Phân tích đánh giá năng tính hệ thống điều khiển số trong công nghiệp trên cơ sở đó thiết kế hệ thống điều khiển số tương ứng với máy công nghiệp hiện nay

NGUYỄN VĂN THÀNH

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ NĂNG TÍNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ
TRONG CƠNG NGHIỆP. TRÊN CƠ SỞ ĐÓ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN SỐ TƯƠNG ỨNG VỚI MÁY CÔNG NGHIỆP HIỆN NAY
CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

NGUYỄN VĂN THÀNH

2003~2005

HÀ NỘI 2005


LờI CAM ĐOAN
Tôi là Nguyễn Văn Thành là tác giả của đề tài Phân tích đánh giá năng
tính hệ thống điều khiển số trong công nghiệp. Trên cơ sở đó thiết kế hệ thống
điều khiển số tương ứng với máy công nghiệp hiện nay. Tôi xin cam đoan
những nội dung trình bày trong cuốn luận văn này là kết quả nghiên cứu của tôi.
Nếu có tranh chấp với bất cứ ai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Tác giả
Nguyễn Văn Thµnh


Lời cảm ơn
Tôi là Nguyễn Văn Thành, học viên Cao học khoá 2003 - 2005 ngành Cơ

khí chuyên ngành Máy và dụng cụ công nghiệp, tr-ờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Sau 2 năm học tập và nghiên cứu, đến nay tôi đà hoàn thành khoá học
với đề tài Phân tích đánh giá năng tính hệ thống điều khiển số trong công
nghiệp. Trên cơ sở đó thiết kế hệ thống điều khiển số t-ơng ứng với máy công
nghiệp hiện nay.
Nhân dịp bảo vệ luận văn tốt nghiệp, tôi xin đ-ợc gửi lời cảm ơn chân
thành tới các thầy cô giáo tr-ờng Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung và các
thầy cô khoa Cơ khí, bộ môn Máy và dụng cụ công nghiệp nói riêng đà tận tình
giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt 2 năm qua. Chúc các thầy cô
luôn mạnh khoẻ, công tác tốt. Đặc biệt, cho phép tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
tới Tiến sĩ Bùi Quí Lực, thầy đà dành nhiều công sức h-ớng dẫn tôi thực hiện đề
tài trong suốt thời gian từ tháng 2/2005 đến tháng 11 năm 2005. Kính chúc thầy
và gia đình luôn mạnh khoẻ và hạnh phúc.
Nhân dịp này, tôi cũng xin đ-ợc bày tỏ lòng cảm ơn tới tất cả bạn bè,
đồng nghiệp đà cộng tác, cổ vũ, động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian qua.

Tác giả
Nguyễn Văn Thành


Mục lục
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Mở đầu

1

Ch-ơng 1: Tổng quan về máy công cụ CNC
1.1 Quá trình phát triển
1.2 Các loại máy gia công theo ch-ơng trình số

3
10

1.21 Máy khoan

10

1.2.2 Máy phay

`12

1.2.3 Máy tiện CNC

13

1.2.4 Trung tâm gia công (Manufacturing Center) phay/khoan

17

1.2.5 Trung tâm tiện - phay

20

1.2.6 Máy mài

22

1.2.7 Máy gia công LASER

25

1.2.8 Máy đột dập CNC

27

1.2.9 Máy gia công bằng tia điện tử

28

1.2.10 Máy cắt dùng tia n-ớc

29

Ch-ơng 2: Phân tích cấu trúc điều khiển máy đột dập CNC (loại CP1250 hÃng Taift, Đài Loan)
2.1 Thông số kỹ thuật của máy đột dập CNC CP-1250

31

2.2 Tính năng điều khiển của máy đột dập CNC CP-1250

34

2.2.1 Các mà lệnh trong m¸y

34

2.2.1.1 C¸c m· lƯnh G

34

2.2.1.2 C¸c m· lƯnh M

35

2.2.2 Tính năng điều khiển

37

2.2.2.1 Thiết lập hệ thống toạ độ G92

37

2.2.2.2 Lệnh toạ độ tuyệt đối G90

37

2.2.2.3 Đột biên theo cung tròn với lệnh G68

39

2.2.2.4 Đột biên theo đ-ờng thẳng víi lƯnh G69

42


2.2.2.5 Đột biên theo cung tròn với lệnh G88

44

2.2.2.6 Đột các lỗ nằm trên đ-ờng tròn với lệnh G26

46

2.2.2.7 Đột các lỗ nằm trên đ-ờng thẳng nghiêng với lệnh G76

47

2.2.2.8 Đột các lỗ nằm trên cung tròn với lệnh G77

49

2.2.2.9 Đột lỗ vuông G87

50

2.2.2.10 Đột biên với chày chữ nhật G86

52

2.2.2.11 Đột theo mảng với lệnh G78 (theo h-ớng trục X)

54

2.2.2.12 Đột theo mảng với lệnh G79 (theo h-ớng trục Y)

56

2.2.2.13 Di chuyển vị trí tay kẹp tự động với lệnh G75

59

2.2.2.14 Chức năng đột nhiều chi tiết giống nhau trên tấm phôi
G98
3.3 Phân tích cấu trúc điều khiển của máy đột dập CNC CP-1250

60
68

3.3.1 Hệ thống dịch chuyển phôi

68

3.3.2 Hệ thống thay đổi chày cối đột

71

3.3.3 Hệ thống điều khiĨn ỉ quay tù ®éng

74

3.3.4 HƯ thèng ®iỊu khiĨn trơc chính

76

Ch-ơng3: Thiết kế hệ thống điều khiển máy đột dập CNC
3.1 Phân tích hệ điều khiển

