Nghiên cứu lập trình tham số trên máy công cụ CNC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐẶNG CƠNG NGUN

NGHIÊN CỨU LẬP TRÌNH THAM SỐ
TRÊN MÁY CÔNG CỤ CNC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội-Năm 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐẶNG CƠNG NGUN

NGHIÊN CỨU LẬP TRÌNH THAM SỐ
TRÊN MÁY CÔNG CỤ CNC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội-Năm 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 : Đặng Cơng Ngun.
Đề tài luận văn: Nghiên cứu lập trình tham số trên máy công cụ CNC.
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí.
Mã số SV: CB170264.
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:
- Đã sửa các lỗi soạn thảo văn bản (trang 1, 17, 28, 66, 76, 78, 79).
- Bố cục lại kết luận các chương và kết luận của luận văn sát với nội
dung của đề tài.
- Các chú thích hình vẽ chỉnh sửa lại cho chính xác với nội dung, quy
định trình bày trong luận văn ( hình 3.9, 3.10, 3.11, 3.12, 3.13, 3.14),
bổ sung chú thích các hình mơ phỏng gia cơng (từ hình 3.15 đến hình
3.28).
- Trình bày mục tài liệu tham khảo đúng quy định và mẫu biểu ban hành.
- Trình bày luận văn theo đúng mẫu ban hành.
Ngày 23 tháng 10 năm 2019
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Đặng Công Nguyên, học viên lớp Thạc sỹ Kỹ thuật Chế tạo máy CTM2017BTrường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Với đề tài Luận văn : “Nghiên cứu lập trình tham số trên máy cơng cụ CNC”.

Tơi cam đoan:
Tất cả các nội dung trong luận văn này do tôi thực hiện và chưa từng được công bố
trong bất kỳ một cơng trình khoa học nào.
Tơi xin chịu mọi trách nhiệm đối với nội dung luận văn này.

Tác giả luận văn

Đặng Công Nguyên


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn tới PGS. TS Phạm Văn Hùng, Viện trưởng Viện
Cơ khí trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ
tơi trong suốt q trình thực hiện, hồn thành luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn tới sự giúp đỡ của cán bộ, giảng viên Viện Đào tạo
sau đại học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội trong q trình tơi học tập và hồn
thành luận văn.

Hà Nội, ngày 19 tháng 8 năm 2019
Tác giả luận văn

Đặng Công Nguyên


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
CÁC KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

MỞ ĐẦU

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CAE/CNC……......

4

1.1. Giới thiệu về điều khiển số trong máy công cụ……………………………….…

4

1.1.1. Giới thiệu chung về điều khiển số trong máy công cụ…………………….…

4

1.1.2. Các hệ điều khiển số…………………………………………………………..……

4

1.1.3. Cơ sở lý thuyết về lập trình gia cơng trên máy CNC………………………...

7

1.1.4. Các hệ điều khiển phổ biến trên máy CNC………………………………..……

9

1.1.5. Nhận xét……………………………………………………………………..………...

17

1.2. Giới thiệu về CAD/CAM/CAE/CNC, chức năng, ứng dụng, lợi ích và vai
trị CAD/CAM/CNC trong sản xuất cơ khí……………………………...………
1.2.1. Giới thiệu cơng nghệ CAD/CAM/CAE/CNC………………………………….
1.2.2. Chức năng, ứng dụng, lợi ích và vai trị CAD/CAM/CNC trong sản xuất
cơ khí……………………………………………………………………………
1.3. Kết luận chương 1……………………………………………………….…..…...…….
CHƯƠNG 2: LẬP TRÌNH GIA CƠNG TRÊN MÁY NHIỀU TRỤC BẰNG
HỆ ĐIỀU KHIỂN iTNC 530………………...………………………………………....…

