SỰ PHÁT TRIỂN của hệ THỐNG CNC TÍCH hợp, THÍCH NGHI

Chương XIII
SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG CNC TÍCH HỢP, THÍCH NGHI
TÓM TẮT
Để chuẩn bị cho các nhà máy sản xuất đối mặt với sự gia tăng thường xuyên và khó
dự đoán những biến động thị trường một cách tự tin, một nhu cầu đã được công nhận, là
những công cụ máy CNC cần được nâng cao hơn nữa để chúng trở nên thích hợp với các
mẫu thiết kế và thích ứng với điều kiện gia công không chắc chắn. Để một hệ thống CNC
có thể truy cập vào bất kỳ một thông tin thiết kế nào, thì những thông tin thiết kế này phải
ở cấp-nhiệm vụ. Đó là việc-cần-làm. Để một hệ thống CNC sản xuất ra phần cuối cùng,
nó phải biến thông tin cấp-nhiệm vụ thành thông tin cấp-phương pháp, là dữ liệu điều
khiển máy. Những chủ đề này được thảo luận ở phần đầu của chương
Phần còn lại của chương thảo luận về một cơ sở dữ liệu CNC được sử dụng để chuyển
đổi dữ liệu cấp nhiệm vụ thành dữ liệu cấp phương pháp, và việc thực hiện các phương
pháp cho máy CNC thông thường dùng G-code.

DỮ LIỆU CẤP NHIỆM VỤ VÀ DỮ LIỆU CẤP PHƯƠNG PHÁP
Một khái niệm quan trọng của STEP-NC là “tính độc lập của máy công cụ”; điều này
khiến các code STEP-NC tương thích với nhiều hệ thống CNC khác nhau. Điều này là do
một mô hình dữ liệu chính STEP_NC bắt được thông tin cấp-nhiệm vụ hay thông tin
việc-cần-làm. Mặc dù nó có thể xác định dữ liệu ở cấp-phương-pháp hoặc cấp độ làmnhư-thế-nào, như quỹ đạo máy công cụ, mục đích chính của STEP-NC là cho phép những
quyết định được tạo ra bởi bộ kích hoạt điều khiển STEP-NC. Bằng cách này, các chương
trình phần STEP-NC có thể được viết một lần nhưng được sử dụng trên nhiều máy công
cụ khác nhau, cung cấp khả năng xử lý theo yêu cầu. Hình 13.1 chỉ ra 2 loại dữ liệu đã
xác định trong mô hình dữ liệu STEP-NC. 2 cột đầu tiên mô tả thông tin của nhà sản
xuất. Quá trình-cấp-dữ liệu mô tả nhiệm vụ sản xuất thu gọn ở cấp-macro. Dữ liệu cấp-

1


hình học là đại diện về mặt tính năng sản xuất. Dữ liệu cách-thực-hiện được chia làm 2
loại. Dữ liệu lõi máy công cụ tả ra các yêu cầu sản xuất. Dữ liệu phụ trợ của máy công cụ

là dữ liệu cấp phương pháp và chúng được xác định trong mô hình dữ liệu STEP-NC
dưới dạng dữ liệu tùy chọn. Cả hai loại dữ liệu làm-như-thế-nào đều có các dạng khác
nhau khi sử dụng các công cụ máy khác nhau.
Vấn đề là chuyển tiếp dữ liệu cấp nhiệm vụ sang dữ liệu cấp phương pháp, hay từ dữ
liệu việc-cần-làm sang dữ liệu làm-như-thế-nào. Từ khi STEP-NC được sử dụng như
một mô hình dữ liệu gia công CNC, việc thực hiện STEP-NC là một quá trình thích ứng
với mô hình dữ liệu của nó cho các hệ thống CNC khác nhau.Điều này được minh họa
trong Hình 13.2.
Một hệ thống như vậy có thể có ba giai đoạn.Trước hết, phiên bản gốc của chương
trình STEP-NC được tạo dựa trên thông tin trong một chương trình STEP-NC chung. Sau
đó, ở cấp thấp, các lệnh NC cục bộ có thể được xây dựng dựa trên thông tin NC gốc.
Điều này cung cấp một giao diện thẳng tới máy CNC mục tiêu, do đó hình thành một
“chuyển đổi CAM-CNC”. Quá trình chuyển đổi này nhằm ẩn khỏi người dùng và được
đồng bộ hóa lý tưởng với quy trình thực hiện tiếp theo. Cuối cùng, một bộ kích hoạt điều
khiển STEP-NC thực hiện chương trình STEP-NC thông qua các lệnh CNC gốc ở trên.

