có thêm cơ chế tự động thay đổi khay/mâm/đĩa dụng cụ. Việc gá các
dụng cụ lên khay/mâm/đĩa được thực hiện ngay trong khi gia công và ở bên
ngoài không gian công tác của trục chính. Khả năng này cho phép nâng cao
đáng kể năng suất của máy.

1.2.2. Mô hình cơ bản của một máy phay CNC.
Một hệ thống CNC bao gồm các phần tử điều khiển, cảm biến, và cơ cấu chấp
hành.
a. Cơ cấu chấp hành
Cơ cấu dẫn động servo bao gồm một động cơ servo và các thiết bị truyền lực.
Các lệnh từ NC làm cho động cơ servo xoay, vòng quay của động cơ servo được
truyền tới một vít-me bi qua khớp nối, vòng quay của trục vít-me bi được chuyển
thành chuyển động thẳng của đai ốc, và cuối cùng bàn máy và phôi được chuyển
động thẳng. Tóm lại, cơ cấu dẫn động servo kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn của

11


Chương 1. Tổng quan về CNC
bán máy thông qua các thiết bị dẫn động servo của mỗi trục dựa trên các lệnh điều
khiển vận tốc từ NC.

Hình 1.9. Các loại động cơ servo
Gần đây, PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motors – Động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu ) đã được sử dụng như động cơ servo trong CNC.

Hình 1.10. Các phần tử cơ bản trong một hệ thống CNC

12

Chương 1. Tổng quan về CNC
b) Encoder
Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể
là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc.
Encoder được chia làm 2 loại, encoder tuyệt đối ( absolute encoder ) và encoder
tương đối ( incremental encoder).
Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder.
Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên
đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay,
chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), ánh
sáng sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt
thu. Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được
đèn led có chiếu qua lỗ hay không.

Hình 1.11. Cấu tạo encoder
Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu
nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng. Đây là
nguyên lý rất cơ bản của encoder.

13


Chương 1. Tổng quan về CNC
c) Resolver
Resolver là một máy đo góc tuyệt đối và được sử dụng như các bộ cảm biến
của một động cơ. Không giống như encoder là một thiết bị số, resolver là một thiết
bị tương tự. Resolver có cấu tạo gồm hai phần: phần động gắn liền với trục quay
động cơ chứa cuộn sơ cấp được kích thích bằng sóng mang tần số 2-10Khz qua máy

biến áp quay. Phần tĩnh có 2 dây quấn thứ cấp (cuộn sin và cuộn cos) đặt lệch nhau
90. Đầu ra của hai dây quấn thứ cấp ta thu được 2 tín hiệu điều biên U=U0sintsinϑ
và U=U0sintcosϑ. Đường bao của kênh tín hiệu ra chứa thông tin về vị trí tuyệt đối
(gócϑ) của rotor máy đo, có nghĩa là vị trí tuyệt đối của rotor động cơ. Một resolver
có một cấu trúc tương tự như một động cơ và không nhạy với độ rung và sốc cơ khí.
Ngoài ra, do đầu ra là một tín hiệu tương tự, có thể truyền trải tín hiều đi xa và kích
thước thiết bị nhỏ gọn. Tuy nhiên, tín hiệu mạch xử lý rất phức tạp và các thiết bị
đắt hơn encoder
d) Speed Sensor
Mặc dù encoder và resolver là cảm biến vị trí điển hình, chúng có thể được
sử dụng như cảm biến tốc độ bởi vì tốc độ có thể được tính toán dựa trên thông tin
định vị từ chúng. Máy phát tốc là một cảm biến tốc độ điển hình. Nhìn chung, nó
được gọi là tacho-sensor và có thể phân loại thành các loại có chổi than và không
chổi than. Loại có chổi than có cấu trúc như một máy phát điện một chiều. Nó bao
gồm stato, được làm từ nam châm vĩnh cửu, và một rotor, đó là cuộn dây. Cuộn dây
sinh ra từ thông khi rotor quay, một điện áp được tạo ra và truyền ra bên ngoài
thông qua các chổi than. Loại không chổi than bao gồm rotor, là một nam châm
vĩnh cửu, một cuộn dây stator, và một thiết bị đơn lẻ có thể phát hiện vị trí của
rotor. Cả hai loại đều tạo ra một điện áp tỉ lệ thuận với tốc độ quay. Tuy nhiên, loại
có chổi than có sự hạn chế về tuổi thọ, nó không được sử dụng như các bộ cảm biến
tốc độ của động cơ servo.

14


Chương 1. Tổng quan về CNC
e) Vít me đai ốc
Vít me đai ốc bi được sử
dụng để di chuyển các giá đỡ
và bàn công cụ, nó biến chuyển

động quay của động cơ thành
chuyển động tịnh tiến của bàn
máy. Thanh dẫn hướng được sử
dụng để tăng độ chính xác và
độ êm của chuyển động tinh
tiến.

