Nghiên cứu khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động cho bàn máy phay cnc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ





NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO CHẤT
LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN
MÁY PHAY CNC




TẠ MINH TIẾN

THÁI NGUYÊN 2008
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ





NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG
CHO BÀN MÁY PHAY CNC

Học viên : Tạ Minh Tiến
Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Võ Quang Lạp












THÁI NGUYÊN 2008
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
***
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
-----------o0o-----------


THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

NGHI ÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY PHAY CNC

Học viên: Tạ Minh Tiến
Lớp: CHK8
Chuyên ngành: Tự động hoá
Người HD khoa học: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Ngày giao đề tài: 01/11/2007
Ngày hoàn thành: 30/4/2008






KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN



TS. Nguyễn Văn Hùng



PGS.TS. Võ Quang Lạp



Tạ Minh Tiến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤ C CÁ C HÌ NH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hnh v Tên hì nh vẽ Trang
Hnh 1.1 Cơ sở của các máy CNC 1
Hnh 1.2 Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề
các
2
Hnh 1.3 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC 5
Hnh 1.4 Sơ đồ nguyên lý của 1 my phay đứng 3 trục (X,Y,Z) 6
Hnh 1.5 Lưu thông tín hiệu trong điều khiển số 7
Hnh 1.6 Lưu đồ điều khiển hệ CNC 9
Hnh 1.7 Cấu trúc hệ điêu khiển NC 9
Hnh 1.8 Cấu trúc hệ điêu khiển CNC 10
Hnh 1.9 Cc bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay 11
Hnh 1.10 Lưu đồ lập trình bằng máy 12
Hnh 1.11 Cấu trúc của hệ CNC 14
Hnh 1.12 Hệ DNC 15
Hnh 1.13 Ghép nối các máy CNC với máy tính trung tâm 17
Hnh 2.1 Dụng cụ đo lường vị trí trên hệ CNC 21
Hnh 2.2 Cc điểm Reference Marks trên Encoder 22
Hnh 2.3 Sai số tải được tạo ra ở chiết áp khi một điện trở tải được nối
giữa công tc trượt và một đầu của dây điện trở.
23
Hnh 2.4 Bộ đo góc, mộ t loại cảm biến mà tín hiệu đầu ra của nó là
một hàm lượng giác của vị trí trục roto . Hai cuộn roto đặt
cách nhau 90
0
, hai cuộn Stator cũng đặt cách nhau 90
0

24
Hnh 2.5 Bộ đo góc sử dụng như cảm biến, có môt cuộn dây roto ngắn
mạch
24
Hnh 2.6 Sơ đồ khối bộ mã hóa số trực tiếp 25
Hnh 2.7 Sơ đồ khối bộ mã hóa xung, tần số, thời gian 26
Hnh 2.8 Sơ đồ khối bộ mã hóa tương tự sang số 26
Hnh 2.9 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi Analog to Digital 26
Hnh 2.10 Thước đo số theo nguyên tắc quang-điện-soi thấu
(Heidenhain)
27
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Hnh 2.11 Phương php nội suy dùng bộ tính toán arctang 28
Hnh 2.12 Phương php nội suy dùng bảng nội suy và khối tính toán 29
Hnh 2.13 Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển CNC 29
Hnh 2.14 Thành phần cơ bản của MCU 31
Hnh 3.1 Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ 36
Hnh 3.2 Hệ trục vector không gian(a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên
stator (,)
38
Hnh 3.3
Hệ tọa độ cố định trên stator (,) và hệ toạ độ cố định trên
rotor(x,y)
39
Hnh 3.4 Biểu diễn vét tơ dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ cố định
stator (,) và hệ tọa độ cố định rotor (x,y)
40
Hnh 3.5 Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định stator
(,) và hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q).
42

Hnh 3.6 Sơ đồ cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ 47
Hnh 3.7 Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ 48
Hnh 3.8 Định hướng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor
(d,q)
48
Hnh 3.9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng thiết
bị biến tần
51
Hnh 3.10 Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - động cơ. 52
Hnh 3.11 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ
hai mạch vòng kín.
53
Hnh 3.12 Đường đặc tĩnh tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch
vòng kín.
54
Hnh 3.13 Sơ đồ cấu trúc trạng thi động của hệ thống điều chỉnh tốc độ
shai mạch vòng kín.
55
Hnh 3.14 Đồ thị dòng điện và tốc độ quay của quá trình khởi động hệ
thống điều chỉnh tốc độ
a) Quá trình khởi động tăng tốc lý tưởng.
b) Hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín
56
Hnh 3.15 Bộ điều tiết tốc độ quay cài đặt phản hồi âm vi phân 60
Hnh 3.16 nh hưởng của phản hồi âm vi phân tốc độ quay đối với quá
trình khởi động.
1 – Hệ thống hai mạch vòng kín thông dụng
2 – Hệ thống cài đặt phản hồi âm vi phân
61
Hnh 3.17 Sơ đồ cấu trúc trạng thi động của mạch vòng tốc độ quay có

