Nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển cho máy phay gỗ CNC BKRW2014

LUẬN VĂN THẠC SĨ
MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................1
DANH MỤC HÌNH ẢNH .........................................................................................5
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................8
LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................9
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................11
1.

Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................12

2.

Mục đích nghiên cứu ......................................................................................12

3.

Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài....................................................................12

4.

Phƣơng pháp nghiên cứu ...............................................................................13

5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài......................................................13

CHƢƠNG 1: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC ........................................14
1.1.
TÌM HIỂU VỀ MÁY CÔNG CỤ CNC [1] ..............................................14
1.1.1. Lịch sử phát triển của kỹ thuật CNC .......................................................14

1.1.2. Lịch sử phát triển của máy CNC trên thế giới và ở Việt Nam ................15
1.1.3. So sánh máy công cụ thông thường và máy CNC ...................................16
1.1.4. Một số loại máy CNC hiện nay[11] .........................................................19
1.1.5. Đặc điểm của máy công cụ CNC hiện đại ...............................................20
1.2.
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC [2] .............................................26
1.2.1. Nguyên lý điều khiển và làm việc của CNC [2] ......................................26
1.2.1.1 Nguyên lý điều khiển............................................................................26
1.2.1.2. Nguyên lý làm việc ..............................................................................27
1.2.2. Hệ thống điều khiển số [3] .......................................................................30
1.2.2.1. Ưu điểm của máy điều khiển số so với điều khiển thường .............30
1.2.2.2. Đặc trưng cơ bản của máy điều khiển số (NC, CNC) .....................30
1.2.2.3. Phân loại hệ thống điều khiển máy công cụ ....................................31
1.2.2.4. Cấu thành hệ thống điều khiển số ...................................................32
1.2.2.5. Phân loại hệ thống điều khiển .........................................................34

-1-


LUẬN VĂN THẠC SĨ
a. Hệ thống điềukhiển chu trình hở ..............................................................35
b. Bộ điều khiểnchu trìnhnửa kín .................................................................36
c. Điềukhiển chutrìnhkín (closedloop system) ............................................37
d. Hệđiềukhiển chu trìnhhỗn hợp .................................................................38
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ........................................................................................40
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN, THIẾT
KẾ VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY
GỖ CNC BKRW 2014 ............................................................................................41
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN [1] ...........................41
2.1.1. Động cơ bước dẫn động các trục [4]...........................................................41

2.1.1.1. Khái niệm động cơ bước .....................................................................41
2.1.1.2. Đặc tính động cơ bước và phương pháp điều khiển ............................42
a. Phương pháp băm xung với tần số không đổi ..........................................43
b. Phương pháp băm xung duy trì toff không đổi ..........................................43
c. Phương pháp băm xung với tần số tự do ..................................................44
2.1.1.3. Phân tích và lựa chọn loại động cơ phù hợp cho hệ thống ..................45
2.1.1.4. Mạch điều khiển động cơ bước ...........................................................47
a. L297 .....................................................................................................47
b. L298N ..................................................................................................48
2.1.2. Biến tần điều khiển trục chính [6] ..............................................................50
2.1.2.1. Khái niệm ............................................................................................50
2.1.2.2. Nguyên lý hoạt động của biến tần .......................................................51
2.1.3. Encoder và công tắc hành trình[6] ..............................................................51
2.1.3.1. Encoder ................................................................................................51
2.1.3.2. Công tắc hành trình .............................................................................53
2.2. LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY
GỖ CNC[8] ..............................................................................................................55
2.2.1. Card điều khiển NC Studio .........................................................................55
2.2.2. Động cơ dẫn động các trục[4].....................................................................56
2.2.2.1. Động cơ dẫn động trục X và trục Y ....................................................56
2.2.2.2. Động cơ dẫn động trục Z .....................................................................57
2.2.3. Driver điều khiển động cơ các trục[9] ........................................................57
2.2.3.1. Driver điều khiển động cơ trục X và trục Y ........................................58
2.2.3.2. Driver điều khiển động cơ trục Z ........................................................58
2.2.3.3. Đặc điểm của Driver điều khiển ..........................................................59
2.2.4. Biến tần điều khiển trục chính[6] ...............................................................60
2.2.5. Động cơ trục chính[4] .................................................................................62
-2-

LUẬN VĂN THẠC SĨ
2.3.

SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG[10] ...................................................62

2.4.
ĐI DÂY CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN[12] ..........66
2.4.1. Card NC Studio[9] ...................................................................................66
2.4.2. Biến tần động cơ trục chính[6] ................................................................67
2.4.3. Nối dây nguồn vào biến tần và dây ra động cơ:[7] ..................................67
2.4.4. Driver điều khiển các trục[9] ...................................................................68
2.5.
ĐI DÂY VÀ THIẾT KỂ TỦ ĐIỀU KHIỂN[7] ........................................70
2.5.1. Mạch động lực máy phay gỗ CNC[7] ......................................................70
2.5.2. Sơ đồ đi dây trong tủ điều khiển[7] .........................................................72
2.5.2.1. Những yêu cầu về đấu nối và đi dây ...............................................72
2.5.2.2. Sơ đồ đi dây trong tủ điều khiển .....................................................73
2.5.3. Thiết kế tủ điều khiển[7] ..........................................................................74
2.5.3.1. Các bước thiết kế tủ điều khiển .......................................................74
2.5.3.2. Thiết kế tủ........................................................................................74
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ........................................................................................77
CHƢƠNG 3: THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN MÁY CNC
GIA CÔNG GỖ BKRW 2014 ................................................................................78
3.1. Đặc tính máy CNC 3 trục gia công gỗ……………………………………...78
3.2. Xác định thông số đầu vào và đầu ra quá trình thực nghiệm. Cài đặt phần
mềm điều khiển trƣớc khi gia công[8]...................................................................80
3.2.1. Xác định thông số đầu vào ..........................................................................80
3.2.2. Xác định thông số đầu ra ............................................................................80
3.2.3. Phần mềm điều khiển và cài đặt phần mềm điều khiển trước gia công .....80
3.2.3.1. Phần mền điều khiển NC Studio .........................................................80

