Lập trình gia công chi tiết thép 45 có bề mặt phức tạp trên máy phay CNC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHAN VĂN LIÊN

LẬP TRÌNH GIA CÔNG CHI TIẾT THÉP 45 CÓ
BỀ MẶT PHỨC TẠP TRÊN MÁY PHAY CNC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHẾ TẠO MÁY

Hà Nội – Năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHAN VĂN LIÊN

LẬP TRÌNH GIA CÔNG CHI TIẾT THÉP 45 CÓ
BỀ MẶT PHỨC TẠP TRÊN MÁY PHAY CNC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG D N KHOA HỌC:
GS.TS TRẦN VĂN ĐỊCH

Hà Nội – Năm 2013

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, do
chính tôi thực hiện dưới sự chỉ giáo của người hướng dẫn. Những số
liệu và kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn
trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào
khác. Các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn
gốc.
Hà nội, ngày 18 tháng 9 năm 2013
Học viên

Phan Văn Liên


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Trang
Hình 1.1. Điều khiển theo cam…………………………………………………..

2

Hình 1.2. Điều khiển theo quãng đường…………………………………............

3

Hình 1.3. Điều khiển thời gian…………………………………………………..

3

Hình 1.4. Điều khiển theo chu kỳ………………………………………………..

4

Hình 1.5. Lịch sử phát triển của CNC……………………………………...........

9

Hình 1.6. Chu trình điều khiển trong các hệ điều khiển NC……………….……

10

Hình 1.7. Các dòng thông tin trong điều khiển CNC…………………….……...

12

Hình 1.8. Phương án nhiều bộ vi xử lý………………………………………….

13

Hình 1.9. Hệ thống DNC……………………………………….………………..

14

Hình 1.10. Lịch sử phát triển của CNC………………………….………………

16

Hình 2.1. Người lập trình…………………………………………….………….

17

Hình 2.2. Chiều chuyển động trên máy CNC………………………………..…..

20

Hình 2.3. Chuyển động của các trục chính………………………………………

21

Hình 2.4.a. Điểm gốc phôi……………………………………………….............

22

Hình 2.4.b. Điểm gốc phôi……………………………………………….............

22

Hình 2.5. Điều kiện cắt…………………………………………………………..

23

Hình 2.6. Bù chiều dài dụng cụ………………………………………………….

31

Hình 2.7. Dụng cụ ……………………………………………………….............

32

Hình 2.8. Chọn mặt gia công…………………………………………………….

33

Hình 2.9. Dy chuyển dụng cụ nhanh…………………………………………….

33

Hình 2.10. Dy chuyển dụng cụ G02……………………………………………..

34

Hình 2.11. Dừng tạm thời………………………………………………………..

35

Hình 2.12.a. Bù bán kính………………………………………………………...

36

Hình 2.12.b. Bù bán kính theo G41, G42………………………………………..

36

Hình 2.13. Dừng chương trình……………………………………………...........

41

Hình 2.14. Kết thúc chương trình………………………………………………..

42

Hình 2.15. Chiều quay trục chính………………………………………………..

43


Hình 2.16. Thay dụng cụ………………………………………………………...

43

Hình 2.17. Tắt trơn nguội………………………………………………………..

43

Hình 2.18. Khóa trục chính………………………………………………………

44

Hình 2.19. Tắt nguồn…………………………………………………………….

44

Hình 2.20. Cất dụng cụ…………………………………………………………..

44

Hình 2.21. Chương trình con…………………………………………………….

45

Hình 2.22. Gọi dụng cụ ………………………………………………………….

46

Hình 2.23. Tốc độ trục chính ……………………………………………………

46

Hình 2.24. Tốc độ tiến dao………………………………………………………

46

Hình 2.25. Địa chỉ bù bán kính…………………………………………………..

47

Hình 2.26. Offset dụng cụ......................................................................................

48

Hình 3.1. Trung tâm gia công TNV-40A………………………………………..

50

Hình 3.2. Bảng điều khiển trung tâm gia công TNV-40A………………………

51

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động chạy dao………………………….

54

Hình 4.1. Bản vẽ chi tiết bơm bánh răng thủy lực lệch tâm……………………..

61

Hình 4.2. Bản vẽ chi tiết dao đột lỗ trên phong bì……………………………….

61

Hình 4.3. Bản vẽ chi tiết bơm bánh răng thủy lực lệch tâm trên Inventer……….

62

Hình 4.4. Bản vẽ chi tiết dao đột lỗ trên phong bì trên Inventer………………...

62

Hình 4.5. Chọn kiểu tệp tin………………………………………………………

64

Hình 4.6. Đưa bản vẽ chi tiết vào môi trường gia công………………………….

64

Hình 4.7. Chọn máy gia công……………………………………………………

65

Hình 4.8. Định nghĩa phôi……………………………………………………….

65

Hình 4.9. Xoay chi tiết…………………………………………………………...

67

Hình 4.10. Gốc chi tiết…………………………………………………………...

