Trình bày nội dung chương 12 học phần CAD CAM CNC

Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ

BÀI TẬP NỘP HỌC PHẦN

CAD/CAM/CNC - 101454
Đề tài : Trình bày nội dung chương 12 học phần
CAD/CAM/CNC

Giảng viên giảng dạy:

TS . Trần Vũ Minh

Nhóm sinh viên thực hiện (Nhóm 12):

1


Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

Mục lục

PHẦN NỘI DUNG……………………………….……………….………….………3
I. TỔNG QUAN……………………………………………………………….………3
II. CẤU TẠO CỦA KHỐI CHỨC NĂNG :…………………………..…….……. 3

III . KHỐI CHỨC NĂNG ĐƯỢC KẾT HỢP CAD/CAPP/CAM …..…..…...…6
IV. TÍCH HỢP CAM VỚI CNC…………………….……………………………....8
V. MẪU THIẾT KẾ CHO MÔ HÌNH TRÌNH CHIẾU ĐIỀU KHIỂN….…...…8
VI. TRIỂN KHAI PHẦN MỀM: FBDK VÀ FBRT……………………….…....... 9
VII. CẤU TRÚC PHÂN LỚP TRONG HỆ THỐNG CNC…………..…….……11
VIII. HỆ THỐNG CNC ĐẦU TIÊN.................................................................14
IX. KẾT LUẬN.................................................................................................21

2


Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

PHẦN NỘI DUNG
Chương XII – Khối chức năng – Hệ thống hợp nhất tiềm năng
I.

Tổng quan

Khối chức năng là một tiêu chuẩn của Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC)
cho phương pháp công nghệ phân tán và hệ thống điều khiển. Nó được dựa trên
định hướng mô hình explicit event và cung cấp cho nguồn dữ liệu và sự tự động
trạng thái hữu hạn – sự kiểm soát nền móng. Dựa vào một nghiên cứu trước đây,
khối chức năng được sử dụng như một biện pháp để thể hiện kế hoạc phát triển,
hợp nhất với hệ thống quy trình chức năng nhóm thứ 3, điều khiển vận hành kế
hoách trong quá trình thực hành, và điều khiển công việc của máy móc dưới những
điều kiện bình thường hoặc bất thường. Khối chức năng cũng được cân nhắc để để
phù hợp cho các bộ điều khiển máy móc, tầng vận hành kiểm soát thực hiện, và sự

điều khiển CNN . Sự kết hợp giữa STEP-NC và các khối chức năng được nhìn
nhận như một “sự gắn kết của tự nhiên”. Đó là vì những cung cấp trc đây là một
mô hình dữ liệu hoàn thiện chưa nhiều thông tin nhưng chưa được vận hàng, trái
lại những cung cấp sau đó lại là một sự sáng tạo nó cung cấp sự vận hành trong mô
hình dữ liệu và tạo ra nhiều khả năng hơn cho chế đọ CNN. Chương này giới thiệu
về khối chức năng trong kiến trúc bằng cách cung cấp 2 kiểu hệ thống. Đầu tiên là
hệ thống CAD, CAPP, CAM. Mấu chốt để gắn kết thông tin máy móc vào một
khối chức năng dúa trên các đặc điểm của máy móc. Hệ thống thứ 2 là sự kết hợp
giữa CAM và CNC. Là một thực tế mở ra ngành xây dựng CNC, điều này đã định
hướng cho khối chức năng, thay vì định hướng mã G.
II.

Cấu tạo của khối chức năng

Đang trở thành một vật có chức năng điều khiển công việc và nguyên tử
phân tán, một khối chức năng liên tục có thể biểu hiện qua một phần của dữ liệu
điều hành máy móc (máy khoac dọc có rãnh, cần câu cá, máy khoan dập lỗ, vv)
cho đặc điểm máy móc nêu trên. Nó bao gồm một cấu trúc dữ liệu được sao chép,
đặt tên riêng biệt, nó được cụ thể hóa bằng một kiểu khối chức năng, điều này được
khẳng định từ một nguyên tắc của của một khối chức năng này đến khối chức năng
khác. Có hình 12.1 minh họa cả từ khối chứ năng đơn giản (trái) đến khối chức
năng hỗn hợp (phải).
Một khối chức năng, đặc biệt là khối chức năng đơn giản, có thể có vô số
khả năng ra với các thông tin trạng thái bên tronng được ẩn đi. Nghĩa là một khối
chức năng có thể cho ra nhiều khả năng khác nhau dù nó có chung một đầu vào.
Đặc tính riêng biệt này là đặc điểm cần thiết nhất cho hệ thống điều khiển cắt tự