18
18
24
28
29

2.1. Giới thiệu về trung tâm gia công Mikron UCP 600 ………………...…..………

29

2.1.1. Đặc điểm của máy CNC……………………………………………………………

29

2.1.2. Trung tâm gia công Mikron UCP600……………………………………..……..

33

2.2. Nghiên cứu hệ điều khiển Heidenhain iTNC 530…………………………..……

34

2.2.1. Bảng điều khiển……………………………………………………………...………

34

2.2.2. Màn hình hiển thị…………………………………………………………….………

38


2.2.3. Dao cắt và chuyển động lập trình của dao cắt…………………….……………

39

2.3. Định nghĩa và gọi chu trình gia cơng………………………………………………

42

2.3.1. Định nghĩa chu trình gia cơng………………………………………………..……

42

2.3.2. Gọi chu trình gia cơng………………………………………………………………

42

2.4. Một số chu trình cơ bản hệ thống điều khiển Heidenhain iTNC 530…..……

43

2.4.1. Hệ thống tọa độ trên máy iTNC 530………………………………………..……

43

2.4.2. Các hàm nội suy……………………………………………………………...………

45

2.5. Các chu trình khoan, Taro và Phay ren……………………………………….……

48

2.5.1. Chu trình DRILLING ( CYCLE 200 ) …………………………………...……..

49

2.5.2. Chu trình REAMING ( CYCLE 201) ………………………………………...…

50

2.5.3. Chu trình BORING ( CYCLE 202) ………………...……………………………

51

2.5.4. Chu trình UNIVERSAL DRILLING ( CYCLE 203) ………………………...

51

2.5.5. Chu trình BACK BORE ( CYCLE 204) ………………………………………..

52

2.5.6. Chu trìnhTHREAD MILLING ( CYCLE 262) …………………………...…...

53

2.5.7. Chu trình TAPPING ( CYCLE 206) …………………………………………….

54

2.5.8. Chu trình HREAD MILLING/COUTERSINKING (CYCLE 263)………

55

2.5.9. Chu trình CTHREAD DRILLING/ MILLING ( CYCLE 264) ……………

56

2.5.10. Chu trình HELICAL THREAD DRILLING/ MILLING (CYCLE 265)
……………………………………………………………………………………………..……

57

2.5.11. Chu trình OUTSIDE THREAD MILLING……………...……………………

58

2.6. Một số chu trình phay hốc và rãnh trong iTNC 530……………………………..

59

2.6.1. Chu trình RECTANGULAR POCKET ( CYCLE 251) ……………………..

59

2.6.2. Chu trình CIRCULAR POCKET ( CYCLE 252 ) …………………………....

61

2.6.3. Chu trình POCKET FINISHING ( CYCLE 212 ) ……………………….……

62

2.7. Chu trình gia cơng nhiều lỗ……………………………………………………..……

64

2.7.1. Chu trình CIRCULAR PATTERN ( CYCLE 220) …………………………...

64

2.7.2. Chu trình LINEAR PATTERN ( CYCLE 221) ……………………………….

65

2.8. Kết luận chương 2…………………………………………………………..

66

CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH THAM SỐ TRONG HỆ ĐIỀU HÀNH
HEIDENHEN iTNC 530………………………………………………………………...…

67

3.1. Khái quát chung về lập trình tham số……………………………………..…….…

67

3.1.1. Khái niệm lập trình tham số……………………………………………………….

67

3.1.2. Vai trị của lập trình tham số………………………………………………………

67

3.2. Thiết lập chương trình tham số hệ điều khiển Heidenhain iTNC 530…..…..

68

3.2.1. Khai báo tham số Q…………………………………………………………………

68

3.2.2. Gọi tham số Q………………………….………………………………………...…...

69

3.2.3. Các hàm tốn học mơ tả biên dạng…………………………………………..…..

70

3.2.4. Hàm điều kiện và biểu thức so sánh……………………………………….…….

70

3.2.5. Các hàm lượng giác ………………………………………………………….…..…

71

3.2.6. Các phép toán khác……………………………………………………………...….

71

3.2.7. Chương trình con LBL và vịng lặp……………………………………….……..

73

3.2.8. Thí dụ về lặp chương trình con có sử dụng nhiều dao………….……..…….

74

3.2.9. Nhận xét…………………………………………………………………….…..……..

76

3.3. Lập trình tham số gia cơng chi tiết biên dạng phức tạp……………..….….……

76

3.3.1. Nhóm chi tiết có biên dạng phức tạp……………………………………….……

76

3.3.2. Lập trình tham số cho chi tiết đĩa líp…………………………………………….

85

3.4. Kết luận chương 3……………………………………………………………..…….....

93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………………...

94

TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….

95

PHỤ LỤC


CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT

Ký hiệu

viết tắt

Ý nghĩa
Thiết kế có trợ giúp máy tính - Computer Aided

1

CAD

2

CAE

3

CAM

4

CNC

5

ĐHBKHN

Đại học Bách khoa Hà Nội

6

NC

Điều khiển số -Number Control

7

STT

Số thứ tự

Design
Phân tích kỹ thuật có trợ giúp máy tính - Computer
Aided Engineering
Sản xuất có trợ giúp máy tính – Computer Aided
Manufacturing
Điều khiển số có sự trợ giúp máy tính- Computer
Numerical Control