67

Hình 4.11. Mặt phẳng giới hạn…………………………………………………..

68

Hình 4.12. Chọn phương pháp gia công thô……………………………………..

69

Hình 4.13. Chọn các bề mặt cần gia công……………………………………….

69

Hình 4.14. Chọn đường biên giới hạn vùng chạy dao…………………………...

70

Hình 4.15. Chọn chế độ cắt……………………………………………………...

71

Hình 4.16. Tạo dụng cụ cắt mới…………………………………………………

73

Hình 4.17. Điều chỉnh kích thước dao…………………………………………..

74

Hình 4.18. Trang Parameter……………………………………………………..

75

Hình 4.19. Tạo dụng cụ cắt thứ hai, thứ ba……………………………………...

77

Hình 4.20. Thông số bề mặt gia công……………………………………………

78

Hình 4.21. Thông số gia công thô……………………………………………….

79

Hình 4.22. Thông số gia công túi hốc……………………………………………

80

Hình 4.23. Chọn phương pháp gia công tinh…………………………………….

81

Hình 4.24. Đường chạy dao theo parallel………………………………………..

81

Hình 4.25. Đường chạy dao theo parallel steep………………………………….

81

Hình 4.26. Đường chạy dao theo radial………………………………………….

82

Hình 4.27. Đường chạy dao theo project………………………………………...

82

Hình 4.28. Đường chạy dao theo flowline……………………………………….

82

Hình 4.29. Đường chạy dao theo contour………………………………………..

82

Hình 4.30. Đường chạy dao theo shallow……………………………………….

83

Hình 4.31. Đường chạy dao theo pencil…………………………………………

83

Hình 4.32. Đường chạy dao theo leftover……………………………………….

83

Hình 4.33. Đường chạy dao theo scallop………………………………………..

83

Hình 4.34. Đường chạy dao theo blend………………………………………….

84

Hình 4.35. Mô phỏng cắt thô ……………………………………………………

85

Hình 4.36. Mô phỏng cắt tinh …………………………………………………...

85

Hình 4.37. Mở file NC trong EMCO…………………………………………….

87

Hình 4.38. Chương trình NC…………………………………………………….

88

Hình 4.39. Cắt tinh trên máy CNC………………………………………………

89

Hình 4.40. Sản phẩm bơm bánh răng thủy lực lệch tâm………………………...

90

Hình 4.41. Sản phẩm dao đột lỗ trên phong bì…………………………………..

91


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
NC

Nội dung từ viết tắt
Numerical Control

CNC

Computerized Numerical Control

DNC

Direct Numerical Control

SMS

Flexible Manufacturing Drawing/Design

CAD

Computer Aided Drawing/Design

CAM

Computer Aided Manufacturing

CIM

Computer Integrated Manufacturing With
planning Design and Manufacturing

AC

Adaptive Control

Ghi chú


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ................................ 2
LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY CNC .................................................. 2

1.1. Tổng quan về điều khiển số. .................................................................. 2
1.1.1. Điều khiển không theo số................................................................ 2
1.1.2. Điều khiển số................................................................................... 5
1.1.3. Mã hoá thông tin. ............................................................................ 5
1.2. Lịch sử phát triển của các máy CNC. .................................................... 6
1.3. Các hệ điều khiển số. ........................................................................... 10
1.4 Kết luận ................................................................................................. 16
Chương 2: LẬP TRÌNH TRÊN MÁY PHAY CNC ................................... 17
2.1. Chuẩn bị lập trình ................................................................................. 17
2.1.1. Những yêu cầu đối với người lập trình ......................................... 17
2.1.2. Các bước cần thiết khi lập một chương trình ................................ 17
2.1.3. Nhập chương trình vào máy .......................................................... 17
2.1.4. Các thuật ngữ trong lập trình ........................................................ 18
2.1.5. Điều khiển và định hướng các trục ............................................... 20
2.1.6. Điểm gốc phôi ............................................................................... 21
2.1.7. Tọa độ lập trình ............................................................................. 22
2.1.8. Xác định điều kiện cắt gọt............................................................. 23
2.1.9. Các dạng mã lệnh .......................................................................... 24
2.2. Mã lệnh G ............................................................................................. 27
2.2.1. Danh sách các mã G ...................................................................... 27
2.2.2. Các dạng tọa độ (G90, G91) ......................................................... 30
2.2.3. Bù chiều dài dụng cụ G43, G44, G49 ........................................... 31
2.2.4. Lựa chọn mặt phẳng gia công G17, G18, G19 ............................. 33
2.2.5. Di chuyển dụng cụ với tốc độ chạy không cắt G00 ...................... 33
2.2.6. Di chuyển dụng cụ theo đường thẳng với tốc độ chạy dao cắt gọt
G01 .......................................................................................................... 33
2.2.7. Di chuyển dụng cụ theo cung tròn với tốc độ tiến dao cắt gọt
G02,G03 .................................................................................................. 34
2.2.8. Lệnh dừng tạm thời G04 ............................................................... 35
2.2.9. Trở về điểm gốc chính của máy hoặc gốc thứ 2, 3, 4 ................... 35