3

Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

động, sau khi một chương trình NC được tải xuống cho bộ máy điều khiển CNC,
bằng cách thay đổi trạng thái bên trong của khối chức năng (một sự vân hàng máy
móc). Ví dụ, một hệ thống NC cho cho cùng một túi thô có thể được sử dụng bởi
hai máy phay khác nhau với điều kiện cắt khác nhau, chỉ đơn giản bằng cách điều
chỉnh trạng thái bên trong của các thể hiện khối chức năng. Tương tự như định
nghĩa hướng đối tượng, một loại khối chức năng có thể được coi là một lớp, và một
khối chức năng cụ thể là thể hiệnsự liên túc của lớp đó. Ví dụ, một khối chức năng
của máy phay có thể được sử dùng cho gia công thô hoặc hoàn thành tùy thuộc vào
tín hiệu nhận được. Tuy nhiên, khác với hướng đối tượng cách tiếp cận, hoạt động
của khối chức năng được điều khiển nội bộ bởi một trạng thái máy móc có hoạt
động có thể được biểu diễn bằng biểu đồ kiểm soát thực thi (ECC). Mỗi khối chức
năng cơ bản là một đơn vị nguyên tử để thực hiện. Khối chức năng tổng hợp có thể
yêu cầu đa luồng mô hình thực hiện đồng thời do luồng sự kiện phức tạp. Luồng sự
kiện xác định lập kế hoạch và thực hiện các hoạt động gia công được xác định bởi
các thuật toán (phương pháp) trong các khối chức năng cơ bản. Nó cũng có thể
cung cấp tín hiệu để duy trì hoặc thay đổi trạng thái bên trong biến. Về mặt gói gọn
quá trình gia công, các khối chức năng cơ bản đóng gói cả dữ liệu và chức năng
của quá trình gia công, trong khi chỉ có khối chức năng tổng hợp gói gọn các khối
chức năng cơ bản.

Các khối chức năng không chỉ đóng gói các quy trình gia công, chúng còn
có thể cung cấp hỗ trợ cho thông tin liên lạc của họ. ECC cho máy trạng thái của
khối chức năng có thể được sử dụng để kiểm soát các thuật toán nội bộ của họ.
Hình 12.2 cho thấy một ví dụ điển hình của ECC cho gia công thô lỗ (Xu, Wang &

4

Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

Rong, 2006). Là một (đại diện của một) trạng thái hữu hạn máy, ECC được tạo
thành từ các trạng thái EC (kiểm soát thực thi), các chuyển tiếp EC và các hành
động EC. Trạng thái EC ban đầu, START trong ví dụ này, không thể có bất kỳ hành
động EC nào được liên kết với nó. Sự xuất hiện của đầu vào sự kiện, chẳng hạn
như PI_Init và PI_Cut, khiến ECC trở thành được viện dẫn và các biến đầu vào
(công cụ #, key_para, v.v.) được ánh xạ. Chuyển đổi EC sử dụng một sự kết hợp
Boolean của các điều kiện có thể bao gồm các đầu vào sự kiện, các biến đầu vào,
biến đầu ra và biến nội bộ. Chuyển tiếp EC được kích hoạt gây ra sự thay đổi của
EC nhà nước và điều này dẫn đến việc thực hiện một hành động EC liên quan, Init
hoặc Cut trong trường hợp này. Các Hành động EC sau đó sẽ gửi một sự kiện,
PO_Init hoặc PO_Cut, sau khi hoàn thành.
Người ta dự đoán rằng trong các bộ điều khiển CNC trong tương lai có thể
có các khối chức năng như một phần củaphần mềm thiết bị của họ hoặc cung cấp
các thư viện khối chức năng mà từ đó khối chức năng có thể được chọn và tải
xuống. Tuy nhiên, để sử dụng tốt hơn các công cụ máy cũ, nhà cung cấp hoặc tiện
ích mở rộng người dùng cho mã G chuẩn có thể được đóng gói theo khối chức
năng và phân phối cho người dùng cuối để được sử dụng trực tiếp bởi các ứng
dụng gia công của họ.
Ngoài ra, chức năng đóng gói kế hoạch dựa trên khối chức năng cho phép
và tạo điều kiện thuận lợi phân phối minh bạch và lập lịch động của các quy trình
gia công trên một nhóm công cụ máy móc. Như trong Hình 12.3, một kế hoạch kết
hợp được đại diện bởi ba khối chức năng có thể được gán cho một bộ điều khiển
máy hoặc có thể được phân phối trên một số máy công cụ, tùy thuộc vào quy trình
xử lý và tính khả dụng của từng máy, không bị gián đoạn hoạt động gia công toàn

bộ. Giao tiếp (sự kiện hoặc dữ liệu dòng chảy) giữa các khối chức năng có thể
được thực hiện bằng một thông điệp được thiết lập tốt cơ chế, chẳng hạn như
XML, để giữ các nhiệm vụ gia công đúng tiến độ. Khả năng này là rất quan trọng
để cải thiện hiệu suất hệ thống và phục hồi lỗi nhanh chóng trong một tầng cửa
hàng gia công, nơi lập kế hoạch quy trình thời gian chạy và lập lịch lại động có thể
được thực hiện song song bất cứ khi nào một ngoại lệ thời gian chạy xảy ra.
Ngoài các loại khối chức năng cơ bản và tổng hợp, chức năng giao diện
dịch vụ (SI) khối là cung cấp một giao diện giữa các khối chức năng và tài nguyên
(máy) để truyền dữ liệu / sự kiện.