3.2.3.2. Cài đặt các thông số công nghệ và hiệu chỉnh máy.............................82
a. Cài đặt các thông số vận hành ..................................................................82
b. Cài đặt thông số sản xuất .........................................................................85
3.3. Thực nghiệm và kết quả thực nghiệm[8] .......................................................88
3.3.1. Các phép thử ...............................................................................................88
3.3.1.1. Tranh họa tiết thủng.............................................................................88
a. Phép thử ....................................................................................................88
b. Kết quả .....................................................................................................88
3.3.1.2. Tranh hoa sen ......................................................................................89
a. Phép thử ....................................................................................................89
b. Kết quả .....................................................................................................90
-3-


LUẬN VĂN THẠC SĨ
3.3.1.3. Tranh Logo Bách Khoa .......................................................................91
a. Phép thử ....................................................................................................91
b. Kết quả .....................................................................................................92
3.3.1.4. Tranh chùa một cột ..............................................................................93
a. Phép thử ....................................................................................................93
b. Kết quả .....................................................................................................94
3.3.1.5. Tranh chim hót mùa xuân ....................................................................95
a. Phép thử ....................................................................................................95
b. Kết quả .....................................................................................................95
3.3.1.6. Tranh cửu ngư quần tụ.........................................................................96
a. Phép thử ....................................................................................................96
b. Kết quả .....................................................................................................97
3.3.1.7. Bộ tranh tứ quý( 4 bức) .......................................................................97
a. Phép thử ....................................................................................................97
b. Kết quả .....................................................................................................98

3.3.1.8. Tranh Vinh quy bái tổ..........................................................................99
3.3.1.9. Tranh Mã đáo thành công ..................................................................100
a. Phép thử ..................................................................................................100
b. Kết quả ...................................................................................................101
3.3.2. Đánh giá kết quả thử nghiệm ....................................................................102
3.4. Một số sự cố điều khiển và khắc phục[8] .....................................................104
3.4.1. Lỗi L01: Lỗi chạy vượt quá hành trình máy .............................................104
3.4.2. Lỗi L02: Lỗi quá tải động cơ ....................................................................106
3.4.3. Xử lý sự cố mất điện .................................................................................108
KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ......................................................................................109

-4-


LUẬN VĂN THẠC SĨ
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1. Lịch sử phát triển kỹ thuật CNC .............................................................. 14
Hình 1. 2. Máy phay CNC ......................................................................................... 19
Hình 1. 3. Máy tiện CNC ........................................................................................... 20
Hình 1. 4. Máy mài và máy khoan CNC ................................................................... 20
Hình 1. 5. Các thành phần cơ bản của máy công cụ CNC ....................................... 21
Hình 1. 6. Các trục NC điều khiển được trên máy tiện ............................................. 22
Hình 1. 7. Các trục NC có thể điều khiển trên máy phay ........................................ 22
Hình 1. 8. Truyền động bước tiến của bàn máy với vít me bi (1- động cơ bước tiến,
2 – bàn máy, 3 – hệ thống đo, 4 – vít me bi, 5 – đai ốc bi) ....................................... 23
Hình 1. 9. Truyền động vít me bi với đai ốc hai nửa không có khe hở (1 – đai ốc bi,
2 – vòng đệm, 3 – vòng cách điều chỉnh khe hở, 4 – trục truyền động) ................... 23
Hình 1. 10. Đầu rơvolve chứa dao ............................................................................ 24
Hình 1. 11. Thiết bị thay dao tự động ....................................................................... 25
Hình 1. 12. Cấu trúc điều khiển CNC ....................................................................... 26

Hình 1. 13. Sơ đồ hệ thống điều khiển số trong máy công cụ CNC.......................... 28
Hình 1. 14. Cấu thành của hệ điều khiển CNC ......................................................... 32
Hình 1. 15. Cấu thành hệ thống CNC về mặt phần mềm và phần cứng ................... 33
Hình 1. 16. Ba loại vòng lặp điều khiển trong máy CNC ......................................... 35
Hình 1. 17. Hệ thống điều khiển theo chu trình hở .................................................. 36
Hình 1. 18. Điều khiểnchu trình nửakín .................................................................... 37
Hình 1. 19. Hệ thống điều khiển theo chu trình kín (có hồi tiếp vị trí và tốc độ) ..... 38
Hình 1. 20. Bộ điều khiển chu trình hỗn hợp ............................................................ 39
Hình 2. 1. Động cơ bước ........................................................................................... 41
Hình 2. 2. Phương pháp băm xung pha .................................................................... 43
Hình 2. 3. Băm xung duy trì toff không đổi ............................................................... 44
Hình 2. 4. Băm xung tần số tự do .............................................................................. 45
Hình 2. 5. So sánh nhiệt sinh ra của 2 động cơ với cùng chế độ làm việc ............... 45
Hình 2. 6. Đáp ứng tốc độ động cơ ........................................................................... 46