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
STT

Số thứ tự

Ý nghĩa

Trang

bảng
So sánh đặc điểm của máy CNC với máy

1

Bảng 2.1

2

Bảng 2.2

Cấu trúc chương trình NC

41

3

Bảng 2.3

Thơng số xác định gia cơng ren

47

4

Bảng 2.4

Các chu trình Khoan, Phay, Taro, Phay ren

48

5

Bảng 3.1

Phạm vi, ý nghĩa tham số Q

68

6

Bảng 3.2

Nhóm các chức năng tham số

69

cơng cụ vạn năng thông thường

29


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1

Số thứ
hình
Hình 1.1

Cấu tạo của hệ điều khiển CNC

6

2

Hình 1.2

Cấu trúc hệ thống DNC

7

3

Hình 1.3

Bảng điều khiển của máy CNC

9

4

Hình 1.4

Fanuc 21T hỗ trợ mơ phỏng cắt gọt trước khi đưa vào sản xuất

10

5

Hình 1.5

Mã lệnh và mơ phỏng gia cơng trong Heidenhain

11

6

Hình 1.6

Phần mềm mơ phỏng lập trình Funuc 21T

15

7

Hình 1.7

Hệ điều khiển sinumerik 808D

16

8

Hình 1.8

Bảng điều khiển và màn hình hiển thị Heidenhain iTNC 320

17

9

Hình 1.9

10

Hình 1.10 Mơ phỏng gia cơng trên SOLIDCAM2016

19

11

Hình 1.11 CAE phân tích dịng chảy trong khn ép

21

12

Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống DNCII

23

13

Hình 1.13 Sơ đồ chu trình sản xuất khi chưa có CAD/CAM/CNC

27

14

Hình 1.14 Sơ đồ chu trình sản xuất khi có CAD/CAM/CNC

27

15

Hình 2.1

Mơ hình khái qt về máy CNC

31

16

Hình 2.2

Sơ đồ mơ tả kết cấu máy tiện CNC

32

17

Hình 2.3

Sơ đồ mơ tả kết cấu máy phay CNC

32

18

Hình 2.4

Trung tâm gia cơng Mikron UCP 600

33

19

Hình 2.5

Bàn phím điều khiển iTNC 530

34

20

Hình 2.6

Màn hình hiển thị điều khiển iTNC 530

38

21

Hình 2.7

Chiều dài dao tiêu chuẩn

39

STT

Ý nghĩa

Phần mềm CAD (Catia V5R21) xây dựng, thiết kế 3D cánh
quạt

Trang

18


22

Số thứ
hình
Hình 2.8

Điểm chuẩn dụng cụ cắt

39

23

Hình 2.9

Gia cơng có sử dụng chức năng bù dao

40

24

Hình 2.10 Bù bán kính dao tại các góc lượn

40

25

Hình 2.11 Hệ tọa độ trên máy iTNC 530

43

26

Hình 2.12 Các chuyển động của các trục máy iTNC 530

43

27

Hình 2.13 Tọa độ tương đối và tuyệt đối

44

28

Hình 2.14 Tọa độ cực và góc qt, bán kính qt

44

29

Hình 2.15 Hướng qt và góc qt trong từng mặt phẳng tọa độ

45

30

Hình 2.16 Nội suy tuyến tính theo đường thẳng

46

31

Hình 2.17 Nội suy cung trịn trong máy iTNC 530

46

32

Hình 2.18 Chu trình khoan CYCLE 200

49

33

Hình 2.19 Chu trình khoan kht rộng lỗ khơng thơng CYCLE 201

50

34

Hình 2.20 Chu trình dao tự động CYCLE 202

51

35

Hình 2.21 Chu trình khoan bẻ phoi CYCLE 203

51

36

Hình 2.22

37

Hình 2.23 Chu trình ta rơ ren CYCLE 206

53

38

Hình 2.24 Chu trình phay ren tiêu chuẩn CYCLE 262

54

39

Hình 2.25 Chu trình phay ren có vát miệng lỗ CYCLE 263

55

40

Hình 2.26 Chu trình phay ren ngay sau khi khoan lỗ

56

41

Hình 2.27 Chu trình phay ren trong lỗ trụ CYCLE 265

57

42

