Nghiên cứu lập trình tham số để gia công các chi tiết phức tạp trên máy UCP600

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN VĂN PHONG

NGHIÊN CỨU LẬP TRÌNH THAM SỐ ĐỂ GIA CÔNG CÁC CHI TIẾT PHỨC
TẠP TRÊN MÁY UCP600

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Chế tạo máy

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS. TS. PHẠM VĂN HÙNG

Hà Nội – 2017


LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Văn Phong, học viên lớp Thạc sĩ

thu t Chế tạo máy CTM2015B

- Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Với đề tài lu n văn được giao là: “Nghiên cứu lập trình tham số để gia công các
chi tiết phức tạp trên máy UCP600”.
Tôi xin cam đoan:
Tất cả nội dung trong lu n văn này đều do tôi thực hiện và chưa từng được công bố
trong bất kỳ một cơng trình khoa học nào khác.
Tơi xin chịu mọi trách nhiệm đối với nội dung lu n văn này.

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Phong


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn tới PGS. TS Phạm Văn Hùng đã t n tình hướng dẫn,
chỉ bảo và giúp đỡ tơi trong q trình thực hiện lu n văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới sự giúp đỡ tạo điều kiện thu n lợi về trang thiết bị
và thời gian của TS. Lê Đức Bảo – Giám đốc Trung tâm Hỗ trợ đào tạo, nghiên cứu và
đổi mới cơng nghệ Cơ khí cũng như sự giúp đỡ của các đồng nghiệp tại khu vực nhà B1
của trung tâm trong quá trình thực nghiệm của đề tài này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới sự giúp đỡ của các cán bộ, giảng viên Viện Đào tạo
sau đại học, Trường Đại học Bách hoa Hà Nội trong q trình tơi học t p để hồn thành
lu n văn.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Tác giả lu n văn

Nguyễn Văn Phong


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM-CNC ............................... 3
1.1. Giới thiệu về máy công cụ điều khiển số (máy CNC)[2,3] ................................... 3
1.1.1. Giới thiệu chung về điều khiển số trong máy công cụ ...................................... 3
1.1.2. Các hệ điều khiển số ............................................................................................. 3
1.1.2.1. Hệ điều khiển NC (Numerical Control) .......................................................... 3
1.1.2.2. Hệ điều khiển CNC ......................................................................................... 3
1.1.2.3. Hệ điều khiển DNC (Direct Numerical Control) ............................................ 4
1.1.3. Cơ sở lý thuyết về lập trình gia cơng trên máy CNC ........................................ 4
1.1.3.1. Chương trình NC ............................................................................................. 4
1.1.3.2. Các phương pháp l p trình .............................................................................. 4
1.1.4. Các hệ điều khiển phổ biến trên máy CNC ........................................................ 5
1.1.4.1. Hệ điều hành FANUC [5]................................................................................ 5
1.1.4.2. Hệ điều hành Sinumerik Siemens [6,7] ........................................................... 7
1.1.4.3. Hệ điều khiển Heidenhain [8,9]....................................................................... 9
1.1.5. Nhận xét ............................................................................................................... 10
1.2. Giới thiệu cơ sở về CAD/CAM-CNC và lập trình CNC cho máy phay. .......... 10
1.2.1. Tổng quan về công nghệ CAD/CAM - CNC[4] ............................................... 10
1.2.1.1. Tổng quan về CAD/CAM ............................................................................. 10
1.2.1.2. hái niệm về CAD, CAM, CNC .................................................................. 11
1.2.1.3. Tích hợp cơng nghệ CAD/CAM – CNC ...................................................... 13
1.2.1.4. Vai trị của CAD/CAM – CNC trong chu kỳ sản xuất ................................. 15
1.2.2. Q trình gia cơng ứng dụng cơng nghệ CAD/CAM – CNC[4] ..................... 16
1.2.2.1. Hệ thống CAD/CAM – CNC ........................................................................ 16

