Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bàn hai trục XY điều khiển CNC

..

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

VŨ THỊ HƯƠNG GIANG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BÀN HAI TRỤC
XY ĐIỀU KHIỂN CNC

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Hà Nội, 2010


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

VŨ THỊ HƯƠNG GIANG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BÀN HAI TRỤC
XY ĐIỀU KHIỂN CNC

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
TS NGUYỄN NGỌC DOANH

Hà Nội, 2010

Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

LI CAM OAN

Luận văn thạc sỹ " Nghiờn cu thit k v ch to bn hai trc XY iu
khin CNC ", được hoàn thành bởi tác giả Vũ Thị Hương Giang, học viên lớp Cao
học Chế tạo máy, khoá 2008-2010, khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các số
liệu nghiên cứu đều là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
Hà nội, ngy 30 tháng 10 năm 2010
Tác giả luận văn

Vũ Thị Hương Giang

Vũ Thị Hương Giang

1

Trường ĐH Bách Khoa Hµ Néi


Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

Lời cảm ơn
Em xin trân trọng cảm ơn thầy TS. Nguyễn Trọng Doanh đà tạo điều kiện,
hướng dẫn và giúp đỡ rất tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu và viết luận văn
của mình.
Em xin cảm ơn các thày, cô giáo trong Bộ môn Công nghệ chế tạo máy Viện
Cơ Khí trường ĐHBK Hà Nội cung cấp cho em những kiến thức cần thiết trong suốt
thời gian học tập và quá trình thực hiện luận văn.
Em xin cảm ơn các thày, cô trường Đại học Sao Đỏ và các bạn đồng nghiệp đÃ
tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong thời gian hoàn thành luận văn cũng như
toàn bộ khóa học.

Tác giả luận văn
Vũ Thị Hương Giang

Vũ Thị Hương Giang

2

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

Mục lục
Trang

LI CAM ĐOAN

1

LỜI CẢM ƠN

2

MỤC LỤC

3

MỞ ĐẦU

6

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỀU KHIỂN SỐ

8

1.1. Các khái niệm và định nghĩa về máy điều khiển số

8

1.1.1. Điều khiển số NC

8

1.1.2. Thông tin hình học

8

1.1.3. Thơng tin cơng nghệ
1.1.4. Máy cơng cụ điều khiển theo chương trình số
1.2. Quá trình phát triển, trình độ hiện tại và công nghệ gia công điều
khiển theo chương trình số.
1.2.1. Qúa trình phát triển

8
9
9

1.2.2. Trình độ hiện tại

10

1.3. Chức năng và cấu tạo máy điều khiển số
1.3.1. Nguyên lý vận hành của các máy công cụ điều khiển số
1.3.2. Dịng lưu thơng tín hiệu trong hệ điều khiển số
1.3.3. Các thông tin điều khiển

10
10
12
14

1.3.4. Các hệ thống số và mã số

15

1.3.5. Xử lý thông tin trong điều khiển số

17

1.4. Các hệ điều khiển số

20

1.4.1. Hệ điều khiển NC

20

1.4.2. Hệ điều khiển CNC

20

1.4.3. Hệ điều khiển DNC

21
21

1.4.4. Hệ iu khin thớch nghi

Vũ Thị Hương Giang

8

3

Trường ĐH Bách Khoa Hµ Néi

Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

1.5. H thng toạ độ và cấu trúc chương trình làm việc trên máy điều
khiển số
1.5.1. Hệ tọa độ
1.5.2. Cấu trúc chương trình làm việc trên máy điều khiển số
Chương 2. MÁY PHAYCNC
2.1. Các thành phần cơ bản của máy phay CNC
2.2. Khả năng công nghệ của máy phay CNC

22
26
30
30
32

2.3. Mô đun trục chính

33

2.4. Mơ đun chạy dao

36

2.5. Mơ đun thay dao tự động

38

2.5.1. Khái niệm về ATC

38

2.5.2. Phân loại ATC

38

2.5.3. Cấu tạo của ATC

41

2.5.4. Hoạt động của cụm ATC

42

2.6. Cơ cấu dẫn hướng

42

2.6.1. Chức năng của cơ cấu dẫn hướng

42

2.6.2. Dẫn hướng ma sát trượt
Chương 3. TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÁY PHAY CNC PHỤC VỤ
DẠY HỌC
3.1. Sơ đồ kết cấu động học máy phay CNC

44
50
50

3.2. Chế độ thử máy

51

3.2.1. Chế độ cắt thử mạnh

51

3.2.2. Chế độ cắt thử nhanh

52

3.3. Phân tích ngoại lực tác dụng lên cơ cấu

52

3.3.1. Trường hợp phay nghịch

52

3.3.2. Trường hợp phay thuận
3.4. Các mô đun cơ bản trong mỏy phay CNC phc v dy hc

Vũ Thị Hương Giang

22

4

53
54

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

3.4.1. Mụ un trục chính máy phay CNC

54

3.4.2. Mơ đun chạy dao máy phay CNC

56

Chương 4.THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀUKHIỂN
4.1. Động cơ bước
4.2. Thiết kế hệ thống mạch điều khiển cho máy
Chương 5.TÍCH HỢP PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN
5.1. Giới thiều về phần mềm điều khiển

65
74
84

84

5.2. Kết nối Mach 3 với phần cứng

85

5.2.1. Estop

85

5.2.2. Điều khiển qua cổng song song
5.2.3. Tính tốn chọn số bước của động cơ stepp tương ứng với units
5.2.4. Tính tốn các thơng số điều khiển cho các trục X, Y, Z
5.3. Thiết lập Mach 3 với máy phay

