Nghiên cứu lập trình các quỹ đạo phức tạp trên cơ sở truyền tham số đặt trưng để gia công trên máy CNC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
**********

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU LẬP TRÌNH CÁC QUỸ ĐẠO PHỨC TẠP
TRÊN CƠ SỞ TRUYỀN THAM SỐ ĐẶT TRƯNG ĐỂ GIA
CÔNG CÁC CHI TIẾT TRÊN MÁY CNC

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Phạm Văn Hùng
Sinh viên thực hiện

: Trần Ngọc Tiếp

MSSV

: CB170267

Hà Nội, 09/2019


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Trần Ngọc Tiếp
Đề tài luận văn: Nghiên cứu lập trình các quỹ đạo phức tạp trên cơ sở
truyền tham số đặc trưng để gia công trên máy CNC.
Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy (KH)
Mã số SV: CB170267

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn
xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày 15/10/2019 với các nội dung sau:
1. Sửa lại Danh mục hình vẽ, bảng biểu chưa trùng trong luận văn;
2. Sửa lại bố cục chương rõ ràng;
3. Bổ sung bài báo trong luận văn;
4. Việt hóa các từ tiếng anh trong hình vẽ;
5. Bỏ hình ảnh bản quyền của đơn vị sản xuất trực tiếp ;
6. Sửa lỗi chính tả;
7. Chuyển chức năng các phím bảng điều khiển về mục lục;
8. Rút gọn một số chương trình gia cơng khơng cần thiết;
Ngày
Giáo viên hướng dẫn

tháng 11 năm 2019
Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

SĐH.QT9.BM11

Ban hành lần 1 ngày 11/11/2014


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC

CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC

LỜI NÓI ĐẦU. ................................................................................................. 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ CAD/CAM/CNC ................ 8
1.1 Giới thiệu về máy cơng cụ điều khiển số (máy CNC) ................................ 8
1.1.1 Giới thiệu chung về điều khiển số trong máy công cụ [3] ....................... 8
1.1.2. Các hệ điều khiển số ............................................................................. 10
1.1.2.1. Hệ điều khiển NC (Numerical Control) ............................................. 10
1.1.2.2 Hệ điều khiển CNC ............................................................................. 10
1.1.2.3 Hệ điều khiển DNC (Direct Numerical Control) ................................ 11
1.1.3. Cơ sở lý thuyết về lập trình gia cơng trên máy CNC ............................ 12
1.1.3.1. Chương trình NC ................................................................................ 12
1.1.3.2. Các phương pháp lập trình ................................................................. 13
1.1.4. Các hệ điều khiển phổ biến trên máy CNC........................................... 13
1.1.4.1. Hệ điều hành FANUC [5] .................................................................. 14
1.1.4.2. Hệ điều hành Sinumerik Siemens [6,7] ............................................. 16
1.1.4.3. Hệ điều khiển Heidenhain [8,9] ......................................................... 17
1.1.5. Nhận xét ................................................................................................ 19
1.2. Giới thiệu cơ sở về CAD/CAM/CAE-CNC và lập trình CNC cho máy
phay ................................................................................................................. 20
1.2.1. Tổng quan về công nghệ CAD/CAM-CNC [4] ................................... 20
1.2.1.1. Tổng quan về CAD/CAM .................................................................. 20
1


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

1.2.1.2. Khái quát chung về CAD, CAM, CNC.............................................. 20

1.2.1.3 Tích hợp cơng nghệ CAD/CAM- CNC .............................................. 30
1.2.1.4. Vai trò của CAD/CAM/CNC trong chu kỳ sản xuất ......................... 32
1.2.2. Q trình gia cơng ứng dụng cơng nghệ CAD/CAM/CNC .................. 33
1.2.2.1. Hệ thống CAD/CAM/CNC ................................................................ 33
1.2.2.2. Q trình gia cơng trên máy CNC ..................................................... 34
1.3. Kết luận chương 1 .................................................................................... 35
CHƯƠNG 2..................................................................................................... 36
LẬP TRÌNH GIA CƠNG TRÊN MÁY PHAY CNC 5 TRỤC SIEMENS
SINUMERIK DMU65 MONOBLOCK – DMG MORI ................................ 36
2.1. Giới thiệu máy phay CNC 5 trục Siemens Sinumerik DMU65 .............. 36
2.1.1. Bộ điều khiển SIEMENS SINUMERIK .............................................. 36
2.1.2. Trung tâm gia công CNC SIEMENS SINUMERIK DMU65
MonoBLOCK – DMG MORI ......................................................................... 37
2.2. Bảng điều khiển và màn hình SIEMENS SINUMERIK cơ bản ............. 39
2.2.1. Tổng quan.............................................................................................. 39
2.3. Một số chương trình gia cơng .................................................................. 42
2.3.1. Lập trình ................................................................................................ 44
2.3.2. Kết quả mô phỏng 2D ........................................................................... 44
2.3.3. Kết quả mô phỏng 3D ........................................................................... 44
2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................... 45
CHƯƠNG 3..................................................................................................... 46
TÍNH TỐN, THIẾT KẾ THAM SỐ GIA CƠNG NÚT CẦU KHÔNG
GIAN SỬ DỤNG PHẦN MỀM CAD/CAM MÔ PHỎNG CHI TIẾT 3D .... 46
3.1. Giới thiệu Giàn không gian ...................................................................... 46
3.1.1. Ứng dụng ............................................................................................... 46
3.1.2. Liên kết giàn không gian bao gồm các chi tiết: .................................... 48
3.2. Chi tiết: Nút cầu giàn không gian ............................................................ 50