1.2.2.2. Q trình gia cơng trên máy CNC ................................................................. 17
1.3. Kết luận chƣơng 1.................................................................................................. 18
CHƢƠNG 2: LẬP TRÌNH GIA CƠNG TRÊN MÁY NHIỀU TRỤC UCP600 BẰNG
HỆ ĐIỀU KHIỂN HEIDENHAIN iTNC530. ............................................................... 19
2.1.Giới thiệu về Trung tâm gia công UCP600[ 10,11 ] ............................................ 19
2.1.1. Đặc điểm của máy CNC. .................................................................................... 19
2.1.1.1. Những nét cơ bản về máy công cụ và máy CNC .......................................... 19
2.1.1.2. Kết cấu của máy CNC ................................................................................... 20
2.1.1.3.Một số hệ điều hành ....................................................................................... 20
2.1.2. Trung tâm gia công Mikron UCP600 ............................................................... 21
2.2.Nghiên cứu hệ điều khiển Heidenhain iTNC530[10,11] ..................................... 23
2.2.1.Giới thiệu về hệ điều khiển iTNC530 ................................................................ 23
2.2.2. Định nghĩa và gọi chu trình gia cơng[10] ......................................................... 33
2.2.2.1. Định nghĩa chu trình gia cơng. ...................................................................... 33
2.2.2.2. Gọi chu trình gia cơng. .................................................................................. 34
2.2.3. Một số chu trình cơ bản trong hệ điều khiển HEIDENHAIN iTNC530 ....... 34
2.2.3.1. Các chu trình hoan, Taro ren và Phay ren. ................................................ 34
2.2.3.2. RECTANGULAR POCKET (CYCLE 251) ................................................ 44
2.2.3.3. CIRCULAR POCKET (CYCLE 252) .......................................................... 46
2.2.3.4. CIRCULAR PATTERN (CYCLE 220) ...................................................... 51
2.2.3.5. LINEAR PATTERN (CYCLE 221) ............................................................. 52
2.3. Kết luận chƣơng 2.................................................................................................. 53
CHƢƠNG 3: LẬP TRÌNH THAM SỐ TRONG HỆ HEIDENHAIN ITNC 530[10,11] . 54
3.1. Khái quát chung về lập trình tham số ................................................................. 54
3.1.1. Khái niệm lập trình tham số .............................................................................. 54
3.1.2. Vai trị của lập trình tham số............................................................................. 54
3.2. Thiết lập chƣơng trình tham số trong hệ điều khiển Heidenhain iTNC530 .... 54
3.2.1. Khai báo và gọi hàm tham số Q ........................................................................ 54
3.2.1.1 hai báo .......................................................................................................... 54
3.2.1.2 Gọi tham số Q ................................................................................................. 55

3.2.2. Các hàm tốn học dùng để mơ tả biên dạng .................................................... 56
3.2.3. Hàm điều kiện và các biểu thức so sánh ........................................................... 56
3.2.4. Một số phép toán học ......................................................................................... 57
3.2.5. Chƣơng trình con LBL và vịng lặp .................................................................. 58
3.2.5.1 Chương trình con ............................................................................................ 59
3.2.5.2 Vịng lặp LBL ................................................................................................. 59
3.2.6. Ví dụ cụ thể về lặp chƣơng trình con có sử dụng nhiều dao .......................... 60
3.2.7. Nhận xét ............................................................................................................... 62
3.3. Lập trình tham số trong gia cơng các chi tiết phức tạp ..................................... 63
3.3.1. Nhóm chi tiết có biên dạng phức tạp ................................................................ 63
3.3.1.1. Giới thiệu về bơm bánh răng Cycloid[12,13]................................................ 63
3.3.1.2. Phân tích q trình gia cơng chi tiết .............................................................. 67
3.3.2. Lập trình tham số cho chi tiết bánh răng [10,11] ........................................... 72
3.3.2.1. L p trình gia cơng biên dạng bánh răng trong............................................... 72
3.3.2.2. L p trình gia cơng biên dạng bánh răng ngoài .............................................. 77
3.4. Thực nghiệm, chế thử nhóm chi tiết .................................................................... 81
3.4.1. Các bƣớc tiến hành trên máy UCP600 ............................................................. 81
3.4.1.1. Nạp chương trình và chạy không trên máy UCP600 .................................... 81
3.4.1.2. Gá đặt phôi .................................................................................................... 82
3.4.1.3. Xác định gốc phôi .......................................................................................... 82
3.4.1.4. Các bước tiến hành gia cơng ......................................................................... 83
3.4.2. Hình ảnh sản phẩm sau gia công ...................................................................... 86
3.4.3. Kết luận. .............................................................................................................. 88
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................... 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 90


CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

STT Ký hiệu viết tắt

Ý nghĩa
Computer Numerical Control – Điều khiển số có sự trợ giúp

1

CNC

2

CAD

3

CAM

4

ĐHB HN

5

NC

Number Control – Điều khiển số

6

STT

Số thứ tự

của máy tính
Computer Aided Design – Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính
Computer Aided Manufacturing – Sản xuất có sự trợ giúp của
máy tính
Đại học Bách khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

STT

Số thứ tự hình

Ý nghĩa
So sánh đặc điểm của máy CNC với máy

Trang

1

Bảng 2.1

2

Bảng 2.2

3

Bảng 2.3

4

Bảng 3.1

Ý nghĩa các tham số Q

55

Bảng 3.2

Nhóm các chức năng tham số

55

cơng cụ vạn năng
Cấu trúc chương trình NC
Các chu trình trên hệ điều khiển
Heidenhain

19

32

34


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

STT

Số thứ tự

Ý nghĩa

hình

Bảng điều khiển Fanuc thơng thường

Trang

1

Hình 1.1

2

Hình 1.2

3

Hình 1.3

Bàn phím điều khiển hệ điều hành Sinumerik

8

4

Hình 1.4

Hệ thống DNC

13

5

Hình 1.5

Mối quan hệ CAD/CAM

14

6

Hình 1.6

Sơ đồ chu kì sản xuất chưa ứng dụng CAD/CAM-CNC

15

7

Hình 1.7

Sơ đồ chu kì sản xuất ứng dụng CAD/CAM-CNC

16

8

Hình 1.8

Sơ đồ q trình gia cơng

17

9

Hình 2.1

Trung tâm gia cơng UCP600

21

10

Hình 2.2

Cơ cấu bàn máy gá đặt

22

11

Hình 2.3

Ổ chứa dụng cụ cắt

22

12

Hình 2.4

Màn hình điều khiển

22

13

Hình 2.5

Bảng điều khiển

22

14

Hình 2.6

Hệ thống tải phoi

23

15

Hình 2.7

Bàn phím điều khiển iTNC530

23

16

Hình 2.8

Màn hình điều khiển iTNC530

27

17

Hình 2.9

Chế độ v n hành bằng tay

27

Bảng điều khiển hệ điều hành Sinumerik EMCO
WinNC

6

8


18

Hình 2.10 Nh p dữ liệu bằng tay

28

19

Hình 2.11 Chế độ sửa chữa chương trình

28

20

Hình 2.12 Chế độ kiểm tra chương trình

28

21

Hình 2.13 Chế độ mơ phỏng chạy chương trình

28

22

Hình 2.14 Chiều dài dao tiêu chuẩn

29

23

Hình 2.15 Điểm chuẩn dụng cụ cắt

30

24

Hình 2.16 Gia cơng có sử dụng bù dao

30

25

Hình 2.17 Gia cơng có sử dụng bù dao

31

26

Hình 2.18 Bù bán kính tại các góc lượn

32

27

Hình 2.19 Chu trình doa CYCLE202

36

28

Hình 2.20 Chu trình doa CYCLE202

37

29

Hình 2.21 Chu trình khoan CYCLE203

38

30

Hình 2.22 Chu trình phay ren CYCLE262

39

31

Hình 2.23 Chu trình phay ren CYCLE263

40

32

Hình 2.24 Chu trình khoan, vát mép, phay ren CYCLE264

41

33

Hình 2.25 Chu trình phay ren trên lỗ trụ CYCLE265

42

34

Hình 2.26 Chu trình phay ren ngồi CYCLE267

43

35

Hình 2.27 Chu trình phay hốc chữ nh t CYCLE251

45

36

Hình 2.28 Chu trình phay hốc trịn CYCLE252

47

37

Hình 2.29 Ví dụ phay hốc, rãnh bằng chu trình

49


38

Hình 2.30 Chu trình khoan nhiều lỗ theo đường trịn CYCLE220

51

39

Hình 2.31 Chu trình khoan nhiều lỗ theo hàng CYCLE221

52

41

Hình 3.1

Các chi tiết tương tự

54

42

Hình 3.2

Chương trình con có sử dụng nhiều dao