cài đặt phản hồi âm vi phân tốc độ quay:
a. Sơ đồ cấu trúc hệ thống ban đầu
61
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
b. Sơ đồ cấu trúc sau khi đơn giản hoá
Hnh 3.18 Hệ thống điều khiển tốc độ ba mạch vòng có mạch vòng có
cài đặt suất biến đổi dòng điện.
ADR – bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện.
CD – khâu vi phân dòng điện
65
Hnh 3.19 Bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện 65
Hnh 3.20 Sơ đồ cấu trúc trạng thi động của mạch vòng suất biến đổi
dòng điện
66
Hnh 4.1 Hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ 68
Hnh 4.2 Mạch điện thay thế của động cơ một chiều. 69
Hnh 4.3 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều 70
Hnh 4.4 Tuyến tính ho đoạn đặc tính từ ho và đặc tính tải 71
Hnh 4.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá 72
Hnh 4.6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi. 72
Hnh 4.7 Sơ đồ cấu trúc thu gọn:
a. Theo tốc độ, b. Theo dòng điện
73
Hnh 4.8 Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ chỉnh
lưu
74
Hnh 4.9 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bn dẫn thyristor
a. khi chuẩn xác, b. khi gần đúng.
75
Hnh 4.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 76

Hnh 4.11 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 77
Hnh 4.12 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 78
Hnh 4.13 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí 80
Hnh 4.14 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 82
Hnh 4.15
Quan hệ giữ a


và


83
Hnh 4.16 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID 87
Hnh 4.17 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau
của vị trí đặt đầu vào
đặt
= 10(V), I = 0(A)
88
Hnh 4.18 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau
của vị trí đặt đầu vào
đặt
= 10V, I = 8,7 A
89
Hnh 5.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 91
Hnh 5.2 Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con người và hệ mờ 94
Hnh 5.3 Ví dụ chọn tập dữ liệu vào/ra 96
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Hnh 5.4 Hệ điều khiển mờ theo luật I 101
Hnh 5.5 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 101
Hnh 5.6 Hệ điều khiển mờ theo luật PI 102

Hnh 5.7 Hệ điều khiển mờ PID 103
Hnh 5.8 Vị trí đặt bộ điều khiển mờ trong hệ điều khiển vị trí 105
Hnh 5.9 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu vào: vị trí đặt 106
Hnh 5.10 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu ra: Hệ số khuếch đại 106
Hnh 5.11 Các luật điều khiển mờ 106
Hnh 5.12 Sơ đồ khối của khối luật bù mờ. 107
Hnh 5.13 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ 108
Hnh 5.14 Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ 108
Hnh 5.15
Kết quả mô phỏng với 
đặt
= 10V, I = 0A
109
Hnh 5.16
Kết quả mô phỏng với 
đặt
= 10V, I = 8,7A
110

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
MỞ ĐẦ U
Ngy nay , cuộ c cá ch mạ ng khoa họ c kỹ thuậ t trên thế giớ i đang phá t triể n
vớ i tố c độ vũ bã o , không ngừ ng vươn tới những đỉnh cao mớ i, trong đó có nhữ ng
thnh tu v k thut t đng ha sn xut . Đa số cá c má y côn g cụ hiệ n đạ i đượ c
điề u khiể n theo chương trì nh số . Đây là nhữ ng điề u kiệ n kỹ thuậ t cơ bả n đ thc
hiệ n nhữ ng điề u kiệ n tự độ ng hó a linh hoạ t trên từ ng má y công c điu khin s
riêng lẻ , hay cá c trung tâm điề u khiể n số cng như vic g hp ni chng thnh mộ t
hệ thố ng linh hoạ t, điề u khiể n liên thông bằ ng má y tí nh ghé p nố i mng. Vớ i tiế n bộ
mnh m ca công ngh vi x l đ to điu kin nâng cao vưt bc công năng củ a
hệ điề u khiể n số , đồ ng thờ i vớ i việ c ngà y cà ng giả m về giá thà nh ca b điu khin