83

3.1.1 Khối máy tính

83

3.1.2 Khối giao tiếp RS 232

83

3.1.3 Khối MCU

84

3.1.4 Khối mạch công suất

84

3.1.5 Khối cảm biến

84

3.2 Khối máy tính

84

3.2.1 Giới thiệu

84

3.2.2 Ưu điểm của VB

85

3.2.3 Các kí hiệu trong sơ đồ thuật toán

85

3.2.4 Sơ đồ thuật toán khối máy tính

85

3.3 Khối vi điều khiĨn
3.3.1 Giíi thiƯu vỊ hä 8051 vµ chip AT89C5x cđa h·ng ATMEL

94
94


3.3.1 Giíi thiƯu vỊ hä 8051 vµ chip AT89C5x cđa h·ng ATME

94

3.3.2 CÊu tróc vi ®iỊu khiĨn 8051

96

3.3.3 CÊu tróc bên trong vi điều khiển

100

3.3.4 Hoạt động Timer của 8051 và các thanh ghi SFR của Timer

101

3.3.5 Hoạt động của PORT nối tiếp trong 8051

105

3.3.6 Hoạt động ngắt của 8051

107

3.3.7 Giới thiệu về lập trình C++ cho vi điều khiển

110

3.3.8 Sơ đồ thiết kế mạch MCU

117

3.3.9 L-u đồ thuật toán khèi MCU

118

3.4 Khèi giao tiÕp víi m¸y tÝnh

120

3.4.1 Giíi thiƯu về các giao tiếp

120

3.4.2 Giới thiệu về cổng COM

121

3.4.3 Sơ đồ chân của IC MAX 232

122

3.4.4 Sơ đồ thiết kế mạch khối giao tiếp RS232

122

3.5 Khối động cơ và mạch công suất
3.5.1 Sơ đồ thiết kế mạch công suất cho động cơ trục X và trục Y

122
125

3.5.1.1 Sơ đồ mạch công suất cho động cơ trục X

125

3.5.1.2 Sơ đồ mạch công suất động cơ trục Y

125

3.5.2 Nguyên lí hoạt động của mạch công suất

126

Kết luận

127

Tài liệu tham khảo

128

3.5.6 Nguyên lí hoạt động của mạch công suất


1

Mở đầu
Những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực công nghệ
thông tin và kỹ thuật vi điện tử, các máy móc thiết bị điều khiển số ngày càng
đ-ợc sử dụng rộng rÃi trong các lĩnh vực đời sống xà hội: công nghiệp cơ khí,
hoá chất, chÕ biÕn thùc phÈm, dÖt may, y tÕ, … viÖc ứng dụng các thiết bị điều
khiển số đà tạo ra những sản phẩm có chất l-ợng cao đáp ứng những đòi hỏi
khắt khe của thị tr-ờng, điều mà tr-ớc đây với những máy móc thông th-ờng
với bàn tay đơn thuần của ng-ời thợ không thể làm ra đ-ợc. ý thức đ-ợc điều
này, vài năm trở lại đây nhiều doanh nghiệp Việt Nam đà tích cực đầu t- các
thiết bị điều khiển số cho cơ sở sản xuất của mình nhất là các doanh nghiệp có
vốn đầu t- n-ớc ngoài. Nhiều tr-ờng đại học, cao đẳng cũng đà đ-a vào ch-ơng
trình giảng dạy các thiết bị điều khiển số. Tuy nhiên, mức độ nắm bắt làm chủ
thiết bị của chúng ta còn hạn chế nhiều khi ch-a khai thác hết khả năng công
nghệ của thiết bị dẫn tới hiệu quả đầu t- không cao. Chúng ta ch-a sản xuất ra
đ-ợc những máy công cụ điều khiển số phức tạp, chúng ta cũng còn thiếu
những chuyên gia có khả năng xử lý phần cứng cũng nh- phần mềm của hệ

thống điều khiển, điều mà trong những năm tới chúng ta phải nỗ lực phấn đấu.
Đề tài Phân tích đánh giá năng tính hệ thống điều khiển số trong công
nghiệp. Trên cơ sở đó thiết kế hệ thống điều khiển số t-ơng ứng với máy công
nghiệp hiện nay h-ớng vào nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển số cho
máy gia công kim loại tấm mà cụ thể ở đây là hệ thống điều khiển số cho máy
đột dập CNC phù hợp với điều kiện thực tế và con ng-ời Việt Nam.
Cấu trúc của luận văn gồm 3 ch-ơng, ch-ơng 1 giới thiệu tổng quan về
CNC, quá trình phát triển của công nghệ CNC trên thế giới và thực trạng tại
Việt Nam, các thiết bị CNC. Ch-ơng 2 phân tích cấu trúc ®iỊu khiĨn cđa m¸y
®ét dËp CNC CP-1250 cđa h·ng Tailift, Đài Loan hiện đang có tại tr-ờng Cao
đẳng Công nghiệp Hà Nội, đánh giá khả năng công nghệ của thiết bị. Ch-ơng 3
thiết kế hệ điều khiển cho máy đột dËp CNC theo ®iỊu kiƯn thùc tÕ cđa ViƯt


2
Nam. Trong khuôn khổ giới hạn, đề tài chỉ nghiên cứu ở góc độ lý thuyết và
thực nghiệm và chỉ nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển cho các chuyển động
chính của máy đột dập CNC đó là chuyển động của bàn máy và chuyển động
của trục chính (đầu đột).


3
Ch-ơng 1: tổng quan về máy công cụ cnc
Khi gia công trên các máy công cụ thông th-ờng, các b-ớc gia công chi
tiết do ng-ời thợ thực hiện bằng tay nh-: điều khiển số vòng quay, l-ợng chạy
dao, chiều sâu cắtKhi gia công trên máy điều khiển theo ch-ơng trình số, quá
trình gia công đ-ợc thực hiện một cách tự động. Tr-ớc khi gia công ng-ời thợ
phải dựa vào hệ thống điều khiển một ch-ơng trình gia công d-ới dạng một
chuỗi các lệnh điều khiển. Hệ thống các lệnh điều khiển số cho khả năng thực
hiện các lệnh này và kiểm tra chúng nhờ một hệ thống đo dịch chuyển của các