Hình 2.28 Chu trình phay ren ngồi CYCLE 267

58

43

Hình 2.29 Chu trình phay hốc chữ nhật CYCLE 251

59

44

Hình 2.30 Vi trí dao khi phay hốc chữ nhật

60

45

Hình 2.31 Các thông số dao theo chiều dọc khi phay hốc chữ nhật

61

46

Hình 2.32 Phay thơ hốc trịn

61

STT

Ý nghĩa

Chu trình doa ngược theo hướng đi lên của trục chính CYCLE
204

Trang

52


47

Số thứ
hình
Hình 2.33 Phay tinh hốc trịn

48

Hình 2.34 Gia cơng thơ hốc vng CYCLE 212

63

49

Hình 2.35 Các thơng số gia cơng tinh hốc vng CYCLE 212

63

50

Hình 2.36 Gia cơng nhiều lỗ quanh tâm trịn CYCLE 220

64

51

Hình 2.37 Gia cơng nhiều lỗ theo hình chữ nhật CYCLE 220

65

52

Hình 3.1

Các chi tiết tương tự

68

53

Hình 3.2

Cấu trúc chương trình con

73

54

Hình 3.3

Chương trình con sử dụng nhiều dao

74

55

Hình 3.4

Đĩa líp nhiều tầng trên xe đạp thể thao

77

56

Hình 3.5

Thơng số của đĩa líp

78

57

Hình 3.6

Các tham số truyền trong lập trình đĩa líp

79

58

Hình 3.7

Đĩa líp chế tạo bản vẽ 3D

80

59

Hình 3.8

Đĩa líp chế tạo bản vẽ chi tiết 2D

80

60

Hình 3.9

Ngun cơng phay mặt đầu

82

61

Hình 3.10 Ngun cơng phay hốc tâm

82

62

Hình 3.11 Ngun cơng khoan lỗ lắp ghép

83

63

Hình 3.12 Ngun cơng phay biên dạng răng ngồi

83

64

Hình 3.13 Ngun cơng phay biên dạng răng đĩa líp

84

65

Hình 3.14 Ngun cơng phay rãnh thẩm mỹ và giảm trọng lượng

84

66

Hình 3.15

Mơ phỏng phay mặt đầu trong iTNC530

86

67

Hình 3.16 Mơ phỏng phay hốc trong 40 trong iTNC530

86

68

Hình 3.17 Mơ phỏng khoan 6 lỗ 4 trong iTNC530

87

69

Hình 3.18 Mơ phỏng phay biên dạng ngồi trong iTNC530

87

70

Hình 3.19 Mơ phỏng phay biên dạng răng đãi líp trong iTNC530

88

71

Hình 3.20 Mơ phỏng phay biên dạng răng đĩa líp trong iTNC530

88

72

Hình 3.21 Mơ phỏng chi tiết hồn chỉnh khơng chương trình con

89

STT

Ý nghĩa

Trang
62


73

Số thứ
Ý nghĩa
hình
Hình 3.22 Mơ phỏng chi tiết hồn chỉnh có sử dụng chương trình con

74

Hình 3.23 Mơ phỏng chi tiết hồn chỉnh Z =17, Pc = 15,875mm

90

75

Hình 3.24 Mơ phỏng chi tiết hồn chỉnh Z =19, Pc = 15,875mm

90

76

Hình 3.25 Mơ phỏng chi tiết hồn chỉnh Z =21, Pc = 12,7mm

91

77

Hình 3.26 Mơ phỏng chi tiết hồn chỉnh Z =15, Pc = 19,05mm

91

78

Hình 3.27 Mơ phỏng chi tiết gia cơng đa giác n = 8 cạnh

92

79

Hình 3.28 Mơ phỏng chi tiết gia cơng đa giác n = 5 cạnh

92

80

Hình 3.29 Mô phỏng chi tiết gia công bánh răng cycloid Z = 7

93

STT

Trang
89


MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết:
Ngày nay, việc ứng dụng và phát triển khoa học kỹ thuật đã tạo ra những sản
phẩm của riêng mình. Trong đó, u cầu đặt ra là khoa học cần tạo ra các sản phẩm
thông minh hơn, nhanh hơn, linh hoạt hơn, bền bỉ hơn, chính xác hơn. Máy công cụ
CNC hiện nay đã và đang trên đà phát triển mạnh mẽ, ứng dụng rộng rãi vào lĩnh vực