XÂY DỰNG MỘT CHƯƠNG TRÌNH STEP_NC GỐC
Chìa khóa trong giai đoạn này là “lập bản đồ” một chương trình NC chung. Nói cách
khác, nhiệm vụ chính là chuyển đổi thông tin việc-cần-làm trong chương trình STEP-NC
chung, thành thông tin làm-như-thế-nào cho một máy CNC cụ thể. Các máy CNC khác
nhau có khả năng gia công khác nhau và các thông số gốc khác nhau. Cho đến khi
chương trình STEP-NC tính đến tất cả thông tin cụ thể cho một hệ thống CNC, sẽ không
thể thực hiện (các) Kế hoạch làm việc được chỉ định trong chương trình STEP-NC. Quá
trình lập bản đồ cũng là một quá trình "kiểm tra" để đánh giá khả năng sản xuất của công
việc trên một công cụ máy cụ thể. Trong môi trường sản xuất phân tán, tính năng “cắm và

2


chạy” này cung cấp quá trình lên kế hoạch cho tính tính di động mong muốn. Hình 13.3

cho thấy cấu trúc logic của hệ thống (Wang, Xu & Tedford, 2006). Ba đơn vị chức năng
chính là cơ sở dữ liệu Native CNC, nguồn và Human-Machine (HM) giao diện.

MÔ HÌNH THIẾT BỊ MÁY CHỦ
Các trung tâm gia công CNC là nhà cung cấp cụ thể và khác nhau về cấu hình phần
cứng và phần mềm điều khiển. Nhiều dữ liệu được tải trước vào một công cụ máy trong
quá trình sản xuất để phục vụ cho các chức năng máy khác nhau. Để bộ nguồn làm việc
với các máy công cụ khác nhau, điều quan trọng là phải có cấu trúc cơ sở dữ liệu có khả
năng mô hình hóa thông tin nguyên gốc của các công cụ máy khác nhau. Dựa trên cơ sở
này bộ nguồn có thể được phát triển một cách dễ dàng. Khi một công cụ máy mới đến,
nhiệm vụ duy nhất là lưu trữ thông tin của công cụ máy mới vào cơ sở dữ liệu gốc. Bộ
nguồn, được phát triển để làm việc với cơ sở dữ liệu của một cấu trúc cố định, không cần
phải thay đổi.
Hình 13.1 Dữ liệu việc-cần-làm và làm-như-thế-nào trong STEP-NC ©2008, Taylor
and Francis Journals, , đã được sự cho phép của tác giả

3


Hình 13.2 Thực hiện sản xuất trong STEP-NC ©2008, Taylor and Francis Journals,
, đã được sự cho phép của tác giả

Hình 13.3. Kết cấu hợp lí của hệ thống

4


Phần còn lại của công đoạn mô tả cơ sở dữ liệu đã được phát triển và được gọi là mô
hình dữ liệu máy công cụ tương thích STEP-NC (STEP-NCMtDm) (Yang &Xu, 2008).
Phạm vi của STEP-NCMtDm bao gồm:

• Dữ liệu máy gia công theo yêu cầu của quy trình gia công, bản thiết kế sản phẩm
và gia công CNC. Những dữ liệu này không dành cho các nhà cung cấp máy
công cụ nhưng được dùng để hỗ trợ các tác vụ lập quy trình gia công. Do đó, tất
cả thông tin liên quan về một máy công cụ được yêu cầu bằng cách lập kế hoạch
quy hoạch và lập kế hoạch sản xuất.
• Dữ liệu máy gia công là bắt buộc để xác định thông tin của cấp độ phương thức
dựa trên dữ liệu cấp độ nhiệm vụ. Bốn phương thức khác nhau của STEP-NC
dựa trên phương pháp gia công được hỗ trợ. Chúng tương ứng với các mô hình
STEP-NC ở bốn cấp chi tiết khác nhau. Những người:
a) Chỉ có thông tin chi tiết về việc mình làm ( ví dụ thông tin tính năng sản xuất
từ giai đoạn thiết kế).
b) Cả 2 loại thông tin cần làm.
c) Cả hai loại thông tin cần làm và máy không phụ thuộc thông tin hướng dẫn.
The STEP-NCMtDm là cần thiết để đánh giá liệu một công cụ máy phù hợp
với nhiệm vụ này.
d) Tất cả dữ liệu phải làm và cách thực hiện
• Đề xuất của STEP-NCMtm là phù hợp với dữ liệu máy khác được xác định dựa
trên các tiêu chuẩn khác (e.g ISO, ASME).
Tài nguyên dữ liệu máy gia công được chia làm 2 loại: tĩnh và động. Nếu dữ liệu
không thay đổi trong suốt vòng đời của một công cụ máy, chúng được phân loại là ‘dữ
liệu công cụ máy tĩn’ (Ví dụ: tải trọng máy và kích thước máy. Những dữ liệu này chủ
yếu là thông số kỹ thuật của máy công cụ, đưa ra tổng thể về khả năng gia công của máy
công cụ. Mặt khác, nếu dữ liệu thay đổi trong các giai đoạn khác nhau hoặc có các giá trị
khác nhau cho các yêu cầu khác nhau, chúng được phân loại là ‘dữ liệu công cụ máy
động’. Dữ liệu động là thông tin chính để thực hiện quy trình sản xuất và gia công. Hai
nguyên nhân có thể dẫn đến thay đổi dữ liệu động của máy công cụ. Đầu tiên là khi làm
việc với các dụng cụ dao bị mòn có thể dẫn đến sai lệch độ chính xác. Thứ hai là do sự

5

thay đổi hoặc cấu hình lại của máy công cụ. Ví dụ, thêm công cụ cắt hoặc dụng cụ cắt
mới sẽ ảnh hưởng đến khả năng gia công của nó. Với cả hai loại dữ liệu động được nêu
trên, STEP-NCMtDm trở nên thích nghi với việc môi trường dữ liệu nền bị thay đổi. Việc
tách dữ liệu tĩnh và động trong STEP-NCMtDm giúp việc quản lý và sử dụng dữ liệu
công cụ máy thuận tiện hơn. Dữ liệu máy tĩnh, một khi được tạo mô hình, có thể không
thay đổi. Đối với hai loại dữ liệu công cụ máy động, các quy trình xử lý và cập nhật dữ
liệu khác nhau được tuân theo. Loại dữ liệu động thứ nhất cần được cập nhật thường
xuyên hơn do các yếu tố như công cụ máy móc, trong khi loại thứ hai được cập nhật vào
các khoảng thời gian không đều nhau.