bàn tr-ợt của máy.
Điều khiển số (NC) là một hình thức của tự động hoá mà cụ thể là các
máy gia công tự động đ-ợc lập trình để thực hiện một loạt các hoạt động ở một
chế độ đ-ợc xác định tr-ớc nhằm tạo ra một chi tiết có kích th-ớc, độ nhám có
thể hoàn toàn dự đoán tr-ớc.
Gia công trên máy công cụ thông th-ờng, độ chính xác gia công hoàn
toàn phụ thuộc vào kỹ năng tay nghề của ng-ời thợ. Ng-ợc lại gia công trên
máy công cụ điều khiển theo ch-ơng trình số (NC, CNC), độ chính xác, độ
nhám bề mặt chi tiết chủ yếu do thiết bị quyết định, không phụ thuộc vào kỹ
năng tay nghề của ng-ời thợ.
Trong nhiều thập kỷ qua, điều khiển số (NC = Numerical Control) đà tác
động mạnh mẽ đến ngành chế tạo máy. Đặc biệt, trong những năm gần đây do
có chính sách mở cửa, hội nhập, nhiều công ty n-ớc ngoài đầu t- vào Việt Nam.
Những thiết bị và kỹ thuật gia công tiên tiến trong đó thiết bị và kỹ thuật điều
khiển theo ch-ơng trình số đà khá phổ biến ở nhiều công ty; không chỉ những
công ty liên doanh với n-ớc ngoài, mà cả các công ty trong n-ớc nhiều công ty
đà trang bị nhiều thiết bị gia công theo ch-ơng trình số. Vì vậy nhu cầu lao
động có kỹ thuật cao, có khả năng vận hành, sửa chữa và thiết kế hệ thống điều
khiển theo ch-ơng trình số ngày càng cao.
1.1 Quá trình phát triển
Quá trình phát triển của công nghệ chế tạo và máy cắt kim loại đà trải


4
qua các giai đoạn :
Công nghệ thủ công
Công nghệ cơ khí hoá với sự ra đời của ngành chế tạo máy công cụ
Từ tự động hoá cơ khí sang tự động hoá có sự trợ giúp của máy vi tính
(CNC).
Sau đây là những mốc quan trọng của quá trình phát triển máy công cụ

điều khiển số(CNC= computerized Numerical control), nó gắn liền với quá trình
phát triển của công nghệ điện tử và tin học.
+ Năm 1808:
JOSEPB MJAC QUARD đà dùng những tấm tôn đục lỗ điều khiển tự
động các máy dệt.
+ Năm 1863:
MFO URNEAUX phát minh Đàn d-ơng cầm tự động nổi tiếng thế giới
với tên gọi là PIANNOLA. Trong đó dùng một băng giấy có chiều rộng 30 cm
đ-ợc đục lỗ theo vị trí t-ơng thích để điều khiển luồng khí nén tác động vào các
phím bấm cơ khí. Băng giấy đục lỗ dùng làm vật mang tin đà đ-ợc phát minh.
+ Năm 1946
Dr. JOHNW MAUCHLY và Dr. JSPRESPER ECKERT đà phát minh ra
máy tính điện tử đầu tiên có tên là ENIAC cho quân đội Mỹ đ-ợc ứng dụng.
+ Năm 1948 - 1952
T.PARSON và viện công nghệ MIT. (Masachusetts institute of
Technology) đà nghiên cứu thiết kế theo hợp đồng của không quân Mỹ (US AF)
một hệ thống điều khiển dành cho máy công cụ. Để điều khiển trực tiếp vị trí
của các trục vít me thông qua dữ liệu đầu ra của một máy tính bằng chứng cho
khả năng gia công một chi tiết T. PARSON đà đ-a ra 4 luận điểm cơ bản:
1- Những vị trí đà đ-ợc tính ra trên một biên dạng đ-ợc ghi nhớ vào bìa đục lỗ.
2- Các bìa đục lỗ đ-ợc đọc trên máy một cách tự động.
3- Các vị trí đà đuợc đọc ra phải đ-ợc thông báo một cách liên tục và bổ sung
thêm tính toán cho các giá trị trung gian.


5
4- Các động cơ SERVO (vô cấp tốc độ) có thể điều khiển đ-ợc chuyển động
của các trục.
+ Năm 1952:
HÃng MIT đà cung cấp chiếc máy phay đầu tiên mang tên CINCINNATI

HYDROTEL có trục thẳng đứng. Tủ điều khiển lắp bảng bằng bóng điện tử có
thể dịch chuyển đồng thời theo 3 trục. Nhận dữ liệu thông qua băng đục lỗ nhị
phân (Binary Code Punched Band ).
+Năm 1954:
BENDX đà mua bản quyền phát minh của T.PARSONS và chế tạo thiết
bị điều khiển NC công nghiệp đầu tiên (vẫn dùng bóng đèn điện tử).
+ Năm 1957:
Những máy phay đầu tiên có trong các phân x-ởng của không lực Hoa
Kỳ, ở Nhật bản viện công nghệ TOKYO và công ty IKEGAI liên kết, kế thừa
chế tạo thành công máy điều khiển số trên cơ sở máy thuỷ lực và chiếc máy tiện
NC đầu tiên ra đời ở Nhật Bản.
+ Năm 1958:
KERNY và TRECKER liªn kÕt giíi thiƯu hƯ thèng thay dơng cơ tự động
ATC (AutomaticTool Changer) còn gọi là Milwaukee Matic giới thiệu ngôn
ngữ lập trình biểu tr-ng đầu tiên APT gắn liền với máy tính IBM704.
+ Năm 1960:
Hệ điều khiển NC dùng đèn bán dẫn đà thay thế các hệ ®iỊu khiĨn cị
dïng ®Ìn ®iƯn tư (dïng ®Ìn ®iƯn tư). Các nhà chế tạo máy ng-ời Đức tr-ng bày
chiếc máy điều khiển NC đầu tiên tại hội chợ HANOVER.
+ Năm 1965:
Giải pháp thay dụng cụ tự động (ATC) đà nâng cao trình độ tự động hoá
khâu gia công.
+ Năm 1968:
Kỹ thuật mạch tích hợp IC (intergrated Circuits) đà làm cho các hệ điều
khiển nhỏ gọn và tin cậy hơn.
+ Năm 1969:


6
Những giải pháp đầu tiên về điều khiển liên kết chung từ một máy tính

trung tâm DNC (Direct Numecial control) ®· thiÕt lËp ë Mü b»ng hƯ ®iỊu khiĨn
(Sundstran Ominicontrol) và máy tính IBM.
+ Năm 1970:
Giải pháp thay thế bệ phiến gá phôi tự động (Automatic Palate Changer).
+ Năm 1972:
Hệ điều khiển NC đầu tiên có lắp một máy vi tính nhỏ. Đó là hệ điều
khiển số dùng vi tính cã hƯ vi xư lý (Microprocessor - CNC) sau nµy.
+ Năm 1976:
Các hệ vi xử lý (Micro Processors) tạo ra cuộc cách mạng trong kỹ thuật
CNC.
+ Năm 1978:
Các hệ thống gia công linh hoạt đ-ợc tạo lập hiện thực
+ Năm 1979:
Những khớp nối liên hoàn CAD/CAM thiết kế và chế tạo có trợ giúp của
máy tính (Computer Aided Design/ Computer Aided manufacturing) đầu tiên
xuất hiện.
+ Năm 1980:
Những công cụ trợ giúp lập trình tích hợp trong hệ điều khiển CNC ®· t¹o
ra cc tranh c·i vỊ quan ®iĨm đng hé hay chống đối giải pháp điều khiển qua
cấp lệnh trực tiếp bằng tay.
+ Năm 1984:
Xuất hiện hệ điều khiển CNC có công năng mạnh mẽ đ-ợc trang bị các
công cụ trợ giúp lập trình đồ hoạ (Graphic) tiến thêm một b-ớc phát triển mới
lập trình tại phân x-ởng. Các hệ điều khiển CNC có màn hình CRT làm cho
ng-ời đứng máy nhìn thấy và thay đổi ch-ơng trình NC dễ hơn.
+ Những năm (1986-1987):
Những giao diện tiêu chuẩn hoá (Standard Interfaces) mở ra con đuờng
tiến tới các xí nghiệp tự động trên cơ sở hệ thống trao đổi hệ thống thông tin
liên thông CIM (Computer Intergrated Manufacturing).

7
+ Từ năm 1990:
Các giao diện số giữa điều khiển số NC và hệ các khởi động đà đ-ợc cải
thiện độ chính xác và đặc tính điều chỉnh của các trục điều khiển NC và trục
chính.
+ Từ 1994:
Khép kín chuỗi quá trình CAD/CAM/CNC bằng cách sử dụng hệ NURBS
làm ph-ơng pháp nội suy đ-ợc truy cập từ hệ CAD nhằm diễn tả bề mặt đạt độ
mịn và độ sắc nét cao.
Cho đến nay, các hÃng sản xuất máy trên thế giới tiếp tục hoàn thiện các
máy CNC cả về phần chấp hành và phần điều khiển nhằm nâng cao độ chính
xác và tốc độ xử lý tạo ra chuyển động đều đặn của máy, tăng tuổi thọ của máy
và dụng cụ đồng thời mở rộng khả năng công nghệ của thiết bị. Các máy CNC
hiện đại có thể đạt độ chính xác định vị cao trong một h-ớng chiều trục
(0,008~0,015 mm trên toàn bộ dịch chỉnh) và định vị lặp lại ( 0,001~0,002
mm. Độ chính xác gia công nhiều trục phụ thuộc vào độ chính xác của đ-ờng
băng dẫn h-ớng và vị trí góc giữa các trục do đó thấp hơn 1 chút.
Xu h-ớng mới trong thiết kế hệ điều khiển CNC là sử dụng hệ thống điều
khiển có liên hệ ng-ợc (adaptive) mà chúng truyền và chuẩn nhận các tham số
đặc tính nh- lực cắt, nhiệt độ dao, mô men động cơ và độ mòn dụng cụ mà
chúng không thể có ở các hệ điều khiển CNC truyền thống. Các hệ có liên hệ
ng-ợc đà cải biên các lệnh NC sao cho cã thĨ hít tèi -u kim lo¹i và duy trì điều
kiện an toàn. Các đầu đo đ-ợc lắp vào trục chính của máy công cụ, nó có thể
kiểm tra vị trí lắp đặt nh- các thành phần kích th-ớc và làm các sửa chữa cần
thiết. Để sử dụng đầu đo, hệ điều khiển CNC phải có khả năng tự động thực
hiện nhiều ch-ơng trình phụ đo l-ờng hoặc các chu kỳ đo.
Song song với việc hoàn chỉnh các máy CNC đơn lẻ, việc kết nối các máy
CNC tạo thành mạng LAN - mạng cục bộ hoặc WAN - mạng liên thông toàn
cầu (dòng thông tin điều khiển đ-ợc thu phát, chuyền giao bằng hệ thống vệ

tinh, thực hiện mối liên kết hệ thống: nhu cầu thị tr-ờng - đơn đặt hàng - nhà
thiết kế - nhà chế tạo - nhà cung cấp - nhà tiêu dùng ); hay kÕt nèi c¸c m¸y


8
CNC, các thiết bị sản xuất tự động và các thiết bị truyền tải thông tin tạo thành
hệ thống nhất khép kín quá trình sản xuất (hệ thống sản xuất linh hoạt - FMS)
hiện tại cũng đang phát triển ở trình độ cao (hình 1.1). Hệ thống sản xuất linh
hoạt khắc phục đ-ợc nh-ợc điểm của dây chuyền sản xuất tự động là chỉ chế tạo
một chủng loại sản phẩm. HƯ thèng FMS cã tÝnh linh ho¹t cao, cã thĨ gia công
đ-ợc nhiều chủng loại sản phẩm khác nhau, bất cứ chi tiết nào cũng có thể đ-ợc
đ-a vào hệ thống theo bất cứ tuần tự nào và đ-ợc gia công với bất kỳ sản l-ợng
nào. Hệ thống sản xuất linh hoạt thích hợp với gia công loạt vừa và nhỏ và điều
này rất phù hợp với tình trạng sản xuất hiện tại và t-ơng lai. Hiện nay trong hệ
thống FMS các máy gia công (các tế bào gia công) đều là các máy CNC, còn hệ
thống vận chuyển phôi không chỉ còn là hệ thống cứng nh- tr-ớc nữa. C¸c hƯ
thèng vËn chun mỊm (sư dơng c¸c xe rïa chuyển động trên các ray mềm trên
nền x-ởng) cho phép thích ứng nhanh với quá trình sản xuất và tiết kiệm không
gian nhà x-ởng.

