Nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển cho máy tiện GSK980TA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Nguyễn Trọng Khôi

NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY TIỆN
GSK980TA

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1.TS. BÙI TUẤN ANH

Hà Nội - Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và chƣa đƣợc công bố
trong bất cứ công trình nào và chƣa đƣợc đăng trong bất kỳ tài liệu, tạp chí, hội nghị
nào khác. Những kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực.

Hà Nội, tháng 3 năm 2017
Tác giả luận văn

Nguyễn Trọng Khôi

1

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến quý thầy hƣớng dẫn:
TS. Bùi Tuấn Anh
Đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới:
- Các thầy, cô trong Viện Cơ khí trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
- Quý thầy cô, bạn bè đồng nghiệp, các em học sinh, sinh viên.
Đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên, chia sẻ để tác giả hoàn thành luận văn tốt
nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận văn

Nguyễn Trọng Khôi

2


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ 1
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. 2
MỤC LỤC ........................................................................................................ 3
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................. 6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ.................................................. 7
I. Bảng biểu..................................................................................................... 7
II. Hình vẽ ....................................................................................................... 7
MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 12
1. Lý do chọn đề tài .................................................................................... 12
2. Mục đích nghiên cứu .............................................................................. 12
3. Đối tƣợng và pham vi nghiên cứu .......................................................... 12

4. Giả thuyết khoa học ............................................................................... 12
5. Nhiệm vụ nghiên cứu ............................................................................. 13
6. Phƣơng pháp nghiên cứu........................................................................ 13
7. Những đóng góp mới của luận văn ........................................................ 14
8. Cấu trúc của luận văn ............................................................................. 14
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC VÀ HỆ THỐNG .................... 15
ĐIỀU KHIỂN CNC ....................................................................................... 15
1.1. Khái quát về các máy công cụ CNC ................................................... 15
1.1.1. Sơ lƣợc về máy CNC và quá trình phát triển ................................ 15
1.1.2. Cơ sở của máy CNC ....................................................................... 16
1.1.3. Đặc điểm và phân loại .................................................................... 17
1.2. Nguyên lý vận hành của máy công cụ điều khiển số ............................ 18
1.2.1. Chƣơng trình gia công một chi tiết ................................................... 18
1.2.2. Khối điều khiển ................................................................................ 18
1.2.3. Điều khiển logic ............................................................................... 18
1.2.4. Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC ....................................... 19
1.3. Hệ thống tính toán và điều khiển........................................................... 20
1.3.1. Khái niệm và phân loại ..................................................................... 20
1.3.2. Chuẩn bị chƣơng trình điều khiển cho hệ CNC ............................... 20
1.3.2. Cấu trúc hệ điều khiển CNC ..................................................... 23
3


1.3.3. Hệ DNC .......................................................................................... 24
1.3.4. Hệ thống gia công linh hoạt FMS .................................................. 24
1.4. Máy tiện CNC........................................................................................ 25
1.4.1. Cấu trúc máy tiện CNC .................................................................... 25
1.4.2. Nguyên lý hoạt động của máy tiện CNC .......................................... 34
1.5. Phân tích thực trạng máy tiện GSK 980TA .......................................... 34
1.5.1. Phần điều khiển chuyển động ........................................................... 35

1.5.2. Hệ thống cơ khí ................................................................................ 36
1.5.3. Phần điều khiển trung tâm ................................................................ 38
1.5.4. Hệ thống điện ................................................................................... 39
1.5.4. Hệ thống đảm bảo an toàn ................................................................ 40
1.5.5. Hệ thống làm mát ............................................................................. 40
1.5.6. Hệ thống mang dao ........................................................................... 41
Kết luận chƣơng I ......................................................................................... 42
CHƢƠNG II: NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO
MÁY TIỆN GSK980TA ................................................................................ 43
2.1. Sơ đồ hệ thống và các phần tử trong hệ thống .................................... 43
2.2. Động cơ bƣớc 3 pha .............................................................................. 44
2.2.1. Động cơ bƣớc 3 pha ......................................................................... 44
2.2.2. Bộ điều khiển động cơ bƣớc 3 pha ................................................... 46
2.3. Mạch điều khiển CNC (Mạch đệm LPT) .............................................. 47
2.3.1. Giới thiệu mạch ................................................................................ 47
2.3.2. Đặc điểm của mạch đệm LPT .......................................................... 48
2.3.3. Cài đặt và ứng dụng .......................................................................... 48
2.4. Điều khiển tốc độ trục chính ................................................................. 52
2.4.1. Trục chính và điều khiển tốc độ trục chính ...................................... 52
2.4.2. Tìm hiểu về biến tần ......................................................................... 52
2.5. Thiết bị đo lƣờng, giám sát và các thiết bị điện .................................... 54
2.5.1. Thiết bị đo tốc độ .............................................................................. 54
2.5.3. Công tắc hành trình .......................................................................... 54
2.5.4. Nút bấm điều khiển tắt mở máy ....................................................... 55
4