STEP-NCMtDm
Sáu bộ dữ liệu được mô hình hóa trong STEP-NCMtDm: 1) Dữ liệu chung của máy;
2) dữ liệu thành phần máy công cụ; 3) Dữ liệu khả năng gia công; 4) Dữ liệu hiệu suất
của máy công cụ; 5) Dữ liệu chi phí gia công; và 6) Dữ liệu động học máy công cụ.

Bộ dữ liệu chung của công cụ máy
Tập dữ liệu này đại diện cho thông tin chung về một máy công cụ. Dữ liệu gốc lấy từ
ENTITY machine_tool. Thông tin chung được mô hình hóa về máy bao gồm số id, vị trí,
nguồn gốc máy công cụ, trục, trục chính, thiết bị xử lý, công cụ cắt, v.v. Kể từ khi thuộc
tính machine_tool.its_spindle bị xóa bởi một bộ trục chính ENTITY, STEP-NCMtDm có
thể hỗ trợ mô hình hóa máy gia công CNC đa trục chính. Trong phiên bản hiện tại của
STEPNCMtDm, ENTITYmachine_toolcan được sử dụng để mô hình hóa các máy gia
công phay (bao gồm máy khoan), trung tâm tiện và trung tâm phay, và theo dữ liệu hiệu
suất machinetool, mô hình chỉ hiển thị thông tin chính xác của máy gia công.

Bộ dữ liệu thành phần máy công cụ
Tập dữ liệu này đại diện cho thông tin về từng thành phần riêng lẻ của một công cụ
máy. Nó được chia thành dữ liệu trục công cụ máy, dữ liệu trục xoay, dữ liệu thiết bị xử
lý phôi, dữ liệu thiết bị xử lý công cụ cắt và dữ liệu thiết bị phụ trợ.

6


1. Tập dữ liệu trục: Đối tượng chính cho tập dữ liệu này là trục ENTITY giả
tưởng, đại diện cho khái niệm chung của trục công cụ máy. Tên và gốc của nó
được thể hiện dưới dạng hai thuộc tính: axis_name và its_origin. Các định nghĩa
của các hướng trục phù hợp với tiêu chuẩn Úc AS 115-1985 (AS1115, 1985) và nó
được nhận dạng bơi một tên trục xác định. Trục này có hai kiểu con :
traveling_axis và rotary_axis. Chúng có cùng các thuộc tính của trục Entity. Entity
traveling_axis định nghĩa trục chuyển động tuyến tính, cùng với các đặc điểm của
nó như phạm vi di chuyển, hướng di chuyển cho phép (chuyển động trục thuận /
nghịch), thông tin cấp dữ liệu và tốc độ di chuyển. Rotary_axis đại diện cho trục
xoay với loại chuyển động của nó(continous_rot_movement, index_rot_movement
hoặc limit_swing_rot_movement), hướng xoay và tốc độ xoay tối đa.
2. Tập dữ liệu trục chính: Tập dữ liệu này đại diện cho dữ liệu trục chính để
hỗ trợ các hoạt động lập kế hoạch quy trình. Tương tự như tập dữ liệu trục, trục
chính ENTITY cũng là một kiểu trừu tượng. Hai loại trục chính được miêu tả bởi
2 kiểu cắt, trục chính khi phay và trục chính khi tiện. Các phôi gia công hoặc dao
cắt tối đa được phép xác định thông số tương ứng. Các thông số chính của trục
chính bao gồm: its_id, phạm vi tốc độ quay của nó, hướng của nó, thông tin mũi
trục chính, thông tin khoảng cách từ mũi trục, thông tin chất làm mát, công suất
cực đại và mô-men xoắn, và khả năng sự cố với lượng ăn dao.
3. Dữ liệu thiết bị xử lý phôi: Tập dữ liệu này dành cho các thiết bị giữ phôi
gia công khác nhau và các đặc tính của chúng khi cần thiết cho lập kế hoạch quy
trình. Gốc của bàn kẹp được xác định theo gốc phôi. Thuộc tính its_moving_
orientation hiển thị các trục nào (trục tịnh tiến và trục quay) một bàn kẹp phôi có
thể di chuyển dọc theo.Giới hạn của thiết bị bàn kẹp được sử dụng để xác định
thông tin của khu vực hạn chế của bàn kẹp, có thể được sử dụng để phát hiện va
chạm. Sáu loại thiết bị được xem xét:đồ gá, bạc gá , ụ định tâm động, bar_ feeder,

bàn máy và giá kê. Dữ liệu dung lượng cho các thiết bị này được xác định thêm, ví
dụ, đường kính lớn nhất, đường kính bé nhất , chiều dài lớn nhất, độ lệch và số mỏ
kẹp.