60

43

Hình 3.3

Bơm bánh răng Cycloid

63

44

Hình 3.4

Bánh răng ăn khớp theo biên dạng Cycloid

64

45

Hình 3.5

Biên dạng Cycloid

64

46

Hình 3.6

Biên dạng Epicycloid

65

47

Hình 3.7

Biên dạng Hypocycloid

65

48

Hình 3.8

Cặp bánh răng Cycloid

66

49

Hình 3.9

Hình vẽ 3D chi tiết bánh răng Cycloid ăn khớp trong

67

50

Hình 3.10 Bản vẽ chi tiết bánh răng Cycloid

67

51

Hình 3.11 Biên dạng hình thành bánh răng Cycloid trong và ngồi

68

52

Hình 3.12 Phay mặt đầu

70

53

Hình 3.13 Phay lỗ trong P24

71

54

Hình 3.14 Phay thơ và tinh theo biên dạng răng

72

55

Hình 3.15 Phay phẳng mặt đầu

73

56

Hình 3.16 Phay hốc trịn

74

57

Hình 3.17 Phay thơ biên dạng răng

75

58

Hình 3.18 Phay tinh biên dạng răng

76


59

Hình 3.19 Chi tiết hồn thiện

76

60

Hình 3.20 Phay phẳng mặt đầu

77

61

Hình 3.21 Phay hốc trịn

78

62

Hình 3.22 Phay thơ biên dạng răng

79

63

Hình 3.23 Phay tinh biên dạng răng

80

64

Hình 3.24 Chi tiết hồn thiện

80

65

Hình 3.25 Nạp chương trình vào máy UCP600 qua cổng USB

81

66

Hình 3.26 Dữ liệu trên màn hình sau nạp

81

67

Hình 3.27 Gá đặt phơi

82

68

Hình 3.28 Set gốc phơi

82

69

Hình 3.29 Chạy khơng và kiểm tra chương trình

83

70

Hình 3.30 Qúa trình phay mặt đầu

84

71

Hình 3.31 Qúa trình phay hốc trịn

84

72

Hình 3.32 Phay biên dạng răng

85

73

Hình 3.33 Hồn thành q trình phay biên dạng răng

85

74

Hình 3.34 Sản phẩm bánh răng trong

86

75

Hình 3.35 Sản phẩm bánh răng ngồi

86

76

Hình 3.36 Các cặp bánh răng ăn khớp

87


DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Chương trình gia cơng bánh răng trong………………………………...…….92
Phụ lục 2: Chương trình gia cơng bánh răng ngoài…………………………………..….94


LỜI MỞ ĐẦU
 Tính cấp thiết
Trong sự thời đại ngày nay, việc phát triển khoa học kĩ thu t là vấn đề quan trọng
và cần sự quan tâm sâu sắc. Mỗi ngành đều có nền tảng khoa học vững chắc và tạo ra các
sản phẩm đặc trưng riêng. Tuy nhiên, yêu cầu đặt ra là phải cao hơn về cách hoạt động
của thiết bị, linh động hơn và thông minh hơn. Máy CNC là một tiến bộ phát triển vượt
b c của nền sản xuất cơ khí. Sự xuất hiện của máy CNC đã nhanh chóng làm thay đổi q
trình sản xuất công nghiệp.Đặc biệt là việc phát triển trung tâm gia cơng CNC mang lại sự
tự động hồn tồn từ khâu cấp phơi đến hồn thiện sản phẩm đạt độ chính xác và tin c y
cao. Tuy nhiên để điều khiển hoạt động những trung tâm gia công này cần sự tìm hiểu và
sáng tạo bởi đó là sự tổ hợp kiến thức của nhiều lĩnh vực.
Với nhu cầu cần thiết của thời đại phát triển hiện nay đòi 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 cơng tác.
Với những lí do như trên và để hồn thành khóa học Thạc sĩ k thu t công nghệ
Chế tạo máy nên em đã chọn đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu lập trình tham số để gia
công các chi tiết phức tạp trên máy UCP600”.