ny. Cm vi x l với tư cch l b phn chnh yu ca thit b v cc bo mch
ghp ni ngoi vi l những phn cng không th thiu đưc trong cá c my công c
CNC.
Trong cá c nhà má y xí nghiệ p công nghiệ p ở nướ c ta hiệ n nay my phay CNC
ni riêng v má y công c điu khin s CNC ni ch ung ngy cng đưc s dng
rộ ng rã i. Việ c phá t huy hiệ u quả sử dụ ng , bo dưng vậ n hnh my l vn đ đặ c
biệ t quan tâm củ a chú ng ta . Muố n phá t huy đượ c hiệ u quả tố i đa kh năng thit b
cng như vic ci tin n cho ph hp vớ i điề u kiệ n môi trườ ng và con ngườ i Việ t
Nam đò i hỏ i phả i c s hiu biế t sâu sắ c về má y công cụ CNC .
Việ c “Nghiên cứ u khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động
cho bn my phay CNC ” c mt  ngha rấ t lớ n trong ng nh t đng ha . Đó
chnh l ni dung đ ti lun văn tt nghip cao hc ca tôi.
Lun văn ny đưc chia thnh 5 chương sau:
Chương I - Tổng quan về máy công cụ CNC.
Chương II - Hệ thống đo lường và điều khiển trong máy CNC.
Chương III - Phân tích và chọn phương án truyền động cho bàn máy phay CNC
Chương IV - Tổng hợp hệ thống truyền động bàn máy phay CNC.
Chương V - Nâng cao chất lượng hệ truyền động bàn máy phay CNC bằng bộ
điều khiển mờ lai.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Tôi xin bà y tỏ lò ng biế t ơn chân thà nh tớ i PGS .TS Võ Quang Lạ p đ  hướng
dẫ n tậ n tình, chỉ bo cn k đ tôi hon thnh luậ n văn nà y . Xin gử i lờ i cả m ơn tớ i
tấ t cả cc Thy cc cô Khoa sau đạ i họ c, Khoa đin v cc bn đng nghip Trườ ng
ĐHKT Công nghiệ p Thá i Nguyên.



Thái nguyên Ngày 30 tháng 04 năm 2008
Tác giả luận văn

Tạ Minh Tiến
1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ CNC
1.1 Khái quát về các máy công cụ CNC.
1.1.1 Cơ sở của máy CNC.
Các trục của máy được trang bị dụng cụ đo vị trí để xác toạ độ của bàn máy
và của dao cụ (ví dụ Encoder vị trí gắn trên bàn máy để đo khoảng cách dịch
chuyển của bàn máy theo trục X trên hình 1.1). Khi trục máy di chuyển thì các dụng
cụ đo lường phát ra một tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu này và xác
định được toạ độ chính xác của các trục máy.









Hình 1.1 Cơ sở của các máy CNC
Trong hệ toạ độ đề các được xây dựng trên ba trục toạ độ vuông góc
(X,Y,Z). Một điểm trong mặt phẳng được xác định bởi hai trục toạ độ, một điểm
trong không gian được xác định bởi ba trục toạ độ (X,Y,Z) hình 1.2 cho biết các
trục của máy được miêu tả như thế nào thông qua hệ toạ độ đề các và kí hiệu các
trục toạ độ theo quy tắc bàn tay phải. Các máy công cụ CNC có thể điều khiển tới

chín trục, đó là các trục (U,V,W) là các trục chuyển động thứ hai song song với các
trục (X,Y,Z) còn các trục (A,B,C) là các trục quay quanh các trục (X,Y,Z).
Ngoài ra, trong lập trình gia công còn xử dụng hệ toạ độ cực. Một điểm trong
mặt phẳng được biểu diễn thông qua hai giá trị là bán kính và góc trong hệ toạ độ
cực.
Y
Z
X
2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên








1.1.2 Đặc điểm và phân loại.
Một cách tổng quát các máy công cụ CNC có thể được phân loại theo đặc
điểm sau:
- Truyền động: Thuỷ lực, khí và điện ...
- Phương pháp điều khiển máy: Toạ độ hay quỹ đạo ...
- Hệ thống định vị: Định vị kích thước nối tiếp và định vị tuyệt đối.
- Các vòng lặp điều khiển .
- Số trục tọ a độ.
Theo chức năng thì các máy công cụ CNC cũng như các máy công cụ vạn
năng, có thể được chia thành các nhóm sau:
- Nhóm máy tiện đại diện cho các máy tiện trong, tiện ngoài trên một phôi
đang quay, cũng như cắt ren trong và ren ngoài ...