7


4. Bộ dữ liệu thiết bị xử lý công cụ cắt: Tập dữ liệu này chứa thông tin như id,
chức năng công cụ, danh sách công cụ hiện có, công cụ gia công hiện tại, hướng di
chuyển của nó (dọc theo trục tịnh tiến hoặc trục quay), chiều dài và trọng lượng
của dụng cụ tối đa. Trong quá trình lập chu trình, bộ dữ liệu này có thể được sử
dụng để lựa chọn dao cắt và xử lý bù dao. Khu vực giới hạn có liên quan để tránh
va chạm được xác định bởi vùng giới hạn dụng cụ cắt. Hai loại thiết bị xử lý công
cụ cắt cụ thể được mô hình hóa: bàn dao và tool_magazine. Lưu ý rằng
turret.index_time (tồn tại khi giá trị của turret.auto_change là true) và
tool_magazine.tool_change_time là hai phần thông tin quan trọng để ước tính thời
gian gia công.
5. Dữ liệu thiết bị phụ trợ: Tập dữ liệu này bao gồm thông tin về chất làm mát
và phoi. Thông tin chất làm mát được yêu cầu bởi tùy theo chức năng phay hoặc
tiên trong mô hình dữ liệu STEP-NC. Nó bao gồm các dữ liệu như loại chất làm
mát, áp suất tối đa và chất làm mát thông qua trục chính hoặc không.

Bộ dữ liệu khả năng máy gia công
Tập dữ liệu này chứa thông tin có thể được sử dụng để xác định khả năng gia công
của một công cụ máy. Trong quá trình lập kế hoạch, các dữ liệu này là chìa khóa để xác
định xem một máy gia công có phù hợp với một công việc gia công cụ thể hay không.
Khả năng gia công, được đại diện bởi ENTITY machining_capability, bao gồm các loại
hoạt động có thể của công cụ máy, khu vực giới hạn để tránh va chạm (bao gồm các vùng
bị hạn chế cho phôi gia công, phôi gia công, thiết bị xử lý, thiết bị xử lý dụng cụ cắt, vv),
khả năng tải bảng, kích thước phôi gia công, khả năng cho ăn và dữ liệu độ sâu cắt tối đa.

Tập dữ liệu hiệu suất máy công cụ
Bộ dữ liệu hiệu suất công cụ máy được sử dụng cùng với một số dữ liệu khác, khi
chọn một công cụ máy thích hợp để gia công. Chỉ có dữ liệu độ chính xác của công cụ

8


máy được hiển thị trong biểu đồ. Chúng là độ phân giải công cụ máy (ENTITY
resolution) và độ lặp lại trục (ENTITY repeatablility accuracy).

Bộ dữ liệu chi phí của máy
Tập dữ liệu này được mô hình hóa bởi ENTITY machine_tool_cost_information để
ước tính chi phí gia công trong quy hoạch quy trình. Nó giữ dữ liệu chẳng hạn như chi
phí trung bình cho mỗi thiết lập (thuộc tính setup_cost) và tỷ lệ giờ gia công (thuộc tính
machining_cost_per_hour). Hệ thống lập kế hoạch quy trình có thể sử dụng những dữ
liệu này để tính chi phí sản xuất tương ứng.

Mô hình động học của máy công cụ
Mô hình động học là một phần cốt lõi hỗ trợ thực hiện STEP-NCMtDm trong quy
hoạch và mô phỏng quy trình. Mô hình động học có thể được phát triển như một cấu trúc
chuỗi (Suk, Seo, Lee, Choi, Jeong & Kim, 2003), trong đó thông tin của mỗi nút và mối
quan hệ giữa chúng được mô hình hoá. ENTITY k_component là một yếu tố cơ bản để
xác định mỗi nút của chuỗi động học của công cụ máy. Tên, thông tin hình học và thông
tin chuyển động của một k_component được mô hình hóa trong các thuộc tính its_name,
its_geometry và its_degree_of_freedom. Hai k_components tạo thành một k_jointed_pair
với một chuỗi bắt đầu. Một danh sách được sắp xếp theo thứ tự của k_jointed_pairs tạo
thành toàn bộ chuỗi động học của một công cụ máy (ENTITY k_chain), có thể là một
chuỗi định hướng công cụ hoặc chuỗi định hướng phôi (được chỉ ra trong thuộc tính
its_type).