2.2.10. Bù bán kính dụng cụ G40, G41và G42 ....................................... 36
2.3.11. Lựa chọn hệ tọa độ máy G53 ...................................................... 37
2.3. Bảng mã M ........................................................................................... 38
2.3.1. Dừng chương trình và dừng lựa chọn M00, M01 ......................... 41
2.3.2. M02, M30 kết thúc chương trình và lặp lại chương trình ............ 42


2.3.3. Quay và dừng trục chính M03, M04, M05 ................................... 43
2.3.4. Đổi dụng cụ M06 [18] ................................................................... 43
2.3.5. Bật tắt dung dịch trơn nguội M08, M09 ....................................... 43
2.3.6. Khóa trục chính M19 .................................................................... 44
2.3.7. Tắt nguồn tự động M20................................................................. 44
2.3.8. Chu trình cất dụng cụ M33 ........................................................... 44
2.3.9. Bật và tắt quá trình thổi khí M51, M59 [11] ................................. 45
2.3.10. Gọi chương trình con và trở về từ chương trình con M98, M99 45
2.4. Mã lệnh T, S và F ................................................................................. 46
2.4.1. Mã lệnh T ...................................................................................... 46
2.4.2. Mã lệnh S ...................................................................................... 46
2.4.3. Mã lệnh F ...................................................................................... 46
2.5. Mã lệnh D và H .................................................................................... 47
2.5.1. Mã lệnh D ...................................................................................... 47
2.5.2. Các thuật ngữ giải thích chức năng bù bán kính dụng cụ ............. 47
2.5.3. Mã lệnh H ...................................................................................... 48
2.6. Kết luận ................................................................................................ 49
Chương 3: GIỚI THIỆU TRUNG TÂM GIA CÔNG TNV-40A .............. 50
3.1. Giới thiệu chung ................................................................................... 50
3.2. Phạm vi sử dụng ................................................................................... 51
3.3. Bảng điều khiển.................................................................................... 51
3.3.1. Cấu tạo........................................................................................... 51
3.3.2. Các phím ....................................................................................... 52

3.3.3. Các công tắc .................................................................................. 52
3.4. Thông số kỹ thuật [11] ......................................................................... 53
3.5. Các chuyện động chính của máy.......................................................... 53
3.5.1. Chuyện động chạy dao .................................................................. 54
3.5.2. Các nhiệm vụ chuyển động chạy dao ........................................... 54
3.5.3. Kết cấu vít me - Đai ốc bi ............................................................. 55
3.5.4. Chuyển động của đầu trục chính ................................................... 56
3.6. Yêu cầu kĩ thuật của trục chính ............................................................ 57
3.7. Cấu hình chuẩn ..................................................................................... 57
3.8. Phần mềm điều khiển trên PC .............................................................. 58
3.8.1. Biên soạn chương trình ................................................................. 58
3.8.2. Mô phỏng ...................................................................................... 58
3.8.3. Thực hiện gia công ........................................................................ 58
3.8.4. Chế độ điều khiển bằng tay ........................................................... 58
3.8.5. Chức năng đặc biệt ........................................................................ 58
3.9. Kết luận ................................................................................................ 59
Chương 4: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MASTERCAM GIA CÔNG ........ 60


CHI TIẾT THÉP 45 CÓ BỀ MẶT PHỨC TẠP TRÊN ............................. 60
MÁY PHAY CNC TNV-40A ..................................................................... 60
4.1. Giới thiệu tổng quan về phần mềm Mastercam ................................... 60
4.2. Ứng dụng phần mềm Inventor tạo sản phẩm có bề mặt phức tạp ....... 61
4.2.1. Bản vẽ bơm bánh răng thủy lực lệch tâm, dao đột lỗ trên phong bì
. ................................................................................................................ 61
4.2.2. Thiết kế trên phần mềm Inventor profession 2008. ...................... 62
4.3. Ứng dụng Mastercam để biên dịch chương trình. ............................... 63
4.3.1. Chọn máy và định nghĩa phôi ....................................................... 64
4.3.2. Chọn phương pháp cắt để gia công thô ......................................... 68
4.3.3. Chọn dao và các thông số công nghệ. ........................................... 71

4.3.4 Lựa chọn gia công tinh chi tiết ....................................................... 80
4.3.5. Mô phỏng quá trình cắt gọt ........................................................... 84
4.3.6. Xuất chương trình NC và chỉnh sửa chương trình NC ................. 85
4.4. Kết nối chương trình NC từ máy tính sang máy CNC ......................... 87
4.5. Gia công trên máy phay CNC .............................................................. 88
4.6. Kết luận ................................................................................................ 92
KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ ......................................................................... 93
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................... 94