2.5.5. Nút dừng khẩn .................................................................................. 55
2.5.6. Đèn báo hiệu ..................................................................................... 56
2.5.7. Nguồn DC ......................................................................................... 56

2.6. Môđun thay dao tự động........................................................................ 56
2.6.1. Nguyên lý hoạt động của modun thay dao tự động.......................... 57
Kết luận chƣơng 2 ........................................................................................ 59
CHƢƠNG 3: THIẾT LẬP CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU KHIỂN VÀ THỬ
NGHIỆM CHO MÁY TIỆN GSK980TA ..................................................... 60
3.1. Máy tiện CNC GSK 980TA .................................................................. 60
3.2. Hệ thống điện ........................................................................................ 61
3.2.1. Các thiết bị điện cần có .................................................................... 61
3.2.2. Sơ đồ lắp đặt mạch điện ................................................................... 62
3.3. Cài đặt thông số điều khiển cho máy tiện GSK980TA ......................... 65
3.3.1. Tổng quan về phần mềm điều khiển Mach 3 ................................... 65
3.3.2. Cài đặt cổng của mạch đệm trên phần mềm Mach 3 ....................... 67
3.3.3. Điều chỉnh các động cơ và các công tắc hành chình .......................... 70
3.3.4. Thiết lập các thống số cho hai trục chuyển động X, Z ..................... 72
3.3.5. Thiết lập điều khiển qua điện thoại di động ..................................... 76
3.4. Lập trình gia công sản phẩm ................................................................. 78
3.5. Thử nghiệm............................................................................................ 80
3.5.1. Gia công chi tiết khớp nối ................................................................ 80
3.5.2. Gia công chi tiết trục bậc .................................................................. 83
Kết luận chƣơng 3 ........................................................................................ 87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................... 88
1. Kết luận .................................................................................................. 88
2. Kiến nghị ................................................................................................ 88

5


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CNC

Computer Numerical Control

CAM

Computer-aided manufacturing

DNC

Domain Name System

FMS

Flexible Manufacturing Systems

SĐLĐ

Sơ đồ lắp đặt

SĐNL

Sơ đồ nguyên lý

6


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ
I. Bảng biểu
1. Bảng 1.1. Tốc độ trục chính máy tiện GSK980TA
2. Bảng 2.1. Bảng quy tắc cấp điện cho động cơ bƣớc 3 pha
3. Bảng 3.1 Chọn vận tốc cắt

4. Bảng 3.2. Chọn các thống số v, s, t
5. Bảng 3.3. Đánh giá kích thƣớc, chất lƣợng gia công chi tiết khớp nối xe cải
tiến trên máy tiện GSK980TA sau khi tích hợp hệ điều khiển mới
6. Bảng 3.4. Bảng đánh giá kích thƣớc, chất lƣợng gia công chi tiết trục bậc
II. Hình vẽ
1. Hình 1.1. Mô hình điều khiển DNC
2. Hình 1.2. Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM
3. Hình 1.3. Cở sở của các máy CNC
4. Hình 1.4. Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các
5. Hình 1.5. Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC
6. Hình 1.6. Lƣu đồ điều khiển hệ CNC
7. Hình 1.7. Các bƣớc của khâu chuẩn bị chƣơng trình bằng tay
8. Hình 1.8. Lƣu đồ lập trình bằng máy
9. Hình 1.9. Cấu trúc của hệ CNC
10. Hình 1.10. Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
11. Hình 1.11. Máy tiện CNC dùng trong công nghiệp
12. Hình 1.12. Driver 3ND2283 của hãng Leadshine
13. Hình 1.13. Hình dáng của Resolever
14. Hình 1.14. Hình dáng Inductosyn
15. Hình 1.15. Cách sắp xếp các cuộn dây và dạng sóng sin của Inductosyn
16. Hình 1.16. Bảng điều khiển
7


17. Hình 1.17. Dao tiện rãnh trong
18. Hình 1.18. Dao tiện ngoài
19. Hình 1.19. Dao tiện ren ngoài
20. Hình 1.20. Dao tiện lỗ
21. Hình 1.21. Dao tiện rãnh
22. Hình 1.22. Máy tiện GSK980TA