- Nhóm may khoan, doa để khoan, doa các phôi.
- Nhóm máy phay để phay những chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo ra
các bề mặt và các góc đa dạng và cũng có thể khoan, phay và doa. Thay đổi nguyên
công bằng cách thay dao cụ, có nghĩa là chỉ cần một lần gá kẹp.
- Nhóm máy mài để gia công tinh. Nhóm này bao gồm các máy mài trục, mài
lỗ, mài phẳng, mài răng, mài rãnh then, mài dụng cụ ...
- Nhóm trung tâm gia công: Khoan, phay, tiện, doa, ...
Hình 1.2 Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các
3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Các máy CNC có thể thay dao bằng tay hoặc tự động. Có nhiều phương pháp
thay dao tự động, nó phụ thuộc vào kết cấu cơ khí của máy, phụ thuộc vào chương
trình điều khiển thay dao.
Các máy CNC có thể cấp phôi bằng tay hoặc tự động. Những máy được
trang bị bộ phận cấp phôi tự động có thể làm các chi tiết mà không cần có sự phục
vụ của người vận hành. Kiểu máy này gọi là modul gia công linh hoạt (Flexibe
Manufacturing Module).
Các thông số kỹ thuật của máy CNC là:
1. Đường kính lớn nhất của phôi tiện trên máy tiện.
2. Đường kính khoan lớn nhất của máy khoan.
3. Đường kính trục doa lớn nhát của máy doa.
4. Chiều rộng lớn nhất của bàn máy phay.
5. Kích thước khuôn và trọng lượng máy.
6. Số trục phối hợp có thể điều khiển và số trục có thể điều khiển đồng
thời.
7. Ngăn chứa dụng cụ (dao).
8. Thiết bị cấp (tháo) phội tự động của máy.
9. Băng tải phôi của máy.
10. Hệ thống điều khiển của máy.
11. Hệ thống truyền động của máy.

12. Hệ thống đo lường.
1.2 Nguyên lí vận hành của một máy công cụ điều khiển số.
1.2.1 Chƣơng trình gia công chi tiết.
Chương trình gia công chi tiết gồm có các chương trình điều khiển và dữ
liệu.
Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lưu giữ
trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ hoặc đĩa Compact CD) sau đó được nạp vào hệ
điều khiển số qua cửa nạp tương thích.
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Dữ liệu gồm các giá trị hiệu chỉnh biên dạng, các dữ liệu chỉnh máy, các số liệu
về dao cụ ... được nạp vào từ bảng điều khiển.
Chương trình điều khiển và dữ liệu được chuyển trực tiếp từ máy tính chủ sang
hệ điều khiển số của từng trạm gia công (hệ CNC).
1.2.2 Khối điều khiển.
Thực hiện chương trình gia công chi tiết trên cơ sở dữ liệu sẵn có và tín hiệu
từ bên ngoài.
Nhận các giá trị vị trí của các trục từ sensor đo vị trí (encoder), và tốc độ của
các trục.
Thực hiện các chương trình điều khiển các cơ cấu chấp hành, động cơ của trục
chính, động cơ của các trục truyền động riêng lẻ để phối hợp tạo nên biên dạng và
tốc độ gia công đã xác định.
1.2.3 Điều khiển logic.
Điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ như sau:
Tốc độ chạy nhanh (Không cắt) tối đa, bố trí xếp đặt các trục máy, các trạng
thái đóng ngắt mạch của hệ điều khiển và giới hạn vùng làm việc của hệ thống
công nghệ (bàn máy, gá lắp, dao cụ), lệnh đóng/ngắt bơm dung dịch làm mát và bôi
trơn, lệnh tạo số vòng quay cho trục chính, lệnh đổi dao cụ.
Đầu ra khối điều khiển logic đi điều khiển các cơ cấu chấp hành như: Van
thuỷ lực, van khí nén, các rơle ...