MỞ ĐẦU
Một trong những thành tựu quan trọng nhất của tiến bộ khoa học là tự động
hóa sản xuất. Phương thức cao của tự động hóa sản xuất là sản xuất linh hoạt. Trong
dây chuyền sản xuất linh hoạt thì máy điều khiển số CNC (Computer Numerical
Control) đóng vai trò quan trọng. Sử dụng máy điều khiển số CNC cho phép giảm
khối lương, thời gian gia công chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công và đạt hiểu
quả kinh tế đồng thời rút ngắn chu kỳ sản xuất.
Chính vì vậy hiện nay nhiều nước trên thế giới nói chung cũng như Việt Nam
nói riêng đã và đang ứng dụng rộng rãi các máy điều khiển số trong lĩnh vực cơ khí
chế tạo. Nhưng để sử dụng hiệu quả các máy công cụ CNC trong gia công một số
chi tiết có bề mặt phức tạp trên vật liệu thép 45 là vấn đề cấp thiết mà nhiều doanh
nghiệp mong muốn các nhà khoa học tham gia giải quyết.
Từ những cấp thiết trên chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu với đề tài “Lập
trình gia công chi tiết thép 45 một số bề mặt phức tạp trên máy phay CNC” và
mục tiêu đặt ra là nghiên cứu phương pháp lập trình và thực hiên cắt thử chi tiết có
bề mặt phức tạp trên máy phay CNC. Tác giả đi sâu giải quyết các vấn đề chính sau:
Chương 1. Tổng quan về điều khiển số và lịch sử phát triển của máy CNC
Chương 2. Lập trình trên máy phay CNC
Chương 3. Giới thiệu trung tâm gia công TNV-40A
Chương 4. Ứng dụng phần mềm Mastercam gia công chi tiết thép 45 có bề mặt

phức tạp trên máy phay CNC TNV-40A
Xin chân thành cảm ơn GS TS. Trần Văn Địch người đã tận tình hướng dẫn
em hoàn thành luận văn này. Chân thành cảm ơn Viện đào tạo sau đại học, Viện cơ
khí Trường ĐHBK Hà Nội. Cảm ơn Trường CĐN KTCN Việt Nam - Hàn Quốc,
Khoa cơ khí đã tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành đề tài này.
Tác giả rất mong muốn nhận được sự góp ý của quý thầy cô và các đồng
nghiệp để công trình được hoàn thiện hơn.

1


Chương 1:

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ
LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY CNC

1.1. Tổng quan về điều khiển số.
Điều khiển số ra đời với mục đích điều khiển các quá trình công nghệ gia công
cắt gọt trên các máy công cụ. Về thực chất, đây là một quá trình tự động điều khiển
các hoạt động của máy (như máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu
hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi và sản phẩm...)trên cơ sở các dữ liệu
được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân, các
chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết bị hay
hệ thống.
Trước đây, cũng đã có các quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theo
chương trình bằng các kỹ thuật chép hình theo dưỡng, chép hình bằng hệ thống thủy
lực, cam hoặc điều khiển bằng mạch logic... Ngày nay, với việc ứng dụng các thành
quả tiến bộ của Khoa Học – Công Nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển số và tin
học đã cho phép các nhà chế tạo máy nghiên cứu đưa vào máy công cụ các hệ thống
điều khiển cho phép thực hiện các quá trình gia công một cách linh hoạt hơn, thích

ứng với nền sản xuất hiện đại và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn.
1.1.1. Điều khiển không theo số.
Hệ thống điều khiển không theo số có các loại như sau: điều khiển bằng các
cam, điều khiển bằng quãng đường, điều khiển theo thời gian và điều khiển theo
chu kỳ [7].
* Hệ thống điều khiển theo cam
Theo hệ thống này thì quãng đường (hành trình) L
được xác định theo công thức: L = S0.K (1.1)
Ở đây: So - khoảng nâng Prôfin của cam (mm)
K - Tỷ số truyền trung gian (trên hình 1.1 ta có K =
L2/L1)

Hình 1.1 Điều khiển theo cam

2


* Hệ thống điều khiển theo quãng đường

Hình 1.2 Điều khiển theo quãng đường
Ở đây, đại lượng hành trình của cơ cấu chấp hành được giới hạn bởi hai bộ
chuyển hành trình KBB và KBH: KBB giới hạn di chuyển của cơ cấu chấp hành về
bên trái hay về phía trước; KBH giới hạn di chuyển cơ cấu chấp hành về bên phải
hay phía sau. Đại lượng hành trình L được xác định như sau [10]:
L = b - a = b 1 + b 2 - a2 + a 1

(1.2)

Ở đây: a1, a2, b1, b2 - toạ độ của các chốt và các bộ chuyển hành trình (mm);
a - Khoảng cách giữa các chốt trên cơ cấu chấp hành;

b - Khoảng cách giữa hai bộ chuyển hành trình.
* Hệ thống điều khiển thời gian
Trong hệ thống điều khiển này thì cơ
cấu chấp hành được điều khiển bằng bộ
điều khiển. Bộ điều khiển ở đây là một chi
tiết hình tang trống mà trên nó có một số
đường rãnh nhất định. Trên các đường rãnh
này có gá các cam. Các cam này được 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

Hình 1.3. Điều khiển thời gian
3


chuyển về bên trái" (theo cữ KBH) hoặc điều khiển "dịch chuyển về bên phải" (theo
cữ KBK).
Chiều dài hành trình được xác định theo công thức:

L

 .V .T
(1.3)

360

Ở đây: T - thời gian quay một vòng của bộ điều khiển (ph);
- góc gá cam (0);
V - tốc độ trung bình của cơ cấu chấp hành (m/ph).