5


Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

Trên thực tế, bất kỳ nơi nào có bất kỳ hình thức tương tác nào giữa các
khối chức năng bên trong tài nguyên và thế giới bên ngoài, có một yêu cầu cho một
khối chức năng SI. Tương tác như vậy bao gồm giá trị đọc của các thông số cắt
hiện tại, thiết lập tốc độ trục xoay, trạng thái gia công xuất bản để theo dõi và tạo
điều kiện động lên lịch.
III.

Khối chức năng được kết hợp CAD/CAPP/CAM

Tương tự như STEP-NC, các khối chức năng cũng có thể được kết hợp với
các tính năng gia công. Mỗi loại khối chức năng tương ứng với một lớp tính năng

6

Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

gia công. Bằng cách chọn một khối chức năng thích hợp, như là lên một kế hoạch
sẵn là bộ điều khiển CNC “phải làm gì” và “cách thực hiện” cho các thuật toán
được nhúng trong khối chức năng. Nói cách khác, một khối chức năng biết cách tự
xác định các tính năng gia công mà nó đã được tích hợp. Như trong Hình 12.4,
khái niệm khối chức năng có thể được tích hợp dễ dàng với STEP-NC thông qua
Workingsteps. Từ quan điểm này, các khối chức năng có thể được sử dụngnhư một
lớp ngôn ngữ mới điều khiển NC để thay thế mã G.
Hình 12.5 mô tả chi tiết để thiết kế khối chức năng và cách lập trình nhúng
của một tính năng gia công điển hình - một túi có 4 mặt (Wang, Liu, Shen & Lang,
2004). Các các thuật toán ALG_INI, ALG_ROU, ALG_FIN và ALG_MON chịu
trách nhiệm cho ization, roughing, finishing, và các quá trình giám sát gia công
tương ứng.
Dọc theo chuỗi CAD / CAPP / CAM / CNC, các khối chức năng đóng vai
trò quan trọng giữa CAPP và CNC. Chúng có thể được sử dụng để cung cấp thông
tin và lên kế hoạch xử lý các chức năng của quá trình nhúng và là cầu nối giữa các
máy CNC và người điều khiển máy. Ngày nay ngày càng nhiều máy CNC được
liên kết trong thành một mạng, sản xuất phân tán, và có thể sản xuất tích hợp.
Trong một môi trường phân tán, các khối chức năng được truyền qua mạng đến các
máy từ xa trong khi việc giám sát quá trình gia công được hiển thị trên màn hình
thông qua các thiết bị giám sát được nhúng trong khối chức năng. Hình 12.6 Minh
họa một trường hợp chia sẻ dữ liệu bởi các khối chức năng và các tính năng gia
công.
Hình 12.4 Từ các tính năng gia công đến các khối chức năng. © 2006, IEEE được
sử dụng với sự cho phép.

Trong trường hợp này, quy trình nhiệm vụ có thể chia thành 2 khối và được thực
thi ở hai cấp độ khác nhau: các tính năng gia công và điều khiển máy. Trước đây
thường tập trung vào phân tích sản phẩm, phân tích tính năng gia công, lập chiến

7


Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

lược gia công, quá trình xử lý gia công, cố định chi tiết và lựa chọn máy. Sau khi
đã xác định được chi tiết từng bước cho việc gia công, bao gồm lựa chọn dụng cụ
cắt, các chế độ cắt, các đường chạy dao, và xuất mã điều khiển. Từ thiết kế đến gia
công NC, tính năng gia công được sử dụng để thu nhập thông tin, trao đổi dữ liệu ,
hỗ trợ ra các quyết định gia công ở các cấp khác nhau. Ở cấp độ giám sát, đầu ra hệ
thống là tập hợp khối chức năng với dữ liệu gia công đã được nhúng. Họ có thể tải
xuống bộ điều khiển tương thích với việc lập chu trình và gia công ở mức độ thấp.
Ở giai đoạn lập chu trình gia công, các khối chức năng được xác định bằng cách
chọn dao và chế độ cắt. Kết quả là, khối chức năng có thể mô tả chi tiết các hoạt
động gia công.

IV.

Tích hợp CAM với CNC

Để hỗ trợ cho việc tích hợp của CAM/CNC, một mô hình CNC mở được
đưa ra. Nó dựa trên mô hình dữ lệu STEP-NC cùng các khối chức năng. Mô hình
dự định sẽ hỗ trợ cho những dòng thông tin hai chiều trong dây chuyền thiết kế sản suất; thông qua khái niệm của việc tính toán thiết kế quá trình gia công cho các

máy CNC để qua đó những thông tin thiết kế mức độ cao hơn có thể làm việc trên
máy CNC, kích hoạt khả năng tự điều khiển và các chức năng thông minh trên máy
CNC, và hỗ trợ việc lên kế hoạch phân phối các quy trình trong từng trường hợp.
Mục tiêu cuối cùng là tạo ra cho CNC một hệ thống modun lệnh, có thể tái sử
dụng, mở, mở rộng và lưu trữ di chuyển thuận lợi.
V.