1.3 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC.
Màn hình dùng để hiển thị toạ độ hiện tại của các trục truyền động, trạng thái làm
việc của toàn hệ thống ...
Bảng điều khiển để và o dữ liệu điều chỉnh máy, lập trình gia công, cài đặt hệ
thống ...
Tay quay điện tử dùng để vận hành máy trong các trường hợp để hiệu chỉnh
máy, đo chi tiết ... mà phải mở cửa làm việc.
5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Các khối vào ra (I/O), các bộ điều khiển truyền động (BKĐ) liên lạc với
CPU thông qua một BUS hệ thống. Các khối Flash + RAM để lưu dữ các chương
trình điều khiển, dữ liệu máy và liên lạc với CPU thông qua BUS trong của CPU.
Các cơ cấu chấp hành là van thuỷ lực, van khí nén, công tắc tơ, rơle...Các
sensor thường là các sensor trạng thái (Proxymity sensor), sensor áp suất, sensor
nhiệt độ ... Hệ thống đo lường là các cảm biến vị trí, cảm biến tốc độ để đưa các tín
hiệu phản hồi về các bộ điều khiển (Controller). Trục chính dùng để quay dao, còn
các trục toạ độ khác phục vụ cho việc di chuyển dao đến các vị trí được lập trình để
tạo nên biên dạng mong muốn.

1 Màn hình 2 Bảng điều khiển
3 Mạch ghép nối 4 Tay quay điện tử
Hình1.3 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC
KWH
1

3
2
HTĐK

CPU
Cnet Flash+Sram
BUS
I/O
BĐK
4
Sensor
HT đolường
Trục chính và
các trục TĐ khác
Cơ cấu
Chấp hành
6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 1.4 sơ đồ nguyên lý củ a 1 máy phay đứng 3 trục (X,Y,Z).
7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1.4 Hệ thống truyền thông tin.

Hình 1.5 Lưu thông tín hiệu trong điều khiển số
Bảng điều
khiển
Tay quay
Đầu đọc
Máy
vi tính
Bảng điều
khiển
Bảng điều
khiển
Dữ liệu dao Dữ liệu máy
Chuẩn bị thông tin
Xử lí thông tin
Điều chỉnh vị
trí
Điều chỉnh
thích ứng
Điều chỉnh số
vòng quay
trục chính
Rơle vòng
quay hiệu
chỉnh dòng
Rơle vòng
quay hiệu
chỉnh dòng
Tổng thể máy
công cụ
Truyền động

chạy dao
Truyền động
trục chính
Lớp 2
Lớp 1
Lớp 5
Lớp 4
Lớp 3
Lớp 6
Quản lý
Điều khiển

8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Lớp 1: Dữ liệu được nạp vào từ các nguồn.
- Bảng điều khiển
- Các cơ cấu tay quay điện tử. Cơ cấu này giới hạn cho việc gia công chi tiết
lẻ, kết cấu đơn giản hoặc quá trình hiệu chỉnh máy.
- Đầu đọc vật mang tin (băng từ, đĩa từ, đĩa compact).
- Từ một máy tính của hệ.
Lớp 2: Lưu dữ.
Thông tin đầu vào được lưu dữ trong các bộ nhớ. Chương trình gia công chi
tiết, các dữ liệu về dao cụ và giá trị hiệu chỉnh được lưu dữ trong bộ nhớ RAM. Các
dữ liệu hiệu chỉnh máy cũng được lưu dữ trong bộ nhớ RAM hoặc EPROM.
Lớp 3: Lưu chuyển.
Trong lớp này các dữ liệu chương trình bắt đầu được xử lý. Đường dịch
chuyển cần được thực hiện trong câu lệnh kế tiếp được tính toán, quỹ đạo tương
quan với biên dạng lập trình được tìm ra có tính đến khoảng cáchbằng bán kính dao.
Các phương pháp kiểm tra, nghiệm lại các thông số chương trình quan trọng như
trọng điểm kết một đường cong phi tuyến .v.v...

Lớp 4: Lưu xử lí.
Lớp này bao gồm các bộ nội suy, tìm gia những giá trị cần về toạ độ cho
mạch vòng điều chỉnh vị trí trên từng trục và đưa ra các số liệu điều khiển trục
chính và điều khiển toàn máy.
Lớp 5: Điều chỉnh
Gồm các bộ điều chỉnh dòng điện, bộ điều chỉnh tốc độ và bộ điều chỉnh vị
trí để điều khiển các động cơ truyền động các trục phù hợp với tốc độ chạy dao và
biên dạng đã lập trình.
Lớp 6: Cơ cấu chấp hành, cơ cấu dịch chuyển và đo lường.
1.5 Hệ thống tính toán và điều khiển.
1.5.1 Khái niệm và phân loại.
Hệ điều khiển CNC thực hiện như lưu đồ điều khiển hình 1.6 Giai đoạn đầu
tiên, những thông tin về kích thước công nghệ được đưa sang khâu chuẩn bị chương
Thông tin
kích thước
công nghệ
9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
trình, sau đó là công việc lập trình điều khiển.
Chương trình điều khiển được đưa vào thiết bị tính toán điều khiển, tạo ra tín
hiệu điều khiển các hệ tự động.
Cấu trúc của thiết bị tính toán điều khiển có thể chia ra làm hai nhóm: NC
(Numerical Control) và CNC (Computer Numerical Control).