Dữ liệu tĩnh và động
Như đã thảo luận trước đây, dữ liệu công cụ máy có thể được chia thành hai loại: tĩnh
và động. Các phương pháp thu thập và cập nhật dữ liệu khác nhau được yêu cầu và triển
khai cho các danh mục khác nhau. Dữ liệu công cụ máy động có thể được chia thành hai

9


nhóm theo tần suất cập nhật của chúng, thường xuyên hoặc không đều. Phân loại dữ liệu
tĩnh và động là điều cần thiết để thực hiện mô hình sau này.
Nói chung, phân loại như vậy dựa trên các nguyên tắc sau:
• Thông tin chung của công cụ máy và dữ liệu liên quan đến công cụ máy hoặc các
thành phần của công cụ máy được coi là dữ liệu tĩnh.
• Dữ liệu công cụ máy liên quan đến hiệu suất của công cụ máy, chẳng hạn như dữ
liệu chính xác, thuộc về loại dữ liệu động của công cụ máy đầu tiên. Tần suất cập nhật
loại dữ liệu này phụ thuộc vào việc sử dụng công cụ máy.
• Dữ liệu công cụ máy liên quan đến công cụ cắt và thiết bị xử lý phôi là loại dữ liệu
động thứ hai cần được cập nhật thường xuyên. Điều này là do thực tế rằng các thiết bị xử
lý công cụ cắt hoặc thiết bị xử lý phôi gia công khác nhau có thể được sử dụng để gia
công một phần khác. Dữ liệu thường tùy thuộc tình huống vào những thay đổi ở phía
xưởng.

BỘ TIẾP HỢP
Có ba đơn vị chức năng trong bộ tiếp hợp: một khối Bộ xử lý trước, Bộ mã hóa và
Chức năng Bản đồ hóa (Hình 13.4). Do đó bộ tiếp hợp thực sự là một bộ “Plug-andPlay”.

BỘ TIỀN XỬ LÍ STEP-NC
Là một mô-đun hỗ trợ, Bộ xử lý trước STEP-NC đọc dữ liệu STEP-NC và tổ chức
chúng thành ba nhóm: Tính năng gia công, Dữ liệu công nghệ gia công và Dữ liệu tài

nguyên sản xuất. Các tính năng gia công được bộ mã hóa sử dụng trực tiếp. Công nghệ
gia công và dữ liệu tài nguyên sản xuất được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu tương ứng của
chúng. Thông tin tính năng phù hợp với tiêu chuẩn STEP-NC. Do đó nó bao gồm các tính
năng như mặt phẳng, hốc, bậc, đặc điểm biên dạng, lỗ tròn, tính năng đường dẫn dao, gờ
lồi, chóp hình cầu, đầu tròn và ren. Điều này làm cho hệ thống “dựa trên tính năng”.

10


Trong cơ sở dữ liệu công nghệ gia công (MTDB), thông tin như lượng tiến dao, lượng
tiến dao tham chiếu, tốc độ cắt, tốc độ trục xoay, vượt quá lượng tiến dao, vượt quá trục
chính, và lượng tiến dao được lưu trữ; tất cả là cần thiết để xác định một hoạt động gia
công. Cơ sở dữ liệu tài nguyên sản xuất (PRDB) lưu trữ thông tin thiết lập và tài nguyên
máy CNC cụ thể, ví dụ: các công cụ cắt, phôi và dữ liệu thiết lập. Các tài nguyên sản xuất
này giúp hệ thống lập bản đồ lựa chọn các công cụ cắt phù hợp và tạo các đường dẫn dao
phù hợp theo thông tin cài đặt. Ngoài ra còn có một cơ sở dữ liệu bảo trì có trách nhiệm
thu thập thông tin phản hồi từ một máy CNC. Nó hoạt động như một bộ đệm giữa
MTDB, PRDB và máy CNC. Thông tin thu thập được cập nhật MTDB và PRDB. Điều
này được thực hiện trong thời gian thực để khi gặp phải lỗi trong khi thực thi phần đầu
của mã STEP-NC, hệ thống có thể sửa chữa phần sau của mã.

BỘ MÃ HÓA STEP-NC
Bộ mã hóa STEP-NC đọc dữ liệu STEP-NC từ Pre-processor và mã hóa dữ liệu
STEP-NC thành các khối chức năng (FB) (IEC 61499, 2005). Trong khi đó, Bộ mã hóa
STEP-NC cũng tổ chức dữ liệu thành ba nhóm: Chia sẻ thông tin, từng bước làm việc và
kế hoạch làm việc. Thông tin chia sẻ chứa dữ liệu về thông tin phôi, thiết lập, chức năng
sản xuất, công cụ cắt và mặt phẳng an toàn, tất cả từ tệp STEP-NC. Thông tin này được
chia sẻ bởi tất cả các bước làm việc. Là đơn vị gia công cơ bản, Workingstep gần như là
“tự cung tự cấp” trong việc xác định đầy đủ hoạt động gia công. Thông tin chứa trong kế
hoạch làm việc cho biết trình tự gia công của các bước làm việc. Tuy nhiên, trình tự này

có thể bị thay đổi khi cần thiết.
Bởi vì STEP-NC và G-mã (ISO 6983-1, 1982) đại diện cho hình học ở các cấp độ
khác nhau, cần phải lập bản đồ thông tin tính năng và công cụ đường đại diện được trình
bày trong STEPNC vào định dạng mã G. Là một ngôn ngữ điều khiển CNC cấp cao,
STEP-NC có khả năng mô tả thông tin hình học phức tạp bằng cách sử dụng các định
nghĩa như đường mưu đồ và đường cong phức hợp. Mặt khác, mã G là ngôn ngữ máy cấp
thấp chỉ có ba chế độ mô tả hình học --- G01 (Nội suy tuyến tính), G02 (nội suy cung