-5-


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hình 2. 7. So sánh tốc độ và momen ......................................................................... 46
Hình 2. 8. L297 và sơ đồ chân .................................................................................. 48
Hình 2. 9. Sơ đồ khối ................................................................................................. 48
Hình 2. 10. Sơ đồ khối L298N ................................................................................... 49
Hình 2. 11. Biến tần và sơ đồ của biến tần ............................................................... 50
Hình 2. 12. Nguyên lý làm việc của biến tần ............................................................ 51
Hình 2. 13. Encoder thực tế ...................................................................................... 52
Hình 2. 14. Cấu tạo chung của cảm biến .................................................................. 53
Hình 2. 15. Công tắc hành trình ............................................................................... 53
Hình 2. 16. Cấu tạo công tắc hành trình .................................................................. 54
Hình 2. 17. Card NC Studio v5.5 .............................................................................. 55

Hình 2. 18. Đầu nối chân từ Card NC ...................................................................... 56
Hình 2. 19. Động cơ Hybrid Servo Motor hãng JMC ............................................... 56
Hình 2. 20. Động cơ Hybrid Servo Motor của hãng Leadshine ............................... 57
Hình 2. 21. Driver Hybrid Step – Servo 2HSS86H hãng JMC ................................. 58
Hình 2. 22. Driver Hybrid – Step Servo HBS86H hãng Leadshine .......................... 59
Hình 2. 23. Sơ đồ nguyên lý Driver .......................................................................... 60
Hình 2. 24. Biến tần LS SV040iG5A - 4 .................................................................... 60
Hình 2. 25. Sơ đồ nguyên lý biến tần ........................................................................ 61
Hình 2. 26. Trục chính hãng Zhen Yu, China ........................................................... 62
Hình 2. 27. Sơ đồ các thành phần điều khiển của máy ............................................. 63
Hình 2. 28. Sơ đồ đi dây chung của hệ thống ........................................................... 64
Hình 2. 29. Sơ đồ chung toàn máy ............................................................................ 65
Hình 2. 30. Sơ đồ nối chân của Card NC ................................................................. 66
Hình 2. 31. Sơ đồ đi dây nguồn và động cơ .............................................................. 67
Hình 2. 32. Sơ đồ đi dây biến tần .............................................................................. 67
Hình 2. 33. Đi dây Driver và động cơ....................................................................... 69
Hình 2. 34. Sơ đồ chân của Driver ........................................................................... 69
Hình 2. 35. Mạch động lực máy phay gỗ CNC ......................................................... 71

-6-


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hình 2. 36. Luật đi dây động lực, dây điều khiển ..................................................... 72
Hình 2. 37. Khoảng cách giữa các dây ..................................................................... 72
Hình 2. 38. Sơ đồ đi dây trong tủ điều khiển ............................................................ 73
Hình 2. 39. Tủ điện điều khiển .................................................................................. 74
Hình 2. 40. Cách nối khung tủ và thông gió tủ điện ................................................. 75
Hình 2. 41. Các phần nối đất và cách nối cửa tủ ..................................................... 75
Hình 2. 42. Tủ điện điều khiển .................................................................................. 76

Hình 3.1.Máy cnc 3 trục gua công gỗ…………………………………………………79
Hình 3.2. Bản vẽ kích thước máy………………………………………………………79
Hình 3.3 Bản vẽ kích tước bàn máy……………………………………………………80
Hình 3. 4. Chế độ vận hành tự động sau khi đã được nạp chương trình .................. 81
Hình 3. 5. Chế độ vận hành tay ................................................................................. 82
Hình 3. 6. Cửa sổ cài đặt các thông số vận hành máy.............................................. 84
Hình 3. 7. Cửa sổ cài đặt thông số sản xuất của máy ............................................... 86
Hình 3. 8. Thông số cài đặt không gian làm việc...................................................... 87
Hình 3. 9. Tham số động cơ ...................................................................................... 87
Hình 3. 10. Các giá trị gia tốc .................................................................................. 87
Hình 3. 11. Các thông số trục chính ......................................................................... 88
Hình 3. 12. Mẫu họa tiết thủng ................................................................................. 88
Hình 3. 13. Kết quả phay mẫu họa tiết thủng ........................................................... 89
Hình 3. 14. Tranh hoa sen ......................................................................................... 90
Hình 3. 15. Kết quả thử nghiệm 2 ............................................................................. 91
Hình 3. 16. Tranh xử lý logo Bách khoa ................................................................... 92
Hình 3. 17. Kết quả phép thử 3 ................................................................................. 93
Hình 3. 18. Tranh chùa một cột ................................................................................ 93
Hình 3. 19. Kết quả phép thử 4 ................................................................................. 94
Hình 3. 20. Tranh chim hót mùa xuân đã xử lý ........................................................ 95
Hình 3. 21. Kết quả phép thử 5 ................................................................................. 96
Hình 3. 22. Tranh cửu ngư quần tụ ........................................................................... 96
Hình 3. 23. Kết quả phép thử 6 ................................................................................. 97
-7-


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hình 3. 24. Bộ tứ quý đã xử lý .................................................................................. 97
Hình 3. 25. Kết quả phép thử 7 ................................................................................. 98
Hình 3. 26. Tranh vinh quy bái tổ đã xử lý ............................................................... 99