86
86
86
88

5.3.1. Xác định đơn vị
5.3.2. Những thiết lập ban đầu cho các Port và Pins
5.3.3. Thiết lập các chân vào ra
5.3.4. Thiết lập các giá trị đổi chiều quay các trục
5.3.5. Thiết lập các phím tắt hệ thống

88
88
89
92

92

5.3.6. Nạp chương trình

93

5.3.7. Thực hiện q trình gia cơng
5.3.8. Các khu vực, phím chức năng thơng dụng
Phần kết luận

94
95
98

Tài liệu tham kh¶o

99

Phụ lục

Vị Thị Hương Giang

65

100

5

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

M U
1. Lí DO CHỌN ĐỀ TÀI
Đất nước Việt Nam của chúng ta đang trong thời kỳ cơng nghiệp hố và hiện
đại hố. Các công ty, doanh nghiệp và các đơn vị sản xuất cơ khí (ĐVSXCK) chịu
sức ép ngày càng gia tăng của thị trường cạnh tranh. Các ĐVSXCK muốn tồn tại và
phát triển bắt buộc phải thực hiện các chiến lược nâng cao năng suất, hạ giá thành
sản phẩm cũng như đảm bảo chất lượng sản phẩm theo yêu cầu ngày càng cao của
người tiêu dùng. Trong các chiến lược đó, song song với việc trang bị các thiết bị
hiện đại với công nghệ gia công tiên tiến và việc giảm tối thiểu thời gian, thì việc
đơn giản hố cơng tác thiết kế quy trình cơng nghệ và trang bị cơng nghệ gia cơng
cơ khí là u cầu rất cần thiết và bắt buộc trong quá trình sản xuất.
Hiện nay để giảm tối thiểu thời gian và đơn giản hố cơng tác thiết kế quy
trình cơng nghệ gia cơng cơ khí thì việc nghiên cứu thiết kế chế tạo điều khiển máy
CNC phục vụ cho cơng tác thiết kế quy trình cơng nghệ gia cơng cơ khí với sự ứng
dụng cơng nghệ thơng tin và cơng nghệ cơ khí là nhu cầu cấp thiết .
Vậy nên, đề tài " Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bàn hai trục XY điều khiển
CNC " nghiên cứu cách khắc phục hiện trạng đó.
2. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU
Hiện nay để giảm tối thiểu thời gian và đơn giản hố cơng tác thiết kế quy
trình cơng nghệ gia cơng cơ khí thì việc nghiên cứu tạo ra máy CNC hai trục phục
vụ cho công tác thiết kế quy trình cơng nghệ gia cơng cơ khí với sự ứng dụng công
nghệ thông tin. Việc tạo ra một máy CNC cũng đã được một số tác giả tại Việt Nam
nghiên cứu tuy nhiên các tác giả trước chỉ tập trung vào nghiên cứu và mô phỏng
chứ chưa thực sự thành công trong việc lựa chọn thiết kế bàn máy CNC làm việc
thực tế hay phục vụ thiết thực cho q trình dạy học.

3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM
VI NGHIÊN CỨU
Với thời gian có hạn, luận văn tập trung vào vấn đề xây dựng bài tốn động
lực học cho từng trục từ đó làm cơ sở để thiết kế lựa chọn động cơ v xõy dng

Vũ Thị Hương Giang

9

Trường ĐH Bách Khoa Hà Néi


Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

mch iu khin ,viết chương trình điều khiển và phần mềm điều khiển cho bàn
máy CNC 2 trục.
Nội dung của luận văn được trình bày thành các chương như sau:
 Tổng quan về máy CNC, trình bày các khái niệm, định nghĩa về máy CNC,
chức năng và cấu tạo của máy CNC. Đưa ra được các thành phần cơ bản của máy phay
CNC đó là mơ đun trục chính, mơ đun chạy dao và mơ đun thay dao.
 Tính tốn phần cứng cho máy phay CNC phục vụ dạy học: Tính tốn chọn
trục chính, thiết kế mơ đun chạy dao theo 3 trục X, Y, Z.
 Thiết kế chế tạo hệ thống mạch điều khiển cho máy phay CNC phục vụ
dạy học.
 Ứng dụng phần mềm điều khiển Mach3 cho máy phay CNC phục vụ dạy
học.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Tìm hiểu lý thuyết nghiên cứu tổng quan về máy CNC 2 trục, tìm hiểu chuyển

động từng trục từ đó lựa chọn động cơ và thiết kế mạch điều khiển và lựa chọn phần
mềm iu khin mỏy CNC 2 trc

Vũ Thị Hương Giang

10

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

Chng 1. TNG QUAN VỀ MÁY ĐIỀU KHIỂN SỐ
1.1. Các khái niệm và định nghĩa về máy điều khiển số
1.1.1. Điều khiển số NC (Numerical Control)
Là hệ thống điều khiển đặc trưng bởi các đại lượng đầu vào là những tín hiệu
số nhị phân, chúng được đưa vào hệ điều khiển dưới dạng một chương trình điều
khiển có hệ thống. Trong hệ điều khiển số ứng dụng cho điều khiển máy công cụ,
các đại lượng đầu vào là những tín hiệu điều khiển đã được số hố, mã hố thành
các câu lệnh.
1.1.2. Thơng tin hình học (Geometrical Information)
Là hệ thống thơng tin điều khiển các chuyển động tương đối giữa dụng cụ và
chi tiết, liên quan trực tiếp đến quá trình tạo hình bề mặt, cịn gọi là thơng tin về
đường dịch chuyển (hình thành đường sinh và đường chuẩn của bề mặt hình học
muốn tạo ra).
1.1.3. Thơng tin cơng nghệ (Technological Information)
Là hệ thống thông tin cho phép máy thực hiện gia cơng với những giá trị cơng
nghệ u cầu: chuẩn hố các gốc tọa độ, chọn chiều sâu cắt, tốc độ chạy dao, số vịng