Mẫu thiết kế cho mô hình – trình chiếu – điều khiển

Mẫu thiết kế Model-View-Control (MVC) của khối chức năng được sửa
đổi bởi Christensen (2000) để điều khiển các hoạt động công ngp. Kh ả năng
ứng dụng của nó đã được chứng minh, hoàn thiện cho kiến trúc IEC 61499.
Bạn có thể tìm thêm chi tiết về cách th ực hiện MVC về các kh ối ch ức năng
trong Vyatkin (2007).
Mẫu được biểu diễn bằng đồ thị trong Hình 12.7. Cốt lõi của m ột ph ần
trong mẫu là kết nối đối tượng vòng kín - điều khiển. Trong ph ần mềm, đ ối
tượng được biểu diễn bằng một giao diện cho các nguồn dữ liệu của nó ( các
cảm biến kết nối) và tín hiệu người tiêu dùng (thiết bị truy ền động). Đối
tượng có thể được thay thế bằng mô hình của nó - một ch ương trình ph ần
mềm có cùng giao diện và mô phỏng hành vi của đối tượng. Một số mô hình

8


Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

có thể được sử dụng tùy thuộc vào yêu cầu độ chính xác và mục đích c ủa mô
hình hóa của nó.

Kiến trúc CNC đưa ra được phát triển bằng cách sử dụng khái niệm
MVC, cho phép mô phỏng đầy đủ và kết xuất hệ th ống CNC, đ ược đi ều khi ển
bởi mã điều khiển thực tế.

VI.

Triển khai phần mềm: FBDK và FBRT

Bộ phát triển khối chức năng (FBDK) (Holobloc, 2007) là một công cụ
phần mềm đã được sử dụng rộng rãi trong các dự án nghiên cứu liên quan
đến IEC 61499. Công cụ này cho phép phát triển đ ồ h ọa c ủa c ả hai kh ối ch ức
năng và các hệ thống dựa trên khối chức năng của nó. Biên dịch FBDK các
khối chức năng được phát triển thành ngôn ngữ lập trình Java. H ướng đ ối
tượng bản chất của ngôn ngữ này cho phép thực hiện nhất quán các kh ối
chức năng của nó. Ngoài ra, nền tảng riêng của ngôn ngữ Java có th ể linh
động giúp cho của bộ điều khiển được triển khai.

9


Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

10


Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

Việc sử dụng FBDK có thể được kết hợp với các công cụ phát tri ển Java
khác, ví dụ, Môi trường phát triển tích hợp Eclipse, đặc biệt là khi mã Java
tinh vi (ví dụ: trực quan hóa 3D) hoặc giao tiếp với các thiết bị ngo ại vi (ví
dụ: cổng song song) cần được tích hợp vào các khối chức năng. Các ứng dụng
khối chức năng, được thiết kế sử dụng FBDK, được thực thi với Java Virtual
Machine và thư viện Function Block Runtime (FBRT) loại FB tiêu chuẩn.
VII. Cấu trúc phân lớp trong hệ thống CNC
Việc sử dụng cấu trúc phần mềm theo lớp như khung chương trình cho thiết
kế CNC cho phép linh hoạt trong việc áp dụng bộ điều khiển cho các máy mới và
phần cứng / phần mềm máy tính. Các lớp được chọn để tách các đơn vị chức năng
thành một cấu trúc phân cấp để bộ điều khiển trở nên dễ bảo trì hơn, vì có thể thực
hiện các sửa đổi đến một lớp cụ thể mà không ảnh hưởng đến chức năng của các
lớp khác. Mỗi lớp được thiết kế để sử dụng lại các tính năng của lớp khác.
Có ba nhóm chức năng như là xương sống của các lớp (i) phân phối dữ liệu
đầu vào và dữ liệu của các tính năng gia công, (ii) lưu trữ / bộ đệm dữ liệu và (iii)
đầu ra của tín hiệu vật lý và quá trình thực hiện. Toàn bộ cấu trúc bao gồm 5 layers như trong Hình 12.8. Ngoài các lớp tương ứng với ba nhóm các hàm được đề
cập ở trên, thêm hai lớp nữa - lập kế hoạch quy trình (lớp 5) và tọa độ 3D (lớp 3).
Các chức năng của tất cả các lớp được đóng gói trong hàm chính. Sự liên hệ giữa
tất cả các lớp được thực hiện bởi giao tiếp khối chức năng xuất và nhập.
Các lớp được chia thành hai loại được hiển thị ở phía bên phải của sơ đồ:
“Mô hình đầu vào và ra Chương trình dữ liệu chung của FB” và “Máy cụ thể /
Chương trình". Trước đây chứa dữ liệu chung trong khi dữ liệu sau chứa dữ liệu
máy cụ thể. Tất cả các lớp (từ 5 đến 1) được mô tả như sau.
Lớp lập kế hoạch quy trình (Lớp 5) là cung cấp các định nghĩa về các thiết
lập và defini-tions như máy kiểm soát, công cụ cắt, kế hoạch làm việc, phôi, vị trí
kẹp và đầu ra. Lớp 4 (Các tính năng gia công) được thực hiện bởi một thư viện các
khối chức năng tham số hóa các tính năng gia công và dữ liệu gia công. Nó tạo ra
các đường dẫn công cụ cần thiết cho các tính năng tương ứng. Các khối chức năng
được sử dụng để chỉ đạo và quản lý các tính năng và định hình tọa độ để chấp nhận