* Hệ thống điều khiển theo chu kỳ
Hệ thống điều khiển này là tổng hợp của hai hệ thống điều khiển theo quãng
đường và thời gian. Ở đây đại lượng hành
trình được xác định bằng các cữ hành trình
trong hệ thống điều khiển theo quãng
đường hoặc bởi bộ điều khiển trong hệ
thống điều khiển thời gian. Trên (hình 1.4)
ta thấy, khi bộ điều khiển tác động vào rơ
le "tiến" thì cơ cấu chấp hành dịch chuyển

Hình 1.4 Điều khiển theo chu kỳ

phía trước, khi bộ điều khiển tác động vào
rơ le "lùi" thì cơ cấu chấp hành dịch

chuyển sang phía sau (về bên phải). Dĩ nhiên, bộ điều khiển chỉ tác động vào rơ le
"lùi" khi cơ cấu chấp hành chạm vào cữ hành trình KBB. Khi cơ cấu chấp hành dịch
chuyển về bên phải thì rơ le "tiến" không làm việc. Rơ le "tiến" chỉ hoạt động khi cơ
cấu chấp hành chạm vào cữ hành trình KBH và lúc ấy chu kỳ mới được lặp lại. Ta
thấy các hệ thống điều khiển trên đây tuy không giống nhau nhưng đại lượng hành
trình lại được điều khiển giống nhau (liên tục). Điều đó có nghĩa là điều khiển theo
chương trình số [8].

4


1.1.2. Điều khiển số.
Điều khiển số là hệ thống điều khiển mà mỗi hành trình được điều khiển theo
số. Mỗi thông tin đơn vị ứng với một dịch chuyển gián đoạn của cơ cấu chấp hành.
Đại lượng này có tên gọi là "khả năng giải quyết" của hệ thống hay là giá trị xung.

Cơ cấu chấp hành có thể dịch chuyển với một đại lượng bất kỳ nào ứng với giá trị
xung. Như vậy, khi biết giá trị xung q và đại lượng dịch chuyển L của cơ cấu chấp
hành, ta có thể xác định số lượng xung N cần thiết tác động để có lượng dịch
chuyển L:
L = q.N.

(1.4)

Số lượng xung N được ghi trên kênh thông tin được gọi là một chương trình
xác định đại lượng thông tin kích thước. Các thông tin cần thiết được ghi trên băng
đục lỗ hoặc băng từ. Số lượng thông tin được ghi trong một hệ thống mã hoá nhất
định [9].
1.1.3. Mã hoá thông tin.
Con người và máy quan hệ với nhau bằng một ngôn ngữ mà máy có thể hiểu
được. Máy phải đọc được chương trình do con người ghi và thực hiện theo chương
trình đó. Khi cơ cấu điều khiển số bị hỏng, chương trình có sai sót thì điều khiển số
sẽ truyền thông tin về nguyên nhân ngừng hoạt động.
* Chữ cái
Chữ cái của mã số là tập hợp các ký hiệu được dùng khi 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 mạng của băng đục lỗ có thể có hoặc không có lỗ.... Một trạng thái
ứng với ký hiệu 1 (cấp dòng năng lượng chẳng hạn), còn trạng thái khác ứng với ký
hiệu 0 (ngắt dòng năng lượng chẳng hạn). Vì vậy chữ cái của mã số chỉ chứa hai ký
hiệu {0,1} [11].
* Mã thập phân
Cơ sở của hệ thập phân (mã thập phân) là số 10. Hệ thống này có 10 ký tự:
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9.