quay trục chính, chiều quay trục chính, vị trí xuất phát của dao, đóng hay ngắt mạch
tưới dung dịch trơn nguội, mạch đo lường và kiểm tra…
1.1.4. Máy cơng cụ điều khiển theo chương trình số (M-CNC)
Là thế hệ máy công cụ được điều khiển theo chương trình viết bằng mã ký tự
số, chữ cái và các ký tự chuyên dụng khác, trong đó hệ thống điều khiển có cài đặt
các bộ vi xử lý µ P (microprocessor) làm việc với các chu kì thời gian từ 1 đến
20 µ s và có bộ nhớ tối thiểu 4Kbyte, đảm nhiệm các chức năng cơ bản của chương
trình điều khiển số như: tính tốn đồ hoạ trên các trục điều khiển theo thời gian
thực, giám sát các trạng thái của máy, tính tốn các giá trị chỉnh lý dao cụ, tính tốn
nội suy trong điều khiển quỹ đạo biên dạng (tuyến tính và phi tuyến), thực hiện so
sánh cỏc cp giỏ tr cn thc

Vũ Thị Hương Giang

12

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

1.2. Quỏ trỡnh phát triển, trình độ hiện tại và cơng nghệ gia cơng điều
khiển theo chương trình số.
1.2.1. Q trình phát triển
Cuối những năm 40, Học viện công nghệ MIT (Massachusetts) của Hoa Kỳ
thực hiện dự án nghiên cứu kỹ thuật điều khiển.
1953 - công bố sáng chế máy phay điều khiển theo chương trình số M-CNC.
1959 - triển lãm máy cơng cụ tại Paris, trình bày những máy NC đầu tiên của châu

Âu.
1960 - Các hệ điều khiển số được chế tạo tương ứng với trình độ kỹ thuật của cơng
nghệ bóng đèn điện tử và rơle (cơ/điện/thuỷ lực), kích thước cịn lớn, nhạy cảm với các
điều kiện mơi trường, khơng thề dùng được trong những xưởng máy thông thường. Máy
NC ở thời kỳ này được ứng dụng chủ yếu trong cơng nghiệp hàng khơng.
Từ sau 1960, bóng đèn điện tử được thay thế bởi các phần tử bán dẫn điện tử
rời rạc, điốt (đèn 2 cực) và transito (đèn 3 cực), nhưng đa số các linh kiện lẻ vẫn đòi
hỏi có thể tích chiếm chỗ đủ lớn, cịn rất nhiều mối hàn và những ổ cắm, ghép nối
(giao diện), vừa tốn kém khi chế tạo, vừa hạn chế độ tin cậy trong vận hành điều
khiển. Thông tin điều khiển ghi trên băng đục lỗ, dung lượng thấp, phải đọc thông
tin theo từng bước, khi gia công nhiều chi tiết giống nhau vẫn phải đọc băng đục lỗ
cho từng lần gia cơng. Khi thay đổi chương trình điều khiển (ví dụ muốn thay đổi
chế độ cắt cho phù hợp hơn), đòi hỏi phải cải biến hay làm lại băng đục lỗ.
Trong những năm 70, ngành điều khiển số nhanh chóng ứng dụng các thành
tựu phát triển của kĩ thuật vi điện tử, vi mạch tích hợp; những hệ NC sử dụng các
bản mạch logic nối cứng được thay thế bởi các hệ điều khiển có bộ nhớ với dung
lượng đủ lớn, do nối ghép các cụm vi tính vào hệ điều khiển số mà những phần
cứng có nhiệm vụ chuyên dụng trước đây được thay thế bằng những phần mềm linh
hoạt hơn. Dung lượng nhớ ngày càng được mở rộng, tạo điều kiện lưu trữ trong hệ
điều khiển số trước hết là từng chương trình đơn lẻ, sau đó là một thư viện chương
trình, lại có thể sửa đổi chương trình đã lập một cách dễ dàng thông qua cấp lệnh
bằng tay, thao tỏc trc tip trờn mỏy.

Vũ Thị Hương Giang

13

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

1.2.2. Trỡnh hiện tại
Các chức năng tính tốn trong hệ thống CNC ngày càng hồn thiện và đạt tốc
độ xử lí cao do tiếp tục ứng dụng những thành tựu phát triển của các bộ vi xử lý µ P.
Các hệ thống CNC được chế tạo hàng loạt lớn theo công thức xử lý đa chức năng,
dùng nhiều mục đích điều khiển khác nhau.
Vật mang tin từ băng đục lỗ, băng từ, đĩa từ tiến tới đĩa compact (CD) có dung
lượng nhớ ngày càng mở rộng, độ tin cậy và tuổi thọ cao.
Việc cài đặt cụm vi tính trực tiếp vào hệ NC để trở thành CNC (Computerized
Numerical Control) đã tạo điều kiện ứng dụng máy công cụ CNC ngay cả trong xí
nghiệp nhỏ, khơng có phịng lập trình riêng, nghĩa là người điều khiển máy có thể
lập trình trực tiếp trên máy. Dữ liệu nạp vào, nội dung lưu trữ, thông báo về tình
trạng hoạt động của máy cùng các chỉ dẫn cần thiết khác cho người điều khiển đều
được hiển thị trên màn hình).
Màn hình ban đầu chỉ là đen trắng với các ký tự chữ cái và con số này đã dùng
màn hình màu đồ hoạ, độ phân giải cao, có thêm tốn đồ và hình vẽ mơ phỏng tĩnh
hay động; biên dạng của chi tiết gia công, chuyển động của dao cụ đều được hiển
thị.
Các hệ CNC riêng lẻ có thể ghép mạng cục bộ hay mạng mở rộng để quản lý
điều hành một cách tổng thể hệ thống sản xuất của một xí nghiệp hay của một tập
đồn cơng nghiệp.
1.3. Chức năng và cấu tạo máy điều khiển số
1.3.1. Nguyên lý vận hành của các máy công cụ điều khiển số
a) Chương trình gia cơng chi tiết
Những thông tin cần thiết để gia công một chi tiết nào đó, được tập hợp một cách
hệ thống gọi là chương trình gia cơng chi tiết. Chương trình này có th:

Vũ Thị Hương Giang

14

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

ã c son tho v lu
Bảng điều khiển

Vô lăng
tay quay
điện tử

a t, hoc a compact CD)

Cơ cấu đọc

Máy tính xử lý

Cấp dữ liệu đầu vào

tr trong vt mang tin (bng t,
v c a vào hệ điều khiển
số qua cửa nạp tương thích.

về dao cụ, các giá trị hiệu chỉnh
biên dạng, các dữ liệu điều

Z

chỉnh máy).
b) Bộ điều khiển logic
Bộ điều khiển logic xử lý

X

cỏc d liu chng trỡnh nh
cỏc

phn

mm

h

Cụm điều khiển CNC
Máy công cụ

cỏc thụng tin c bit (s liu

Điều khiển các bộ bảo vệ, các van và các linh kiện khác.

th a vo h iu khin s

Phản hồi tốc độ trên trục x

Nhờ bảng điều khiển cũng có

TÝn hiƯu tõ hƯ thèng đo vị trí theo x

bng tay trờn bng iu khin.

Điều khiển động cơ chạy dao theo x

khin s thụng qua cỏc nỳt bm

Phản hồi của cụm cữ chặn và kiểm tra áp lực

ã c a vo h iu

thng

(systematical software) nhm:
- Cung cấp các giá trị cần về vị
trí cho từng trục riêng lẻ của máy

Hình 1-1. Nguyên lý vận hành của máy công cụ
điều khiển số

công cụ theo một tần số phụ thuộc vào tốc độ xử lý dữ liệu chương trình.
- So sánh các giá trị cần (GT C ) và giá trị thật (GT t ) về vị trí, xác định giá trị
chênh lệch:
∆ C/t = GT C - GT t

và cấp lệnh điều khiển tương ứng cho rơle tốc độ của từng trục chạy dao riêng lẻ. Nhờ

vậy, từng trục máy chuyển động độc lập nhưng vẫn phối hợp được với nhau sao cho biên
dạng gia công được sinh ra với tốc độ gia công đã được lp trỡnh.

Vũ Thị Hương Giang

15

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

c) Chng trỡnh tương thích chuyên dụng và những dữ liệu điều chỉnh
máy.
Nhờ các chương trình này, hệ điều khiển số đảm bảo được sự tương thích với
các thơng số kỹ thuật chun mơn của máy cơng cụ mà nó điều khiển.
Những dữ liệu điều chỉnh máy xác định: tốc độ chạy nhanh (khơng cắt) tối đa,
bố trí xếp đặt các trục máy, các trạng thái đóng mạch của hệ điều khiển và giới hạn
vùng làm việc của hệ thống công nghệ (bàn máy, gá lắp, dao cụ).
Chương trình gia cơng chi tiết cịn bao hàm những thơng tin liên quan trực tiếp đến
máy:
+ Lệnh đóng/ngắt mạch bơm dung dịch trơn nguội.
+ Lệnh tạo số vịng quay và chiều quay cho trục chính.
+ Lệnh thay dụng cụ.
Bộ điều khiển logic chuyển tiếp những lệnh này qua một cụm điều khiển
tương thích cài đặt trong hệ điều khiển số đến các khâu điều khiển máy như: van,
rơle, các cầu dao tiếp mạch …Ngược lại, cụm điều khiển tương thích cũng tiếp nhận
các thơng tin phản hồi từ các công tắc ngắt cuối (cữ chặn), các bộ cảnh báo áp suất

và những bộ phận khác lắp đặt trên máy (có kèm theo dụng cụ phát tín hiệu) để
chuyển thành các thơng báo về tình trạng sẵn sàng hoạt động hoặc trạng thái
dừng… cho hệ điều khiển số.
1.3.2. Dịng lưu thơng tín hiệu trong hệ điều khiển số
Hình 1.2 trình bày dịng lưu thơng tín hiệu trong hệ điều khiển số. Trong đó
chia thành các lớp thơng tin sau đây:
• Lớp 1: Nạp dữ liệu
- Bằng tay, nhờ bảng điều khiển.
- Bằng tay, nhờ các cơ cấu cơ khí (tay quay, tay gạt) cấp xung.
- Dạng cấp tín hiệu này giới hạn cho việc gia cơng các chi tiết lẻ, kết cấu đơn
giản hoặc cho các quá trình điều chỉnh máy.
- Bằng đầu đọc các vật mang tin (bng t, a t, a compact).