Trong hệ CNC (hình 1.7) chương trình điều khiển được đưa vào khối sao
chương trình sau đó qua đầu vào đưa dến khối giải mã nhằm tạo ra các mã tương
thích của máy. Tín hiệu này hoặc đưa trực tiếp vào khối điều khiển hoặc đưa vào bộ
nhớ đệm và cuối cùng đến khối nội suy (Interpolation) để tính toán phân ra các toạ
độ truyền động. Mặt khác thông tin điều khiển còn đưa ra các lệnh điều khiển công
nghệ như tốc độ cắt, xoay chi tiết, thay dao.v.v...











Hệ truyền
động điện
tự động
Thiết bị tính
toán và điều
khiển
Chuẩn bị số liệu
cho lập trình
Chương trình
điều khiển
Chuẩn bị số liệu
cho lập trình
Hình 1.6 Lưu đồ điều khiển hệ CNC

3 1 2
4
5
6
8
Hệ T. Động
9
7
Lệnh công nghệ
KHỐI ĐỈÊU KHIỂN

Hình 1.7 Cấu trúc hệ điêu khiển NC
10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên













Trong hệ CNC (hình 1.8) khối ALU (Arithmetic Logic Unit) thực hiên các
phép toán số học và logic. Khối ALU nhận thông tin về công nghệ và thông tin điều
khiển từ máy tính thông qua khối I/O. Bên cạnh ALU là bộ nhớ để chương trình và

dữ liệu cần thiết để thực hiện chương trình. Hệ CNC bao gồm bộ vi điều khiển cấp
dưới và máy vi tính cấp trên. Nhờ vậy, có thể khếp nối với hệ điều khiển cấp trên để
thực hiện thiết kế tự động CAD và hệ điều hành sản xuất tự động CAM hợp thành
một hệ sản xuất linh hoạt FMS ...
1.5.2 Chuẩn bị chƣơng trình điều khiển cho hệ CNC.
a. Chuẩn bị chương trình bằng tay.
Những thông tin cần thiết để chuẩn bị chương trình là: Các bản vẽ chi tiết và
các điều kiện công nghệ. Người soạn thảo chương trình phải chuyển thông tin đó
thành chương trình điều khiển số cho máy gia công.




Nhớ cố
định
Nhớ
3


ALU
Lệnh công nghệ
Hình 1.8 Cấu trúc hệ điêu khiển CNC
Hệ T. Động
Từ máy tính
2 1
11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

+ Chọn hệ toạ độ (Tương ứng với hướng dẫn của ISO) sao cho điểm toạ độ
ban đầu cần phải trùng với điểm xuất phát của dụng cụ cắt hoặc chi tiết gia công.
+ Dựa trên quỹ đạo chuyển động giữ các điểm tựa, viết chương trình quỹ đạo
chuyển động (đường thẳng, đường tròn, Parabol, ...). Nếu như dùng phương pháp
gần đúng thì phải tính sai số.
+ Dựa vào các thông tin về công nghệ như chế độ căt, dụng cụ cắt, tốc độ cắt
... thành lập biểu đồ công nghệ.
b. Chuẩn bị chương trình từ máy vi tính.
Chuẩn bị chương trình điều khiển thực hiện bằng tính toán trực tiếp với chi
tiết gia công phức tạp mất nhiều thời gian và độ chính xác không đảm bảo. Ngày
Bản vẽ chi tiết
Chương trình
dạng Text
Kế hoạch
dụng cụ cắt

Kế hoạch
đồ gá
Kế hoạch
gia công
Bảng các
toạ độ
Mã hóa
Ghi băng
Biểu đồ
Công nghệ
Hình 1.9 Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay
12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
nay người ta thường thực hiện chuẩn bị chương trình nhờ máy tính. Đặc trưng của
lập trình bằng máy là việc ứng dụng một ngôn ngữ lập trình định hướng đối tượng.