 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu khai thác sử dụng trung tâm gia cơng 5 trục. Tìm hiểu hệ điều hành
Heidenhain iTNC530 và cách sử dụng các tham số của l p trình tham số nhằm làm đơn
giản hóa và tiết kiệm thời gian trong l p trình.
Dùng làm tài liệu tham khảo cho sản xuất.
 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Máy nghiên cứu: trung tâm gia công 5 trục Mikron UCP600.

1


Nghiên cứu hệ điều hành Heidenhain iTNC530 trong phạm vi nghiên cứu cụ thể là
hàm tham số Q và truyền tham số trong chu trình gia cơng, để ứng dụng gia công các chi
tiết phức tạp của chi tiết trên máy UCP600.
 Ý nghĩa khoa học
L p trình gia cơng các chi tiết phức tạp trên máy UCP600 bằng cách sử dụng các

-

tham số trong l p trình làm cho việc viết chương trình trở nên đơn giản hơn. Điều mà việc
làm chương trình gia cơng bằng CAD/CAM sẽ cho chương trình dài, tốn bộ nhớ của máy.
Đặc biệt khi cần gia công các họ chi tiết phức tạp tương tự nhưng khác nhau về kích
thước thì CAD/CAM sẽ phải yêu cầu thay đổi cả hình vẽ sao cho th t cụ thể.
L p trình tham số cho phép sử dụng tối đa chức năng tính tốn của máy CNC khi

-

gia cơng các họ chi tiết, giảm được số dịng lệnh chỉ còn vài dòng, chủ yếu chỉ để truyền
tham số.
 Ý nghĩa thực tiễn

Trên thực tế có nhiều chi tiết có hình dạng và chức năng như nhau nhưng khác

-

nhau về kích thước.
- Việc l p trình tham số sẽ giảm được khối lượng l p trình, tiết kiệm bộ nhớ của
máy và thu n lợi cho người sử dụng.
 Nội dung đề tài gồm 3 chƣơng:
-

Chương 1: Tổng quan về Cơng nghệ CAD/CAM-CNC.

-

Chương 2: L p trình gia công trên máy nhiều trục UCP600 bằng hệ điều khiển
Heidenhain.

-

Chương 3: L p trình theo tham số.

Qua thời gian thực hiện đề tài, em đã nh n được chỉ dạy, giúp đỡ, hướng dẫn t n
tình của PGS.TS. Phạm Văn Hùng. Do thời gian thực hiện có hạn và thơng tin tài liệu liên
quan mà bản thân tìm được chưa phong phú nên khó tránh khỏi những thiếu sót. Em rất
mong nh n được sự góp ý của các Thầy cô giáo. Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS.
Phạm Văn Hùng, TS. Lê Đức Bảo và các đồng nghiệp tại trung tâm Hỗ trợ đào tạo
Nghiên cứu và Đổi mới cơng nghệ cơ khí, Viện Cơ khí đã tạo điều kiện giúp đỡ em.
Hà Nội, ngày 6 tháng 8 năm 2017
2

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM-CNC
1.1. Giới thiệu về máy công cụ điều khiển số (máy CNC)[2,3]
1.1.1. Giới thiệu chung về điều khiển số trong máy công cụ
hi gia cơng trên các 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 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 không theo số (hay điều khiển truyền thống, điều khiển liên tục)

-

Điều khiển số

1.1.2. Các hệ điều khiển số
1.1.2.1. Hệ điều khiển NC (Numerical Control)
Trong hệ điều khiển NC các thơng số hình học của chi tiết gia cơng và các lệnh điều
khiển được cho dưới dạng dãy các con số. Hệ điều khiển NC làm việc theo 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 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 v y khơng tránh khỏi những sai sót
của bộ tính tốn trong hệ điều khiển. Một nhược điểm khác nữa là do cần rất nhiều lệnh
chứa trong băng đục lỗ hoặc băng 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
3


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 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 v y có thể
nâng cao độ tin c y làm việc của máy.
1.1.2.3. Hệ điều khiển DNC (Direct Numerical Control)
Đặc điểm của hệ điều khiển DNC: Nhiều máy công cụ CNC được nối với một máy
tính trung tâm qua đường truyền dẫn dữ liệu. Mỗi máy cơng cụ 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 các máy cơng cụ và máy tính trung tâm).
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 l p 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 l p 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 ph n
mang dữ liệu được mã hóa và sắp xếp theo dạng mà máy hiểu được gọi là l p 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 khiểntrong 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 còn dùng
mã hệkhác, các hệ này khác nhau không 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 l p trình
Căn cứ vào mức độ tự động hóa các cơng việc l p trình người ta phân biệt hai
phương pháp l p trình: l p trình bằng tay và l p trình bằng máy (l p trình có sự trợ giúp
của máy tính)