5

Người ta chọn hệ thập phân để tính là xuất phát từ lịch sử tính toán bằng 10
ngón tay.
Theo hệ thập phân thì số 3807,45 được viết như sau: 3.103 + 8.102 + 0.101 +
7.100 + 4.10-1 + 5.10-2. Ta thấy, ví trị đầu tiên bên trái dấu phẩy ứng với số mũ 0
đi vè bên trái của dấu phẩy, các số mũ luỹ thừa tăng dần (2,3). Đi về bên phải của
dấu phẩy số mũ lũy thừa giảm dần: - 1, -2, -3... Ví dụ, trong trường hợp phân tích số
3807,45 thì số mũ luỹ thừa giảm như sau: -1, -2 (bằng các chữ số đứng đằng sau
dấu phẩy). Mã số thập phân tuy chứa được nhiều dung lượng nhưng lại rất phức tạp
khi tính toán [7].
* Mã số đơn vị
Mã số đơn vị là một loại mã số trong đó mỗi số được biểu thị bằng số lượng
các ký hiệu chữ số 1.
Hệ thống mã số đơn vị có ưu điểm là đơn giản, dễ sử dụng. Nó được sử dụng
để ghi số lượng các xung trên băng từ. Tuy nhiên, mã số đơn vị có nhược điểm là
cồng kềnh, phức tạp.
* Mã nhị phân
Cơ sở của mã nhị phân là số 2. Đa số 2 lên cấp có số mũ nguyên dương
(0,1,2,3..) ta sẽ được dãy số 20, 21, 23, 24…ứng với dãy số 1,2,3,4,8,16... Bất kỳ
một số nào trong hệ nhị phân là tổ hợp của chữ số 0 và 1 [11]. Để chuyển số từ hệ
tính thập phân sang hệ tính nhị phân cần phải chia tuần tự số thập phân cho 2
1.2. Lịch sử phát triển của các máy CNC.
Ý tưởng điều khiển một dụng cụ thông qua chuỗi lệnh kế tiếp liên tục, mà
chúng được ứng dụng trong các máy điều khiển CNC ngày nay đã được phát triển
từ thế kỷ thứ 14. Bắt đầu từ những cụm chuông được điều khiển bởi các trục đục lỗ
[11].
1808 Josehp M. Jacqard đã dùng bìa tôn có đục lỗ để điều khiển các máy dệt.
Vật mang tin có thể thay thế được dùng để điều khiển máy đã được phát minh.

6

1863 M. Fourneaux đã sáng chế ra đàn Dương Cầm tự động, có dùng một bìa
giấy khổ 30cm với các lỗ tương ứng để điều tiết khí nén, tác động lên hệ phím ấn cơ
khí tạo ra nhạc điệu. Phương pháp này đã được tiếp tục phát triển để sau đó có thể
điều khiển cả âm lượng. Băng giấy đã trở thành vật mang tin và kỹ thuật điều khiển
các chức năng phụ đã được phát minh.
1938 Claude E. Shanon đã thành công việc tính toán và chuyển nhanh dữ liệu
ở dạng nhị phân có vận dụng lý thuyết đại số BOOL và xác nhận công tắc điện tử
là thành phần hiện thực duy nhất cho giải pháp này.
1946 Tiến sĩ John W.Mauchyly và J.Preper Eckrt đã cung cấp máy tính số
điện tử đầu tiên có tên là ENIAC cho quân đội Hoa Kỳ. Cơ sở của kỹ thuật xử lý dữ
liệu điện tử đã được tạo lập.
1949 - 1952 Jonh 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 công một chi tiết. Parons đã công bố luận điểm cơ bản về ý
tưởng này như sau:
- Lưu trữ các vị trí đã tính toán ở bìa đục lỗ;
- Bìa đục lỗ được đọc tự đồng trên máy;
- Các vị trí đã được đọc phải được thông báo liên tục và các giá trị trung gian
bổ sung phải được tính toán cho các giá trị trung gian nội sao cho động cơ Servo
(vô tốc độ) có thể điều khiển chuyển động của các trục.
Với một máy như vậy cần phải chế tạo được các phần tử thích hợp ngày càng
phức tạp hơn. Những chi tiết đó vào thời kỳ này đã được miêu tả chính xác với một
số ít các dữ liệu toán học. Nhưng việc chế tạo chúng bằng tay rất khó khăn.
Năm 1952 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 đường thẳng đồng thời theo ba trục và nhận dữ liệu thông qua băng đục lỗ mã

nhị phân (Benary Code Punched Band).

7


1954 Bendix chế tạo ra hệ điều khiển NC hoàn chỉnh đầu tiên có dùng các đèn
điện tử.
1957 Không lực Hoa Kỳ đã lắp đặt những máy phay NC đầu tiên.
1958 ngôn ngữ lập trình biểu tượng hoá (Symbolish) đầu tiên là công cụ lập
trình tự động APT (Automatically Programmed Tool) đã được giới thiệu trong quan
hệ liên kết với máy tính IBM 704.
1960 các hệ điều khiển NC trong kỹ thuật đèn bán dẫn (Transitor) đã thay thế
các hệ điều khiển cũ (dùng đèn điện tử).
1965 giải pháp thay dụng cụ tự động ATC (Automatic Tool Change) đã nâng
cao trình độ tự động hoá khâu gia công.
1968 kỹ thuật mạch tích hợp IC (Intergated Circuits) làm cho các hệ điều
khiển có kích thước 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 đã được thiết lập tại Mỹ bằng hệ điều khiển Sundstrand và máy tính
IBM. Giải pháp thay bệ phiến gá phôi tự động (Automatic Palete Change).
1972 hệ điều khiển NC đầu tiên có lắp đặt một máy tính nhỏ được chế tạo
hàng loạt đã tạo ra một thế hệ mới có tiềm lực mạnh hơn, đó là điều khiển số dùng
máy tính nhỏ CNC nhưng thế hệ này lại được 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 xử 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 độ hoạ, đã
đạt những chuẩn mực mới cao hơn đối với việc lập trình tại xưởng sản xuất.