Vũ Thị Hương Giang

16

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

- Trc tip (online) từ bộ nhớ của một máy tính điều hành gia cơng.
Bảng điều
khiển

Tay quay

Đầu đọc

Máy vi tính

Dữ liệu
chương trình

Dữ liệu
hiệu chỉnh

Dữ liệu dao

Dữ liệu máy

Lớp 1

Nạp dữ liệu

Lớp 2

Lưu trữ

Lớp 3

Chuẩn bị thông tin

Lưu chuyển

Xử lý thông tin

Lớp 4

Lưu xử lý

Điều chỉnh số vịng
quay trục chính

Điều chỉnh
vị trí

Điều chỉnh
thích nghi

senser vịng quay
hiệu chỉnh dịng

senser vịng quay
hiệu chỉnh dịng

Tổng thể máy
cơng cụ

Lớp 5

Điều chỉnh

Lớp 6

Điều khiển
tồn máy

Truyền động
trục chính

Truyền động
chạy dao
Hình 1-2: Lưu thơng tín hiệu trong hệ điều khiển số

• Lớp 2: Lưu trữ
Thông tin đầu vào được lưu trữ trong các bộ nhớ bán dẫn. Chương trình gia
cơng chi tiết, các dữ liệu về dao cụ và giá trị hiệu chỉnh được lưu trữ trong bộ nhớ
RAM. Các dữ liệu hiệu chỉnh máy cũng được lưu trữ trong bộ nhớ RAM hoặc trong
bộ nhớ ROM. Các dữ liệu chương trình cho cụm điều khiển tương thích (PC=
Programmable Control) được lu tr trong b nh ROM.

Vũ Thị Hương Giang

17

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

ã Lp 3: Lưu chuyển
Trong lớp này, các dữ liệu chương trình bắt đầu được xử lý. Đường dịch
chuyển cần thực hiện trong câu lệnh kế tiếp được tính tốn, quỹ đạo tương quan với
biên dạng lập trình được tìm ra có tính đến khoảng cách bằng bán kính dao. Các thủ

pháp kiểm tra, nghiệm lại những thơng số chương trình quan trọng như điểm kết
thúc một đường cong phi tuyến…
• Lớp 4: Lưu xử lý
Lớp này bao gồm các bộ nội suy, tìm ra những giá trị cần về vị trí cho mạch
điều chỉnh vị trí trên từng trục chạy dao. Nó cũng đưa ra các số liệu điều khiển trục
chính cơng tác, cũng như điều khiển chung tồn máy.
• Lớp 5: Điều chỉnh
Gồm các cụm điều chỉnh vị trí, điều chỉnh tốc độ dịch chuyển trên các trục cho
phù hợp với tốc độ chạy dao đã lập trình, tuỳ thuộc vào vị trí tức thời của mỗi trục.
• Lớp 6: Điều khiển tồn máy
1.3.3. Các thơng tin điều khiển
a) Điều khiển
Điều khiển là những tác động ảnh hưởng có mục đích đến dịng lưu thơng
năng lượng và dịng lưu thơng vật chất thông qua các thông tin.
Thông tin trong mối quan hệ này là những thông báo cho hệ điều khiển thực
hiện những q trình chức năng chính xác.
Để điều khiển máy công cụ, hệ điều khiển số cần những thông tin sau:
• Chuyển động tương đối giữa dao cụ và chi tiết
• Các số liệu cơng nghệ về tốc độ chạy dao và tốc độ cắt.
• Các chu trình gia công xác định bởi điều kiện công nghệ đặc trưng (khoét
rãnh, phay hốc rỗng, cắt ren).
• Các chức năng phụ (dn dũng dung dch trn ngui, thay dao).

Vũ Thị Hương Giang

18

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

b) Biu th thơng tin qua tín hiệu
Một thơng tin có thể được trình bày bằng những giá trị hoặc những diễn biến
giá trị của thơng số tín hiệu.
Hệ thống tín hiệu chỉ chấp nhận những giá trị số - rời rạc - xác định gọi là các
tín hiệu số.
Hệ điều khiển làm việc với các tín hiệu số mà ta đang nghiên cứu chính là hệ
thống điều khiển số.
1.3.4. Các hệ thơng số và mã số
Nhìn chung các hệ thống số được xây dựng từ các con số là tổng luỹ thừa của
cơ số tương ứng với hệ thống mà ta gọi tên.
a) Hệ thập phân (decimal system)
Cơ số hệ thống là 10, ví dụ: 100 10 = 1.102 + 0.101 + 0.100
Chỉ số “10” đưa vào để biểu thị sự trình bày một con số trong hệ thập phân.
Do đã quá thông dụng mà khi biểu diễn các con số của hệ thập phân không cần viết
chỉ số này.
Số mũ luỹ thừa của cơ số hệ thống biểu thị đồng thời khoảng cách vị trí kể từ
dấu phảy:
- Vị trí đầu tiên bên trái dấu phảy ứng với số mũ “0”
- Từ vị trí này về bên trái dấu phảy, các số mũ luỹ thừa dần dần tăng lên;
- Kể từ bên phải dấu phảy, các số mũ luỹ thừa dần dần giảm đi: -1, -2, -3,…
Cơ số của hệ thống đồng thời biểu thị số các kí tự số mà hệ thống cần có để
biểu thị các giá trị của con số: trong hệ thập phân đó là 10 kí tự số: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6,
7, 8, 9
b) Hệ nhị phân (Dual system hay binairy system)
Hệ nhị phân có cơ số hệ thống là 2, nó có một ý nghĩa đặc biệt trong kỹ thuật
xử lí tin. Giá trị con số 100 được biểu thị trong hệ thống này như sau:

100 2 = 1.26 + 1.26 + 0.24 + 0.23 + 1.22 + 0.21 + 0.20 = 1100100
(tương ứng trong hệ thập phân = 64 + 32 + 0 + 0 + 4 + 0 + 0 = 100 10 ).