11


tròn cùng chiều kim đồng hộ) và G03 (nội suy cung tròn ngược chiều kim đông hồ). Một
nhiệm vụ quan trọng đối với bộ mã hóa là tạo đường dẫn dao dựa trên hình phức tạp
trong STEP-NC về mặt mã G. Có hai loại đường dẫn dao được xử lý riêng lẻ.
• Tiếp cận và rút lại đường dẫn dao đường dẫn dao tiếp cận xác định quỹ đạo của dao
cắt trước khi cắt. Tương tự, đường dẫn dao rút lại xác định quỹ đạo của dao cắt sau khi
gia công phần. Trong STEP-NC, phương pháp tiếp cận và rút lại được xác định tương
ứng với điểm bắt đầu hoặc điểm kết thúc của hoạt động cắt. Tốc độ cấp dữ liệu cho sự
tiếp cận hoặc chuyển động ngược lại là mức độ cắt được xác định cho điểm bắt đầu hoặc
điểm kết thúc tương ứng của thao tác cắt tương ứng.

12


Hình 13.4. Cấu trúc của cấu trúc bộ chuyển đổi của bộ điều hợp. © 2007 Taylor &
Francis Journals, , được sử dụng với sự cho phép của các
tác giả.
• Đường dẫn dao gia công
Một đường dẫn dao được mô tả bằng quỹ đạo gia công của dao. Nó được xác định
theo thông tin về đặc tính gia công và kế hoạch gia công. Đặc tính gia công mô tả khu

13


vực gia công, trong khi kế hoạch gia công xác định “kiểu cắt” có thể chồng chéo, cho
phép nhiều khả năng, một chiều, hai chiều, song song, đường viền hai hướng, đường
xoắn ốc hoặc trung tâm phay.
Tương ứng với hai loại đường dẫn dao này, hai mô-đun được phát triển để tạo ra các
thông tin cần thiết để xuất ra các mã G. Chúng là công cụ phụ trợ và công cụ hình học.
Trước đây thông tin đường dẫn dao từ dữ liệu cài đặt được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu
nguồn sản phẩm và dữ liệu tiếp cận và rút lại trong cơ sở dữ liệu công nghệ gia công.
Thông qua phân tích và tính toán, đường dẫn dao tiếp cận và rút dao của dao cắt được
giải thích trong G-code. Công cụ hình học nhận dữ liệu hình học từ các đặc tính gia công
và chiến lược gia công. Thông qua các thuật toán nội bộ, dữ liệu hình học của đối tượng
được chuyển đổi thành các đoạn của hệ thống hoặc các chu trình đã sẵn sàng sử dụng để
tạo mã G-code.

LẬP BẢN ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG
Các khối chức năng tổng hợp dựa trên tính năng được xây dựng để chỉ dẫn mã STEPNC vào các mã gia công CNC nguyên bản (mã G). Mỗi khối chức năng kết hợp này đại
diện cho một tính năng gia công như được định nghĩa trong STEP-NC.
Các đối tượng được sử dụng trong khối chức năng có thể được sử dụng để mô hình
hóa chế độ của các đối tượng và khái niệm trong thực tế. Phương pháp được xác định bởi
dữ liệu nội bộ của khối chức năng tuân theo cấu trúc dữ liệu STEP-NC. Lưu ý rằng
những FB này có mối quan hệ tương đối độc lập với nhau. Mặt khác, phương thức chung
được cung cấp bởi dữ liệu bên ngoài làm cho khối chức năng hoạt động theo một bộ điều
khiển CNC cụ thể. Khi các mã STEP-NC được xử lý cho một bộ điều khiển CNC cụ thể,
các khối chức năng chỉ “chuyển sang” các thuật toán nội bộ tương ứng với bộ điều khiển.
Điều này được thực hiện thông qua cơ sở dữ liệu bộ điều khiển CNC. Đầu ra của hệ
thống sẽ là bộ mã G chính xác cho bộ điều khiển đích.