Hình 3. 27. Kết quả phép thửu 8 ............................................................................. 100
Hình 3. 28. Tranh mã đáo thành công .................................................................... 100
Hình 3. 29. Kết quả phép thử 9 ............................................................................... 101
Hình 3. 30. Màn hình báo lỗi .................................................................................. 104
Hình 3. 31. Cửa sổ Disable Mechanical Limits... ................................................... 105
Hình 3. 32. Màn hình thông báo hết lỗi .................................................................. 105
Hình 3. 33. Màn hình chính và ô trạng thái báo Limits .......................................... 106
Hình 3. 34. Ô trạng thái cũng báo Limit Y tức là động cơ trục Y đang quá tải ..... 106
Hình 3. 35. Đèn báo từ driver ................................................................................. 107
Hình 3. 36. Bảng điều khiển .................................................................................... 107
Hình 3. 37. Bật động cơ và hệ thống trở về trạng thái bình thường ....................... 108
Hình 3. 38. Cửa sổ tùy chọn Avanced options ........................................................ 108
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1. Bảng so sánh những chức năng cơ bản giữa máy công cụ thông thường,
máy công cụ NC và máy công cụ CNC. .................................................................... 17
Bảng 2. 1. Bảng các tín hiệu logic của 3 chân.......................................................... 68
Bảng 3.1. Bảng đánh giá kết quả thực nghiệm…………………………………………………100

-8-


LUẬN VĂN THẠC SĨ
LỜI NÓI ĐẦU
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển trong đó phải nói đến các thành tựu
về tự động hóa sản xuất. Trong những năm gần đây, tại các nhà máy, xi nghiệp công
nghiệp của nước ta, các loại máy CNC đã được sử dụng rất rộng rãi, tuy nhiên các
máy CNC chủ yếu dùng để cắt gọt kim loại. Việc áp dụng máy CNC vào gia công
gỗ ở nước ta chưa phổ biến, các loại máy trên thị trường chủ yếu nhập khẩu với giá
thành cao.Để có thể xác định được một bộ các thông số công nghệ trên máy phay
gỗ CNC BKRW2014, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thị Ngọc Huyền –

PGS.TS. Tăng Huy, tác giả đã thực hiện đề tài : “Nghiên cứu tích hợp hệ thống
điều khiển cho máy phay gỗ CNC BKRW2014”.
Qua các thực nghiệm trên các loại gỗ khác nhau với các chế độ cắt khác nhau
nhằm tìm gia được chế độ hoạt động tố ưu của hệ thống điều khiển trên máy.
Chương 1: khái niệm, lịch sử phát triển của máy CNC, nguyên tắc điều khiển
trên máy CNC.
Chương 2: Gới thiệu về máy phay gỗ, phương pháp gia công gỗ trên máy.
Biết được đặc tính kỹ thuật của máy CNC gia công gỗ BKRW 2014, Thiết kế, lựa
chọn hệ điều khiển cho máy CNC gia công gỗ BKRW2014
Chương 3: Thử nghiệm hệ thống điều khiển trên máy CNC BKRW 2014 gia
công gỗ. Bằng các thông số đầu vào khác nhau, với các chế hoạt động khác nhau.
Để tìm gia được chế độ hoạt động tố ưu cho hệ thống điều khiển.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS.TS. Tăng Huy, TS.
Nguyễn Thị Ngọc Huyền, đã tận tình hướng dẫn trong thời gian tôi thực hiện luận
văn.

-9-


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên
luận văn còn nhiều thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp
của thầy, cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa
trong thực tế.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2015

Học viên

Nguyễn Mạnh Giang

- 10 -


LUẬN VĂN THẠC SĨ
LỜI CAM ĐOAN
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghành cơ khí với đề tài: “Nghiên cứu, tích hợp
hệ thống điều khiển cho máy phay gỗ CNC BKRW2014”.
Tác giả viết dưới sự hướng dẫn của. GS- TS Tăng Huy. TS. Nguyễn Thị Ngọc
Huyền
Luận văn này được viết trên cơ sở nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển
từ đó dưa ra sổ tay công nghệ cho máy gia công gỗ
Khi viết luận văn này tác giả có tham khảo và thừa kế một số kết quả nghiên
cứu của tác giả đi trước và sử dụng những thông tin số liệu từ các tạp chí, sách,
mạng internet …..theo danh mục tham khảo.
Tác giả cam đoan không có sự sao chép nguyên bản từ bất kỳ luận văn nào
hay nhờ người khác viết. Tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về cam đoan của
mình và chấp nhận mọi hình thức kỷ luật theo quy định của Trường Đại Học Bách
Khoa Hà Nội.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2015