sản xuất linh hoạt và tạo ra những sản phẩm chất lượng cao. Máy công cụ CNC là
một sản phẩm của tiến bộ khoa học, đi đầu trong lĩnh vực chế tạo cơ khí. Sự xuất hiện
của máy cơng cụ CNC nhanh chóng đưa q trình sản xuất cơng nghiệp cơ động, linh
hoạt, tự động hóa cao. Trong hệ thống máy CNC thì các trung tâm gia cơng là tự động
hồn tồn từ việc cấp phơi cho đến việc hồn thiện sản phẩm cơ khí với độ chính xác
và tin cậy cao. Tuy nhiên để điều khiển hoạt động của các trung tâm gia cơng như thế
cần có trình độ năng lực cả về kiến thức cơ khí chế tạo lẫn kiến thức về điện tử và
công nghệ thông tin…. Nói cách khác cần tổng hợp kiến thức của nhiều lĩnh vực để
có thể vận hành được các trung tâm này. Thực sự công nghệ CNC chiếm lĩnh vị trí
cao trong hễ thống sản xuất của các tổ chức, cá nhân, doanh nghiệp trên toàn thế giới.
Cùng với sự phát triển của khoa học máy tính và hàng khơng vũ trụ, lĩnh vực
cơ khí cũng thay đổi theo về mọi mặt để đáp ứng cho quá trình phát triển mạnh mẽ
này. Sự thay đổi đó là sự phát triển công nghệ trong ngành chế tạo nhằm thực hiện
chế tạo sản phẩm nhanh, đơn giản, dễ sử dụng nhưng có độ chính xác, tính thẩm mỹ
cao. Đó cũng là một chuyên ngành mà bản thân đang thực hiện tại đơn vị, ln mong
muốn tìm hiểu, khám phá, học hỏi tiến bộ khoa học vào ứng dụng cho ngành nghề
mình đảm nhiệm.
Khi nghiên cứu chi tiết đĩa líp trên dịng xe đạp thể thao nhận thấy để đáp ứng
mọi yêu cầu đặt ra với nhiều người dùng sử dụng nhiều cơ cấu truyền động khác
nhau. Đó có thể là vận động viên, người già, học sinh, sinh viên, người có sức khỏe
tốt, người có sức khỏe bình thường, điều kiện vận động có thể rừng núi hay đồng
bằng, gió nhiều hay ít…vẫn có thể sử dụng với một bộ xích líp có tỉ số truyền phù
hợp. Đặc biệt trong cơng nghệ sản xuất nhỏ lẻ mà đa dạng kích thước, thơng số truyền


động để đáp ứng kịp thời nhu cầu người dùng đặt ra. Tôi muốn ứng dụng công nghệ
chế tạo máy lĩnh vực số là sử dụng một hệ điều khiển máy CNC để lập trình một
chương trình gia cơng phục vụ xuyên suốt nhu cầu thực tế đó.
Với những lý do trên và để hồn thành khóa học Thạc sỹ Kỹ thuật Công nghệ
chế tạo máy nên tôi đã chọn đề tài tốt nghiệp : “Nghiên cứu lập trình tham số trên

máy công cụ CNC”
Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu quá trình hình thành phát triển của hệ thống máy cơng cụ CNC,
các hệ điều hành phổ biến hiện nay. Ứng dụng một trong những hệ điều khiển đó khai
thác sử dụng chế tạo trên máy CNC 5 trục. Nghiên cứu về hệ điều hành iTNC530 và
cách sử dụng các tham số của lập trình gia cơng nhằm đơn giản hóa và tiết kiệm thời
gian lập trình.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Máy nghiên cứu: Trung tâm gia công 5 trục Mikron UCP600
Nghiên cứu hệ điều hành Heidenhain iTNC530 trong phạm vi nghiên cứu cụ
thể là tham số Q và truyền tham số trong chu trình gia cơng để gia cơng các chi tiết
phức tạp trên máy UCP600.
Ý nghĩa khoa học:
Lập trình gia cơng các chi tiết phức tạp trên máy UCP600 bằng cách sử dụng
các tham số trong quá trình lập trình cho việc lập trình trở nên đơn giản hơn. Đặc biệt
khi cần gia công một họ chi tiết phức tạp, chỉ thay đổi một vài tham số ban đầu của
chương trình sẽ thực hiện được ngay mà khơng cần thay đổi bản vẽ và thiết kế từ đầu
như ứng dụng CAD/CAM để xuất mã G-Code.
Lập trình tham số cho phép chúng ta sử dụng tối đa chức năng tính tốn và các
chương trình con của máy CNC khi gia cơng họ chi tiết, giảm được số dịng lệnh
xuống còn vài dòng mà chủ yếu truyền tham số.
Ý nghĩa thực tiễn:
Trên thực tế có nhiều chi tiết tương đồng nhau về hình dáng, chỉ khác nhau về
thơng số kích thước và một thơng tin nào đó.

2


Lập trình tham số sẽ giảm được khối lượng cần lập trình cho từng chi tiết cụ
thể, tiết kiệm bộ nhớ máy, thuận tiện cho người sử dụng.

Nội dung đề tài gồm 3 chương:
-

Chương 1: Tổng quan về công nghệ CAD/CAM/CAE/CNC

-

Chương 2: Lập trình gia cơng trên máy nhiều trục bằng hệ điều khiển
iTNC530.