23. Hình 1.23. Sơ đồ hệ thống dẫn động chạy dao của máy tiện GSK980TA
24. Hình 1.24. Động cơ bƣớc 3 pha 110BYG350C
25. Hình 1.25. Driver GSK BY3A-30
26. Hình 1.26. Trục vitme trục X
27. Hình 1.27. Vitme –Đai ốc bi trục Z
28. Hình 1.28. Bảng điều khiển trung tâm máy tiện GSK980TA
29. Hình 1.29. Bảng điện của máy tiện GSK 980TA
30. Hình 1.30. Biến áp 380v-220v JUCHE
31. Hình 1.31. Biến áp JUCHE JBK3-630
32. Hình 1.32. Bơm nƣớc làm mát
33. Hình 1.33. Bơm dầu HERG 630
34. Hình 1.34. Bàn xe dao
35. Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển máy tiện GSK980TA
36. Hình 2.2. Góc lệch của động cơ bƣớc 3 pha
37. Hình 2.3. Vị trí đặt Encoder
38. Hình 2.4. Driver và động cơ bƣớc 3 phase
39. Hình 2.5. Sơ đồ ghép nối động cơ với driver
40. Hình 2.6. Mạch đệm LPT
8


41. Hình 2.7. Chân điều khiển các trục
42. Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý chân điều khiển các trục tốc độ
43. Hình 2.9. Bố trí 5 cổng vào trên mạch đệm
44. Hình 2.10. Cấu tạo cổng vào của mạch đệm
45. Hình 2.11. Vị trí 12 đầu ra trên mạch đệm
46. Hình 2.12. Cấu tạo cổng ra trên Mạch đệm
47. Hình 2.13. Sơ đồ nối ghép mạch đệm với khơi động từ
48. Hình 2.14. Sơ đồ biến tần gián tiếp
49. Hình 2.15. Biến tần Seimens MM410

50. Hình 2.16. Công tắc hình trình CHNT – YBLX-JW2/11Z/3
51. Hình 2.17. Công tắc hành trình lắp trên máy tiện GSK980TA
52. Hình 2.18. Nút nhấn không đèn YW1B
53. Hình 2.19. Nút dừng khẩn
54. Hình 2.20. Đèn báo IDEC
55. Hình 2.21 Nguồn DC 24V
56. Hình 2.22. Modul thay dao tự động LDP4
57. Hình 2.23. Bản vẽ modul thay dao tự động LDP 4
58. Hình 2.24. Công tắc hành trình từ tính
59. Hình 2.25. Sơ đồ lắp thay dao tự động vào mạch đệm
60. Hình 3.1. Hình ảnh thực máy tiện CNC GSK980TA
61. Hình 3.2. Động cơ YD132M-6/4
62. Hình 3.3. SĐLĐ động cơ và động cơ làm mát, bơm dầu của máy tiện
GK980TA
63. Hình 3.4. Hệ thống điện đã trên máy
9


64. Hình 3.5. Sơ đồ lắp đặt driver và động cơ bƣớc 3 pha
65. Hình 3.6. Hình ảnh lắp driver trên máy
66. Hình 3.7. Sơ đồ lắp đặt thay dao tự động
67. Hình 3.8. Một số wizad thông dụng
68. Hình 3.9. Chọn cổng song song trên máy tính
69. Hình 3.10. Điều chỉnh đơn vị do
70. Hình 3.11. Chọn đơn vị đo
71. Hình 3.12. Điều chỉnh cổng máy in
72. Hình 3.13. Điều chỉnh cổng trục X,Z
73. Hình 3.14. Điều chỉnh trục chính M03, M04
74. Hình 3.15. Điều chỉnh output
75. Hình 3.16. Điều chính các chân điều khiển công tác hành trình

76. Hình 3.17. Bảng điều chỉnh vi bƣớc và dòng điện cho động cơ bƣớc 3 Pha
77. Hình 3.18. Vị trí các switch của driver động cơ 3 Pha trục X
78. Hình 3.19. Vị trí các switch của driver động cơ 3 Pha trục Z
79. Hình 3.20. Thao tác bật cửa sổ điều chỉnh động cơ
80. Hình 3.21. Điều chỉnh động cơ trục X
81. Hình 3.22. Điều chỉnh động cơ trục Z
82. Hình 3.23. Chọn kết nối
83. Hình 3.24. Mach 3 Control Sever chƣa kết nối
84. Hình 3.25. Trình tự thao tác trên điện thoại thông minh
85. Hình 3.26. Mach 3 Control Server đã kết nối
86. Hình 3.27. Quy trình thiết kế và gia công sản phẩm trên mô hình máy tiện
CNC
87. Hình 3.28. Lập trình tay trên Notepad
88. Hình 3.29. Sử dụng phần mềm CAM để mô phỏng gia công là lấy Gcode
89. Hình 3.30. Các cách để nạp chƣơng trình gia công vào phần mềm điều
khiển
10