Hình 1.12. Vít me đai ốc
Một thanh dẫn hướng bao gồm: thanh sắt hình chữ M và một phần di chuyển.

Ổ bi ở giữa thanh sắt và phần chuyển động và bề mặt thanh sắt được cung cấp dầu
bôi trơn để giảm ma sát khi phần di chuyển chuyển động.
Một vít me bi là một vít dẫn được dẫn động bởi một ổ bi. Đai ốc được thiết
kế để làm cho ổ bi xoay liên tục và ổ bị có thể trở lại bằng cách quay đai ốc từ đầu
này đến đầu kia. Ổ bi tiếp xúc với trục vít và đai ốc, nó đóng vai trò làm giảm ma
sát trượt của vít dẫn. Ngoài ra, có thể làm giảm độ lỏng ổ trục bằng cách sử dụng ổ
bi to hoặc sử dụng 2 đai ốc.
f) Khớp nối
Khớp nối linh hoạt được sử dụng chủ yếu như là các thành phần liên kết một
động cơ servo với trục vít me bi. Khi vít me bi và động cơ servo được ghép nối, tâm
của các trục của chúng phải trùng nhau.
Tuy nhiên, trong thực tế, điều này là rất khó khăn. Vì lý do này, một khớp nối
phải được thiết kế để không bị ảnh hưởng mạnh bởi sự lệch tâm của trục vít me và
trục động cơ servo. Các khớp nối linh hoạt , đáp ứng được yêu cầu đề cập ở trên và
làm cho nó dễ dàng ghép nối động cơ servo với vít me bi.

15


Chương 1. Tổng quan về CNC

Một số dạng khớp nối đặc biệt còn cho phép các trục ghép lệch nhau một góc
tương đối lớn ở một tốc độ cao. Ứng dụng của chúng hiện nay rất lớn nhưng chưa
được áp dụng vào công nghệ CNC.

Hình 1.13. Khới nối và đai truyền
1.2.3. Các vòng điều khiển được thiết lập trong thuật toán điều khiển CNC.
Đối với hệ thống điều khiển máy công cụ CNC vấn đề cơ bản quan trọng là
làm sao từ các dữ liệu của chương trình đã lập của người dùng, bộ điều khiển tiến
hành xử lý, tính toán và phát lệnh đến các đông cơ dẫn động bàn máy và trục chính
thực hiện các dịch chuyển cần thiết để tạo ra hình dáng hình học của chi tiết cần gia
công với độ chính xác nhất định một cách tự động hoàn toàn.
Khi vận tốc thực và vị trí thực được các cảm biến nhận biết và hồi tiếp ngược
về mạch điều khiển, động cơ servo dùng trong các máy CNC liên tục được điều
khiển sao cho sai số vận tốc hoặc sai số vị trí giữa vị trí cần và vị trí thật là nhỏ
nhất. Hệ thống hồi tiếp đầy đủ nhất sẽ bao gồm 3 vòng lặp điều khiển. Vòng ngoài
cùng nhất là vòng hồi tiếp vị trí, vòng giữa là vòng hồi tiếp vận tốc, và vòng trong
cùng là vòng điều khiển về dòng điện. Nói chung, vòng điều khiển vị trí được bố trí
trong hệ NC, do hệ NC đảm nhận, các vòng lặp khác đặt ngay trong thiết bị dẫn
động servo. Tuy nhiên cũng không có quy định thống nhất nào về vị trí của các
vòng lặp điều khiển. Chúng phụ thuộc vào nhà thiết kế máy công cụ CNC.
16


Chương 1. Tổng quan về CNC
Nếu phân loại dựa theo phương pháp mà hệ điều khiển xác định và kiểm tra vị
trí, người ta chia hệ thống điều khiển thành 4 loại sau:
-

Vòng điều khiển hở (open loop)

-

Vòng điều khiển nửa kín (semi-closed loop)

-

Vòng điều khiển kín (closed loop)

-

Vòng điều khiển hỗn hợp (hybrid loop)

Phần lớn các máy công cụ CNC có độ chính xác cao được trang bị bộ điều
khiển vòng kín và nó kiểm soát vị trí dịch chuyển dụng cụ cắt chính xác hơn, do đó
chất lượng gia công chi tiết tốt hơn. Tuy nhiên điều khiển theo vòng hở vẫn còn sử
dụng ở các máy CNC có độ chính xác vị trí thấp hoặc các máy có mômen cản sinh
ra trên động cơ đẫn động bàn máy là nhỏ và giá trị ổn định để giảm giá thành chế
tạo.
a) Hệ thống điều khiển chu trình hở
Ở hệ thống điều khiển chu trình hở, dữ liệu chương trình gia công nhập được
đưa vào bộ điều khiển MCU (machine control unit). Nó giải mã thông tin và lưu trữ
trong bộ nhớ cho đến khi người vận hành bấm nút bắt đầu chạy chương trình. Từng
lệnh của chương trình được chuyển đổi sang các xung điện một cách tuần tự và tự
động để gửi tới bộ điều khiển, kích hoạt và điều khiển các động cơ servo. Lượng
dịch chuyển của động cơ hay nói cách khác là bàn máy phụ thuộc vào số xung điện
(electric pulses) mà động cơ nhận được.
Hệ thống này khá đơn giản vì không có mạch hồi tiếp (feedback), tuy nhiên
không có cách nào để kiểm tra xem động cơ servo có dịch chuyển (quay) đúng theo
lệnh đã được yêu cầu hay không, tức là chúng không có mối liên hệ ngược. Do vậy
hệ thống điều khiển chu trình hở không thể áp dụng cho các máy CNC gia công cơ