-

Chương 3: Lập trình theo tham số Q

Qua thời gian thực hiện đề tài em đã nhận được sự chỉ dạy, giúp đỡ, hướng
dẫn tận tình của PGS. TS Phạm Văn Hùng. Do thời gian có hạn và tài liệu liên quan
bản thân em chưa tìm được phong phú đầy đủ nên khó tránh khỏi những thiếu sót.
Em rất mong được sự góp ý của các thầy cô giáo. Em xin chân thành cảm ơn PGS.
TS Phạm Văn Hùng và các thầy cô giáo trong trường ĐHBKHN đã tận tình tạo điều
kiện giúp đỡ em.
Hà Nội, ngày 18 tháng 9 năm 2019

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CAE/CNC
1.1. Giới thiệu về điều khiển số trong máy công cụ CNC [1, 4, 8]
1.1.1. Giới thiệu chung về điều khiển số trong máy cơng cụ
Khi gia cơng trên máy cơng cụ 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 công mỗi chi tiết 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, phần thứ tự là phần điều khiển. Chương
trình làm việc của bất cứ máy tự động nào cũng cần thông tin về hai loại: Kích thước
(xác định hành trình của chu kỳ và về sự điều khiển (xác định thứ tự hành trình theo
thời gian).
Người ta chia các hệ thống điều khiển số máy công cụ ra làm hai loại:
- Điều khiển không theo số (hay điều khiển truyền thống, điều khiển liên tục).
- Điều khiển số
1.1.2. Các hệ điều khiển số [1]
Công nghệ điều khiển số xuất hiện vào giữa thế kỷ 20, khoảng năm 1952,
nhưng cho đến đầu những năm 1960 vẫn chưa được áp dụng trong sản xuất hàng loạt.
Sự bùng nổ thực tế ở dạng CNC bắt đầu từ năm 1972, và thập kỷ kế tiếp với sự xuất
hiện của máy tính.
Trong lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là gia cơng kim loại, cơng nghệ điều khiển
số đã góp phần dẫn đến cuộc cách mạng. Ngay cả trước khi máy tính trở thành thiết
bị khơng thể thiếu trong mọi cơng ty và từng gia đình, máy cơng cụ được trang bị hệ
thống điều khiển số đã có vị trí đặc biệt trong xưởng cơ khí. Sự phát triển của vi điện
tử và máy tính, gồm cả tác động của chúng đôi với điều khiển số, đã đem đến các
thay đổi cơ bản trong sản xuất nói chung và trong ngành cơ khí nói riêng.
* Đĩnh nghĩa điều khiển số:
Điểu khiển số có thể được định nghĩa là sự vận hành máy cơng cụ bằng cách
dùng các lệnh mã hóa đặc biệt cho hệ thống điều khiển máy. Các lệnh là sự phối hợp
các chữ cái, chữ số và ký hiệu được chọn, ví dụ, dấu thập phân, dấu phần trăm, dấu

4


ngoặc. Tất cả các lệnh đều được viết với thứ tự logic theo dạng cho trước. Tập hơp
tất cả các lệnh cần thiết để gia công chi tiết được gọi là chương trình NC, chương

trình CNC, hoặc chương trình gia cơng. Chương trình có thể được lưu để sử dụng
trong tương lai hoặc tái sử dụng để đạt được các kết quả gia công đồng nhất vào thời
điểm bất kỳ.
Một số hệ điều khiển số thông dụng sử dụng trong các máy CNC được trình
bày ở phần sau.
1.1.2.1. Hệ điều khiển NC (Numerical Control) [1]
Trong hệ điều khiển NC các thơng số hình học của chi tiếtgia cơng và các lệnh
điều khiển cho dưới dạng các dãy con số. Hệ điều khiển NC chỉ làm việc theo nguyên
tắc: sau khi mở máy các lệnh thứ nhất và thứ hai được đọc. Sau quá trình đọc kết
thúc, máy mới thực hiện các lệnh thứ nhất. Trong thời gian này thông tin của lệnh
thứhai nằm trong bộ nhớ của hệ thống điều khiển. Sau khi hoàn thành lệnh thứ nhất
máy mới thực hiện lệnh thứ hai.
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 sai
xót của bộ tính tốn trong hệ thống. Bên cạnh đó là cần rất nhiều lệnh chứa trong
bang đục lỗ hoặc bang từ nên khả năng chương trình bị dừng lại thường xuyên có thể
xẩy ra.
1.1.2.2. Hệ điều khiển CNC (Computer Numerical Control) [1, 8]
Đặc điểm chính của hệ thống điều khiển CNC là sự tham gia của máy vi tính.
Các nhà chế tạo máy CNC cài đặt vào máy vi tính chương trình điều khiển cho từng
loại máy. Hệ điều khiển CNC cho phép thay đổi và hiệu chỉnh các chương trình gia
cơng chi tiết và cả chương trình hoạt động của bản thân nó.
Trong hệ điều khiển CNC chương trình có thể ghi nhớ lại, nạp vào bộ nhớ tồn
bộ hay từng lệnh bằng tay từ bàn điều khiển. Các lệnh điều khiển không chỉ 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 nâng cao độ tin cậy làm việc của máy.