Vũ Thị Hương Giang

19

Trường ĐH Bách Khoa Hµ Néi


Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

Cỏc giỏ tr con số muốn biểu diễn chỉ cần hai ký tự là 1 và 0, chúng sẽ được kỹ
thuật thực hiện tương đối đơn giản. Ví dụ, cấp dịng năng lượng là ứng với trạng
thái (hay ký tự) 1; ngắt dòng năng lượng là ứng với trạng thái (hay ký tự) 0. Về mặt
kỹ thuật tin học, dạng khác nhau của dịng năng lượng khơng có ý nghĩa gì, dù nó là
năng lượng điện nhiệt, quang, thuỷ lực hay khí nén… Xử lý tin chỉ quan tâm đến ký
tự biểu thị trạng thái và do đó ý nghĩa quan trọng của hệ nhị phân nằm trong các
giải pháp điện tử cho các tín hiệu 0 và 1. Các tín hiệu điện tử này có tốc độ xử lý
cao, lại có mật độ tích chứa lớn trong các phần tử bán dẫn điện tử.
Quy đổi từ hệ thập phân sang hệ nhị phân:
Ví dụ, cho một giá trị số thập phân:
Z 10 = 23,625
Chia cột từ dấu phảy
23

0,625

Liên tục chia cho 2

Liên tục nhân với 2

23 : 2 = 11 lẻ 1

0,625 . 2 = 1,250 = 0,250 + 1

11 : 2 = 5 lẻ 1

0,25 . 2 = 0,50 = 0,50 + 0

5 : 2 = 2 lẻ 1

0,50 . 2 = 1,00 = 0,00 + 1

2 : 2 = 1 lẻ 0
1 : 2 = 0 lẻ 1
Vậy giá trị số tương ứng trong hệ nhị phân là: Z 2 = 10111,101
Đổi ngược lại hệ thập phân:
Z 10 = 1.24 + 0.23 + 1.22 + 1.21 + 1.20 + 1.2-1 + 0.2-2 + 1.2-3
Z 10 = 16 + 4 + 2 + 1 + 1/2 + 1/8 = 23 + 0,5 + 0,125 = 23,625
c) Các hệ thống số khác
Để biểu thị các số lớn, hệ nhị phân cần đến một số lớn vị trí của ký tự biểu thị,
gây trở ngại cho kỹ thuật tính (bằng tay). Trong kỹ thuật tính điện tử số, ngồi hệ
nhị phân cịn có ứng dụng của các hệ thống số khác như:
• Hệ bát phân (octal system)
Cơ số hệ thống = 8.Hệ này cần có 8 ký tự số để biểu thị các con s:0,1,2, 3, 4, 5, 6, 7.

Vũ Thị Hương Giang

20

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

Vớ d: 100 10 = 144 8 = 1.82 + 4.81 + 4.80 = 64 + 32 + 4 = 100 10
• Hệ thập lục phân (hexadecimal system)
Cơ số hệ thống = 16. Hệ này cần đến 16 ký tự số để biểu thị các con số: 0, 1,
2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F.
Ví dụ: 100 10 = 64 16 = 6.161 + 4.160 = 96 + 4 = 100 10
Bảng 1: Trình bày so sánh các hệ thống số với giá trị biểu thị từ 1 đến 16
Hệ nhị phân
26

25

24

23

22

Hệ bát phân
21

20 82

81

80

Hệ thập

Hệ thp phõn
102

101

lc phõn

100 162 161 160

1

1

1

1

1

0

2

2

2

1

1

3

3

3

1

0

0

4

4

4

1

0

1

5

5

5

1

1

0

6

6

6

1

1

1

7

7

7

1

0

0

0

1

0

8

8

1

0

0

1

1

1

9

9

1

0

1

0

1

2

1

0

A

1

0

1

1

1

3

1

1

B

1

1

0

0

1

4

1

2

C

1

1

0

1

1

5

1

3

D

1

1

1

0

1

6

1

4

E

1

1

1

1

1

7

1

5

F

1

0

0

0

0

2

0

1

6

1

0

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

1

1

0

0

1

0

0

1

4

4

1

0

0

6

4

Vũ Thị Hương Giang

21

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

1.3.5. X lý thông tin (xử lý dữ liệu) trong điều khiển số
Điều khiển vị trí trên trục X

Xs (t)
Điều khiển
đọc

Bộ nhớ
chương trình

Tính tốn
hiệu chỉnh

Xs (t)

Nội
suy

Điều khiển vị trí trên trục Y

Xs (t)

Điều khiển vị trí trên trục Z

Hình 1-3: Trình bày sơ đồ xử lý các dữ liệu chương trình trong điều khiển số
a) Điều khiển đọc
Điều khiển đọc bao quát cả q trình đọc tin. Nó kiểm tra các thơng tin đã
được đọc về tính đúng đắn của hình thức cấu trúc tin và ngừng quay quá trình đọc
khi phát hiện các cấu trúc tin mắc lỗi.
b) Bộ nhớ chương trình

Bộ nhớ chương trình đảm bảo chuẩn bị và thực hiện các bước xử lý song song (xử
lý đồng thời) các thông tin của một số công đoạn gia công vốn đã được đọc vào theo thứ
tự từng bước (dạng chuyển động, toạ độ của điểm kết thúc chuyển động, tốc độ trên
đường biên dạng, số vòng quay và chiều quay của trục chính).
Dung lượng bộ nhớ của các hệ CNC hiện đại cho phép nội dung thông tin của
nhiều chương trình con được lưu trữ

yM

yw

cùng lúc trong bộ nhớ.
c) Cụm tính tốn hiệu chỉnh
Cụm tính tốn hiệu chỉnh có

w
ymw

nhiệm vụ đảm bảo các dữ liệu
chương trình đọc vào phù hợp với

m

khơng gian làm việc của máy. Các
tính tốn hiệu chỉnh cịn được địi hỏi
nhằm:

Xw

xmw

XM

Hình 1-4. Dịch cuyển điểm gốc của hệ toạ độ
chi tiết so với điểm gốc của hệ toạ độ máy

• Đảm bảo vị trí của hệ toạ độ chi tiết gia công trong hệ toạ độ máy (hình 1-4).
Nhờ vậy trong chương trình, tất cả các toạ độ điểm trên biên dạng đều được tính trên cơ
sở h to chi tit gia cụng.