2

[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

3.3. Chế tạo nút cầu giàn không gian .............................................................. 52
3.3.1. Công đoạn chế tạo chi tiết nút cầu giàn không gian ............................. 52
3.3.2. Nội dung thực hiện gia cơng quả cầu bằng chương trình tham số: ...... 52
3.4. Giải thuật tính tốn tham số quả cầu ........................................................ 53
3.4.1. Xác định vị trí lỗ ................................................................................... 53
3.4.2. Xác định thơng số lượng dư của nguyên công phay, chiều sâu lỗ ren . 54
3.4.3. Xác định thông số lỗ công nghệ ............................................................ 55
3.4.4. Một số yêu cầu công nghệ..................................................................... 55
3.4.5. Các cơng thức tính tốn......................................................................... 56
3.4.6. Xác định trình tự gia cơng..................................................................... 58
3.4.7. Giải thuật góc quay tới từng vị trí lỗ theo trình tự trong q trình gia
cơng nút cầu khơng gian ................................................................................. 62
3.5. Cấu trúc chương trình .............................................................................. 67
3.5.1. Tham số đặc trưng cần truyền ............................................................... 67
3.5.2. Các tham số phụ cần truyền .................................................................. 68
3.6. Kết luận chương 3 .................................................................................... 72
CHƯƠNG 4: ................................................................................................... 73
LẬP TRÌNH THAM SỐ MƠ PHỎNG GIA CÔNG CHI TIẾT NÚT CẦU
KHÔNG GIAN TRÊN PHẦN MỀM 3D VERICUT ..................................... 73
4.1. Mô phỏng gia công chi tiết trên phần mềm Mô phỏng 3D Vericut ......... 73
4.1.1. Chương trình gia cơng chi tiết với D220, số lỗ gia cơng 8 ................... 73
4.1.2. Tiến hành chạy chương trình mơ phỏng gia công quả cầu D220, số lỗ 8
trên phần mềm Vericut .................................................................................... 74
4.1.3. Chương trình gia cơng chi tiết với D220, 6 lỗ với các góc âm, các góc
thay đổi, bỏ lỗ thứ 3 và lỗ thứ 7 ...................................................................... 80
4.1.4. Tiến hành chạy mơ phỏng chương trình gia cơng chi tiết với D220, 6 lỗ
với các góc âm, các góc thay đổi, bỏ lỗ thứ 3 và lỗ thứ 7............................... 82

4.2. Kết luận chương 4 .................................................................................... 86
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 87
3


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 88
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 89
Chương trình MAIN (Gọi chương trình, nhập 2 tham số chính) .................... 89
Chương trình MACRO (gia cơng phay 8 mặt, khoan và taro 8 lỗ) ................ 89
Chương trình SUB........................................................................................... 96

4


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

LỜI NĨI ĐẦU.
Tính cấp thiết hiện nay:
Trong thời đại cơng nghiệp hóa hiện đại hóa, lĩnh vực cơ khí hiện nay ln
đổi mới và phát triển khơng ngừng của các lĩnh vực sản xuất về năng suất và chất
lượng chính là nhờ sự linh hoạt của q trình tự động hóa sản xuất. Trong sản xuất
cơng nghiệp hiện nay việc ứng dụng những hệ thống gia cơng tích hợp điều khiển
bằng máy tính (CIM - Computer Ingtegrated Mannufacturing) đóng một vai trị rất
quan trọng;
Sử dụng máy điều khiển số (CNC –Computer Numerical Control) giúp nâng
cao năng suất lao động, nâng cao độ chính xác gia cơng và hiệu quả kinh tế, đồng
thời rút ngắn được chu kỳ sản xuất và cho phép giảm thời gian chuẩn bị sản xuất khi
thay đổi sản phẩm…Chính vì vậy hiện nay các nước trên thế giới đã và đang ứng

dụng rộng rãi các máy điều khiển số vào lĩnh vực cơ khí chế tạo. Ở Việt Nam máy
NC và CNC đã và đang rất phổ biến trong nhiều nhà máy, viện nghiên cứu và các
công ty liên doanh, máy công cụ CNC đã nhanh chóng đưa q trình sản xuất cơng
nghiệp cơ động, linh hoạt, tự động hóa cao;
Máy CNC là một tiến bộ phát triển vượt bậc của nền sản xuất cơ khí. Sự xuất
hiện của máy CNC đã nhanh chóng làm thay đổi q trình sản xuất cơng nghiệp.
Đặc biệt là việc phát triển trung tâm gia công CNC mang lại sự tự động hồn tồn
từ khâu cấp phơi đến hồn thiện sản phẩm đạt độ chính xác và tin cậy cao. Tuy
nhiên để điều khiển hoạt động những trung tâm gia cơng này cần sự tìm hiểu và
sáng tạo bởi đó là sự tổ hợp kiến thức của nhiều lĩnh vực, thực sự cơng nghệ CNC
chiếm lĩnh vị trí cao trong hệ thống sản xuất của các tổ chức, cá nhân, doanh nghiệp
trên toàn thế giới ;
Hiện nay do các máy điều khiển số được nhập từ nước ngoài nên việc khai
thác cịn gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là việc gia công những biên dạng phức tạp.
Với nhu cầu cần thiết của thời đại phát triển ngày này đỏi hỏi mọi vấn đề trong sản
xuất cơ khí phải được triển khai một cách nhanh gọn, đơn giản và dễ sử dụng. Cùng
với tính chất cơng việc chun mơn tại đơn vị nơi mà em đang công tác liên quan
tới lĩnh vực này. Với những lý do trên và để hồn thành khóa học Thạc sỹ Khoa học
Cơng nghệ Chế tạo máy em xin chọn đề tài tốt nghiệp : “Nghiên cứu lập trình các
quỹ đạo phức tạp trên cơ sở truyền tham số đặc trưng để gia công trên máy
CNC”.