4


Khi l p trình bằng tay, người l p trình căn cứ vào bản vẽ của chi tiết để nh p các câu
lệnh từ bàn phím của máy vào bộ nhớ. Như v y 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 l p 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 l p trình bằng máy, người l p trình mơ tả hình dáng hình học của chi tiết gia
công, các qu đạo của dụng cụ cắt và các chức năng của máy theo một ngôn ngữ mà máy
có thể hiểu được. L p trình bằng máy có ưu điểm là khơng cần thực hiện các phép tính
bằng tay, chỉ cần truy c p 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 l p trình.
Khi l p trình bằng máy thì máy tính phải có hai chương trình tính tốn đặc biệt sau:
-

Chương trình xử lí (Processor)

-

Chương trình h u xử lí (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 cơng 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 không hợp với hệ CNC nào. Muốn dùng
CLD cho một hệ CNC cụ thể phải dùng một chương trình h u xử lí gọi là Post-processor.
Như v y 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 khiểnlà phần hỗ trợ để các máy CNC có thể hiểu được các mã lệnh mà bạn
nh p vào, đó chính là ngôn ngữ giao tiếp của máy CNC.
1.1.4.1. Hệ điều hành FANUC [5]
Hệ điều hành FANUC được phát triển bởi t p đoàn FANUC tại Nh t Bản vào năm
1958 bởi tiến sĩ 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. ( Trên hình 1.1 )

5


Hình 1.1: Một bảng điều khiển Fanuc thơng thường
a. í 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 hai 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 gi t,
thường dùng để gia công thô. Các đời máy mới hơn sẽ thường là 18 hoặc 20i sẽ hạn chế
được mọi nhược điểm trên, gia công tinh tốt hơn, tốc độ trục chính nhanh hơn, các bộ
điện đi theo modul nên rất dễ chỉnh sửa.
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.

6


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, G03: lệnh nội suy cung tròn theo chiều kim đồng hồ (G02) và ngược chiều
kim đồng hồ (G03).
 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, kht 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 nguyên công cụ thể.
 G90: l p trình theo kích thước tuyệt đối
 G91: l p trình theo kích thước tương đối (theo gia số)
Ngồi G ra thì các chức năng phụ được kí hiệu bằng chữ cái M với hai chữ số từ 00
đến 99 được dùng đển v n hành máy trong quá trình gia cơng. Một số chức năng phụ M
thường được dùng kí hiệu như sau:
 M01: dừng có lựa chọn
 M03, M04: trục chính quay theo chiều/ngược chiềukim đồng hồ.
 M05: dừng trục chính
 M06: thay đổi dụng cụ cắt
 M08/M09: mở/đóng 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 t p đoàn toàn cầu t p
trung vào các lĩnh vực điện, tự động hóa và số hóa. ( Trên hình 1.2 )
7


Hình 1.2: Bảng điều khiển hệ điều hành Sinumerik EMCO WinNC 810/820M

Hình 1.3: 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 l p 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 tròn

8

Cycle 903: Chu trình phay hốc chữ nh t
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 dử dụng điều khiển SINUMERIK 810 và SINUMERI

820 có thể

được l p trình với @-code. @-codes cho phép chương trình nhảy trong chương trình, truy
vấn vào các chương trình con. L p trình @-codes là một cách l p trình tiên tiến nhưng
khá phức tạp. Ví dụ về @-codes:
@-codes

Chức năng

@345 <Var><Value 2>

Tốc độ cắt

@360 <Var><Value 1><Value 3>

Vị trí của phơi

@361 <Var><Value 1><Value 2>

Giá trị vị trí các trục chuyển động

@363 <Var><Value 2>

Vị trí trục chính

@364 <Var><Value 2>

Tốc độ trục chính

…

…

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 l p tại Berlin, Đức bởi Wilhelm Heidenhain năm 1889. Hệ thống đo lường
quang học cho máy cơng cụ được thêm vào chương trình đến q trình 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 công nghiệp sản xuất.
Heidenhain là 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 ngôn ngữ l p 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.