hoặc thu thập dữ liệu được người dùng nhập theo cách thủ công hoặc tự động từ
các nguồn dữ liệu khác.
Các kiểu đầu vào cần thiết cho mục đích khởi tạo dữ liệu bao gồm,
•
•
•
•

Giới hạn hành trình (chiều dài tối đa của mỗi trục).
Kích thước phôi gia công
Giới hạn phôi
Công cụ bắt đầu và vị trí nhà

11


Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

Một bộ tùy chọn đầu vào bổ sung được sử dụng để cho phép toán tử tùy chỉnh
công cụ chạy dao. Nó bao gồm:

12


Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

• Khối hình dạng tham số: Mỗi khối đại diện cho một hình dạng cơ bản như
hình chữ nhật hoặc một vòng tròn. Mỗi khối trong số đó tạo ra chuỗi tọa độ,
được yêu cầu xây dựng hình dạng bằng cách sử dụng các kích thước xác
định.
• Tập tin văn bản: Thư viện của lớp này cũng chứa một khối có thế đọc được
thiết kế dữ liệu hình học của phần thiết kế từ tệp văn bản.
• Point-to-Point: Có thể thực hiện ánh xạ điểm hoặc xác định điểm bằng tay
để xây dựng một đường chạy dao.
Lớp hỗn hợp 3D (Lớp 3) là một lớp tùy chọn; nó dùng để phục vụ thêm các
trục của công cụ máy CNC (ví dụ: công cụ máy 4 trục và 5 trục). Lớp 2 (Store /
Buffer) lưu trữ tất cả các điểm, tỷ lệ phôi và các dữ liệu khác cần thiết để thực hiện
công việc gia công trên máy công cụ.
Lớp 1 (Đầu ra Vật lý và Thực thi Quy trình) được thiết kế để tính toán tốc độ
cấp dữ liệu cho mỗi trục riêng lẻ, sử dụng vector tốc độ nguồn cấp dữ liệu. Nó có
trách nhiệm phối hợp điểm và gửi các tín hiệu vật lý được cập nhật đến thiết bị đầu
ra. Thực hiện như nguồn hai khối chức năng riêng biệt. Nguồn đầu tiên đóng vai
trò là điều phối viên, với khối chức năng gửi yêu cầu đến và nhận yêu cầu, bộ nhớ
phối hợp lưu trữ. Dữ liệu vận tốc sau đó được gửi đến nguồn thứ hai, có trách
nhiệm là kích hoạt điều khiển chuyển động. Trong trường hợp máy phay, yêu cầu
tần số và số xung tính toán từ khoảng cách nhất định và tốc độ ăn dao.
VIII. Hệ thống CNC đầu tiên
Một nguyên mẫu của cấu trúc CNC được đề xuất đã được thực hiện trên một
thử nghiệm, một máy tính điều khiển, máy phay CNC đứng 3 trục. Máy được cung
cấp dựa trên bộ điều khiển EMC ( Enhanced Machine Control – Nâng cao điều
khiển máy) và một bộ điều khiển động cơ điều khiển ba động cơ nhỏ. Phần cứng
của máy tính và bộ điều khiển động cơ được sử dụng cho hệ thống nguyên mẫu.
Một máy tính được sử dụng để thực thi khối chức năng dựa trên nền tảng Java. Nó
được dự tính rằng các thiết bị nhúng, có khả năng chạy các khối chức năng, sẽ có
khả năng triển khai cùng một giải pháp.
Software Implementation – Phần mềm triển khai

Các lớp chức năng của CNC được đề xuất được gói gọn trong các khối chức
năng như được nói trong các phần trước. Dựa trên dữ liệu thiết kế của từng
phần, ứng dụng khối chức năng tương ứng được tạo. Dữ liệu STEP-NC được
dịch sang ứng dụng khối chức năng ở layer 5. Các đặc tính, được triển khai bởi
các khối chức nằng ở layer 4, sau đó chúng được dịch sang các quỹ đạo, các
chuỗi điểm (layer 3). Sự di chuyển giữa các điểm được triển khai bởi khối
chức năng điều khiển chuyển động ở layer 2. Điều này được thực hiện thông
qua việc tính toán đầu ra cho động cơ trục từ các vị trí lấy mẫu, được tạo ra bởi
các điểm quỹ đạo được tính toán. Đầu ra, được tạo từ bộ điều khiển chuyển