Với sự trợ giúp của ngôn ngữ lập trình như vậy ta có thể:
- Xác định những nhiệm vụ gia công tương đối đơn giản và không thực hiện
các tính toán bằng tay.
- Chỉ cần truy nhập một số ít dữ liệu có thể sản sinh một số khối lượng lớn
các số liệu cho nhiệm vụ gia công.
- Những tính toán cần thiết đều do máy tính thực hiện.
- Dùng một ngôn ngữ biểu tượng tương đối dễ học mà các từ của nó hợp
thành bởi những khái niệm phổ biến Trong ngôn ngữ chuyên môn của kỹ
thuật gia công.
Bản vẽ chi tiết thô
& bản vẽ sản phẩm
Kế hoạch đầu ra
Soạn thảo chương
trình bằng ngôn
ngữ biểu tượng
Trao đổi thông tin
Hộp lưu dữ,
băng đục lỗ
Tính toán
Khai báo chương
trình các dữ liệu
công nghệ
Hoạt động theo
nguyên tắc trực
tiếp với máy NC
hay ghép nối DNC
Chương trình xử lý

Băng đục lỗ. vật
mang tin, đĩa CD
Bảng danh mục
Hình 1.10 Lưu đồ lập trình bằng máy
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- Tiết kiệm phần lớn thời gian trong khi mô tả chi tiết cần gia công và các
chu trình công tác cần thực hiện.
- Hạn chế được các lỗi lập trình, vì so với lập trình bằng tay chỉ cần cấp ít dữ
liệu vào máy tính và hầu như không cần phải tính toán.
Nếu tất cả các giai đoạn chuẩn bị chương trình đều thực hiện nhờ máy tính
gọi là tự động tự động hoá toàn bộ khâu chuẩn bị chương trình. Tuy nhiên trong
trường hợ p chuyển từ giai đoạn này sang giai đoạn khác cần phải thực hiện bằng
chương trình công nghệ theo mô hình toán học mô tả đối tượng. Hiện nay tồn tại
nhiều ngôn ngữ lập trình cho việc thực hiện tự động hoá chuẩn bị chương trình điều
khiển.
Trong việc thực hiện tự động hoá chuẩn bị chương trình điều khiển máy tính
sẽ đảm nhận các bài toán về kích thước hình học và công nghệ tính toán các toạ độ
điểm tựa, tiệm cận hoá các đường cong, tính toán các tham số khoảng cách đẳng trị.
Tính toán lượng ăn dao và tốc độ cắt, cụ thể gồm các bước sau:
1. Chọn ngôn ngữ để mô tả quỹ đạo chuyển động, ngôn ngữ này phải có đủ khả
năng mô tả được các kích thước tham số của quỹ đạo chuyển động với lời
diễn tả đơn giản dễ sử dụng.
2. Gia công thuật biến đổi thông tin về kích thước hình học sao cho có thể phối
hợp với ngôn ngữ của máy gia công.
3. Tạo các thuật toán giải các bài toán mẫu theo các quỹ đạo gia công đặt ra.
4. Gia công các thuật toán đẻ phục vụ cho các đối tượng cụ thể.
1.5.3 Cấu trúc hệ điều khiển CNC.
Hình 1.11 Cấu trúc đầy đủ của một hệ CNC
Máy tính có nhiệm vụ quản lý, quan sát, lập trình. Ngoài ra nhờ có khối ghép

nối (Interface Bus) để hệ có thể nối mạng với các máy tính bên ngoài với mục đích
để truyền dữ liệu, quản lý, theo dõi hoặc điều khiển DCN. Bảng điều khiển và tay
quay điện tử dùng để vận hành máy, vào các dữ liệu, chọn các chế độ làm việc, lập
trình gia công ...