14


Mỗi khối chức năng cơ bản được xây dựng trong hệ thống tuân theo chuẩn STEPNC. Tương tự, các khối chức năng kết hợp được xây dựng để theo cấu trúc dữ liệu logic
do STEP-NC xác định. Do đó, bất kỳ mã STEP-NC nào cũng có thể dễ dàng được chỉ
dẫn vào các mã G khác nhau. Nói cách khác, hệ thống chỉ dẫn là chung. Điều này làm
cho hệ thống chỉ dẫn dễ sử dụng. Không cần phải hiểu thuật toán nội bộ và khối dữ liệu
của khối chức năng hoặc thậm chí cả mã STEP-NC. Các mã G cuối cùng được kết nối
trực tiếp với máy CNC ở chế độ nền. Giao diện chỉ hiển thị các tính năng gia công (đồ
họa) và các hoạt động gia công (được đơn giản hóa) của từng bước làm việc. Do đó, nó
dễ dàng được sử dụng bởi người điều hành bất kỳ nào mà không cần có kiến thức cụ thể
về các khối chức năng STEP-NC và khối chức năng. Các khối chức năng có thể được kết
nối trực tiếp với phần cứng như động cơ, máy bơm,.. trong một phiên bản tương lai của
bộ điều khiển tuân thủ STEP-NC.
Như đã đề cập ở trên, thông tin về các tính năng gia công được "chuyển tiếp" tới
công cụ hình học. Thông tin này được lưu trữ trong FBs dựa trên tính năng tương ứng sẵn
sàng để được chỉ dẫn. Trong khi đó, dữ liệu hoạt động được trích xuất từ mã STEP-NC
được một số FB kết hợp dựa trên cấu trúc của STEP-NC. Các khối chức năng này là các
công nghệ gia công FB, các kế hoạch gia công FB và các FB hoạt động gia công, mỗi FB
chứa các FB cấp thấp hơn hoặc các FB cơ bản. Ví dụ, FB Công nghệ gia công có chín
khối chức năng cơ bản theo cấu trúc được xác định trong STEP-NC, mỗi khối đại diện
cho một phương diện của công nghệ gia công.
Mỗi bộ phận cơ bản trong STEP-NC có khối chức năng cơ bản tương ứng. Mỗi khối
chức năng cơ bản có một thuật toán nội bộ chịu trách nhiệm chỉ dẫn mã STEP-NC vào
mã G-codes. Cấu trúc và nguyên tắc làm việc của các khối chức năng cơ bản này được
thảo luận trong phần tiếp theo.
Khi các thông tin gia công khác nhau như công nghệ gia công, chức năng gia công
và chiến lược gia công được trao cho các khối chức năng dựa trên tính năng, chúng sẽ tự
động được chỉ dẫn vào FB dựa trên Workstep. Thông qua các FB này, các mã STEP-NC

15


được chỉ dẫn vào các khối mã G khác nhau miêu tả cho các bước làm việc và được sử
dụng trực tiếp bởi mục đích máy CNC.
Như đã thảo luận trong Chương XII, một khối chức năng cơ bản được xây dựng dựa
trên một mô hình điều khiển rõ ràng và cung cấp cho luồng dữ liệu và điều khiển dựa trên
trạng thái tự động có hạn. Nó có thể có nhiều bộ phận đầu ra và có thể duy trì thông tin
trạng thái ẩn nội bộ. Điều này có nghĩa là một khối chức năng có thể tạo ra các đầu ra
khác nhau ngay cả khi các đầu vào giống nhau được áp dụng trong khi thuật toán được
xây dựng bên trong khối chức năng được thay đổi. Ví dụ, một khối chức năng cho các
hoạt động phay có thể được sử dụng bằng các công cụ máy khác nhau với các bộ điều
khiển khác nhau. Điều này được thực hiện bằng cách điều chỉnh các biến trạng thái nội
bộ của khối chức năng theo các bộ điều khiển khác nhau. Việc điều chỉnh được thực hiện
bằng cách điều chỉnh các thuật toán trong khối chức năng dựa trên các nguồn bên ngoài,
tức là cơ sở dữ liệu bộ điều khiển CNC. Hình 13.5 cho thấy phay cơ bản FB có đầu vào ở
bên trái và đầu ra ở bên phải. Phần trên cho thấy đầu vào và đầu ra của chu trình, trong
khi phần dưới chỉ ra các kết nối dữ liệu.
Cách vận hành của khối chức năng được điều khiển bởi một máy trạng thái hữu hạn
bên trong, hoạt động của nó được miêu tả bằng biểu đồ điều khiển chấp hành. Sự xuất
hiện của một đầu vào chu trình, chẳng hạn như biến INIT hoặc biến REQ, làm cho khối
chức năng được gọi và các biến đầu vào được ánh xạ. Một hoạt động khối chức năng dựa
trên sự kết hợp các điều kiện Boolean có thể bao gồm biến đầu vào, đầu vào dữ liệu và
biến trạng thái nội bộ. Trong hệ thống này, sự kết hợp khác nhau của các điều kiện
Boolean này sẽ dẫn đến gọi ra các thuật toán nội bộ khác nhau đến các dữ liệu liên quan
từ một cơ sở dữ liệu bộ điều khiển CNC cụ thể. Bằng cách này, dữ liệu đầu vào mô tả cho
dữ liệu STEP-NC được ánh xạ vào dữ liệu đầu ra, tức là mã G cho bộ điều khiển CNC cụ
thể. Trong khi đó, hoạt động EC gửi ra một biến INITO hoặc biến CNF cho một khối
chức năng cơ bản khác, hoặc “gắn cờ” rằng chu kỳ thực hiện của khối chức năng đã được
hoàn thành.

16


GIAO DIỆN CON NGƯỜI - MÁY
Giao diện con người-máy hoạt động như một giao diện điều khiển mà người vận hành
hệ thống CNC có thể sử dụng để (a) tải chương trình phần STEP-NC, (b) thiết lập cơ sở
dữ liệu gốc và (c) tạo chương trình STEP-NC. Nó cho phép giao tiếp với các mô-đun
khác và hoạt động như một “cầu nối” giữa hệ thống CAPP và máy CNC. Nó cũng có thể
cung cấp các chức năng để chỉnh sửa cả hai chương trình STEP-NC chung và nguyên
bản. Khi mô phỏng quỹ đạo dao phát hiện lỗi, người vận hành có thể dễ dàng định vị và
sửa chữa nó. Khung được đề xuất có thể được thực hiện trên nền tảng Windows® bằng
cách sử dụng một bộ công cụ và công nghệ phát triển, chẳng hạn như Microsoft Visual C
++ ®, Microsoft Foundation
Hình 13.5. FB cơ bản cho chức năng phay © 2007 Taylor & Francis Journals,
http: // www. informaworld.com, được sử dụng với sự cho phép của các tác giả.