5


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

* Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu khai thác sử dụng trung tâm gia cơng 5 trục. Tìm hiểu hệ điều
hành SIEMENS SINUMERIK và cách sử dụng các tham số của lập trình Macro

nhằm làm đơn giản hóa và tiết kiệm thời gian trong lập trình;
Dùng làm tài liệu tham khảo cho sản xuất;
Đưa lập trình tham số vào sản xuất trong tương lai.
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Máy nghiên cứu: Trung tâm gia công 5 trục CNC SIEMENS SINUMERIK
DMU65 MonoBLOCK – DMG MORI;
Nghiên cứu hệ điều hành SIEMENS SINUMERIK trong phạm vi nghiên cứu
cụ thể là biến số và truyền tham số trong chu trình gia công, để ứng dụng gia công
các chi tiết phức tạp của chi tiết trên máy phay 5 trục DMU65 MonoBLOCK –
DMG MORI hệ điều hành SIEMENS SINUMERIK.
* Ý nghĩa khoa học:
- Lập trình gia cơng các chi tiết phức tạp trên máy CNC SIEMENS
SINUMERIK DMU65 MonoBLOCK – DMG MORI bằng cách sử dụng các tham
số trong lập trình làm cho việc viết chương trình trở nên đơn giản hơn. Dữ liệu đầu
vào khơng cịn là một hằng số cố định mà được tham số hóa giúp cho việc nhập các
thơng số ban đầu linh hoạt hơn;
- Lập trình tham số cho phép sử dụng tối đa chức năng tính tốn của máy
CNC khi gia công các họ chi tiết, giảm được số lượng các dòng lệnh, sử dụng biến
số để đại diện cho các kích thước cụ thể, và có thể thay đổi các kích thước bất kỳ
tùy chọn với nhu cầu sản xuất, chuẩn hóa và số hóa các bước gia cơng của một loạt
chi tiết có cùng biên dạng
* Ý nghĩa thực tiễn:
- Trong sản xuất hàng loạt và gia cơng đơn lẻ, có những chi tiết đặt hàng có
sự tương đồng với nhau về biên dạng, quy trình cơng nghệ, ngun cơng gia cơng
và chỉ khác nhau về một số kích thước, tiêu chuẩn;
- Việc lập trình tham số sẽ thực hiện được đa dạng các yêu cầu khác nhau
trên cùng một loại chi tiết, tiết kiệm thời gian, chi phí sản xuất, khối lượng cơng
việc.

6

[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

* Nội dung đề tài gồm 4 chương:
- Chương 1: Tổng quan về Công nghệ CAD/CAM/CNC;
- Chương 2: Lập trình, gia cơng trên máy phay CNC 5 trục bằng hệ điều
khiển SIEMENS;
- Chương 3: Tính tốn, thiết kế, lập trình tham số gia cơng nút cầu khơng
gian, sử dụng phần mềm CAD/CAM mô phỏng chi tiết 3D;
- Chương 4: Lập trình tham số mơ phỏng gia cơng chi tiết nút cầu không
gian trên phần mềm 3D VERICUT.
Qua thời gian thực hiện đề tài em đã nhận được chỉ dạy, giúp đỡ, hướng dẫn
tận tình của PGS.TS. Phạm Văn Hùng. Do thời gian thực hiện đề tài có hạn và
thơng tin tài liệu liên quan mà bản thân tìm được chưa phong phú nên khó tránh
khỏi những thiết sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo. Em xin
chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Văn Hùng và các đồng nghiệp tại trung tâm Hỗ
trợ đào tạo Nghiên cứu và đổi mới công nghệ cơ khí, Viện Cơ khí đã tạo điều kiện
giúp đỡ em.

7


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CNC
1.1 Giới thiệu về máy công cụ điều khiển số (máy CNC)
1.1.1 Giới thiệu chung về điều khiển số trong máy công cụ [3]
Từ năm 1807 Joseph M. Jacquard đã sử dụng các bìa đục lỗ để điều khiển
máy dệt. Những năm tiếp theo ngành cơng nghiệp dầu mỏ và hóa chất cũng đã sử

dụng nguyên lý này.
Năm 1947 John Parsons của cơng ty Pasrons có trụ sở ở Traverse City,
Michigan (Mỹ) bắt đầu thí nghiệm ý tưởng sử dụng những dữ liệu đường cong ba
chiều để điều khiển máy công cụ gia công một số bộ phận phức tạp của máy bay.
Ơng đã sử dụng thành cơng ngun lý xấp xỉ toán học (nguyên lý nội suy) để cắt
gọt biên dạng cánh máy bay trực thăng (helicopter rotor blade) vào tháng 12 năm
1948.
Tháng 6 năm 1949 Parsons đã liên kết với phịng thí nghiệm
Servomechanisms (cơ cấu Servo) của Viện cơng nghệ Masachuset (Massachusetts
Insutute of Technology - MIT) nhằm phát triển máy tự động điều khiển số mà kết
quả là vào năm 1952 đã chế tạo thành công máy tự động điều khiển số đầu tiên,
máy phay trục đứng Cincinnati Hydrotel. Cụm điều khiển máy (Machine Control
Unit - MCU) được thiết kế từ các đèn điện tử chân không và chiếm nhiều không
gian hơn máy công cụ. MCU tiếp nhận dữ liệu máy từ các bìa đục lỗ để tạo ra các
chuyển động theo ba trục toạ độ nhờ bộ nội suy tuyến tính.
Ngay sau đó, một phương án chế tạo máy NC công nghiệp được đề nghị với 3
nguyên tắc sau:
- Sử dụng máy tính để tính tốn quỹ đạo chạy dao, lưu dữ liệu vào bìa đục lỗ
- Dùng thiết bị đọc tại máy để tự động đọc dữ liệu từ bìa đục lỗ;
- Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ xử lý và liên tục đưa ra thông tin điều
khiển các động cơ dẫn động cơ cấu chấp hành. Năm 1959 triển lãm máy công cụ tại
Pari trưng bày những máy NC đầu tiên trên thế giới.
Thông tin điều khiển (chương trình gia cơng chi tiết) của những máy này
được ghi trên bìa đục lỗ. Mãi khoảng giữa thập kỷ 60, máy NC mới được sản xuất
và sử dụng trong công nghiệp. Tuy nhiên các bộ điều khiển số đầu tiên dùng đèn
điện tử nên tốc độ xử lý chậm, cồng kềnh và tiêu tốn nhiều năng lượng. Việc sử
dụng chúng cũng rất khó khăn, như chương trình được chứa trong các băng hoặc bìa
đục lỗ, khó hiểu và không sửa chữa được. Giao tiếp giữa người và máy rất khó khăn
vì khơng có màn hình, bàn phím. Sau khi các linh kiện bán dẫn được sử dụng phổ
biến trong cơng nghiệp (khoảng năm 1960) thì máy gọn hơn, tốc độ xử lý cao hơn,