13


Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

động được thông qua dựa trên chức năng giao diện đầu vào/ra (I/O) trong layer
1, nó sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến các chương trình điều khiển động cơ.
Cấu trúc CNC được để xuất được trình bày trong hình 12.9. Máy CNC được
triển khai như một hệ thống được điều chỉnh bởi bốn thiết bị ( theo thuật ngữ
IEC 61499): DISPLAY3D, mô hình, bộ điều khiển và PhysicalOut, tương ứng
với chệ độ xem, mô hình, điều khiển và giao diện tương tự cấu trúc MVC mở
rộng. Quá trình khởi động với việc giải mã dữ liệu STEP-NC cho một phần mà
sau đó được thu nạp bởi khối chức nằng trong layer 5. Quá trình đó tiếp theo sẽ
được dịch đến điều khiển ứng dụng khối chức năng, cái mà bao gồm các khối
chức năng từ layer 4 và dịch vụ sử dụng trong layer 3. Để cấu trúc tốt hơn, ứng
dụng điều khiển được phân phối trên 8 vùng chứa thực thi ( theo thuật ngữ IEC
61499): MACHINE, WORKPIECE, WORKPIECE_START, TOOL_START,
POINTS_AUTO, POINTS_FILE,POINTS, và INTERFACE. Thiết bị điều khiển

cũng bao gồm 3 tài nguyên, tương ứng với Layer 1,2.
Thiết bị “Model” chứa khối ứng dụng chức năng, mô hình hóa hành vi mất
kiểm soát của một máy công cụ. Với tín hiệu đầu vào mô hình sẽ thay đổi trạng
thái của nó như một máy công cụ thực. Nó cung cấp tham số của trạng thái hiện tại
đến thiết bị hiển thị 3D (DISPLAY3D) - thiết bị có thể hiển thị các ứng dụng khối
chức năng
Thiết bị PhysicalOut sẽ gửi tín hiệu điều khiển được tạo bởi khối chức năng
trong lớp 1. vào cổng song song của máy tính. Các thiết bị liên lạc với các thiết
bị khác bởi phương tiện của khối chức năng giao tiếp.

14


Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

Cấu hình của hệ thống này, với sự thay đổi không đáng kể, có thể được thực
hiện trên bất kỳ nền tảng điện toán nào hỗ trợ các khối chức năng IEC 61499.
Theo hình 12.9, nó có thể là một máy tính cá nhân với kết nối ngoại vi trực
tiếp với máy công cụ ( phía thuận), hoặc là một thiết bị nhúng với một cấu trúc
phân tán ( phía ngược). Trong trường hợp sau, chương trình điều khiển động
cơ, tương ứng với ba trục và màn hình được kết nối với bộ xử lý chính thông
qua một fieldbus.
Với điều khiển động cơ này, chỉ có một tín hiệu định hướng và một xung
đơn được yêu cầu để di chuyển động cơ một bước duy nhất theo một hướng
nhất định. Hoạt động mong muốn của giao diện vật lý là sử dụng dữ liệu thô
được tính toán trong bộ điều khiển (tốc độ cấp liệu) để điều khiển máy thực
(tức là tạo ra các tín hiệu cần thiết để điều khiển động cơ).
Trong hệ thống này, giao diện vật lý của máy tính với các ổ đĩa động cơ

được triển khai sử dụng cổng song song của nó. Sự phụ thuộc vào giải pháp
phần cứng cụ thể này đã được sử lý bằng cách tạo ra một mô hình thiết bị trừu
tượng, được gọi là ParallelPortDev. Mô hình thiết bị này được xác định bởi
một thư viện khối chức năng cụ thể, cung cấp giao diện người dùng cho các ổ

15


Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

đĩa động cơ thông qua cổng song song của máy tính. Khối chức năng
ParallelMotor ánh xạ các tín hiệu điều khiển động cơ đến cổng song song của
máy tính. Việc thực hiện khối chức năng này được dựa trên lớp Java
ParallelPortMapper cho phép kiểm soát các chân dữ liệu cổng song song. Một
đối tượng ParallelPortMapper được thiết kế để sử dụng các lớp trong thư viện
Java của RXTX (2008) để xây dựng các hàm cần thiết để gửi dữ liệu thông qua
các chân dữ liệu của một cổng song song. Các thư viện khối chức năng đã
được triển khai để đóng gói thông tin liên lạc trực tiếp tới bất kỳ hoặc tất cả
các chân đầu ra của cổng song song. Nó được thiết kế để truy cập chức năng
SendData trong ParallelPortMapper để ràng buộc 8 dòng dữ liệu của một
cổng song song với một giá trị nhất định. Nó có thể được nhận thấy từ khối
ParallelMotor, rằng các đầu vào yêu cầu là khoảng thời gian xung, số bước
cần thiết để đạt được và hướng quay của mỗi động cơ riêng lẻ.
Một khối chức năng tổng hợp, sử dụng các dịch vụ của khối chức năng
ParallelMotor, được thiết kế để xử lý vận tốc và số bước của cả ba động cơ. Nó
có thể dễ dàng mở rộng để chứa một động cơ thứ tư. Khối chức năng này tạo ra
một chuỗi đầu ra được ghi vào cổng song song, và lần lượt điều khiển các động
cơ trên máy.