90. Hình 3.31. Sau khi nạp chƣơng trình
91. Hình 3.32. Chạy chƣơng trình
92. Hình 3.33. Bản vẽ khớp nối xe cải tiến
93. Hình 3.34. Hình ảnh chƣơng trình gia công khớp nối xe cải tiến
94. Hình 3.35. Chi tiết khớp nối sau khi gia công
95. Hình 3.36. Bản vẽ chi tiết trục bậc
96. Hình 3.38. Hình ảnh chƣơng trình gia công trục bậc
97. Hình 3.39. Chi tiếp trục bậc sau khi gia công

11

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay máy CNC đƣợc sử dụng rộng rãi tại Việt Nam. Máy CNC xuất hiện
tại hầu hết các lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là trong công nghiệp. Tuy nhiên hầu hết
các máy CNC trong nƣớc đều nhập từ một số nƣớc nhƣ Nhật, Đức và Trung Quốc,
và giá thành các máy CNC đều rất cao. Những máy CNC thiết kế và sản xuất tại
Việt Nam còn rất ít và hầu nhƣ chỉ dừng lại ở mức độ “chế máy CNC chạy đƣợc”.
Một số máy cũ thì không kết nối đƣợc với máy tính, phải lập trình bằng tay gây khó
khăn trong việc gia công những chi tiết có biên dạng phức tạp. Do vậy tác giả đã
quyết định chọn đề tài nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển CNC cho may tiện
GSK980TA, thay thế hệ điều khiển cũ không còn phù hợp với các tiến bộ khoa học
đƣơng đại. Mong rằng trong một tƣơng lai gần, những máy CNC đƣợc thiết kế và
sản xuất tại Việt Nam sẽ có chất lƣợng tốt hơn và ngày càng phổ biến hơn, từ đó
thúc đẩy sự phát triển của nên khoa học công nghệ trong nƣớc
2. Mục đích nghiên cứu
-

Tối ƣu hóa điều khiển trên máy tiện CNC GSK980TA bằng máy tính thông

qua cổng giao tiếp song song LPT
-

Thiết lập các thông số điều khiển trên phần mềm Mach 3 turn

-

Kết hợp nhiều cổng song song LPT để điều khiển nhiều thiết bị ngoại vi

-

Mở ra hƣớng để phát triển (nghiên cứu sinh)

3. Đối tƣợng và pham vi nghiên cứu
-

Đối tƣợng nghiên cứu

+ Máy tiện CNC GSK980TA đƣợc tích hợp bộ điều khiển mới
-

Phạm vi nghiên cứu

+ Phạm vi nghiên cứu của đề tài đƣợc giới hạn những vấn đề sau:
+ Nghiên cứu tích hợp bộ điều khiển mới với phần mềm Mach 3 turn thông qua
cổng giao tiếp LPT
+ Thiết lập các thông số điều khiển phù hợp
4. Giả thuyết khoa học

12


- Tích hợp hệ thống máy tiện CNC có thể nhận lệnh từ các chƣơng trình CAM
và gia công đƣợc những chi tiết có biên dạng phức tạp, có thay dao tự động
5. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Trên cơ sở máy tiện CNC đã có sẵn, tác giả tiến hành sửa chữa, bảo dƣỡng,
bảo trì các bộ phận cơ khí nhƣ cân chỉnh lại bàn máy, khử độ dơ của các bộ Vit-me
đai ốc bi… để đảm bảo độ chính xác cao theo yêu cầu trong quá trình gia công chi
tiết.
- Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển mới với các nội dung chính:

+ Thiết kế hệ thống truyền động còn thiếu, lắp đặt đồ gá truyền chuyển động
cho bàn máy từ động cơ bƣớc thông qua bộ truyền vítme, kết nối Driver 3ND2283
với động cơ.
+ Thiết kế mạch chuyển tiếp (mạch khuếch đại) tƣơng thích giữa cổng LPT và
Driver 3ND2283.
+ Khai thác phần mềm Mach3 để cài đặt các thông số gia công, đặt độ chính
xác kích thƣớc gia công cho các trục X, Z và tiến hành gia công một số chi tiết mẫu
điển hình.
+ Viết code Macro cho thay dao tự động.
+Thực hiện gia công một số chi tiết mẫu điển hình bằng phần mềm mà nhóm tự
thiết kết.
6. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về máy công cụ điều khiển số, lập trình VB, cổng song
song, động cơ bƣớc, driver trên internet, sách và các tài liệu từ đó hiểu biết về các lý
thuyết này, đồng thời với việc nghiên cứu là tiến hành thử nghiệm.
- Nghiên cứu. thử nghiệm, đánh giá rút ra đƣợc những đặc tính của cơ cấu
chấp hành phù hợp với yêu cầu của đề tài, từ đó thực hiện việc gá đặt các bộ phận
cơ khí và ghép nối các các cơ cấu chấp hành với máy tính PC để đƣợc một hệ thống
phần cứng hoàn chỉnh, làm cơ sở cho việc viết phần mềm điều khiển.
- Từ lý thuyết nghiên cứu đƣợc tiến hành viết chƣơng trình điều khiển và mô
phỏng trên máy tính sau đó thử nghiệm các môdul điều khiển của chƣơng trình thiết
kế trên kết cấu cơ khí thật.
13


7. Những đóng góp mới của luận văn
-

Về mặt lý luận:

+ Nghiên cứu, thiết kế một bộ điều khiển mới phù hợp với điều kiện nâng cấp
các máy tiện thế hệ cũ nƣớc ta.
-

Về mặt thực tiễn:

+ Tích hợp hệ thống điều khiển vào máy tiện GSK980TA
+ Thiết lập bộ thống số phù hợp cho máy tiện
+ Thông qua kết quả thực nghiệm đã khẳng định đƣợc hệ thống điều khiển hoạt
động ổn định trong sản xuất
8. Cấu trúc của luận văn
-

Luận văn được chia làm 3 phần:

+ Phần mở đầu: Trình bày về lý do chọn đề tài, mục đích của đề tài, nhiệm vụ
của đề tài, phƣơng pháp nghiên cứu ….
+ Phần nội dung: Bao gồm 3 chƣơng
 Chƣơng 1: Tổng quan về máy CNC và hệ thống điều khiển CNC
 Chƣơng 2: Nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển cho máy tiện
GSK980TA
 Chƣơng 3: Thiết lập các thông số điều khiển và thử nghiệm cho máy tiện
GSK980TA
+ Phần kết luận và kiến nghị

14


CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC VÀ HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN CNC

1.1. Khái quát về các máy công cụ CNC
1.1.1. Sơ lược về máy CNC và quá trình phát triển
Điều khiển số (Numerical Control) ra đời với mục đích điều khiển các quá trình
công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ. Về thực chất, đây là một quá trình
tự động điều khiển các hoạt động của máy (nhƣ các máy cắt kim loại, robot, băng
tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi và sản phẩm...)
trên cơ sở các dữ liệu đƣợc cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ
số, số thập phân, các chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên một chƣơng trình làm
việc của thiết bị hay hệ thống.
Lịch sử phát triển của NC bắt nguồn từ các mục đích về quân sự và hàng không
vũ trụ khi mà yêu cầu các chỉ tiêu về chất lƣợng của các máy bay, tên lửa, xe
tăng...là cao nhất . Ngày nay, lịch sử phát triển NC đã trải qua các quá trình phát
triển không ngừng cùng với sự phát triển trong lĩnh vực vi xử lý từ 4 bit, 8bit... cho
đến nay đã đạt đến 32 bit và cho phép thế hệ sau cao hơn thế hệ trƣớc và mạnh hơn
về khả năng lƣu trữ và xử lý.

Hình 1.1. Mô hình điều khiển DNC [1]
15


Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí đã phát triển và đạt
đến trình độ rất cao nhƣ các phân xƣởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ hợp
CIM(Computer Integrated Manufacturing) với việc trang bị thêm các Robot cấp
phôi liệu và vận chuyển, các hệ thống đo lƣờng và quản lý chất lƣợng tiên tiến, các
kiểu nhà kho hiện đại đƣợc đƣa vào áp dụng đã mang lại hiệu quả kinh tế rất đáng
kể.

Hình 1.2. Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM [2]
1.1.2. Cơ sở của máy CNC
Các trục của máy CNC đƣợc trang bị dụng cụ đo vị trí để xác định tọa độ các

bàn máy và của dụng cụ cắt. Khi bàn máy di chuyển thì các dụng cụ đo lƣờng phát
ra tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu điện này và xác định vị trí chính
xác của bàn máy trong hệ trục tọa độ.