8


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

tiêu tốn ít năng lượng hơn,... Các băng, bìa đục lỗ sau này được thay bằng băng
hoặc đĩa từ,... Nhưng nói chung, tính năng sử dụng của các máy NC vẫn chưa được
cải thiện đáng kể, cho đến khi máy tính được ứng dụng vào đây.
Những hoạt động tích cực trong lĩnh vực tiêu chuẩn hố, những biến đổi
xung quanh phần cứng và phần mềm của các hệ thống điều khiển số diễn ra theo ba
hướng:
- Kiểu và định dạng của thiết bị vào;
- Cấu hình hệ thống nội suy;
- Ngơn ngữ lập trình gia cơng chi tiết.
Sự xuất hiện IC (1959), LSI (1965), vi xử lý (1974) và các tiến bộ kỹ thuật
về lưu trữ và xử lý số liệu đã làm nên cuộc cách mạng trong kỹ thuật điều khiển số
máy công cụ. Các bộ điều khiển số trên máy cơng cụ được tích hợp thêm máy tính
và thuật ngữ CNC (viết tắt của Computer Numerical Control) được sử dụng từ đầu
thập kỷ 70. Máy CNC ưu việt hơn máy NC thông thường về nhiều mặt, như tốc độ
xử lý cao, kết cấu gọn,... nhưng ưu điểm quan trọng nhất của chúng là ở tính năng
sử dụng, giao diện thân thiện ùng và các thiết bị ngoại vi khác. Các máy CNC ngày
nay có màn hình, bàn phím và nhiều thiết bị khác để trao đổi thơng tin với người
dùng (hình 1-1 và 1-2). Nhờ màn hình, người dùng được thơng báo thường xun
về tình trạng của máy, cảnh báo báo lỗi và các nguy hiểm có thể xảy ra, có thể mơ
phỏng để kiểm tra trước q trình gia cơng,... . Máy CNC có thể làm việc đồng bộ
với các thiết bị sản xuất khác như rô-bốt, băng tải, thiết bị đo,... trong hệ thống sản
xuất. Chúng có thể trao đổi thơng tin trong mạng máy tính các loại, từ mạng cục bộ
(LAN) đến mạng diện rộng và Internet. Ngoài kỹ thuật điều khiển tự động, sự phát
triển của máy CNC và công nghệ gia cơng trên chúng cịn gắn liền với một lĩnh vực
khác của công nghệ thông tin: thiết kế và sản xuất có trợ giúp của máy tính mà

chúng ta quen gọi là CAD/CAM. Đó là lĩnh vực ứng dụng máy tính vào cơng tác
thiết kế, tính tốn kết cấu, chuẩn bị cơng nghệ, tổ chức sản xuất, hoạch tốn kinh
tế,... Một hệ thống sản xuất tự động, có khả năng tự thích ứng với sự thay đổi đối
tượng sản xuất được gọi là hệ thống sản xuất linh hoạt (Flexible Manufacturing
System - FMS). FMS gồm máy các CNC, rô-bốt, các thiết bị vận chuyển, thiết bị
kiểm tra, đo lường,... làm việc dưới sự điều khiển của một mạng máy tính.
Sự tích hợp mọi hệ thống thiết bị sản xuất và tích hợp mọi quá trình thiết kế sản xuất - quản trị kinh doanh nhờ mạng máy tính với các phần mềm trợ giúp công
tác thiết kế và công nghệ, kinh doanh,... tạo nên hệ thống sản xuất tích hợp nhờ máy
tính (Computer Integrated Manufacturing - CIM).