Học viên

Nguyễn Mạnh Giang

- 11 -


LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nhu cầu của các sản phẩm gỗ mỹ nghệ trong nội, ngoại thất, các công trình
văn hóa (đình, đền, chùa, miếu, v.v..) không ngừng tăng về số lượng, chất lượng
cũng như độ phức tạp của các hoa văn, họa tiết. Trong khi chế tác thủ công không
thể đáp ứng được thị trường trong nước cũng như xuất khẩu, do đó việc sử dụng
máy CNC gia công gỗ đang là sự lựa chọn ưu tiên trong các làng nghề truyền thống
ở Việt Nam. Máy gia công gỗ CNC được thiết kế tích hợp hệ thống điều khiển đảm
bảo việc linh hoạt sản xuất, thay đổi mẫu mã sản phẩm, tăng năng xuất lao động,
giảm giá thành sản phẩm gỗ.
Máy phay gỗ CNC BKRW2014 là một sản phẩm của đề tài “ Nghiên cứu và
thiết kế máy phay gỗ CNC 3 trục” do Sở KH&CN Hà Nội chủ trì. Tuy nhiên sau
một thời gian hoạt động, sự ổn định của hệ thống điều khiển trên máy cần qua một
số các thử nghiệm đảm bảo phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam.
Do vậy, tác giả dưới sự hướng dẫn khoa học của:TS. Nguyễn Thị Ngọc
Huyền. PGS.- TS. Tăng Huy. Đã thực hiện đề tài: Nghiên cứu tích hợp hệ thống
điều khiển cho máy phay gỗ CNC BKRW2014”dựa trên giải pháp công nghệ
CAD/CAM/CNC,nhằm tìm ra các chế độ hoạt động ổn định của hệ thống điều
khiển phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển trên máy CNC gia công gỗ BKRW
2014.
Làm chủ lĩnh vực điều khiển số, lập trình gia công sản phẩm gỗ nội ngoại thất

cũng như chủ động trong việc sửa chữa, thay thể khi gặp sự cố hoặc nâng cấp máy.
3. Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài
Đối tượng nghiên cứu của đề tài hệ thống điều khiển trong máy để gia công
các sản phẩm gỗ sử dụng trong các công trình văn hóa như đình, đền … nội ngoại
thất hoặc các sản phẩm gỗ có họa tiết hoa văn phức tạp.

- 12 -


LUẬN VĂN THẠC SĨ
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Kết hợp nghiên cứu lý thuyết về hệ thống điều khiển trên CNC nói chung và
tích hợp cho máy CNC gia công gỗ. Trong quá trình nghiên cứu có phân tích, đánh
giá lựa chọn các phần tử điều khiển phù hợp cho máy CNC gia công gỗ đảm bảo
chất lượng của sản phẩm gỗ theo yêu cầu.
Qua các thực nghiệm, tác giả tổng hợp đưa ra chế độ điều khiển tương ứng chế
độ gia công cho các sản phẩm gỗ.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Cung cấp hệ thống điều khiển cho các thiết bị gia công gỗ công nghệ cao cho
các công ty chế tạo thiết bị CNC gia công gỗ.
Linh hoạt trong việc thay đổi chế độ điều khiển, chế độ gia công khi thay đổi
mẫu mã sản phẩm và tăng năng suất lao động, giảm giá thành của thiết bị.

- 13 -


LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHƢƠNG 1: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC
1.1.

TÌM HIỂU VỀ MÁY CÔNG CỤ CNC [1]

1.1.1. Lịch sử phát triển của kỹ thuật CNC
Ý tưởng về sự phát triển của điều khiển số (Numerical Control) cho máy công
cụ được hình thành từ những năm 1949 – 1950 tại viện công nghệ Massachusetts,
Hoa Kỳ.
Khi gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp với kỹ thuật thông thường thì
thời gian gia công là rất lớn và chi phí sản xuất cao. Do vậy, sau một thời gian
nghiên cứu, biên dạng gia công của những chi tiết lớn có thể dễ dàng được thay thế
bởi các chức năng toán học và người ta quyết định chế tạo một bộ điều khiển để
điều khiển một máy phay dựa trên cơ sở này.

Hình 1. 1. Lịch sử phát triển kỹ thuật CNC
Về mặt kỹ thuật để thực hiện ý tưởng này cần một bộ điều khiển, nó biên
dịch các đại lượng đầu vào được mô tả dưới dạng nhị phân và dạng số cho các hành
trình chuyển động và các chức năng vận hành máy, qua đó máy phay có thể hiểu
được và xử lý các tín hiệu này. Đây là nguyên tắc cơ bản ứng dụng điều khiển số
cho các máy công cụ. Với sự phát triển nhanh chóng của xử lý tín hiệu điện tử đã
tạo điều kiện cho ý tưởng trở thành hiện thực.
Máy điều khiển số đầu tiên là máy phay đứng. Các trục bước tiến làm dịch
chuyển bàn máy được thực hiện bởi từng môtơ riêng biệt. Các thông tin hành trình

- 14 -


LUẬN VĂN THẠC SĨ
và chức năng cần thiết cho quá trình gia công được ghi lại trên băng đục lỗ dưới
dạng chuỗi các lệnh đã được mã hóa ở dạng chữ và số, được gọi là một chương
trình NC.
Máy công cụ điều khiển số đầu tiên đã chỉ rõ ra đặc điểm của các máy CNC

sau này:
-

Toàn bộ chương trình gia công được ghi lại trên băng đục lỗ.

-

Máy tính điều khiển việc xử lý các thông tin hành trình và chức năng máy.

-

Truyền động riêng biệt cho từng trục bước tiến và trục chính để điều khiển
chuyển động của dao và bàn máy.