có độ chính xác lớn hoặc có lực cắt trong quá trình gia công lớn.
Đối với loại điều khiển này động cơ servo là các động cơ một chiều kiểu động
cơ bước (stepper motor). Độ chính xác gia công chủ yếu phụ thuộc vào độ chính
xác chuyển động của động cơ bước, vítme và hệ thống truyền động. Khi mômen
17


Chương 1. Tổng quan về CNC
quay nhỏ và ít thay đổi thì độ chính xác dịch chuyển khá cao, do vậy các máy gia
công tia lửa điện hiện nay vẫn sử dụng điều khiển theo chu trình hở.

Hình 1.14. Hệ thống điều khiển chu trình hở
b) Bộ điều khiển chu trình nửa kín
Với loại này, thiết bị kiểm tra vị trí được lắp vào trục của động cơ servo và
chúng kiểm tra góc quay. Độ chính xác cuối cùng (chuyển động của bàn máy) phụ
thuộc khá lớn và độ chính xác của trục vít me. Vì thế, trục vít me bi có độ chính xác
cao được dùng trong hệ truyền động cho bàn máy. Khi cần thiết, một số máy hệ NC
còn cho phép bù trừ sai số của bước vít me và khe hở của trục vít me để tăng độ
chính xác. Bù trừ sai số bước vít me bằng cách hiệu chỉnh chỉ thị đến hệ dẫn động
servo nhằm loại bỏ sai số tích lũy. Bù trừ sai số khe hở khi chiều chuyển động đổi
dấu, một lượng xung tương ứng với khe hở được gửi đến hệ điều khiển động cơ
servo để hiệu chỉnh.
c) Điều khiển chu trình kín
Mặc dù bộ điều khiển chu trình nửa kín có thể thể bù trừ sai số bước vít me và
he hở vít me nhưng nói chung khó đạt được độ chính xác cao khi ảnh hưởng của
khe hở sẽ thay đổi theo khối lượng của chi tiết gia công. Độ mòn của trục vít me
18


Chương 1. Tổng quan về CNC

cũng khác nhau tại các vị trí khác nhau. Khe hở của vít me cũng thay đổi theo nhiệt
độ. Thêm vào đó, chiều dài của trục vít me cũng bị giới hạn so với các máy có yêu
cầu hành trình lớn. Khi đó cơ cấu bánh răng thanh răng được sử dụng đối với các
máy có kích thước lớn. Tuy nhiên, độ chính xác của cơ cấu bánh răng thanh răng
thường kém. Do vậy, điều khiển chu trình kín sử dụng trong trường hợp này sẽ khắc
phục được sai số của vít me hoặc bánh răng thanh răng.
Trong hệ thống điều khiển chu trình kín, thiết bị giám sát vị trí được lắp trên
bàn máy và vị trí thực của bàn máy được hồi tiếp về hệ điều khiển. Chu trình kín và
chu trình nửa kín khá giống nhau ngoại trừ vị trí của thiết bị giám sát vị trí (gọi là
linear scale) được lắp ở bàn máy hay ở trục của động cơ và độ chính xác của thiết vị
nhận biết vị trí của hệ điều khiển chu trình kín rất cao.
Tuy vậy, hiện tượng cộng hưởng trong dao động của khung máy, hiện tượng
dính trượt v.v.. gây nên thiết hụt chuyển động bởi vì bản thân cả thân máy cũng
dính liền với đối tượng giám sát (bàn máy) có ảnh hưởng đến đặc tính của hệ servo.

Hình 1.15. Hệ thống điều khiển chu trình kín
Hệ điều khiển chu trình kín luôn cố làm giảm sai số giữa vị trí cần đến trong
lệch dịch chuyển và vị trí thật. Để giảm các sai số do các hiện tượng nói trên gây ra,
bộ điều khiển phải nhạy (dập được ảnh hưởng của dao động rung của khung máy)
và đôi khi dẫn đến mất ổn định trong điều khiển. Vì vậy, nếu tần số cộng hưởng của
máy thấp hơn tần số đáp ứng của hệ điều khiển chu trình kín thì hệ điều khiển vị trí
trở nên mất ổn định. Vì thế người ta cố gắng tăng độ cứng vững của khung máy
19