9


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

Khi gia công trên các máy công cụ CNN thì chi tiết và các dụng cụ cắt thực
hiện các chuyển động tương đối với nhau. Những chuyển động (hay dịch chuyển)
tương đối được lặp lại nhiều lần khi gia cơng mỗi chi tiết được gọi là chu trình gia
cơng. Mỗi chu trình gia cơng được đặc trưng bằng một đại lượng và một thứ tự.
Phần đại lượng được gọi là phần kích thước hay phần hình học, cịn phần thứ tự
được gọi là phần điều khiển. Chương trình làm việc của bất cứ một máy tự động
nào cũng cần có thơng tin về 2 loại: Về kích thước (xác định hành trình của chu kỳ)
và về sự điều khiển ( xác định thứ tự của hành trình theo thời gian).
Người ta chia các hệ thống điều khiển máy công cụ ra 2 loại:
- Điều khiển tương tự;
- Điều khiển số.
1.1.2. Các hệ điều khiển số
1.1.2.1. Hệ điều khiển NC (Numerical Control)
Thuật ngữ NC xuất phát từ cụm từ tiếng Anh Numerical Control, tức là máy
được điều khiển và hoạt động dựa trên các chương trình đã được lập trình sẵn trên

máy tính. Do đó, máy NC cịn có tên gọi khác là máy điều khiển số. Người ta sẽ đưa
vào máy tính các chương trình, câu lệnh với những thơng số chính xác và máy sẽ
hoạt động dựa trên các câu lệnh và thơng số đó.
Trong hệ điều khiển NC các thơng số hình học của chi tiết gia công và các
lệnh điều khiển được cho dưới dạng dãy các con số. Hệ điều khiển NC làm việc
thoe nguyên tắc sau khi mở máy, các lệnh thứ nhất và thứ hai được đọc. Chỉ sau khi
quá trình đọc kết thúc, máy mới bắt đầu thực hiện lệnh thứ nhất. Trong thời gian
này thông tin của lệnh thứ hai nằm trong bộ nhớ của hệ thống điều khiển. Sau khi
hoàn thành lệnh thứ nhất máy bắt đầu thực hiện lệnh thứ 2.
Nhược điểm của hệ điều khiển NC là khi gia cơng chi tiết tiếp theo trong loạt
thì hệ điều khiển phải đọc lại tất cả các lệnh từ đầu và như vậy khơng tránh khỏi
những sai sót của bộ tính tồn trong hệ điều khiển. Một nhược điểm khác nữa là do
cần rất nhiều lệnh chứa trong bang đục lỗ hoặc bang từ nên khả năng chương trình
bị dừng lại thường xuyên có thể xảy ra.
1.1.2.2 Hệ điều khiển CNC
Đặc điểm chính của hệ điều khiển CNC là sự tham gia của máy vi tính. Các
nhà chế tạo máy CNC cài đặt vào máy tính một chương trình điều khiển cho từng
loại máy. Hệ điều khiển CNC cho phép thay đổi và hiệu chỉnh các chương trình gia

10


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

cơng chi tiết và các chương trình hoạt động của bản thân nó. Trong hệ điều khiển
CNC chương trình có thể ghi nhớ lại, nạp vào bộ nhớ toàn bộ hay từng lệnh bằng
tay từ bàn điều khiển. Các lệnh điều khiển không chỉ được viết cho từng chuyển
động riêng lẻ mà còn cho nhiều chuyển động cùng lúc. Điều này cho phép giảm số
câu lệnh của chương trình và như vậy có thể nâng cao độ tin cậy làm việc của máy.

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển CNC
1.1.2.3 Hệ điều khiển DNC (Direct Numerical Control)
DNC là chữ viết tắt của Direct Numerical Control và được xem là kiểu vận
hành trong đó nhiều máy NC và CNC cũng như nhiều thiết bị khác nữa được nổi
với nhau, đó là các thiết bị điều chỉnh trước dụng cụ, máy đo, vị trí lập trinh và hệ
thống quản lý vật liệu và dụng cụ cắt.
Việc kết nổi giữa các thành phần của một hệ thống DNC được thực hiện qua
một đường dẫn dữ liệu. Do truyền dữ liệu trực tiếp nên cho phép đồng bộ chứa dữ
liệu như băng lỗ, băng từ, đĩa cũng như các máy đọc, máy ghi cần thiết.
Đặc điểm cơ bản của vận hành DNC là sự quản lý vả phân chia thông tin. Để
có thể xác định vả phân phối các thơng tin này theo yêu cầu, cần có sự giao diện đặc
biệt, qua đó tất cả các bộ phận trong mạng DNC được nối với máy tính chủ. Máy
tính chủ có thể xác định các thông số máy, thông số gia công, chuyển đổi chế độ

11


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

họat động, nơi lưu trữ hợp mục đích, đọc và ghi cũng như điều khiển tự động từ xa
máy tính của máy CNC đang họat động.

Hình 1.2. Sơ đồ vận hành mạng, quản lý phân chia thông tin DNC
1.1.3. Cơ sở lý thuyết về lập trình gia cơng trên máy CNC
Trên các máy CNC q trình gia cơng được thực hiện một cách tự động. Hệ
thống điều khiển số của máy sẽ điều khiển q trình gia cơng theo một chương trình
đã lập sẵn. Chương trình NC đóng vai trị rất quan trọng trong q trình gia cơng,
nó là một mắt xích của q trình chuẩn bị sản xuất. Quá trình thiết lập các lệnh cho
dụng cụ cắt trên cơ sở bản vẽ chi tiết và các thông tin công nghệ rồi chuyển các
thông tin này sang bộ phận mạng dữ liệu được mã hóa và sắp xếp theo dạng mà

máy hiểu được gọi là lập trình.
1.1.3.1. Chương trình NC
Chương trình NC là một file chứa các lệnh điều khiển máy. Các lệnh được
viết bằng các mã quy định và sắp xếp theo một thứ tự để máy có thể hiểu được khi
nó làm việc, có bộ điều khiển trong máy sẽ đọc các lệnh theo thứ tự để thực hiện
q trình gia cơng. Hiện nay có rất nhiều kiểu điều khiển CNC, chúng phu thuộc
vào các nhà chế tạo máy CNC. Tuy nhiên mã quốc tế ISO được sử dụng rộng rãi
nhất. Ngoài mã ISO người ta còn dùng mã hệ khác, các hệ này khác nhau không
12