Hình 1.1: Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS NX-76 của hÃng Toshiba Nhật Bản
ở Việt Nam, những năm gần đây với chính sách mở cửa phát triĨn nỊn
kinh tÕ, nhiỊu khu c«ng nghiƯp, khu chÕ xt đ-ợc xây dựng. Nhiều doanh
nghiệp trong và ngoài n-ớc đà đầu t- nhiều thiết bị công nghệ cao điều khiển số
CNC. Đặc biệt là các công ty n-ớc ngoài nh- công ty Robotech khu công
nghiệp Hải Phòng, công ty Toho khu công nghiệp Bắc Thăng Long, công ty
Tsukuba khu công nghiệp Sài Đồng đà đ-a sang Việt Nam những dàn thiết
bị tiên tiến, những máy CNC, trung tâm gia công hiện đại góp phần làm phong

9
phú thêm các máy gia công CNC ở Việt Nam. Nhiều tr-ờng Đại học kỹ thuật,
tr-ờng Cao đẳng kỹ thuật, dạy nghề công nghệ CNC cũng đà đ-ợc đ-a vào
giảng dạy không chỉ lý thuyết mà cả thực hành. Tuy nhiên với trình độ hiện tại,
công nghệ CNC của ta cßn rÊt non u. Chóng ta míi chØ tËp trung ở phần khai
thác vận hành thiết bị và thực hiện phần duy tu bảo d-ỡng, sửa chữa nhỏ. Phần
lớn các công ty khi mua máy th-ờng kí luôn hợp đồng bảo d-ỡng bảo trì thiết bị
với nhà cung cấp. Nói chung c¸c sai háng lín trong c¸c m¸y CNC Ýt xảy ra
nh-ng nếu có xảy ra thì buộc phải có sự giải quyết từ các kỹ s- của hÃng cung
cấp máy. ở chúng ta một số viện nghiên cứu, tr-ờng Đại học cũng đà bắt đầu đi
vào nghiên cứu chuyên sâu về điều khiển CNC. Viện nghiên cứu máy và dụng
cụ cơ khí (IMI) trong vài năm gần đây đà thực hiện việc nâng cấp các máy công
cụ CNC. Các máy CNC cũ nhập về Việt Nam đ-ợc sữa chữa, bảo d-ỡng và thay
thế hệ điều khiển cũ bằng hệ điều khiển mới có tính năng mạnh hơn, thích hợp
hơn cho quá trình sản xuất. Một số tr-ờng Đại học nh- Đại học Bách khoa Hà
Nội, Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Học viện kỹ thuật quân sự
cũng đà cho sinh viên đi vào nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển CNC ứng
dụng điều khiển trên các máy công cụ hiện có và b-ớc đầu cũng đà đạt đ-ợc
những kết quả nhất định. Tuy rằng trình độ công nghệ CNC trên thế giới là rất
cao so với ta hiện nay, rất nhiều ch-ơng trình phần mềm với công năng mạnh
mẽ đ-ợc bán sẵn trên thị tr-ờng với giá cả hợp lý. Song việc đầu t- nghiên cứu
thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển CNC vẫn là điều cần thiết cho sinh viên
của các tr-ờng đại học kỹ thuật, các cán bộ nghiên cứu của các Viện. Trong
t-ơng lai không xa, với sự phát triển nền kinh tế, sự đòi hỏi gắt gao của thị
tr-ờng, các máy gia công CNC sẽ đ-ợc đầu t- nhiều hơn ở Việt Nam. Chúng ta
cần làm chủ trang thiết bị công nghệ, có nh- vậy mới làm chủ đ-ợc quá trình
sản xuất. Việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển CNC sẽ giúp các sinh
viên hiểu sâu hơn về quá trình điều khiển CNC và nh- vậy chắc chắn việc vận
hành, khai thác các thiết bị CNC sẽ có hiệu quả hơn và t-ơng lai sẽ thiết kế, chế
tạo ra hệ điều khiển cho các máy CNC đó. Thêm vào đó, với xu thế hội nhập

phát triển, các kỹ s-, cán bộ kỹ thuật chúng ta đào tạo ra không chỉ làm việc tại


10
Việt Nam, họ có thể làm việc ở khắp nơi trên thế giới, đó sẽ là những kiến thức
cần thiết để giúp họ tiếp tục học tập, nghiên cứu và phát triển.

1.2 Các loại máy gia công theo ch-ơng trình số
T-ơng tự nh- các loại máy thông th-ờng khác, máy gia công điều khiển
theo ch-ơng trình số hiện nay cũng rất đa dạng, phục vụ trong mọi lĩnh vực: gia
công kim loại, gỗ, nhựa, kính, ở đây chỉ giới thiệu một số loại máy CNC
thông dụng trong sản xuất cơ khí.
1.2.1 Máy khoan
Các loại máy khoan đều có hai đặc điểm về kết cấu nh- sau:
1. Có một đầu trục chính với trục khoan thẳng đứng, trên đó lắp dụng cụ gia
công và thực hiện chuyển động tiến dao (thẳng đứng theo trục Z).
2. Có một bàn máy, trên đó gá đặt (định vị và kẹp chặt) phôi gia công và xác
định vị trí của phôi theo các trục X và Y.
Về nguyên lý chung, máy khoan NC cũng có đặc tr-ng giống máy khoan
vạn năng thông th-ờng. Song ở máy khoan NC, CNC việc xác định vị trí các lỗ
khoan, chiều sâu lỗ khoan do máy tự điều khiển theo ch-ơng trình, thậm chí
việc thay đổi dao để khoan các lỗ có đ-ờng kính khác nhau cũng đ-ợc máy tự
động thực hiện.
Máy khoan NC có kết cấu đơn giản nhất là loại máy khoan chỉ có một
bàn toạ độ điều khiển số. Chiều sâu khoan đ-ợc định sẵn (điều chỉnh sẵn) tr-ớc
khi gia công bằng cữ hoặc rÃnh cam. ở những máy khoan này, chu trình khoan
đ-ợc phát lệnh thực hiện sau khi đà đạt đúng vị trí gia công, bằng tín hiệu (bàn
đà vào vị trí). Chu trình khoan tiến triển mà không có tác động của hệ điều
khiển NC, mà nhờ hệ cơ khí hoặc điện. Khi kết thúc chu trình khoan, sẽ có tín
hiệu thông báo chuyển tới hệ NC (đ-a trục đi lên), để cho quá trình xác định vị