17


Hình 13.6. Cửa sổ giao diện HM
Các lớp học và Microsoft Access ™. Hình 13.6 cho thấy một ảnh chụp màn hình của
giao diện Human-Machine được phát triển.
Là một phần của một hệ thống tích hợp, khung có liên kết chặt chẽ với hệ thống
CAPP. Một chu kỳ làm việc điển hình bao gồm bốn bước sau:
• Tải và hiển thị chương trình STEP-NC chung.
• Tải cơ sở dữ liệu chế tạo sản xuất gốc. Thông tin chế tạo gốc có thể được lấy từ
STEP-NCMtDm hoặc được nhập trực tiếp tại giao diện.
• Bộ chuyển đổi chuyển đổi chương trình STEP-NC chung thành chương trình STEPNC. Khi hoàn thành, các bước làm việc mới sẽ được hiển thị trên giao diện HM, cùng với
tệp STEP Part 21.

18


• Chương trình STEP-NC gốc được chỉnh sửa thủ công khi cần thiết, trước khi được
gửi đến máy CNC để thực hiện.
PHẦN KẾT LUẬN
Hệ thống được mô tả trong chương này có thể lấy STEP-NC làm đầu vào và với giao
diện thừa kế của hệ thống CNC. Không cần phải sửa đổi cấu hình của các máy CNC hiện
tại. Điều này đang được xem như là một bước khả thi nhưng các bước trung gian đối với
một bộ điều khiển CNC được hỗ trợ đầy đủ STEP-NC.
Tích hợp và khả năng tương tác được thực hiện trong hệ thống. Đầu vào cho hệ
thống là dữ liệu STEP-NC bất kể những công cụ máy nào sẽ được sử dụng. Sự tiếp hợp
sẽ kết hợp một cơ sở dữ liệu bản địa CNC gọi là STEP-NCMtDm, nó nắm bắt thông tin
cụ thể về các máy CNC khác nhau. Điều này có hiệu quả cho phép "sự sắp đặt" quy trình,
tức là sắp xếp dữ liệu STEP-NC (dữ liệu đầu vào chung) cho dữ liệu mã G cụ thể (phụ
thuộc dữ liệu máy). Người dùng chỉ làm việc với dữ liệu STEP-NC vì dữ liệu mã G-code
sau màn hình. Điều này có giá trị cung cấp cho người vận hành nhiều thông tin hơn và
“tự do” hơn mã G-codes. Bất kỳ thay đổi nào cũng có thể được ghi lại và đưa trở lại giai
đoạn thiết kế. Từ cuối bộ điều khiển, mặc dù mã G-code vẫn được sử dụng, thế hệ của nó
được tự động hóa và tối ưu hóa thành các mô hình sản phẩm dựa trên tính năng hoàn
chỉnh có thể được sử dụng trong quá trình ra quyết định. Việc sử dụng các khối chức
năng có lợi thế là tháo rời và “di động” hệ thống ở chỗ nó trở nên dễ dàng cấu hình lại hệ
thống và cho phép thời gian gia công thực diễn ra. Một lần nữa, sự kết hợp của các khối
chức năng STEP-NC và các khối chức năng được chứng minh là một sự phối hợp hiệu
quả trong việc tích hợp được gia công CNC, tương thích và thích ứng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- AS1115. (1985). Numerical Control of Machines – Axis and Motion Nomenclature,
2nd edition. Sydney, Australia: Standards Australian.

19


- IEC 61499. (2005). Function blocks for industrial-process measurement and control
systems - Part 1: Architecture, Geneva, Switzerland: International Electro-technical
Commission.
- ISO 6983-1. (1982). Numerical control of machines – Program format and
definition of address words – Part 1: Data format for positioning, line motion and
contouring control systems. Geneva, Switzerland: International Organisation for
Standardisation (ISO).
- ISO 14649-1. (2003). Data model for computerized numerical controllers: part 1—
overview and fundamental principles. Geneva, Switzerland: International Organisation
for Standardisation (ISO).
- Suk, H. S., Seo, Y., Lee, S. M., Choi, T. H., Jeong, G. S., & Kim, D. Y. (2003).
Modelling and implementation of Internet-Based Virtual Machine Tools, International
Journal of Advanced Manufacturing Technology, 21, 516-522.
- Yang, W., & Xu, X. (2008). Modelling Machine Tool Data in Support of STEP-NC
Based Manufacturing. International Journal of Computer Integrated Manufacturing. (in
press)
- Wang, H., Xu, X., & Tedford, J.D. (2006). Making A Process Plan Adaptable to
CNCs. International Journal of Computer Applications in Technology, 26(1/2), 49-58.
- Wang, H., Xu, X., & Tedford, J.D. (2007). An Adaptable CNC System based on
STEP-NC and Function Blocks. International Journal of Production Research, 45(17),
3809-3829.

20