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

nhiều cho nên khi chuyển từ hệ này sang hệ khác người ta có thể ứng dụng một
cách dễ dàng.
1.1.3.2. Các phương pháp lập trình
Căn cứ vào mức độ tự động hóa các cơng việc lập trình người ta phân biệt
hai phương pháp lập trình: Lập trình bằng tay và lập trình bằng máy (lập trình có sự
trợ giúp của máy tính).
Khi lập trình bằng tay, người lập trình căn cứ vào bản vẽ của chi tiết để nhập
các câu lệnh từ bàn phím của máy vào bộ nhớ. Như vậy sẽ tốn thời gian, dễ nhầm
lẫn đặc biệt là đối với các chi tiết phức tạp. Do những nhược điểm đó mà phương
pháp lập trình bằng tay được dùng cho các chi tiết có quy trình cơng nghệ đơn giản
hoặc để hiệu chỉnh những chương trình sẵn có.
Khi lập trình bằng máy, người lập trình mơ tả hình dáng hình học, biên dạng,
kích thước của chi tiết gia công, các quỹ đạo của dụng cụ cắt và các chức năng của
máy theo một ngôn ngữ mà máy có thể hiểu được. Lập trình bằng máy có ưu điểm
là khơng cần thực hiện các phép tính bằng tay, chỉ cần truy cập một ít dữ liệu vào sẽ
ra một lượng lớn các dữ liệu cho những tính tốn cần thiết, đồng thời hạn chế được
các lỗi lập trình.

Khi lập trình bằng máy thì máy tính phải có hai chương trình tính tốn đặc
biệt sau:
-

Chương trình xử lý (Processor);
Chương trình hậu xử lý (Post- Processor).

Processor là chương trình phần mềm thực hiện các tính tốn hình học và
cơng nghệ. Người ta gọi các dữ liệu của bộ chương trình xử lý (Processor) là CLD
(Cutter Location Data). Các dữ liệu này đưa ra một giải pháp chung về gia công mà
không phụ thuộc vào máy công cụ CNC nào. CLD có nghĩa là các dữ liệu xác định
vị trí dụng cụ cắt. CLD chứa các lệnh ngắn gọn nhất và các mã trong đó khơng hợp
với hệ CNC nào. Muốn dùng CLD cho một hệ CNC cụ thể phải dùng một chương
trình hậu xử lý gọi là Post- Prrocessor. Như vậy Post-processor có nhiệm vụ dịch
chương trình NC dưới dạng CLD thành các mã để cho hệ CNC có thể hiểu và thực
hiện q trình điều khiển máy gia cơng.
1.1.4. Các hệ điều khiển phổ biến trên máy CNC
Hệ điều khiển là phần hỗ trợ để các máy CNC có thể hiểu được các mã lệnh
mà bạn nhập vào, đó chính là ngơn ngữ giao tiếp của máy CNC.

13


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

1.1.4.1. Hệ điều hành FANUC [5]
Hệ điều hành FANUC được phát triển bởi tập đoàn FANUC tại Nhật Bản
vào năm 1958 bởi Tiến sỹ Seiuemon Inaba. Hoạt động chính của FANUC là về
mảng Robot, thiết bị CNC, hệ thống laser, với hệ thống rộng trên tồn thế giới.

Hình 1.3. Một bảng điều khiển FANUC thông thường trong phần mềm mô
phỏng gia công SSCNC
a. Ký hiệu
Hệ điều hành FANUC phân biệt 2 loại là:
- T (Tiện);
- M (Phay).
Hiện nay đa phần các cơng ty cơ khí sẽ sử dụng cả 2 loại máy CNC cũ và
mới, máy cũ thường sẽ là đời 6M hoặc 10M, loại này nội suy kém nên gia công hay
bị giật, thường dùng để gia công thô. Các đời máy mới hơn sẽ thường là 18i hoặc
20i sẽ hạn chế được mọi nhược điểm trên, gia cơng tinh tốt hơn, tốc độ trục chính
nhanh hơn, các bộ điện đi theo modul nên rất dễ chỉnh sửa, giao diện dễ sử dụng,
tính năng gia cơng hiệu quả đã biến FANUC thành một trong những hệ điều hành
phổ biến nhất ở Việt Nam cũng như trên toàn thế giới
14


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

b. Chương trình điều khiển
FANUC là hệ điều hành phổ biến nhất hiện nay được dùng cho máy CNC.
Hệ điều hành này sử dụng G-code để điều khiển.
G là ký hiệu chức năng dịch chuyển của dụng cụ cắt và được viết tắt của
Geometric Function. Ngoài ra, G còn xác định chế độ làm việc của máy. Các chức
năng G được mã hóa từ G00 đến G99. Dưới đây phân tích một số chức năng G
thơng dụng nhất.
+ G00: Lệnh chạy dao nhanh không cắt gọt ( tốc độ chạy dao lớn nhất của
máy);
+ G01: Lệnh nội suy tuyến tính;
+ G02: Lệnh nội suy cung trịn theo chiều kim đồng hồ
+ G03: Lệnh nội suy cung tròn ngược chiều kim đồng hồ