trí tiếp theo có thể bắt đầu.
Máy khoan có kết cấu phức tạp hơn là loại máy khoan có hệ thống thay
dao tự động. Với loại máy này, khi gia công ng-ời thợ chỉ còn thùc hiÖn viÖc


11
giám sát quá trình vận hành của máy. Trên những loại máy khoan này, với
những chi tiết có các lỗ phân bố đối xứng, có thể dùng giải pháp đối xứng
g-ơng để đơn giản khâu lập trình. Các lỗ hoặc các bề mặt lặp lại theo cách đối
xứng g-ơng, th-ờng có tính chất đối xứng g-ơng theo 1 hoặc 2 trục. Chức năng
này đ-ợc thực hiện có thể bằng một công tắc ứng với từng trục, gọi là công tắc
đối xứng, bằng tay hoặc bằng cách lập trình NC với các lệnh G. Nh- vậy, để gia
công hệ lỗ đối xứng chỉ cần phải lập trình 1/2 hoặc 1/4 số lỗ cần gia công và
kèm theo sử dụng lệnh đối xứng g-ơng theo một trục hoặc hai trục. Ví dụ: gia
công chi tiết có hệ thống lỗ nh- hình 1.2. Chỉ cần lập trình khoan 3 lỗ ở góc
phần t- thứ nhất (I) sau đó dùng đối xứng g-ơng 1 trơc (Y), ®èi xøng 2 trơc
(XY) ®èi xøng1 trơc (X) máy sẽ tự động khoan các lỗ ở các góc phần t- thứ hai
(II), thứ (III), thứ (IV).
+Y

II

I

-X

+X

III

IV

-Y

Hình 1.2

Hình 1.2
Ngoài ra máy khoan cũng còn có khả năng thực hiện các chu trình khoan
lặp đi lặp lại, chức năng hiệu chỉnh dụng cụ cắt (chức năng bù chiều dài dao).
Chênh lệch về chiều dài dao, do ng-ời lập trình xác định (thông qua bộ nhớ
dao), máy sẽ tự động điều chỉnh để đảm bảo chiều sâu các lỗ khoan theo yêu
cầu. Hình 1.3 mô tả sự chuyển động của mũi khoan đến vị trí tâm các lỗ.


12

Hình 1.3: Chuyển động của mũi khoan
1.2.2 Máy phay
Máy phay có thể làm đ-ợc nhiều công việc khác nhau nh-: phay mặt phẳng,
phay các biên dạng, các bề mặt cong Máy phay NC cung cấp việc điều khiển
ít nhất 2 trục chuyển động đồng thời. Thông th-ờng có 3 hoặc 4 trục đ-ợc điều
khiển. Việc lựa chọn NC chủ yếu phụ thuộc vào kiểu chi tiết đ-ợc gia công. Tuỳ
theo loại chi tiết gia công mà có thể chọn máy phay có hệ thống NC hành trình
liên tục, hoặc loại máy phay với hệ thống NC kiểu hỗn hợp.
Ngày nay, với kích th-ớc máy tới cỡ vừa, không thể phân biệt rõ giữa
máy phay và trung tâm gia công. Nhiều hÃng chế tạo máy trang bị cho các máy
phay những bộ phận tự động hoá, ví dụ: ổ tích dụng cụ với tay tóm dụng cụ, cơ
cấu thay đổi phôi hoặc chi tiết gia công, trục chính nằm ngang và trục chính
thẳng đứng, hệ CNC với các chức năng t-ơng tự và nhiều trục NC hoạt động
đồng thời. ở các máy lớn mới phân biệt rõ ràng hơn giữa máy phay và trung tâm

gia công. Máy phay có nhiều dạng kết cấu. Tr-ớc hết ng-ời ta phân chia các
máy phay theo theo vị trí của trục phay, nghĩa là có máy phay đứng và máy
phay ngang (hình 1.4, hình 1.5).
Các máy phay ngày nay đ-ợc trang bị hệ điều khiển theo biên dạng, với ít
nhất là từ 3 đến 5 trục điều khiển, với phép nội suy không gian (đồng thời ) cho
mọi trục điều khiển. Khâu lập ch-ơng trình gia công đ-ợc thực hiện nhờ các hệ
lập trình có máy tính trợ giúp và các hệ xử lý thích nghi phù hợp với máy.
Ngoài các chức năng thông th-ờng, ở hầu hết các máy phay cũng còn có các


13
chức năng nh-: hiệu chỉnh chiều dài dụng cụ, hiệu chỉnh (bù) bán kính dao, tự
động giám sát dụng cụ, hiệu chỉnh (bù) lại ảnh h-ởng vì nhiệt.
Với loại máy phay 5 trục điều khiển số (5D) có tính năng khá rộng, cùng
một lúc có thể điều khiển nhiều trục cùng hoạt động (hình 1.6).