8


1985/1986 hệ điều khiển CNC với các lập trình tương tác đồ hoạ
(Graphicinteeractive progamming) tiến thêm một bước phát triển "lập trình tại phân
xưởng".
1986/1987 các dao diện tiêu chuẩn hóa (Standard interfaces) mở ra con đường
tiến tới công xưởng tự động hóa trên cơ sở một hệ thống trao đổi thông tin liên
thông CIM.
1990 Các giao điện số (Digital intefaces) giữa các hệ điều khiển NC và các hệ
khởi động, cải thiện độ chính xác và đáp ứng điều kiện của các trục NC và trục
chính của máy.
1992 Các hệ thống của 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 centres).

Hình 1.5. Lịch sử phát triển của CNC
1994 Kép khín chuỗi quá trình CAD/CAM/CNC bằng cách sử dụng hệ
NURBS (Not Uniforme Rationale B - Splines) làm phương pháp nội suy
(interpolation method) trong các hệ CNC. NURBS là phương pháp dùng để diễn tả
toán học đối với các bề mặt thông thường và các bề mặt đặc biệt bằng các điểm và
các thông số (parameters) tạo thành mô hình lưới gồm nhiều nút để diễn tả bề mặt

9

đạt độ mịn và độ sắc nét cao. Những hệ thống CAD/CAM mới xử lý trực tiếp từ hệ
CAD. Trong hệ CNC giải pháp này giảm được khối lượng dữ liệu, nâng cao độ
chính xác và tốc độ xử lý tạo ra chuyển động đều đặn của máy, tăng tuổi thọ của
máy và dụng cụ [5].
1.3. Các hệ điều khiển số.
* Hệ thống điều khiển NC
Hệ thống NC đầu tiên ra đời do nhu cầu chế tạo các chi tiết phức tạp với số
lượng ít. Trong hệ thống NC các thông số hình học của chi tiết và các lệnh điều
khiển máy được cho dưới dạng dãy các con số.
+ Đưa dữ liệu vào hệ thống
Toàn bộ các chỉ dẫn gia công được in vào băng đục lỗ dưới dạng các câu lệnh
của chương trình. Mỗi câu lệnh được đọc trong hệ thống điều khiển NC, đồng thời
đưa vào các bộ phận hiệu chỉnh dụng cụ cần thiết và xê dịch các điểm (0).
+ Xử lý dữ liệu và đưa dữ liệu ra
Các thông tin đưa vào hệ thống điều khiển được mã hoá và tách thành thông
tin hình học và thông 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 máy.

Hình 1.6. Chu trình điều khiển trong các hệ điều khiển NC

10


Mỗi một bàn trượt của máy có trang bị một hệ thống dò dịch chuyển để xác
định vị trí của bàn trượt và báo cho thiết bị so sánh giá trị thực với giá trị đã cho
trong bộ so sánh của hệ thống điều khiển, sai lệch này sẽ được biến đổi thành các
tác động điều khiển cụm chạy dao. Khi sai lệch điều khiển bằng 0 tức là đã đạt được
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 được xác định nhờ máy

phát đo tốc độ lắp trong động cơ chạy dao.
+ Bộ thích nghi
Các thông tin hình học và thông tin công nghệ chuyển qua bộ thích nghi. Bộ
thích nghi có chức năng như một mắt xích nối giữa máy CNC và hệ thống điều
khiển. Kết nối các lệnh điều khiển NC với các thông báo từ máy trở lại. Chúng có
chức năng chính như là các chuyển đổi liên động, cho khả năng tránh được việc
thực hiện các lệnh không hợp lý. Ví dụ: khi mâm cặp của máy tiện chưa kẹp chặt.
Bộ thích nghi không phát lệnh chạy dao mặc dù hệ thống điều khiển có phát lệnh
dịch chuyển [3].
* Hệ thống điều khiển CNC
Điều khiển NC có nhược điểm là kém linh hoạt, tốn thời gian trong việc thay
đổi chương trình vì phải sửa lại các băng đục lỗ. Ngày nay hệ thống điều khiển NC
được thay thế rộng rãi bằng các hệ thống điều khiển CNC là có sự can thiệp của
máy tính. Trong các hệ thống điều khiển này có một chương trình hệ thống CNC do
nhà chế tạo cài đặt trong máy tính. Thông qua các phần mềm riêng lẻ, ví dụ: chương
trình giải mã và hệ điều hành chương trình mà các chức năng CNC riêng lẻ được
thực hiện.
+ Đưa dữ liệu vào hệ thống
Trong hệ thống NC thông thường chương trình gia công làm chỉ một lần trên
băng đục lỗ và nằm trong bộ phận lưu giữ chương trình. Hệ thống điều khiển CNC
chương trình gia công có thể đưa vào trong hệ thống điều khiển của hệ điều khiển
số khi lập trình, xử lý dữ liệu và đưa dữ liệu ra.