+ G40: Hủy bỏ hiệu chỉnh kích thước dao;
+ G41: Hiệu chỉnh dao ở bên trái profil chi tiết theo chiều chạy dao;
+ G42: Hiệu chỉnh dao ở bên phải profil chi tiết theo chiều chạy dao;
+ G54…G59: Tọa độ điểm chuẩn của chi tiết so với điểm chuẩn của máy;
+ G80: Hủy bỏ chu trình đã chọn;
+ G81 đến G89: Các chu trình khoan, khoét hay cịn gọi là các chu trình cố
định bởi vì trong các máy CNC hiện đại các chương trình con để thực hiện các chức
năng trên được lưu trữ cố định trong bộ nhớ của máy và luôn cho các chức năng yêu
cầu với các thông số cần thiết để thực hiện từng ngun cơng cụ thể (ISO6983);
+ G90: Lập trình theo kích thước tuyệt đối;
+ G91: Lập trình theo kích thước tương đối (theo gia số).
Ngồi G ra thì các chức năng phụ được ký hiệu bằng chữ cái M với hai chữ
số từ 00 đến 99 được dùng để vận hành máy trong q trình gia cơng. Một số chức
năng phụ M thường được dùng ký hiệu như sau:
+ M01: dừng có lựa chọn;
+ M03,M04: Trục chính quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ;

15


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

+ M05: Dừng trục chính;
+ M06: thay đổi dụng cụ cắt;
+ M08: Mở dung dịch trơn nguội;
+ M09: Tắt dung dịch trơn nguội;
+ M30: Kết thúc chương trình.
1.1.4.2. Hệ điều hành Sinumerik Siemens [6,7]
Sinumerik là hệ điều hành được phát triển bởi Siemens, một tập đoàn toàn
cầu tập trung vào các lĩnh vực điện, tự động hóa và số hóa (trên hình 1.2)

Hình 1.4. Bảng điều khiển hệ điều hành SIEMENS SINUMERIK OP012

16


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

Hình 1.5. Bàn phím điều khiển hệ điều hành Sinumerik
Hệ điều hành Sinumerik cũng thực hiện dưới mã lệnh G-code. Tuy nhiên
Sinumerik có nhiều chu trình tự động tăng hiệu quả của việc lập trình bằng tay. Cụ
thể:
Cycle 900: Chu trình khoan nhiều lỗ sắp xếp theo cung trịn;
Cycle 901: Chu trình phay rãnh có góc vát R;
Cycle 902: Chu trình phay rãnh sắp xếp tạo thành cung trịn;
Cycle 903: Chu trình phay hốc chữ nhật;
Cycle 904: Chu trình phay hốc cung trịn;
Cycle 906: Chu trình khoan các lỗ cách nhau khoảng R;
Cycle 907: Chu trình phay theo đường xoắn ốc.
Các máy CNC sử dụng điều khiển SINUMERIK 810 và SINUMERIK 820
có thể được lập trình với @-Code. @-Code cho phép chương trình nhảy trong
chương trình, truy vấn vào các chương trình con. Lập trình @-Code là một cách lập
trình tiên tiến nhưng khá phức tạp.
1.1.4.3. Hệ điều khiển Heidenhain [8,9]
Hệ điều khiển Heidenhain được phát triển bởi công ty HEIDENHAIN. Công
ty được thành lập tại Berlin, Đức bởi Wilhelm Heidenhain năm 1889. Hệ thống đo
lường quang học cho máy cơng cụ được thêm vào chương trình đến quá trình

17

[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

chuyển đổi tuyến tính và mã hóa góc với chức năng quét quang điện. Sự phát triển
này đã làm xuất hiện lần đầu tiên tự động hóa nhiều máy móc và hệ thống trong
ngành cơng nghiệp sản xuất.
Heidenhain là các hệ điều khiển được sử dụng rộng rãi trong các máy CNC
hiện nay và đặc biệt là các trung tâm gia công nhiều trục.
Hệ điều khiển Heidenhain sử dụng ngơn ngữ lập trình theo tiêu chuẩn ISO và
theo tiêu chuẩn DIN (L-code). Trung tâm gia công 5 trục MIKRON UCP 600 sử
dụng bộ điều khiển iTNC 530 của Heidenhain. Đây cũng là hệ điều khiển có
module ứng dụng tham số rất hiệu quả.

Hình 1.6. Màn hình hiển thị Heidenhain

18


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

Hình 1.7. Bảng điều khiển Heidenhain
1.1.5. Nhận xét
Các hệ điều hành do mỗi hẵng chế tạo máy CNC quy định. Tuy nhiên các
hãng này đã có sự thống nhất trong ngơn ngữ lập trình. So với FANUC thì
SIEMENS hay HEIDENHEIN sử dụng khá nhiều hàm con, và sử dụng các hàm này
khá phức tạp. Nhưng nếu sử dụng thành thạo cơ sở dữ liệu này giúp cho việc lập
trình bằng tay nhanh chóng và đạt được hiệu quả rất cao. Đặc biệt, Heidenhain có
nhiều tùy chọn và chức năng kiểm tra rất mạnh. Siemens có chức năng kiểm tra
xem tọa độ đường chạy dao có vượt quá hành trình hay tọa độ dự báo nguy hiểm
hay khơng.

Trung tâm gia công phay 5 trục CNC SIEMENS SINUMERIK DMU65
MonoBLOCK do hẵng DMG MORI chế tạo, sử dụng hệ điều khiển SINUMERIK
của hẵng SIEMENS chính nhờ những chức năng đặc biệt của hệ điều hành cho phép
khả năng gia công vượt trội của máy.