-

Hệ thống đo và kiểm tra để phản hồi vị trí dụng cụ cắt cho hệ điều khiển
trong máy tính.
Sự phát triển nhanh chóng của các linh kiện vi điện tử như các bộ vi xử lý và

máy tính đã tạo điều kiện cho hệ điều khiển NC phát triển thành hệ điều khiển CNC
(Computerized Numerical Control) vào những năm 70.
1.1.2. Lịch sử phát triển của máy CNC trên thế giới và ở Việt Nam
Trước đây khoa học còn chưa phát triển, quá trình cắt gọt được điều khiển
theo truyền thống (dùng cam, cữ chặn, chép hình theo mẫu…). Ngày nay, với sự
tiến bộ của khoa học – kỹ thuật, nhất là trong điều khiển số và tin học, với sự trợ
giúp của máy tính, hệ thống điều khiển tự động phát triển, hàng loạt các ý tưởng ra
đời và hiện thực hóa, điển hình là điều khiển NC và CNC.
Xuất phát từ ý tưởng về điều khiển máy bằng các lệnh nhớ ở các máy CNC đã
xuất hiện từ thế kỷ XIV, nó được phát triển và hoàn thiện dần cho đến ngày nay, với

một số mốc lịch sử:
-

Năm 1808, Toseph và M Jacquard đã dùng bìa tôn đục lỗ để điều khiển các
máy dệt (bìa đục lỗ là vật mang tin).

-

Năm 1938, Claude Shannon bảo vệ luận án tiến sĩ ở Viện công nghệ MIST
Mỹ, với nội dung tính toán chuyển dao dữ liệu dạng nhị phân.

-

Năm 1946, tiến sĩ John W.Mauchly đã cung cấp máy tính số điện tử đầu tiên
có tên là ENIAC cho quân đội Mỹ.

- 15 -


LUẬN VĂN THẠC SĨ
-

Năm 1965, giải pháp thay dụng cụ tự động (ATC).

-

Năm 1968, kỹ thuật mạch tích hợp IC ra đời cho độ tin cậy cao hơn.

-

Năm 1972, hệ điều khiển NC đầu tiên có lắp đặt máy tính nhỏ.

-

Năm 1979, hình thành khối liên hoàn CAD/CAM – CNC.
Từ những năm 80 trở đi, sự phát triển của công nghệ truyền số liệu, các máy

CNC riêng lẻ đã được kết nối với nhau thành trung tâm gia công DNC. Sau này các
hệ thống sản xuất linh hoạt FMS và sản xuất với sự trợ giúp máy tính CIM lần lượt
ra đời, nâng cao năng suất gia công và tự động hóa quá trình sản xuất.
Ở Việt Nam, ngày nay máy CNC đã khá phổ biến. Cách đây hơn 20 năm thì
công nghệ CNC ở nước ta vẫn còn rất xa lạ. Thông qua dự án chuyển giao công
nghệ từ nước ngoài, lúc đó các máy tiện, máy phay CNC xuất hiện ở Việt Nam và
thu hút sự quan tâm của nhiều nhà chuyên môn cũng như doanh nghiệp trong nước
và liên doanh.
Hiện nay, nhiều nhà máy trong nước đã đầu tư nhiều dây chuyền sản xuất tự
động với phần lớn máy CNC, hay các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS, các hệ
thống sản xuất tích hợp trợ giúp của máy tính CIM, nhằm nâng cao năng suất gia
công. Với mục tiêu năm 2020, mục tiêu cơ bản trở thành nước công nghiệp theo
hướng hiện đại. Do đó, việc đẩy mạnh đầu tư, ứng dụng công CNC trong công
nghiệp là rất cần thiết và cấp bách. Ứng dụng công nghệ cao và hiện đại cũng như
nâng cao đội ngũ kỹ thuật của nước ta thì nền công nghiệp Việt Nam mới có thể
phát triển và sánh với các nước khác.
1.1.3. So sánh máy công cụ thông thường và máy CNC
Về mặt cấu trúc:
Máy công cụ CNC được thiết kế cơ bản giống máy công cụ thông thường. Sự
khác nhau thật sự là ở các bộ phận liên quan đến tiến trình gia công của máy CNC
được điều khiển bởi máy tính.
Các hướng dịch chuyển của các bộ phận máy công cụ điều khiển CNC
được xác định bởi một hệ trục tọa độ, hệ trục tọa độ này liên quan đến chi tiết gia

công và thể hiện các trục bước tiến, chúng nằm song song với các dịch chuyển

- 16 -


LUẬN VĂN THẠC SĨ
chính – thẳng của máy. Những chuyển động cần thiết cho tiến trình gia công của
các bộ phận máy (bàn máy, cụm thay dao tự động và các bộ phận khác) được tính
toán, điều khiển và kiểm tra bởi máy tính. Với mục đích này mỗi chuyển động của
các bộ phận máy có một hệ thống đo lường riêng biệt để tính toán, kiểm tra các vị
trí tương ứng và phản hồi thông tin này về hệ điều khiển.
Về mặt chức năng:
Bảng 1. 1. Bảng so sánh những chức năng cơ bản giữa máy công cụ thông thường, máy
công cụ NC và máy công cụ CNC.

Máy công cụ thông
thƣờng
Nhập dữ liệu:

Máy công cụ NC
Nhập dữ liệu:

Người công nhân điều Chương

trình

Máy công cụ CNC
Nhập dữ liệu:

NC Chương trình NC có thể

chỉnh máy công cụ bằng được nhập vào hệ được nhập vào hệ điều khiển
tay dựa theo nhiệm vụ sản điều khiển NC bởi CNC thông qua bàn phím,
xuất và bản vẽ chi tiết, gá băng đục lỗ.

đĩa hoặc cổng giao tiếp.

phôi và dụng cụ cắt cũng

Nhiều chương trình NC

như điều chỉnh độ song

được lưu trữ trong một bộ

song giữa dao và chi tiết.

nhớ như đĩa cứng.