11


Hình 1.7. Các dòng thông tin trong điều khiển CNC
Chương trình gia công được đưa vào có thể gọi ra bất cứ lúc nào từ bộ phận
lưu trữ chương trình gia công. Việc sửa chữa, thay đổi và tối ưu một chưng 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 dự liệu hình học, dữ
liệu công nghệ là do chương trình điều hành đối với bộ phận lưu giữ chương trình
sẽ điều khiển bộ chỉ dẫn các câu lệnh, chỉ dẫn các câu lệnh, chỉ dẫn các chương
trình con và nội dung các chương trình gia công đang có trong bộ lưu giữ chương
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
đưa chương trình vào một cách nhanh chóng và tránh được các sai sót.
+ Bộ thích nghi
Bộ thích nghi trong hệ điều khiển NC thông thường là một bộ chuyển đổi liên
động. Trong hệ điều khiển CNC bộ chuyển đổi liên động được thay thế bằng bộ

12


điều khiển chương trình lưu trữ, bộ điều khiển chương trình đã được lưu trữ sẽ theo
dõi và ghép nối chức năng vận hành máy đến từ hệ điều hành khiển CNC và máy.
+ Sơ đồ hệ điều khiển CNC
Các hệ điều khiển CNC hiện nay được cấu tạo để khi mở rộng hệ điều khiển
có thể bổ sung thêm cho các chức năng đã có các mô đun mở rộng. Vì vậy các hệ
điều khiển được 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
thường sử dụng cả phần cứng lẫn phần mềm.
* Hệ thống DNC
DNC viết tắt (Direct Numerial Control) để biểu thị một hệ thống trong đó
nhiều máy CNC được nối với một máy tính gia công.
Các chương trình NC sẽ được sử dụng, lưu 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 của từng
máy.

Hình 1.8. Phương án nhiều bộ vi xử lý

13


Trong các phân xưởng có hệ thống DNC các chương trình NC được lập và đưa
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 tương ứng cho việc
biên dịch DNC cung cấp cho cho các máy CNC riêng biệt các thông tin điều khiển.

Hình 1.9. Hệ thống DNC
NC lập trình bằng máy đòi hỏi đối với từng kiểu điều khiển một chương trình
dịch riêng (Postprocessor). Trong phân xưởng có nhiều máy CNC, các trang bị công
nghệ được lưu giữ và điều hành trong một ngân hàng giữ liệu trung tâm của máy
tính [4].
Nhờ đó, các dữ liệu về dụng cụ và trang thiết bị công nghệ được gọi ra trên
màn hình. Các hệ thống DNC có các ưu điểm sau:
- Có một ngân hàng dữ liệu trung tâm cho biết các thông tin của chương trình,
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.

14


* Điều khiển thích nghi AC (Adaptive Control)
Điều khiển thích nghi AC là điều khiển tự động quá trình gia công không có
tác động của người vận hành máy. Nhằm tự động thay đổi các thông số gia công
theo ảnh hưởng không thể dự kiến trước trong quá trình gia công. Ví dụ: Kích thước

phôi thay đổi khi điều khiển thích nghi sẽ thay đổi tốc độ chạy dao cho phù hợp.
Tuỳ theo mục tiêu sử dụng người ta phân chia các hệ thống điều khiển thích nghi
thành:
- Điều khiển thích nghi cưỡng bức ACC (Adaptive Control Constrain);
- Điều khiển thích nghi tối ưu ACO (Adaptive 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 lượng chạy dao và số vòng quay của dao phải
được điều khiển sao cho đảm bảo công suất cắt tối đa cho phép.
ACO dùng cho việc tối ưu hoá các quá trình gia công nhằm giảm thời gian gia
công hoặc giảm giá thành gia công có chú ý đến nhiều yếu tố ảnh hưởng ngược
nhau (công suất cắt cao sẽ làm giảm tuổi bền của dụng cụ cắt). Hiện nay các hệ
thống ACO ứng dụng nhiều trong gia công bằng mài và gia công bằng tia lửa điện.
Hệ thống điều khiển thích nghi được ứng dụng rộng rãi cho các chức năng bổ sung
thêm của các hệ điều khiển CNC như tự động theo dõi dụng cụ cắt và đo chi tiết
trong quá trình gia công [3].
* Hệ thống gia công linh hoạt FMS (Flexble manufaceturing systems)
Sự đa dạng của sản phẩm dẫn đến giảm số lượng chi tiết gia công trong một
loạt và làm tăng giá thành. Một số ngành công nghiệp chế tạo do số lượng kiểu sản
phẩm và các phương án mẫu ngày càng tăng. Dây chuyền sản xuất truyền thống
không hiệu quả kinh tế đối với khối lượng 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 với số lượng 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 [1].
Tuỳ theo tính linh hoạt và năng suất, người ta phân loại các hệ thống gia công
linh hoạt thành:

15