9


1.1.5. Nhận xét
Các hệ điều hành do mỗi hãng chế tạo máy CNC quy định. Tuy nhiên các hãng này
đã có sự thống nhất trong ngơn ngữ l p 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 l p 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 q hành trình hay
tọa độ dự báo nguy hiểm hay không.
Trung tâm gia công phay 5 trục MI RON UCP 600 do hãng Agie Charmilles chế
tạo, sử dụng hệ điều khiển iTNC530 của hãng HEIDENHAIN. Chính nhờ những chức
năng đặc biệt của hệ điều hành cho phép khả năng gia công vượt trội của máy.
1.2. Giới thiệu cơ sở về CAD/CAM-CNC và lập trình CNC cho máy phay.
1.2.1. Tổng quan về công 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 hoạ
máy tính, tuy nhiên CAD/CAM bao hàm một nội dung rộng lớn hơn đồ hoạ máy tính,
song hệ đồ hoạ máy tính viết tắt là ICG (Interative Computer Graphics) là bộ ph n cơ bản
của CAD. Lịch sử phát triển của đồ hoạ máy tính diễn biến qua nhiều thời kỳ.
- Một trong những dự án quan trọng đầu tiên trong lĩnh vực đồ hoạ máy tính là dự
án triển khai ngôn ngữ APT tại Học viện Công nghệ Massachusetts vào giữa th p kỷ 50.
APT là chữ viết tắt của thu t ngữ Automatically Programed Tools. Dự án này có quan hệ
m t thiết với ý tưởng triển khai một phương pháp thu n tiện để thơng qua máy tính xác
định các yếu tố hình học phục vụ việc l p 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 hoạ máy tính, nhưng việc
sử dụng ngơn ngữ APT trước đây lại ít liên quan với đồ hoạ máy tính;
- Nhiều t p đồn cơng nghiệp như General Motors, IBM, v.v... đã bắt đầu thực
hiện những dự án về đồ hoạ máy tính từ những năm 60. Đến cuối th p kỷ 60 một số nhà
cung cấp hệ thống CAD/CAM đã được thành l p, trong đó phải kể đến hãng Calma vào
10


năm 1969. Các hãng này cung cấpphần 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
hoạ 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. hái niệm về CAD, CAM, CNC

a. Khái niệm về CAD
CAD - Computer Aided Design: Được sử dụng hầu hết trong các ngành k thu t
như cơ khí, xây dựng, kiến trúc... CAD thực sự trở thành một công cụ đắc lực cho người
k 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 kĩ thu t với các thông số ban
đầu(thiết kế sơ bộ), tiến hành thiết kế thực sự trên bản vẽ kĩ thu t, bổ xung hiệu chỉnh các
bản vẽ với các quy trình quy phạm… Tóm lại, cơng việc địi hỏi rất nhiều thời gian và
công sức, sự nhẫn nại của các nhà thiết kế vì các bản vẽ ln phải sửa đổi, bổ xung, hiệu
chỉnh và dụng cụ hay dùng nhất là viên tẩy. Ngồi ra việc thiết kế thủ cơng như v y cũng
cho năng suất rất thấp, không phù hợp với yêu cầu hiện nay.
Ngày nay, khoa học công nghệ thông tin đã thâm nh p rất sâu vào lĩnh vực Khoa
học kĩ thu t 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 kĩ sư thiết kế.
Ngày nay CAD đã 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…
b. Khái niệm về CAM
CAM - Computer Aided Manufacturing:Sau khi thực hiện xong quá trình thiết
kế hình học, các dữ liệu CAD được xuất ra dưới dạng các định dạng file dữ liệu trực tiếp
hoặc trung gian như STEP, IGES... và được nh p vào phần mềm CAM dưới các định
dạng này. Chương trình CAM sẽ nh n dữ liệu CAD thông qua các định dạng đó và người