Vũ Thị Hương Giang

22

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

ã m bo có tính đến sai lệch giữa kích

N

z

ZPL

thước lắp thực tế của dao với kích thước danh

nghĩa của dao, chúng thường làm cơ sở cho

P
ZPA

các chương trình con (hình 1-5).
Ví dụ: khi lập trình rất dễ khơng để ý

w

A

đến chiều dài dao. Đoạn ZNA (đoạn đường

X

song song với trục Z từ điểm N đến điểm A) Hình 1-5. Lượng điều chỉnh tính đến
chiều dài thực của dao
được lập trình như đoạn đường chạy vào tiếp
cận với chi tiết gia công. Chiều dài thực sự của dao sẽ được đưa vào hệ điều khiển
ngay khi thao tác trên máy. Cụm tính tốn hiệu chỉnh sẽ tính cho đoạn đường tiếp
cận tăng/giảm thích hợp:
ZPA = ZNA - ZPN
• Đảm bảo tính tốn biên dạng tương đương so với biên dạng chi tiết trong
khoảng cách bằng bán kính dao, nếu trong chương trình, các toạ độ của biên dạng
chi tiết cũng được lập trình (hình 1-6).

y

c

d) Bộ nội suy
Bộ nội suy tính tốn tọa độ của các

b

điểm trên đường dịch chuyển dọc theo biên

a

dạng cần, đoạn biên dạng giữa điểm khởi

w

suất và điểm kết thúc mà tọa độ của chúng
đã được đưa vào chương trình (hình 1-7).
Việc tính tốn được thực hiện với một
tần số phụ thuộc vào tốc độ chạy dao µ . Các

x

Hình 1-6. Tính tốn khoảng cách tương ứng
theo bán kính dao
yw

E(XE;YE)
Pn+1(Xn+1;Yn+1)

tọa độ x n (t), y n (t) là các giá trị cần về vị trí,

Pn(Xn;Yn)

cấp vào mạch điều chỉnh vị trí trên những trục

∆s

∆Y

U

∆X

chuyển động khác nhau của hệ điều khiển.
Các đại lượng dẫn sẽ tác động vào mạch điều
chỉnh vị trí, nhờ đó các trục máy được dẫn

Vị Thị Hương Giang

23

w

A(XA;YA)
Xw

Hỡnh 1-7. Ni suy biờn dng tuyn tớnh

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

ng theo nhng giá trị cần và thông qua chuyển động điều chỉnh đồng thời trên
nhiều trục, biến dạng đòi hỏi sẽ được sản sinh.
e) Phân biệt hệ điều khiển NC và CNC
Điều khiển NC (Numerical Control)
Đặc tính của hệ điều khiển này là “chương trình hố các mối liên hệ”, trong đó
mỗi mảng linh kiện điện tử riêng lẻ được xác định một nhiệm vụ nhất định, liên hệ
giữa chúng phải thông qua những dây nối hàn cứng trên các mạch logic điều khiển.
Chức năng điều khiển được xác định chủ yếu bởi phần cứng.
Điều khiển CNC là một hệ điều khển có thể lập trình và ghi nhớ. Nó bao hàm
một máy tính cấu thành từ các bộ vi xử lý kèm theo các bộ nhớ ngoại vi.
Đa số các chức năng điều khiển đều được giải quyết thông qua phần mềm
nghĩa là các chương trình làm việc có thể thiết lập trước.
Nhờ các chương trình hệ thống CNC mà các máy tính có thể được sử dụng để
thực hiện những chức năng điều khiển yêu cầu.
Do các hệ điều khiển số hiện đại đều có nguyên lý cấu trúc và xử lý dữ liệu
theo dạng điều khiển CNC, vì vậy ta chỉ đi nghiên cứu hệ điều khiển này.
1.4.Các hệ điều khiển số
1.4.1. Hệ điều khiển NC
Hệ điều khiển NC làm việc theo nguyên tắc đọc và xử lý từng lệnh một.
Nhược điểm của hệ điều khiển NC:
+ Khi gia công chi tiết tiếp theo trong loạt, hệ điều khiển phải đọc lại toàn bộ
các lệnh từ đầu.
+ Vẫn dùng băng từ để mang thông tin điều khiển  khả năng mang thông tin
không nhiều và độ tin cậy chưa cao, băng đục lỗ và băng từ dễ bị bẩn và mịn, gây
lỗi cho chương trình.
+ Khó thay đổi chương trỡnh.