Y

Z
X

X

Y

Hình 1.4: Máy phay trục đứng

Z

Hình 1.5: Máy phay trục ngang

Hình 2.23: Máy phay 5 trục NC (5D)

Hình 1.6: Máy phay 5 trục NC (5D)
1.2.3 Máy tiện CNC
Máy tiện CNC có nhiều loại khác nhau, song các bộ phận chính và các
chuyển động cơ bản của chúng đều có những nét chung. Hình 1.7 giới thiệu
hình dáng bên ngoài và các bộ phận chính của một loại máy tiện CNC. Máy có
ký hiệu: SL -235 A/500 do hÃng MORI SEIKI Nhật Bản sản xuất.
- ụ đứng
Là bộ phận làm việc chủ yếu của máy tạo ra vận tốc cắt gọt. Bên trong


14
lắp trục chính, động cơ b-ớc (điều chỉnh đ-ợc các tốc độ và thay đổi đ-ợc chiều
quay). Trên đầu trục chính một đầu đ-ợc lắp với mâm cặp dùng để gá và kẹp
chặt chi tiết gia công. Phía sau trục chính lắp hệ thống thuỷ lực hoặc khí nén để
đóng, mở, kẹp chặt chi tiết.
- Truyền động trục chính
Động cơ của trục chính của máy tiện CNC có thể là động cơ một chiều
hoặc động cơ xoay chiều. Động cơ dòng một chiều điều chỉnh vô cấp tốc độ
bằng kích từ. Động cơ dòng xoay chiều thì điều chỉnh vô cấp tốc độ bằng bộ
biến đổi tần, thay đổi số vòng quay đơn giản có mô men truyền tải cao.
- Truyền động chạy dao
Động cơ (một chiều, xoay chiều) truyền chuyển động bộ vít me đai ốc bi
làm cho từng trục chạy dao độc lập (trục X, Z). Các loại động cơ này có đặc
tính -u việt cho quá trình cắt, quá trình phanh hÃm. Do mô men quán tính nhỏ
nên độ điều chỉnh cao và chính xác. Bộ vít me, đai ốc bi có khả năng biến đổi
truyền dẫn dễ dàng ít ma sát, có thể chỉnh khe hở hợp lý khi truyền dẫn với tốc
độ cao (hình 1.8).

ụ đứng

ổ tích dao

Giá đỡ ổ tích dao

Bảng điều khiển

MOR

H IC- JIC A

Cửa

Mâm cặp

ụ động

SL- 253

thân máy

Hình 1.7: Các bộ phận chđ u cđa m¸y tiƯn CNC


15
Trong hình 1.8:
1. Đ-ờng nối giữa bảng điều khiển và CPU.
2. Đ-ờng nối giữa CPU với hệ thống động cơ chạy dao.
3, 4 Đ-ờng phản hồi từ động cơ đến CPU.

5. Đ-ờng nối giữa CPU đến đầu ụ đứng.
6. Đ-ờng phản hồi từ ụ đứng về CPU.
(CPU - Bộ xử lý trung tâm của hệ điều khiển)
Hệ thống động cơ chạy
dao

Bảng
điều
khiển

6

2
CPU

5

1

3
4

Vít me đai ốc thực hiện chuyển động
chạy dao theo trục X

Vít me đai ốc bi thực hiện chuyển động
chạy dao theo trục Z

Hình 1.8: Mối liên hệ truyền động chạy dao
- Mâm cặp

Quá trình đóng mở và hÃm mâm cặp để tháo lắp chi tiết bằng hệ thống
thuỷ lực (hoặc khí nén) hoạt động nhanh, lực phát động nhỏ, an toàn. Đối với
máy tiện CNC th-ờng đ-ợc gia công với tốc độ rất cao. Số vòng quay của trục
chính lín (cã thĨ lªn tíi 8000 v/ph - khi gia công kim loại mầu). Do đó lực ly


16
tâm rất lớn nên các mâm cặp th-ờng kẹp chặt bằng hệ thống thuỷ lực (hoặc khí
nén) tự động.
- ụ ®éng
Bé phËn nµy bao gåm nhiỊu chi tiÕt dïng ®Ĩ định tâm và gá lắp chi tiết,
điều chỉnh, kẹp chặt nhê hƯ thèng thủ lùc hc khÝ nÐn.
- HƯ thèng bàn xe dao
Bao gồm hai bộ phận chính sau:
+ Giá ®ì ỉ tÝch dao (bµn xe dao). Bé phËn nµy là bộ phận đỡ ổ chứa dao thực
hiện các chuyển động tịnh tiến ra, vào song song, vuông góc với trục chính nhờ
các động cơ b-ớc (các chuyển động này đ-ợc lập trình sẵn)
+ ổ tích dao (đầu Rơvonve). Máy tiện CNC th-ờng dùng hai loại sau:
* Đầu Rơvonve có thể lắp từ 10 đến 12 dao các loại.
* Các ổ chứa dao trong tổ hợp gia công với các bộ phận khác.
Đầu Rơvonve cho phép thay nhanh dao trong một thời gian ngắn đà chỉ
định, còn ổ chứa dao thì mang một số l-ợng lớn dao mà không gây nguy hiểm,
va chạm trong vùng làm việc của máy tiện.
Trong cả hai tr-ờng hợp chuôi của dao th-ờng đ-ợc kẹp trong khối mang
dao tại những vị trí xác định trên bàn xe dao. Các khối mang dao phù hợp với
các giá đỡ dao trên máy tiện và đ-ợc tiêu chuẩn hoá.
Phổ biến, đầu Rơvonve của các loại máy tiện CNC có kết cấu nh- hình
1.9. Đầu rơ-von-ve có thể lắp đ-ợc các loại dao: Tiện, phay, khoan, khoét, cắt
ren đ-ợc tiêu chuẩn hoá, phần chuôi có thể lắp lẫn và lắp ghép với các đồ gá
ở trên đầu rơ-von-ve.

+ ổ chøa dơng cơ dïng cho m¸y tiƯn CNC
C¸c ỉ chøa dao cụ th-ờng đ-ợc sử dụng ít hơn so với đầu rơ-vôn-ve vì việc
thay đổi dụng cụ khó khăn hơn so với các cơ cấu của đầu rơ-vôn-ve. Song ổ
chứa có -u điểm là an toàn, ít gây ra va chạm trong vùng gia công, dễ dàng
ghép nối một số lớn các dụng cụ một cách tự động mà không cÇn sù can thiƯp
b»ng tay.