14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Khối NC có nhiệm vụ thu thập và xử lý dữ liệu, nội suy, tính toán quỹ đạo,
điều phối. Chức năng của PLC là điều khiển quá trình công nghệ của toàn hệ.Trong
một số trường hợp cả ba khối (NC, PLC, và khối vi điều khiển) được chế tạo thành
một khối (hình 1.11), nó đảm bảo toàn bộ chức năng điều khiển của hệ.
Hình 1.11 Cấu trúc của hệ CNC
Máy tính lập trình,
quản lý, theo dõi,
DNC
Bảng điều khiển,
Tay quay điện tử
Máy tính quan sát
& vận hành
Interface Bus
Khối
NC
Khối
Vi ĐK
Biến
đổi 1
Biến
đổi 2
Biến
đổi n
Đo lường
M1 Mn M1
Khối
NC
…
…
15

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Khối vi điều khiển gồm các Controller (bộ điều khiển vị trí, bộ điểu chỉnh
tốc độ ...) thực hiện tất cả các bước cho chuyển động tuyến tính, các chuyển động
phi tuyến để đạt được biên dạng lập trình.
Các bộ phận của cấu trúc này như truyền động điện, đo lường, hệ điều khiển
... sẽ được nghiên cứu chi tiết ở các chương sau.
1.6 Hệ DNC.
Máy công cụ CNC được điều khiển theo chương trình số viết bằng các mã ký
tự số, các chữ cái và một số ký tự chuyên dụng khác. Trong đó hệ thống điều khiển
có cài đặt các bộ vi xử lí đảm nhiệm các chức năng cơ bản của chương trình số như:
tính toán toạ độ trên các trục điều khiển theo thời gian thực, giám sát các trạng thái
thực của máy, tính toán các giá trị chỉnh lý dao cắt, tính toán nội suy trong điều
khiển quỹ đạo biên dạng (tuyến tính, phi tuyến), thực hiện so sánh các cặp giá trị
mong muốn và giá trị thực.
Điều khiển trực tuyến DNC (Direct Numerical Control) là một hệ thống điều
khiển trong đó dùng máy tính điều hành trực tiếp nhiều máy công tác điều khiển
theo chương trình số. Đặc tính cơ bản của hệ DNC là sự ghép nối trực tuyến
(online) nhiều máy CNC với một máy tính.








Hệ DCN có thể trao đổi thông tin theo hai cách:
Cách 1: Vận hành BTR (Behind Tappe Reader). Thông tin điều khiển từ máy
tính sau khi qua bộ phận đọc dữ liệu từ vật mang tin sẽ được chuyền vào hệ điều
khiển CNC.

Máy tính chủ
Máy
CNC
Máy
CNC
Dữ liệu từ vật
mang tin
Hình 1.12 Hệ DNC
Bộ phận ghép nối
16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Cách 2: Vận hành trực tiếp. Máy tính trung tâm gộp luôn các bộ nhớ thông
tin và bộ nhớ nội suy cũng như các khả năng khác của CNC vào trong máy tính.
Các máy công tác chỉ còn có cụm điều khiển logic và các mạch vòng điều chỉnh,
ngoài ra giữa chúng còn có một mạch nối ghép thích hợp .
Cách 2 có ưu điểm là hệ điều khiển máy công tác rẻ hơn nhiều (do máy tính
chủ đã phụ trách một số công việc). Nhưng do lệ thuộc hoàn toàn vào máy tính chủ
nên ít dùng.
Trong hệ DCN, nhiệm vụ cơ bản của máy tính trung tâm và quản lý tập trung
các chương trình gia công CNC và phân phối đến các máy công tác.
Quá trình lưu trữ và cập nhật dữ liệu điều khiển số cho từng máy CNC trong
hệ thống có tính tiện lợi và kinh tế.
Chức năng của một hệ DNC
Chức năng cơ bản Quản lý chương trình NC
Phân phối dữ liệu NC
Sửa chữa dữ liệu NC
Chức năng mở rộng Điều chỉnh chương trình NC
Thu thập và xử lý các dữ liệu hoạt động
Chức năng điều khiển cho dòng vật chất
Các chức năng thành phần của quá trình gia công

Tuỳ thuộc vào cấu hình của máy CNC riêng lẻ mà nó có thể ghép nối trực
tiếp với máy tính chủ bởi giao thức truyền TCP/IP hình 1.13, OSI hoặc giao thức
khác. Người điều khiển có thể thông qua một Terminal mà liên hệ với máy tính
trung tâm. Theo nguyên tắc, người điều khiển máy chỉ cần thông báo cho máy tính
trung tâm chương trình nào được khai thác tiếp theo. Bộ xử lý trung tâm của máy
tính chủ cho phép gọi ra chương trình CNC cần thiết từ bộ nhớ ngoại vi của nó. Từ
đó, các dữ liệu điều khiển máy CNC sẽ được thông báo, tuỳ thuộc hình thức tổ chức
trong hệ điều khiển của máy công tác, theo từng câu lệnh riêng lẻ hoặc toàn bộ
chương trình.