Vũ Thị Hương Giang

24

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

1.4.2.H iu khin CNC
Đặc điểm chính của hệ điều khiển CNC là sự tham gia của máy vi tính đã được cài
đặt các chương trình điều khiển cơng nghiệp chun dụng cho từng hệ máy.
Ưu điểm:
+ Cho phép thay đổi và hiệu chỉnh các chương trình gia cơng chi tiết và
chương trình hoạt động phần cứng.
+ Chương trình gia cơng có thể được ghi nhớ lại, có thể được nạp vào bộ nhớ
một cách đồng loạt hay từng lệnh bằng tay hoặc từ bàn điều khiển điện tử.
+ Một lệnh điều khiển có thể kết hợp để mang thông tin điều khiển cùng lúc
nhiều hoạt động của máy không chỉ riêng cho từng chuyển động riêng lẻ  giảm
được số câu lệnh.
1.4.3. Hệ iu khin DNC ( Direct Numerical Control )

CNC
Máy công
cụ CNC
Máy tÝnh
trung t©m

CNC

CNC

Hình 1-8: Ngun lý hoạt động của hệ điều khiển DNC
Đặc điểm:
+ Một máy tính kết nối với nhiều máy CNC cùng một lúc, trong mỗi máy CNC
có gán thêm một bộ tính tốn để chọn lọc thơng tin điều khiển từ máy tính.
+ Máy tính trung tâm có thể nhận những thông tin từ các bộ điều khiển CNC để
hiệu chỉnh chương trình hoặc có thể đọc những dữ liệu từ máy cơng cụ.
+ Máy tính phân tích lựa chọn những chi tiết gia công theo thứ tự ưu tiên để
phân chia nhiệm vụ cho các máy CNC theo th t tng ng.

Vũ Thị Hương Giang

25

Trường ĐH Bách Khoa Hµ Néi


Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

+ Cú ngõn hàng dữ liệu trung tâm cho biết các thông tin của chương trình gia
cơng chi tiết trên tất cả các máy cơng cụ.
+ Có khả năng truyền dữ liệu nhanh và có khả năng nối ghép vào hệ thống gia
cơng linh hoạt FMS.
1.4.4. Hệ điều khiển thích nghi

Hệ thống điều khiển thích nghi là hệ thống điều khiển có tính đến tác động bên
ngồi của hệ thống cơng nghệ để hiệu chỉnh chu kỳ gia công nhằm loại bỏ ảnh
hưởng của các yếu tố đó tới độ chính xác gia cơng, thường là để ổn định kích thước
gia cơng, ở đây cơ cấu kiểm tra tích cực ln ln xác định kích thước gia cơng và
tác động liên tục đến cơ cấu điều khiển, cơ cầu điều khiển tác động đến cơ cấu chấp
hành để ổn định kích thước của chi tiết.
1.5. Hệ thống toạ độ và cấu trúc chương trình làm việc trên máy điều khiển số
1.5.1. Hệ thống tọa độ
Máy phân biệt được các điểm gia công khác nhau là nhờ vào hệ toạ độ được
gán trên máy. Hệ toạ độ này được lưu trong phần mền điều khin. Hệ thống trục tọa
độ và chiều chuyển động của chúng trên các máy công cụ điều khiển số được tiêu
chuẩn hóa.
Hệ thống tọa độ vuông góc trên máy công cụ điều khiển số được xác định theo
quy tắc bàn tay phải. Các chuyển động chính của máy điều khiển số được thiết lập
theo các trục tọa độ X, Y và Z. Theo quy tắc bàn tay phải ngón tay cái là trục X,
ngón trỏ là trục Y, ngón giữa là trục Z. Hệ thống tọa độ này có liên quan mật thiết
đối với chi tiết gia công trên máy ®iỊu khiĨn sè. Khi lËp tr×nh, ng­êi ta quy ­íc rằng
dụng cụ chuyển động tương đối so với hệ thống tọa độ, còn chi tiết đứng yên. Do
vậy, có một nguyên tắc đơn giản mà người lập trình cần phải nắm vững là chi tiết
đứng yên và chỉ có dụng cụ chuyển động.
Hệ tọa độ của máy là do nhà sản xuất quyết định. Mỗi nhà sản xuất ra máy
CNC đều có một hệ thống lập trình khác nhau và cài đặt hệ thống điểm chuẩn khác
nhau.

Vũ Thị Hương Giang

26

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận Văn Thạc sỹ

Bộ môn chế tạo máy

Các trục quay tương ứng với các trục X, Y, Z được ký hiệu là A, B, C. Chiều
quay quy định như sau: Nếu nhìn theo hướng dương của một trục thì chuyển động
quay theo chiều kim đồng hồ là chiều quay dương.
* Cách xác định hệ trục toạ độ X, Y, Z trên máy phay.
Theo tiêu chuẩn DIN 66217, thứ tự của các trục tọa độ và các chiều chuyển
động được xác định như sau:
Trục Z
- Nếu máy có trục chính cố định, không xoay nghiêng được thì trục Z nằm
song song với trục chính hoặc trùng với tâm đường trục đó.
- Nếu trục chính xoay nghiêng được và chỉ có một vị trí xoay nghiêng song
song với một trục tọa độ nào đó, thì chính trục tọa độ đó là trục Z.
- Nếu trục chính xoay nghiêng được song song với nhiều trục tọa độ khác
nhau, thì trục Z là trục là trục vuông góc với bàn kẹp chi tiết chính của máy (Khi
trục chính xoay nghiêng được theo một hướng nghiêng với chính nó thì trục này kí
hiệu là W).
- Nếu máy có nhiều trục chính công tác, ta sẽ chọn một trong số trục Z là trục
chính theo cách ưu tiên trục nào có đường tâm vuông góc với bàn kẹp chi tiết.
- Nếu máy không có trục chính công tác ( máy bào, máy gia công điện hóa )
thì trục Z cũng là trục vuông góc với bàn kĐp chi tiÕt.
- ChiỊu d­¬ng (+) cđa trơc Z theo hướng lùi dao từ chi tiết gia công.

Trục
HìnhX1-9: Hệ toạ độ trên máy phay

Vũ Thị Hương Giang

27

Trường ĐH Bách Khoa Hµ Néi