17
- Bảng điều khiển
Bảng điều khiển là nơi thực hiện giao diện giữa ng-ời vời máy. Kết cấu
của bảng có thể khác nhau tuỳ thuộc vào nơi sản xuất. Thông th-ờng bảng điều
khiển của máy tiện CNC có cấu tạo gồm: Một màn hình CRT giống nh- màn
hình máy tính và một bàn phím gồm các nút chức năng dùng để nhập các dữ
liệu. Các dữ liệu này đ-ợc chuyển vào máy và dùng nó để mở các thực đơn điều
khiển các chức năng vận hành máy. Trong máy NC, các bảng điều khiển đ-ợc
thiết kế riêng rẽ và đ-ợc lắp trên máy. Ng-ời điều khiển máy ở một vị trí làm
việc nhất định.

3

2

5

4

1
10

9

8

Các loại dụng cụ cắt

Các khối mang dao

Đầu rơ-vôn-ve kiểu đĩa

Hình 1.9: Hệ thống gá đặt dụng cụ
1.2.4 Trung tâm gia công (Manufacturing Center) phay/khoan (hình 1.10)
Trung tâm gia công (MC = Manufacturing Center) là một máy công cụ
có ít nhất 3 trục điều khiển số (NC), tức là 3D để phay và khoan. Có thể thực
hiện các công việc cắt gọt cần thiết trên ít nhất 4 mặt của một phôi có hình khối


18
vuông mà không có tác động của con ng-ời. Thiết bị thay đổi dụng cụ tự động
đ-a các dụng cụ cần thiết, điều khiển theo ch-ơng trình, theo thứ tự lần l-ợt từ
một ổ tích dụng cụ tới trục chính của máy và ng-ợc lại (từ trục chính của máy
trở về ổ tích dụng cụ). Khi các phôi/chi tiết gia công đ-ợc kẹp chặt trên đồ gá
lắp trên bệ/phiến gá chuẩn (palate) đ-ợc chuyển tới và chuyển đi tự động thì
trung tâm gia công t-ơng ứng và hệ cung ứng phôi, dụng cụ tự động nh- vậy sẽ
tạo thành một tế bào gia công (Manufacturring Cell).

Hình 1.10: Trung tâm gia công MAM75-25V, HÃng Masuura (Nhật Bản)
Ng-ời ta phân loại các trung tâm gia công theo dạng kết cấu của chúng
nh- sau:
- Theo vị trí của trục chính: Trung tâm gia công ngang, trung tâm gia công

đứng.
- Trung tâm gia công có bàn toạ độ: Nghĩa là chuyển động X/Y là của
phôi, còn chuyển động Z là của dụng cụ.
- Trung tâm gia công có trục đứng chuyển dịch: ở đây dụng cụ thực hiện
chuyển động X, Y, Z; còn phôi tuỳ theo yêu cầu nghiêng hoặc quay theo
1 trục hoặc 2 trục (ở các trung tâm gia công 5 trục điều khiển NC).
- Trung tâm gia công có dầm ngang cố định hoặc dịch chuyển.
Các dạng kết cấu này có 1 hoặc nhiều trục chính để có thể gia công nhiều
chi tiết giống nhau đồng thời. Đặc biệt ở sản xuất loạt lớn th-ờng sử dụng các
trung tâm gia công có 2, 3 hoặc 4 trục chính. Điều đó đòi hỏi phải có những đồ


19
gá kẹp nhiều phôi.
Nh- vậy có thể tóm tắt nh- sau: ở trung tâm gia công, các dụng cụ có
trong một máy đều lần l-ợt tiến tới và tác động đến phôi gia công. Còn ở đ-ờng
dây máy (transferline) phôi gia công tiến tới các dụng cụ có trên nhiều máy.
Trung tâm gia công là một loại máy NC điển hình, chỉ đ-ợc hình thành khi có
ph-ơng pháp điều khiển NC; Nghĩa là tr-ớc khi có NC không có trung tâm gia
công.
Những đặc điểm của trung tâm gia công khoan /phay là:
1. Ba trục NC thẳng ( linear NC - axises) và một bàn tròn quay đ-ợc, để gia
công 4 mặt trên các phôi có hình khối vuông trong một lần gá. Khi sử
dụng một đầu lắp dụng cụ (đầu dao) có thể nghiêng theo ph-ơng ngang
hoặc đứng, có thể gia công cả trục NC thứ 5.
2. Có thể tực hiện mọi công việc gia công (phay, khoan, tiện, cán, phẳng,
cắt ren), với kết cấu mở rộng phù hợp có thể phay biên dạng, khoan
nghiêng hoặc tiện ren. Tốc độ quay và tốc độ tiến của dao phải đ-ợc lập
trình cho từng dụng cụ.
3. Các dụng cụ đ-ợc đ-a vào ổ tích dao nối ghép với máy gia công, đ-ợc

truy cập theo từng ch-ơng trình và thay đổi vào trục chính của máy. Kết
cấu và khả năng thu nhận của ỉ tÝch dơng cơ (tool magazine) rÊt kh¸c
nhau. Trong thùc tÕ th-êng sư dơng c¸c ỉ tÝch dơng cơ b»ng ổ xích, dạng
đĩa tròn hoặc dạng hộp cassette.
4. Có thêm các thiết bị đổi phôi, th-ờng là thiết bị thay đổi bệ/phiến gá
(palate changer), để giảm thời gian dừng máy do phải thay đổi phôi gia
công. Việc gá kẹp và tháo dỡ phôi đ-ợc thực hiện trong thời gian cắt vật
liệu (thời gian cơ bản) ở bên ngoài phạm vi gia công của máy.
5. Những trung tâm phức tạp hơn còn có thêm các thiết bị khác, nh- có
thêm bàn tròn thứ hai quay đ-ợc, có thêm gá nghiêng dùng cho phôi,
hoặc có thêm một đầu lắp dao ngang hoặc ®øng cã thĨ ®iỊu chØnh theo
gãc bÊt kú.