5

Hệ điều khiển CNC có kích thước nhỏ hơn và giá thành thấp hơn so với các
hệ điều khiển NC nhưng lại có những đặc tính mà các hệ điều khiển trước đó khơng
có.
Hệ điều khiển CNC bao gồm 3 thành phần chính:
- Hệ NC (numerical control) làm nhiệm vụ tương tác với người vận hành và
tiến hành việc điều khiển vị trí.
- Hệ điều khiển các động cơ
- Hệ các driver.
Xét về mặt chức năng, hệ điều khiển CNC bao gồm bộ phận giao tiếp giữa
người và máy (MMI-Man-Machine-Interface), phần lõi điều khiển số (NCK Numerical Control Kernel) và bộ điều khiển logic khả lập trình PLC (Programmable
Logic Control).

Hình 1.1. Cấu tạo của hệ điều khiển CNC [8]
MMI chịu trách nhiệm giao tiếp giữa NC và người vận hành máy, thi hành các
lệnh của máy, hiển thị thông tin trạng thái của máy và thực hiện các chức năng soạn
thảo chương trình gia cơng.

6


NCK là lõi của hệ thống CNC, nó thơng dịch chương trình gia cơng và tiến
hành nội suy, điều khiển vị trí và bù trừ sai số dựa trên chương trình đã được thơng
dịch. Cuối cùng NCK điều khiển các động cơ servo chuyển động để gia công chi tiết.
Bộ điều khiển PLC điều khiển việc thay dao, tốc độ trục chính, thay chi tiết
gia cơng và nhập hoặc xuất các tín hiệu xử lý. Nó đóng vai trị điều khiển các hoạt
động của máy
1.1.2.3. Hệ điều khiển DNC (Direct Numerical Control) [1, 4]
Đặc điểm của hệ điều khiển DNC là nhiều máy cơng cụ CNC được nối với
máy tính trung tâm. Mỗi máy CNC có hệ điều khiển CNC mà bộ tính tốn của nó có
nhiệm vụ chọn lọc và phân phối các thơng tin (hay bộ tính tốn là cầu nối giữa máy

cơng cụ với máy tính trung tâm).

Hình 1.2. Cấu trúc hệ thống DNC [4]
1.1.3. Cơ sở lý thuyết về lập trình gia cơng trên máy CNC
Trên máy CNC q trình gia cơng được thực hiện tự động. Hệ thống điều khiển
số của máy sẽ điều khiển q trình gia cơng theo chương trình đã thiết lập. Vì vậy
chương trình NC đóng vai trị quan trọng trong qua trình thực hiện gia cơng. Nó là
một mắt xích quan trọng của quá trình chuẩn bị sản xuất. Quá trình thiết lập các lệnh
cho dụng cụ cắt trên cơ sở các bản vẽ chi tiết, các thông tin công nghệ rồi chuyển
sang bộ phận mang dữ liệu được mã hóa và sắp xếp theo dạng mà máy hiểu được gọi
là lập trình.

7


1.1.3.1. Chương trình
Chương trình NC là một file chứa các lệnh điều khiển máy. Các lệnh được viết
bằng các lệnh mã quy định và sắp xếp theo thứ tự để máy có thể hiểu được khi nó
làm việc. 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 phụ 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 cịn dùng các mã hệ khác nhưng khác nhau khơng nhiều, cho nên khi sử
dụng 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 trợ giúp
máy tính).
Khi lập trình bằng tay, người ta căn cứ vào bản vẽ của chi tiết để xây dựng các
câu lệnh từ bàn phím của máy vào bộ nhớ. Như vậy sẽ tốn thời gian, dễ nhầm lẫn đặc
biệt 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 gia cơng đơn giản hoặc để hiệu chỉnh
những chương trình có sẵn.
Khi lập trình bằng máy, người lập trình mơ tả hình dáng hình học của chi tiết
gia công, các quỹ đạo dụng cụ cắt và các chức năng của máy theo một ngôn ngữ máy
có thể hiểu được. Lập trình bằng máy có ưu điểm khơng cần thực hiện các phép tính
bằng tay, chỉ cần truy cập một số thông tin dữ liệu vào sẽ ra lượng lớn các dữ liệu chi
những tính tốn cần thiết, đồng thời hạn chế các lơi lập trình. Khi lập trình bằng máy
cần có hai chương trình tính tốn đặc biệt sau:
-

Chương trình xử lý (Processer)