Điều khiển bằng tay:

Điều khiển NC:

Điều khiển CNC:

Người công nhân cài đặt Điều khiển NC xử lý Máy tính và phần mềm
các thông số công nghệ (số các thông tin về tương ứng tích hợp trong hệ
vòng quay, lượng chạy đường dịch chuyển điều khiển CNC làm nhiệm
dao…) và điều khiển việc và các chức năng vụ điều khiển và điều chỉnh
gia công thông qua các tay máy trong chương máy CNC.

quay.

Bộ

lưu

trữ

trình NC và đưa ra chương trình, chương trình
các tín hiệu điều con, dữ liệu máy, kích thước
khiển tương ứng với dụng cụ cắt và các giá trị
từng các bộ phận hiệu chỉnh cũng như các chu
hình thành máy NC.

trình gia công được sử dụng.

- 17 -


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Kiểm tra:

Kiểm tra:

Kiểm tra:

Người công nhân đo và Máy NC đã đảm Máy CNC đảm nhận trong
kiểm tra kích thước bằng nhận trong khi gia khi gia công đạt các kích
tay, nếu cần thiết phải lập công đạt các kích thước chi tiết bởi sự phản
lại tiến trình gia công.

thước chi tiết bởi sự hồi liên tục của hệ thống đo
phản

hồi

thường và các motor vị trí được điều

xuyên của hệ thống chỉnh số vòng quay. Nhờ có
đo và của motor vị các cảm biến đo được tích
trí.

hợp mà việc kiểm tra các
kích thước đạt được ngay
trong suốt quá trình gia
công. Đồng thời có thể thực
hiện tiếp tục việc xử lý trong
hệ điều khiển CNC, ví dụ tối
ưu hóa, thử nghiệm chương
trình NC mới.

Tính kinh tế: một số ưu điểm của máy công cụ CNC
1. Tính kinh tế đạt được cao với máy công cụ CNC bởi tốc độ gia công cao
cũng như thời gian gia công cơ bản, thời gian phụ, thời gian chuẩn bị và kết
thúc giảm. Các nhân tố sau ảnh hưởng tới tính kinh tế của máy công cụ
CNC:
-

Lập trình trực tiếp trên máy

-

Lưu trữ các trường hợp gia công lặp lại dưới dạng chương trình con.

-

Tối ưu hóa chương trình NC trong hệ điều khiển.

-

Mô tả hình dạng chi tiết gia công thông qua việc cho dạng hình học đơn giản.

-

Chạy dao tự động cho đến khi đạt kích thước.

-

Tự động vận hành các chức năng của máy và trực tiếp can thiệp khi xảy ra
lỗi hoặc bị nhiễu.

- 18 -


LUẬN VĂN THẠC SĨ
-

Quan sát tự động quá trình gia công thông qua hệ điều khiển CNC (đo và
kiểm tra tự động).

-

Hệ thống ổ thay dao tự động chứa nhiều dao.

-

Có khả năng chuẩn bị dụng cụ cắt bên ngoài máy mà không ảnh hưởng đến
quá trình gia công.

2. Chất lượng chi tiết gia công ổn định, ít phế phẩm.
3. Làm tăng độ chính xác gia công, do cấp chính xác của máy cao.
4. Thời gian gia công ngắn thông qua việc tổ chức sản xuất và trùng lặp công
việc.
5. Thời gian vận hành máy cao.
6. Tính linh hoạt trong sản xuất cao bởi hệ thống gia công.
1.1.4. Một số loại máy CNC hiện nay[11]
Hiện nay máy CNC có rất nhiều loại: máy phay, máy tiện, máy mài, máy
khoan…
Các máy CNC 3 4 hay 5 trục đã rất phổ biến trên thế giới. Tại Việt Nam,
nhiều khu công nghiệp cũng đã trang bị các máy công cụ CNC hiện đại để phục vụ
cho sản xuất, lập các trung tâm gia công CNC, DNC…
-

Máy phay CNC:

Hình 1. 2. Máy phay CNC

- 19 -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

-

Máy tiện CNC:

Hình 1. 3. Máy tiện CNC
-

Máy mài và máy khoan CNC:

Hình 1. 4. Máy mài và máy khoan CNC
1.1.5. Đặc điểm của máy công cụ CNC hiện đại
Như đã nêu ở trên, cơ bản máy công cụ CNC có cấu tạo cũng giống với
máy công cụ thông thường. Việc hiểu cấu tạo của máy nhằm lựa chọn máy phù với
yêu cầu gia công (độ chính xác chi tiết, kích thước phôi tối đa cho phép, khả năng
công nghệ của máy…), ngoài ra đảm bảo cho việc thực hiện chính xác trong quá
trình sản xuất, khắc phục các trục trặc khi xảy ra sự cố, giải quyết các vấn đề nhanh
chóng.

- 20 -


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1. 5. Các thành phần cơ bản của máy công cụ CNC
Điều khiển trục quay và trục bƣớc tiến
Gia công chi tiết trên máy công cụ CNC đòi hỏi các trục bước tiến có thể được
điều khiển và điều chỉnh, chúng được truyền động bởi các động cơ bước/servo độc
lập. Do đó các tay quay chính yếu của máy công cụ thông thường không còn dùng

đến trên máy công cụ CNC hiện đại.
Các máy tiện và máy phay CNC
Máy tiện có ít nhất là 2 trục bước tiến có thể điều khiển hay điều chỉnh, được
đánh dấu theo phương X và phương Z. Máy phay có ít nhất 3 trục bước tiến có thể
điều khiển hay điều chỉnh, được đánh dấu theo các phương X, Y, Z.