Hình 1.3. Cơ sở của các máy CNC [2]
Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công chi tiết trên máy
CNC phải nằm trong một hệ trục tọa đồ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải.
16


Trong đó có ba chuyển động tịnh tiến theo các trục và ba chuyển động quay theo
các trục tƣơng ứng. Một máy công cụ CNC có thể điều khiển tới 6 trục gồm tịnh
tiến theo X, Y, Z, và các trục A, B, C quay quanh các trục Z, Y, Z. Một điểm trong
không gian hệ tọa độ Descarte đƣợc xác định tọa độ qua hình chiếu của nó lên ba
trục X, Y, Z.

Hình 1.4. Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các [2]
1.1.3. Đặc điểm và phân loại
Một cách tổng quát các máy công cụ CNC có thể đƣợc phân loại theo các đặc
điểm sau:
-

Truyền động: Thủy lực, khí nén và điện....

-

Phƣơng pháp điều khiển : Tọa độ hay quỹ đạo ...

-

Hệ thống định vị : Định vị kich thƣớc tuyệt đối và định vị nối tiếp

-

Các vòng lặp điều khiển: vòng hở, vòng kín, vòng nửa kín.

-

Số trục tọa độ: 3 trục, 4 trục, 5 trục.....

Theo chức năng thì các máy công cụ CNC cũng nhƣ các máy công cụ vạn năng,
có thể đƣợc chia thành các nhóm sau:
- Nhóm máy tiện đại diện cho các máy tiện trong, tiện ngoài trên một phôi đang
quay, cũng nhƣ cắt ren trong và ren ngoài....
- Nhóm máy khoan, doa để khoan, doa các phôi.
- Nhóm máy phay để phay những chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo ra các
bề mặt và các goc đa dạng và cũng có thể khoan, phay và doa. Thay đổi nguyên
công bằng các thay dụng cụ cắt, có nghĩa là chỉ cần một lần gá kẹp.
17


- Nhóm máy mài để gia công tinh. Nhóm này bao gồm các máy mài trục, mài
lỗ, mài phẳng, mài răng, mài rãnh then, mài dụng cụ...
- Nhóm trung tâm gia công: Khoan, phay, tiên, doa...
1.2. Nguyên lý vận hành của máy công cụ điều khiển số
1.2.1. Chương trình gia công một chi tiết
- Chƣơng trình gia công chi tiết gồm có các chƣơng trình điều khiển số và dữ
liệu.
- Chƣơng trình điều khiển đƣợc soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lƣu giữ
trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ hoặc đĩa Compact CD) sau đó đƣợc nạp vào hệ

điều khiển số qua cửa nạp tƣơng thích.
- Dữ liệu gồm các giá trị hiệu chỉnh biên dạng, các dữ liệu hiệu chỉnh máy, các
số liệu về dụng cụ cắt... đƣợc nạp vào từ bẳng điều khiển.
- Chƣơng trình điều khiển và dữ liệu đƣợc chuyển trực tiếp từ máy tính chủ
sang hệ điều khiển số của từng trạm gia công (hệ DNC).
1.2.2. Khối điều khiển
- Chức năng của khối điều kiển là thực hiện chƣơng trình gia công chi tiết trên
cơ sở dữ liệu sẵn có và tín hiệu từ bên ngoài.
- Nhận các giá trị vị trí của các trục từ sensor đo vị trí encoder, và tốc độ của
các trục.
- Thực hiện các chƣơng trình điều kiển các cơ cấu chấp hành, động cơ của trục
chính, động cơ của các trục truyền động riêng lẻ để phối hợp tạo nên biên dang và
điều khiển tốc độ các trục.
1.2.3. Điều khiển logic
Điều khiển toàn hộ hoạt động của hệ nhƣ sau: tốc độ chạy nhanh (không cắt) tối
đa, bố trí xắp đặt các trục máy, các trạng thái đóng ngắt mạch của hệ điều khiển và
giới hạn vùng làm việc của hệ thống công nghệ (bàn máy, gá lắp, dụng cụ), lệnh
đóng ngắt bơm dung dịch làm mát và bôi trơn, lệnh tạo số vòng quay cho trục
chính, lệnh thay dụng cụ. Đầu ra khối điều khiển logic điều khiển các cơ cấu chấp
hành nhƣ : Van thủy lực, van khí nén, các rơ-le..