Implementation of the MVC Design Pattern – Thực hiện mẫu thiết kế MVC
Mô hình là phần cốt lõi của kiến trúc Model-View-Control. Một máy CNC
được mô hình hóa bằng cách xem xét cấu trúc của máy, kích thước vật lý, số
trục có sẵn và loại đầu vào, đầu ra và thông số kỹ thuật khác. Hình dạng của
phần về mặt tính năng được sử dụng làm đầu vào cho các khối chức năng
tương ứng. Mô hình phôi gia công cung cấp dữ liệu cho việc tạo đường dẫn
dao, tương tự như Công cụ tạo đường dẫn dao trong một CNC truyền thống.
Bộ điều khiển tạo ra các tín hiệu như tín hiệu điều phối và vận tốc (một bộ cho
mỗi trục riêng lẻ).

16


Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

Khối chức năng Movement_Estimator (Hình 12.10 (a)) tính toán dữ liệu
cho đường dẫn đã lên kế hoạch, sau đó được đưa vào khối mô hình trục để ước
tính điểm tiếp theo cho trục. Để có một thiết kế mô-đun cho hệ thống, khối
chức năng Axis_Model (Hình 12.10 (b)) được sử dụng để biểu diễn một đơn vị
điều khiển trục tuyến tính để xác định trục trong hệ thống. Trong trường hợp
này, cần có ba khối chức năng Axis_Model để biểu thị tọa độ (X, Y, Z) của một
điểm. Khối chức năng này xử lý dữ liệu như tốc độ và đầu vào định hướng cho
trục và cập nhật vị trí tọa độ. Sau đó nó có thể được sử dụng cho mỗi điều
khiển trục X, Y và Z.
Các giới hạn khác đã được thêm vào mô hình để phản ánh khả năng của
công cụ máy. Chúng bao gồm tốc độ di chuyển nhanh và khoảng cách di
chuyển tối đa dọc theo mỗi trục.
Visualisation – Dựng hình

Thành phần dụng hình của cấu trúc MVC được thực hiện trong môi trường
ảo 3D thông qua một phần mở rộng Java, tức là Java3D. Các đối tượng được
hiển thị theo cách phân cấp. Ở cấp cao nhất là vũ trụ 3D. Bắt nguồn từ nó là
nhánh cây. Ở cuối cành là các nút lá, đại diện cho hình dạng 3D. Các nhánh có
thể chứa các nhánh khác cũng như các nút lá. Một khung nhìn đơn giản về cấu
trúc phân cấp này được thể hiện trong Hình 12.11. Cấu trúc này được thể hiện
trong việc thực hiện trực quan hóa khối chức năng.

Công cụ trực quan phát triển là nguyên thủy và dựa trên wireframe. Mục
đích là để chứng minh tính khả thi của việc sử dụng Java3D để hiển thị đồ họa.

17


Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

Công cụ hiển thị phôi gia công và dụng cụ cắt. Các ràng buộc về di chuyển và
các mối quan hệ giữa các trục cũng được mô hình hoá. Công cụ bao gồm các
mô hình thiết bị như SampleFrame3D và ImageDev3D, và các loại khối chức
năng như RenderAxis3D, RenderWireBox3D, RenderCylinder3D và
RenderLine3D. Khối chức năng RenderAxis3D vẽ 3 trục để biểu diễn hướng
dương của chuyển động của mỗi trục trong hệ thống. Khối chức năng
RenderWireBox3D vẽ một phôi gia công đơn giản và các ràng buộc di chuyển.
Khối chức năng RenderCylinder3D vẽ công cụ cắt. Khối chức năng
RenderLine3D được sử dụng để hiển thị đường dẫn dao bằng cách nối hai
điểm, hiện tại và điểm tiếp theo, cùng một đường thẳng.
Dựng hình 3D được thực hiện trong quy trình gồm ba bước. Đầu tiên một đối
tượng JFrame được mở rộng để hỗ trợ dựng hình 3D. Điều này được thực hiện