19


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

1.2. Giới thiệu cơ sở về CAD/CAM/CAE-CNC và lập trình CNC cho
máy phay
1.2.1. Tổng quan về cơng nghệ CAD/CAM-CNC [4]
1.2.1.1. Tổng quan về CAD/CAM
Lịch sử phát triển của CAD/CAM liên quan trực tiếp tới sự phát triển của đồ
họa máy tính, tuy nhiên CAD/CAM bao hàm một nội dung rộng lớn hơn đồ họa
máy tính, song hệ đồ họa máy tính viết tắt là ICG (Interative Computer Graphics) là
bộ phận cơ bản của CAD. Lịch sử phát triển của đồ họa máy tính diễn biến qua
nhiều thời kỳ.
Một trong những dự án quan trọng đầu tiên trong lĩnh vực đồ họa máy tính là
dự án triển khai ngơn ngữ APT tại Học viện Công nghệ Massachusetts vào giữa
thập kỷ 50. APT là chữ viết tắt của thuật ngữ Automatically Programed Tools. Dự
án này có quan hệ mật thiết với ý tưởng triển khai một phương pháp thuận tiện để
thơng qua máy tính xác định các yếu tố hình học phục vụ việc lập trình cho máy
cơng cụ điều khiển số. Mặc dù sự phát triển của APT là một cột mốc quan trọng
trong lĩnh vực đồ họa máy tính, nhưng việc sử dụng ngơn ngữ APT trước đây lại ít
liên quan với đồ họa máy tính.
Nhiều tập đồn công nghiệp như General Motorr, IBM, vv.vv.. đã bắt đàu
thực hiện những dự án về đồ họa máy tính từ những năm 60. Đến cuối thập kỷ 60
một số nhà cung cấp hệ thống CAD/CAM đã được thành lập, trong đó phải kể đến

hẵng Calma vào năm 1969. Các hẵng này cung cấp phần lớn hoặc toàn bộ phần
cứng và phần mềm theo yêu cầu của khách hàng. Một số hãng khác phát triển theo
hướng cung cấp phần mềm đồ họa như hãng Pat Hanratti mà công ty thành viên của
nó là MCS đã cho ra đời AD 2000 (Với phiên bản sau đó là ANVIL 4000) được coi
là gói phần mềm CAD phổ dụng.
1.2.1.2. Khái quát chung về CAD, CAM, CNC
a. CAD (Computer Aided Design)
CAD – Computer Aided Design: Được sử dụng hầu hết trong các ngành kỹ
thuật như cơ khí, xây dựng, kiến trúc… CAD thực sự trở thành một công cụ đắc lực
cho người kỹ sư trong việc thể hiện bản vẽ một cách nhanh chóng và chính xác.
Trước đây cơng việc của các nhà thiết kế có thể được hình dung như sau: Ý
tưởng thiết kế bằng một mơ hình ba chiều trên giấy, vẽ các bản vẽ kỹ thuật với các
thông số ban đầu ( thiết kế sơ bộ), tiến hành thiết kế thực sự trên bản vẽ kỹ thuật, bổ
sung hiệu chỉnh các bản vẽ với các quy trình quy phạm… Tóm lại, cơng việc đòi
20


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

hỏi rất nhiều thời gian và công sức, sự nhẫn nại của các nhà thiết kế vì các bản vẽ
luôn phải sửa đổi, bổ sung, hiệu chỉnh và dụng cụ hay dùng nhất là viên tẩy. ngoài
ra việc thiết kế thủ công như vậy cũng cho năng suất rất thấp, không phù hợp với
yêu cầu hiện nay.
Ngày nay, khoa học công nghệ thông tin đã thâm nhập rất sâu vào lĩnh vực
Khoa học kỹ thuật công nghệ đặc biệt là trong lĩnh vực thiết kế đồ họa mà Cơ khí là
một điển hình. Lĩnh vực thiết kế CAD đã trở thành một công cụ đắc lực cho các kỹ
sư thiết kế. ngày nay CAD phát triển thành “Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính”
(Computer Aided Design) và xây dựng trực tiếp các mơ hình 3D. Sau khi thiết kế
mơ hình sẽ được kiểm tra, phân tích trên máy tính trước khi đưa vào chế tạo hay thi
cơng làm giảm sai sót đến tối thiểu….

Hình 1.8. Chi tiết càng gạt được vẽ 2D, 3D trên phần mềm CAD
* Chức năng của CAD:
+ Vẽ, in ấn (Drafting Design);
+ Mơ hình hóa đối tượng (Modelling Design);
+ Kết xuất dữ liệu cho CAM, CAE.

21


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

* Ứng dụng của CAD:
- Sản phẩm hay còn gọi là đầu ra của CAD sẽ là các file bản vẽ điện tử chứa
các dữ liệu về hình học để phục vụ cho việc in ấn bản vẽ hoặc phục vụ việc tạo ra
dữ liệu cho quá trình gia công chế tạo;
- CAD không chỉ bao gồm vấn đề mơ tả hình học;

Hình 1.9. Tổng qt ứng dụng CAD
- Tương tự như các bản vẽ kỹ thuật vẽ bằng tay, đầu ra của CAD còn phải
chuyển tải thêm các thơng tin khác như vật liệu, kích thước và dung sai;
- Thiết kế trong CAD chủ yếu thiết kế kĩ thuật, chứ không phải là thiết kế đồ
họa đơn giản, và sản phẩm được tạo ra từ CAD thường bao gồm các kích thước
chính xác, dung sai và thậm chí là yêu cầu về vật chất tạo ra sản phẩm.
* Ưu điểm mà CAD mang lại:

22


[ TRẦN NGỌC TIẾP - LUẬN VĂN THẠC SỸ ] October 1, 2019

1. Tăng năng suất thiết kế;
2. Hỗ trợ việc sửa đổi thiết kế dễ dàng;
3. Nâng cao chất lượng và độ chính xác bản vẽ;
4. Cải hiện việc trao đổi thơng tin;
a. Giữa các nhóm (kỹ sư) thiết kế, chế tạo và nhà cung cấp;
b. Với các ứng dụng khác như CAM, FEM, CAE;
c. Marketting, trình bày sản phẩm.
5. Tạo ra cơ sở dữ liệu phục vụ cho q trình gia cơng chế tạo sau này.

Hình 1.10. Bản vẽ bóc tách chi tiết trên phần mềm CAD

23