18


1.2.4. Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC

Hình 1.5. Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC
1.Màn hình

2.Bảng điều khiển

3.Mạch ghép nối

4.Tay quay điện tử

- Màn hình dùng để hiển thị tọa độ hiện tại của các trục truyền động, trạng thái
làm việc của toàn hệ thống...
- Bảng điều khiển để vào dữ liệu điều chỉnh máy, lập trình gia công, cài đặt hệ
thống…
- Tay quay điện tử dùng để vận hành máy trong các trƣờng hợp để hiệu chỉnh
máy, do chi tiết... mà phải mở cửa làm việc.
- Các khối vào ra (I/O), các bộ phận điều khiển truyền động ( BĐK) liên lạc
với CPU thông qua một Bus hệ thống. Các khối Flash + Ram để lƣu trữ các chƣơng
trình điều khiển, dữ liệu máy và liên lạc với CPU thông qua Bus trong của CPU.
19


1.3. Hệ thống tính toán và điều khiển
1.3.1. Khái niệm và phân loại
Hệ điều khiển CNC thực hiện lƣu đồ điều khiển nhƣ hình 1.6 .Giai đoạn đầu
tiên, những thông tin về kích thƣớc công nghệ đƣợc đƣa sang khâu chuẩn bị chƣơng
trình, sau đó là công việc lập trình điều khiển.

Hình 1.6. Lưu đồ điểu khiển hệ CNC
- Chƣơng trình điều khiển đƣợc đƣa vào thiết bị tính toán điều khiển, tạo tín
hiệu điều khiển các hệ truyền động điện tự động.
- Cấu trúc của thiết bị tính toán điều khiển có thể chia ra làm hai nhóm: Nc và
CNC. Trong hệ CNC các chƣơng trình điều khiển đƣợc đƣa vào khối xử lí sao cho
chƣơng trình sau đó qua đầu vào đƣa đến các khối giả mã nhằm tạo ra các mã tƣơng
thích của máy. Tín hiệu này hoặc đƣa trực tiếp vào khối điều khiển hoặc đƣa vào bộ

nhớ đệm và cuối cùng đến bộ nội suy để tính toán phân ra các chuyển động trên các
trục tọa độ. Mặt khác thông tin điều khiển còn đƣa ra các lệnh điều kiển công nghệ
nhƣ tốc độ cắt, xoay chi tiết, thay dao...
1.3.2. Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC
1.3.2.1. Chuẩn bị chương trình bằng tay
- Những thông tin cần thiết đê chuẩn bị chƣơng trình là: Bản vẽ chi tiết và các
điều kiện công nghệ. Ngƣời soạn thảo chƣơng trình phải chuyền thông tin đó thành
các chƣơng trình điều khiển số cho máy gia công.

20


Hình 1.7. Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay
- Chọn hệ toạ độ (Tƣơng ứng với hƣớng dẫn của ISO) sao cho điểm toạ độ ban
đầu cần phải trùng với điểm xuất phát của dụng cụ cắt hoặc chi tiết gia công.
- Dựa trên quỹ đạo chuyển động giữ các điểm tựa, viết chƣơng trình quỹ đạo
chuyển động (đƣờng thẳng, đƣờng tròn, Parabol, ...). Nếu nhƣ dùng phƣơng pháp
gần đúng thì phải tính sai số.
- Dựa vào các thông tin về công nghệ nhƣ chế độ căt, dụng cụ cắt, tốc độ cắt,
thành lập biểu đồ công nghệ.
1.3.2.2. Chuẩn bị chương trình từ máy vi tính
- Chuẩn bị chƣơng trình điều khiển thực hiện bằng tính toán trực tiếp với chi tiết
gia công phức tạp mất nhiều thời gian và độ chính xác không đảm bảo. Ngày nay
ngƣời ta thƣờng thực hiện chuẩn bị chƣơng trình nhờ máy tính. Đặc trƣng của lập
trình bằng máy là việc ứng dụng một ngôn ngữ lập trình định hƣớng đối tƣợng.
21


Hình 1.8. Lưu đồ lập trình bằng máy
Với sự trợ giúp của ngôn ngữ lập trình nhƣ vậy ta có thể:

- Xác định những nhiệm vụ gia công tƣơng đối đơn giản và không thực hiện các
tính toán bằng tay.
- Chỉ cần truy nhập một số ít dữ liệu có thể sản sinh một số khối lƣợng lớn các
số liệu cho nhiệm vụ gia công.
- Những tính toán cần thiết đều do máy tính thực hiện.
- Dùng một ngôn ngữ biểu tƣợng tƣơng đối dễ học mà các từ của nó hợp thành
bởi những khái niệm phổ biến trong ngôn ngữ chuyên môn của kỹ thuật gia công.
Tiết kiệm phần lớn thời gian trong khi mô tả chi tiết cần gia công và các chu trình
công tác cần thực hiện.
- Hạn chế đƣợc các lỗi lập trình, vì so với lập trình bằng tay chỉ cần cấp ít dữ
liệu vào máy tính và hầu nhƣ không cần phải tính toán.
Trong việc thực hiện tự động hoá chuẩn bị chƣơng trình điều khiển máy tính sẽ đảm
nhận các bài toán về kích thƣớc hình học và công nghệ tính toán các toạ độ điểm
tựa, tiệm cận hoá các đƣờng cong, tính toán các tham số khoảng cách đẳng trị. Tính
toán lƣợng ăn dao và tốc độ cắt, cụ thể gồm các bƣớc sau:

22


Bƣớc 1. Chọn ngôn ngữ để mô tả quỹ đạo chuyển động, ngôn ngữ này phải
có đủ khả năng mô tả đƣợc các kích thƣớc tham số của quỹ đạo chuyển động với lời
diễn tả đơn giản dễ sử dụng.
Bƣớc 2. Gia công thuật biến đổi thông tin về kích thƣớc hình học sao cho có
thể phối hợp với ngôn ngữ của máy gia công.
Bƣớc 3. Tạo các thuật toán giải các bài toán mẫu theo các quỹ đạo gia công
đặt ra.
Bƣớc 4. Gia công các thuật toán đẻ phục vụ cho các đối tƣợng cụ thể.
1.3.2. Cấu trúc hệ điều khiển CNC
Máy tính có nhiệm vụ quản lý, quan sát, lập trình. Ngoài ra nhờ có khối ghép
nối (Interface Bus) để hệ có thể nối mạng với các máy tính bên ngoài với mục đích

để truyền dữ liệu, quản lý, theo dõi hoặc điều khiển DCN. Bảng điều khiển và tay
quay điện tử dùng để vận hành máy, vào các dữ liệu, chọn các chế độ làm việc, lập
trình gia công...

Hình 1.9. Cấu trúc của hệ CNC

23


Khối NC có nhiệm vụ thu thập và xử lý dữ liệu, nội suy, tính toán quỹ đạo,
điều phối. Chức năng của PLC là điều khiển quá trình công nghệ của toàn hệ.Trong
một số trƣờng hợp cả ba khối (NC, PLC, và khối vi điều khiển) đƣợc chế tạo thành
một khối (hình 1.9), nó đảm bảo toàn bộ chức năng điều khiển của hệ.
Khối vi điều khiển gồm các Controller (bộ điều khiển vị trí, bộ điểu chỉnh
tốc độ...) thực hiện tất cả các bƣớc cho chuyển động tuyến tính, các chuyển động
phi tuyến để đạt đƣợc biên dạng lập trình.
1.3.3. Hệ DNC
Máy công cụ CNC đƣợc điều khiển theo chƣơng trình số viết bằng các mã ký tự
số, các chữ cái và một số ký tự chuyên dụng khác. Trong đó hệ thống điều khiển có
cài đặt các bộ vi xử lí đảm nhiệm các chức năng cơ bản của chƣơng trình số nhƣ:
tính toán toạ độ trên các trục điều khiển theo thời gian thực, giám sát các trạng thái
thực của máy, tính toán các giá trị chỉnh lý dao cắt, tính toán nội suy trong điều
khiển quỹ đạo biên dạng (tuyến tính, phi tuyến), thực hiện so sánh các cặp giá trị
mong muốn và giá trị thực.
Điều khiển trực tuyến DNC (Direct Numerical Control) là một hệ thống điều
khiển trong đó dùng máy tính điều hành trực tiếp nhiều máy công tác điều khiển
theo chƣơng trình số. Đặc tính cơ bản của hệ DNC là sự ghép nối trực tuyến
(online) nhiều máy CNC với một máy tính.
1.3.4. Hệ thống gia công linh hoạt FMS
Hệ thống gia công linh hoạt bao gồm các loại máy công tác, chủ yếu là các máy

CNC, liên kết với nhau bởi các hệ thống điều khiển và hệ thống vận chuyển cho
toàn bộ quá trình, sao cho phạm vi giới hạn của hệ thống, một trình tự gia công khác
nhau, có thể đƣợc tiến hành theo thứ tự lựa chon tự do.
Việc điều hành các quá trình tính toán cần thiết cho tất cả các hệ thống con
trong hệ thống gia công linh hoạt, tất yếu phải dựa trên cơ sở các máy công cụ CNC
vận hành theo nguyên tắc điều khiển DNC.

24