bằng cách tạo ra một vũ trụ 3D bên trong nó. JFrame chính nó là một đối tượng có
sẵn trong thư viện 2D Java.Thay đổi và xử lý việc tạo một cửa sổ để hiển thị. Tiếp
theo, một giao diện cho môi trường khối chức năng được tạo ra. Giao diện này
được gọi là ImageDev3D. Điều này được gói gọn bởi một thiết bị khối chức năng
(vì nó đại diện cho một hệ thống phụ riêng biệt). Một đối tượng JFrame mở rộng
được thêm vào như là một phần tử con của ImageDev3D. Trong bước cuối cùng,
các khối chức năng riêng biệt được tạo ra để xác định một hình dạng cụ thể. Các
khối chức năng này xây dựng các đối tượng Shape3D có thể được hiển thị trong vũ
trụ 3D. Dữ liệu hình học được chuyển tới JFrame tồn tại trong ImageDev3D. Toàn
bộ quá trình được mô tả trong hình 12.12 (Mohamad, Xu & Vyatkin, 2009). Bằng
cách này, có thể hiển thị nhiều phiên bản của bất kỳ hình dạng nào, miễn là có một
khối chức năng cho mỗi cá thể. Hơn nữa nó cho phép hình học phức tạp hơn được
tạo ra một cách dễ dàng.
Hình 12.13 cho thấy các giao diện của các khối chức năng thu gọn chức
năng dựng hình. Mỗi hình dạng được thêm vào Vũ trụ 3D được kết hợp với
một đối tượng biến đổi cho phép người dùng thao tác dịch chuyển, xoay và
chia tỷ lệ hình dạng. Bằng cách sửa đổi đối tượng chuyển đổi, có thể mô tả
chuyển động của một hệ thống. Hình ảnh 3D hỗ trợ một số khả năng điều
hướng điển hình như được thấy trong nhiều gói 3D khác - cụ thể là xoay, thu
phóng và cố định. Điều này giúp nâng cao sự thân thiện của giao diện máy với
người sử dụng

A Test Part – Bộ phận kiểm tra
Điểm bắt đầu của quá trình này là dữ liệu STEP-NC, chứa các thông tin như
kế hoạch làm việc, bước làm việc, cách gia công, các tính năng gia công và các
công cụ cắt. Hệ thống được thử nghiệm bằng cách sản xuất một số bộ phận,

18

Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

một trong số đó là ví dụ đầu tiên trong phụ lục ISO 14649-11 (2004) như trong
Hình 12.14. Dữ liệu được hiển thị trong hình được bao gồm trong một tệp vật
lý STEP.

19


Học phần: CAD/CAM/CNC

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

20


Học phần: CAD/CAM/CNC
IX.

GVGD: TS. Trần Vũ Minh

Kết luận

Trong khi STEP-NC hỗ trợ tốt các khái niệm như luồng thông tin hai hướng
trong CAD/CAM, chia sẻ dữ liệu qua Internet và gia công dựa trên tính năng,
khối chức năng cung cấp một công cụ hữu ích để mở rộng tích hợp CAD/CAM
để bao gồm CNC.Điều này là vì - một khối chức năng có thể được xem như là
một đơn vị chức năng và thực thi cơ bản. Khối chức năng có thể được thiết kế

để phù hợp với các tính năng gia công riêng lẻ và có thuật toán và dữ liệu cần
thiết được nhúng để quyết định điều kiện cắt tốt nhất và đường dẫn dao khi
máy và công cụ cắt được chọn. Điều này làm cho các khối chức năng phù hợp
nhất với các điều khiển CNC. Chúng có một lợi thế hơn STEP-NC trong việc
hỗ trợ một CNC thông minh và tự động. Tóm lại, STEP-NC có thể được xem
như là một "job-setter" (cung cấp tất cả các thông tin cần thiết), trong khi các
khối chức năng có thể được xem như là một "job-doer" (thực hiện các lệnh gia
công) cho sản xuất tương thích. , STEP-NC và các khối chức năng có thể làm
việc trong tay trong việc hỗ trợ sản xuất tương thích.
Bộ điều khiển CNC được đề xuất sử dụng cấu trúc IEC 61499 như sự phát
triển của nó và STEP-NC làm mô hình dữ liệu đầu vào. Tuân theo tiêu chuẩn
STEP-NC giúp chuyển dữ liệu qua cácbộ phận khác nhau mà không cần
chuyển đổi dữ liệu và sản xuất phần tương ứng trên các máy công cụ khác
nhau. Hệ thống nguyên mẫu có một cấu trúc phân lớp. Loại tổ chức này đơn
giản hóa quá trình chuyển đổi giữa mô phỏng và gia công thực sự, và thay thế
một máy phay bằng máy khác.
Nó được chứng minh rằng việc sử dụng công nghệ khối chức năng cho phép
phát triển mở và hệ thống CNC phân phối. Điều này cũng cho phép các đơn vị
chức năng riêng biệt của bộ điều khiển được triển khai trên các thiết bị khác.
Ngoài bản chất phân tán của nguyên mẫu hệ thống, bộ điều khiển được đề xuất
cũng có thể hỗ trợ quản lý và cấu hình từ xa, một tính năng có thể hữu ích
trong môi trường có nhiều công cụ máy (ví dụ: hệ thống sản xuất linh hoạt).
Nhờ phương pháp thiết kế Model-ViewControl được triển khai thành công, cấu
trúc và hệ thống nguyên mẫu của nó cũng có thể hỗ trợ mô phỏng gia công thời
gian thực. Do đó hệ thống cũng có thể được sử dụng như một máy ảo
công cụ hoặc phần mềm CNC.

21