11


chạy chương trình cần phải thiết l p các điều kiện tính tốn cho q trình gia cơng như
các cách thức gia công, thông số công nghệ và thông số dụng cụ cắt, sau đó CAM sẽ thực
hiện việc tính tốn chương trình gia cơng. Sau khi tính tốn xong người thực hiện sẽ xuất

các chương trình NC dưới dạng các mã lệnh G – M code hoặc dưới dạng ngơn ngữ ATP.
Các chương trình NC dưới dạng mã lệnh này sẽ được truyền trực tiếp từ máy CNC bằng ổ
đĩa hoặc qua các bộ điều khiển DNC (Direct Numerical Control).
Tuy v y, khái niệm CAD, CAM dù đã có từ rất lâu nhưng vẫn đang tiếp tục được
phát triển và mở rộng. Ban đầu CAD và CAM được sử dụng độc l p để mơ tả việc l p
trình bộ ph n với sự trợ giúp của máy tính và các bản vẽ, đồ họa. Trong những năm gần
đây, hai khái niệm này được nối kết với nhau để tạo ra khái niệm thống nhất CAD/CAM,
biểu diễn một phương pháp tích hợp máy tính trong tồn bộ q trình sản xuất bao trùm
cả hai khâu thiết kế và sản xuất.
c. Khái niệm về CNC
CNC – Computer Numerical Control: Ý tưởng phát triển điều khiển số cho máy
công cụ ( Numerical Control – NC) xuất hiện vào những năm 1949 – 1950 tại viện công
nghệ Massachusetts (MIT), Cambridge, M . Về mặt công nghệ, để thực hiện ý tưởng này
cần có một hệ điều khiển biến đổi được đại lượng đầu vào ở dạng số nhị phân cho hành
trình và các chức năng đóng – mở sao cho máy phay có thể hiểu và xử lý được chúng. Đó
là ý tưởng cơ bản về ứng dụng điều khiển số cho máy cơng cụ nói chung. Việc thực hiện
nó đã trở thành hiện thực, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của xử lý số liệu điện tử lúc đó.
Các thơng tin về hành trình và các chức năng đóng - mở cần thiết trong bộ điều
khiển NC được nh p qua card đục lỗ. Các tệp dữ liệu thông tin về hành trình và chế độ
đóng – ngắt viết ở dạng chữ cái và con số th p phân được gọi là “chương trình NC”.
Với sự xuất hiện các tiến bộ k thu t về lưu trữ và xử lý số liệu đã làm nên cuộc
cách mạng trong k thu t điều khiển số máy công cụ. Các bộ ph n điều khiển số trên máy
cơng cụ được tích hợp máy tính và thu t ngữ CNC (Computer Numerical Control) được
sử dụng từ đầu th p kỷ 70.

12


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

với người dùng 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. Nhờ màn hình người
dùng được thơng báo thường xun về tình trạng của máy, cảnh báo các lỗi, có mơ phỏng
để kiểm tra trước q trình gia cơng… Áp dụng điều khiển số và công nghệ thông tin vào
điều khiển máy công cụ đã tạo ra cuộc cách mạng trong công nghệ chế tạo cơ khí, nhờ đó
các sản phẩm được chế tạo ra ngày càng chính xác hơn, đẹp hơn, giá thành thấp hơn.
hi đã có chương trình NC, chương trình này được tải đến hệ điều khiển CNC.
Mặc dù người v n hành có thể nh p trực tiếp vào hệ điều khiển, nhưng với chương trình
dài thì rất khó khăn. Chương trình NC có được qua hệ thống CAM đang ở dạng file văn
bản trên máy tính, và chuyển đến hệ điều khiển máy CNC thông qua một hệ thống DNC.
DNC (Direct Numerical Control) là phần mềm truyền dữ liệu đến các hệ thống điều khiển
của các máy CNC (hình 1.2).

Hình 1.4: Hệ thống DNC
1.2.1.3. Tích hợp cơng nghệ CAD/CAM – CNC
Công nghệ CAD/CAM – CNC hiện nay đang phát triển hết sức mạnh mẽ với sự ra
đời của nhiều phần mềm CAD, CAM. Trên cơ sở đó các nhà sản xuất phần mềm đưa ra
hướng tích hợp các lĩnh vực riêng lẻ CAD, CAM, CAE thành một phần mềm đa chức
năng. (CAE – Computer Aided Engineering- quá trình k thu t có sự trợ giúp của máy
tính).

13