- 21 -


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1. 6. Các trục NC điều khiển được trên máy tiện

Hình 1. 7. Các trục NC có thể điều khiển trên máy phay
Trên máy phay CNC, ngoài chuyển động dọc theo các trục X, Y, Z còn có thể
điều khiển chuyển động quay quanh các trục.
Các chuyển động quay này có thể được điều khiển và đánh dấu bằng A, B, C.
Để đáp ứng những yêu cầu trên một cơ cấu truyền động hiện đại bao gồm các
thành phần sau:
-

Động cơ, ly hợp cơ khí chống lại sự quá tải cũng như được điều khiển bằng
điện từ.

-

Vít me bi làm cho quá trình truyền lực không có khe hở.

-

Cảm biến đo như hệ thống đo hành trình hầu hết được đặt ở cuối mỗi trục.
- 22 -


LUẬN VĂN THẠC SĨ
-

Khuếch đại công suất với các thiết bị giao tiếp bằng số (digital) hoặc tương
tự (analog) để điều khiển CNC.

Hình 1. 8. Truyền động bước tiến của bàn máy với vít me bi (1- động cơ bước tiến,
2 – bàn máy, 3 – hệ thống đo, 4 – vít me bi, 5 – đai ốc bi)
Để đạt được độ chính xác trong quá trình dịch chuyển, các cơ cấu truyền
động thường dùng vít me bi. Nếu chuyển động của trục chính được thực hiện bởi
động cơ, thì đai ốc bi dịch chuyển hầu như không có khe hở chiều dọc.

Hình 1. 9. Truyền động vít me bi với đai ốc hai nửa không có khe hở (1 – đai ốc bi,
2 – vòng đệm, 3 – vòng cách điều chỉnh khe hở, 4 – trục truyền động)
Hệ thống đo hành trình
Tùy thuộc vào dạng thiết bi đo được sử dụng hoặc thang đo để phân biệt
giữa đo vị trí trực tiếp và gián tiếp cũng như đo vị trí tương đối và tuyệt đối.
- 23 -


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Truyền động chính và các trục công tác
Truyền động chính của máy CNC phải truyền công suất cắt cần thiết bởi các
động cơ truyền động tương ứng qua các trục công tác để gia công chi tiết thích hợp.
Ngoài ra còn có tổn thất do ma sát thường gặp trong bộ phận cơ khí mà độ tác động
về mặt kích thước của nó phải được xác định cho máy CNC. Độ ổn định cao về mặt

truyền động được đặt ra, mặc dù lực gia công cao nhưng momen quay ở mọi vị trí
phải được ổn định. Đồng thời phải đảm bảo cho sự thay đổi nhanh chóng về tốc độ
cắt và không bị rung động.
Trước kia các trục công tác và trục truyền động đối xứng trên các máy công cụ
CNC được truyền động bằng động cơ một chiều. Để giữ cho tốc độ cắt ổn định cần
những yêu cầu về số vòng quay của các motor, ví dụ để tiện các đường kính khác
nhau, tốc độ của các động cơ này được điều chỉnh vô cấp trong một phạm vi rộng.
Nhược điểm của động cơ điện một chiều này là các chổi than bị mài mòn, do đó cần
phải kiểm tra thường xuyên chổi than và thay thế kịp thời.
Với sự phát triển tiến bộ của linh kiện vi điện tử, ngày nay hầu hết sử dụng
động cơ điện ba pha.
Hệ thống gá và thay dao tự động
Máy công cụ CNC được trang bị với những thiết bị có thể điều khiển để thay
dao tự động. Tùy thuộc vào dạng cấu trúc và phạm vi sử dụng, những thiết bị thay
dao có thể đồng thời chứa được nhiều dao khác nhau và lắp đặt dao vào vị trí công
tác theo chương trình NC. Thường có hai loại sau:
-

Đầu rơvolve chứa dao.

-

Ổ chứa dao.

Hình 1. 10. Đầu rơvolve chứa dao

- 24 -


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đầu rơvolve thường dùng cho máy tiện và ổ chứa dao thường dùng cho máy
phay.

Hình 1. 11. Thiết bị thay dao tự động
Tùy thuộc vào kết cấu và kích thước, đầu rơvolve của máy tiện có thể chứa 8
đến 16 dao. Trong trung tâm gia công cần nhiều hơn 48 dao, thì ổ chứa dao với các
dạng khác nhau có thể chứa đên 100 dao hoặc nhiều hơn nữa. Có các loại ổ chứa
dao dài, ổ chứa dao dạng vòng, ổ chứa dao dạng xích, ổ chứa dao dạng đĩa.
Trong ổ chứa dao, việc thay đổi dao diễn ra do một hệ thống cần gạt gọi là
cần thay dao thực hiện. Quá trình thay đổi dao với cần gạt kép diễn ra sau khi có
một dao mới được gọi là chương trình NC như sau:
-

Định vị dao mong muốn trên ổ chứa dao vào vị trí thay dao.

-

Trục công tác ở vị trí thay dao.

-

Quay thiết bị kẹp dao vào vị trí dao cũ trên trục công tác và vào vị trí dao
mới trên ổ chứa dao.

-

Lấy dao ở trên trục công tác và ổ chứa dao, sau đó quay thiết bị kẹp dao.

-

Đặt dao mới vào trục công tác và dao cũ vào ổ chứa dao.

-

Quay thiết bị kẹp dao về vị trí ban đầu.

- 25 -