-

Chương trình hậu xử lý (Post-Processer)

Processer là một 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 Processer là CLD
(Cutter Location Data), các dữ liệu này đưa ra giải pháp chung về gia công mà không
phụ thuộc vào máy cơng cụ CNC nào. CLD có nghĩa là các dữ liệu xác định vị trí

8


dụng cụ cắt. CLD chứa các lệnh ngắn gọn nhất và các mã hóa trong đó khơng hợp
với hệ CNC nào. Muốn dùng CLD cho một hệ CNC cụ thể phải sử dụng một chương
trình hậu xử lý Post-Processer. Như vậy Post-Processer có nhiệm vụ dịch chương
trình NC dưới dạng CLD thành các mã hóa để cho hệ CNC có thể hiểu được và thực
hiện quá trình điều khiển máy gia công.
1.1.4. Các hệ điều khiển phổ biến trên máy CNC

Hệ điều hành chạy trên các máy công cụ CNC phổ biến nhất là Fanuc . Có sự
khác biệt lớn giữa ngôn ngữ mà máy CNC hiểu và ngôn ngữ mà con người hiểu ( Gcode ) . Thật sự thì máy CNC chỉ đọc được những đoạn mã nhị phân ( vì tồn bộ hoạt
động của máy được điều khiển bằng máy tính ), nhưng để học được các đoạn mã nhị
phân thì thật sự là quá sức con người nên chúng ta cần có một hệ điều hành biên dịch
những mã lệnh G-code thành những đoạn mã nhị phân . Ngồi ra hệ điều hành cịn
có nhiều hỗ trợ khác cho quá trình vận hành máy như quản lý hệ thống dao , mô
phỏng cắt gọt trước khi vận hành .

Hình 1.3. Bảng điều khiển của máy CNC [13]

9


Hiện nay có rất nhiều loại máy CNC trên thị trường và nguồn gốc cũng rất đa
dạng như máy Mazak , MoriSeki, Hass, Mitshubishi, DMG… Phần nhiều những
máy CNC chạy trên hệ điều hành Fanuc vì vậy mặc nhiên Fanuc trở thành hệ điều
hành phổ biến nhất hiện nay , song bên cạnh đó vẫn có một số máy sử dụng những
hệ điều hành ít phổ biến hơn như Fanuc, Fagor , Heidenhain , Mazatrol , Sinumerik…

Hình 1.4. Fanuc 21T hỗ trợ mô phỏng cắt gọt trước khi đưa vào sản xuất [12]
Nhìn chung thì các hệ điều hành trên cũng đều có chung một mục đích là hỗ
trợ q trình cắt gọt với các đường đi dao gần như giống hệt nhau tuy nhiên các mã
lệnh giữa các hệ điều hành này khá khác nhau , đơn cử như hệ thống mã lệnh của hệ
điều hành Heidenhain rất khác biệt so với các hệ điều hành khác mặc dù thực hiện
các công việc cũng tương tự .

10


Hình 1.5. Mã lệnh và mơ phỏng gia cơng trong Heidenhain [15]

Tuy nhiên mọi người không cần phải học hết tất cả mã lệnh của các hệ điều
hành vì phần lớn các máy sử dụng Fanuc nên chỉ cần thông thạo Fanuc là được .
Thêm vào đó nếu xưởng chúng ta làm việc xuất hiện những máy CNC chạy
với một hệ điều hành khác thì vẫn có những phần mềm chuyển đổi câu lệnh từ hệ
điều hành này sang câu lệnh của hệ điều hành khác ( vì cơ bản chúng cùng thực hiện
1 lệnh trên máy CNC chỉ khác ở ngôn ngữ đầu vào mà chúng ta sử dụng ).
Hệ điều khiển là phần hộ 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. Nghiên cứu một số
hệ điều khiển phổ biến sau đây:
1.1.4.1. Hệ điều hành FANUC [7, 12]
Từ khi thành lập năm 1956, khi người sáng lập công ty Dr. Seiuemon Inaba đi
tiên phong trong khái niệm kiểm soát, điều khiển số (NC), FANUC đã đi đầu trong
cuộc cách mạng sản xuất trên toàn thế giới. Tiến sĩ Seiuemon Inaba bắt đầu sự phát
triển đột phá này khi ông phát minh ra động cơ xung điện đầu tiên, lập trình một số
lệnh điều khiển cho nó. Tiến bộ từ sự tiến hành tự động hố của một máy móc duy
nhất vào cuối những năm 1950 dẫn tới tự động hóa tồn bộ dây chuyền sản xuất trong
những thập kỷ tiếp theo và đặt tất cả những thành tựu đó vào một cỗ máy duy nhất:
“máy công cụ”.

11