Nghiên cứu công nghệ CNC và xây dựng các bài thực hành trên máy phay CNC phục vụ đào tạo ở trường cao đẳng nghề cơ giới ninh bình

Luận văn Thạc sỹ TRƯỜNG
kỹ thuật ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội
HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đề tài: Nghiên cứu công nghệ CNC và xây dựng các bài thực hành

trên máy phay CNC phục vụ đào tạo ở Trường cao đẳng nghề cơ
giới Ninh Bình

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. TRẦN VĂN ĐỊCH
Học viên:

PHẠM VĂN MỸ

Chuyên ngành:

CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Mã số:

CTM11A-02

HÀ NỘI - 2013

Học viên: Phạm Văn Mỹ

1

Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tơi, do chính tơi thực
hiện dưới sự chỉ giáo của người hướng dẫn. Những số liệu và kết quả nghiên cứu
được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác. Các thơng tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ
rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày 04 tháng 03 năm 2013
Học viên

Phạm Văn Mỹ

Học viên: Phạm Văn Mỹ

2


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

LỜI CẢM ƠN
Với tình cảm chân thành của mình tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới Lãnh đạo nhà
trường, Viện đào tạo sau đại học, Khoa cơ khí chế tạo máy, Trường ĐH Bách Khoa Hà
Nội, Trường Cao đẳng nghề cơ giới Ninh Bình đã tạo mọi điều kiện cho tơi trong suốt
q trình học tập, nghiên cứu để cho tơi được nâng cao trình độ và đạt được kết quả

như hôm nay, nhằm đáp ứng ngày càng tốt hơn yêu cầu nhiệm vụ.
Tôi xin chân thành cảm ơn GS-TS. Trần Văn Địch, đã tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện đề tài, cùng với các Thầy giáo, Cơ giáo Khoa
Cơ khí chế tạo máy Trường Đại Bách Khoa Hà Nội đã hết lịng khơng quản thời gian
giúp đỡ để tơi thực hiện hồn thành đề tài đúng tiến độ.
Trong q trình thực hiện luận văn tốt nghiệp, bản thân tôi đã thực sự nỗ lực
trong thực nghiệm, tìm hiểu nhiều tài liệu tham khảo, kết hợp với những kiến thức đã
được học ứng dụng vào đề tài được giao để hoàn thành nội dung đặt ra. Tuy nhiên, do
năng lực và kinh nghiệm còn hạn chế nên nội dung của bản luận văn khơng tránh khỏi
những thiếu sót. Rất mong được sự quan tâm, góp ý của q Thầy, Cơ giáo và các bạn
đồng nghiệp để bản luận văn được hoàn chỉnh hơn và có hướng khắc phục trong
nghiên cứu tiếp theo.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, Ngày 04 tháng 03 năm 2013
Học viên

Phạm Văn Mỹ

Học viên: Phạm Văn Mỹ

3


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 2
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 3

MỤC LỤC ....................................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................... 8
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 12
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ CÔNG NGHỆ CNC ..................... 12
1.1. Bản chất của điều khiển số ................................................................................... 12
1.1.1. Điều khiển không theo số ................................................................................12
1.1.2. Điều khiển số...................................................................................................15
1.1.3. Mã hố thơng tin .............................................................................................15
1.1.4. Máy cơng cụ điều khiển theo chương trình CNC ...........................................17
1.2. Lịch sử phát triển của các máy CNC .................................................................... 24
1.3. Hướng phát triển của máy CNC trên thế giới và Việt Nam ................................. 27
1.3.1. Từ các máy CNC tới FMS ..............................................................................28
1.3.2. Tính ưu việc của máy CNC .............................................................................35
1.4. Kết luận ................................................................................................................ 37
Chương 2: GIỚI THIỆU TRUNG TÂM GIA CÔNG AGMA-A8 VÀ PHƯƠNG
PHÁP LẬP TRÌNH GIA CƠNG ................................................................................... 38
2.1. Giới thiệu trung tâm gia công AGMA-A8 ........................................................... 38
2.1.1. Phạm vi sử dụng ..............................................................................................39
2.1.2. Bảng điều khiển...............................................................................................39
2.1.2.1. Cấu tạo ..................................................................................................... 39
2.1.2.2. Các phím chức năng ................................................................................ 40
2.1.3. Các công tắc chức năng: .................................................................................40
2.1.4. Thông số kỹ thuật ............................................................................................44
2.1.4.1. Các chuyển động chính của máy ............................................................. 45
2.1.4.2. Chuyện động chạy dao ............................................................................. 45
2.1.4.3. Các nhiệm vụ chuyển động chạy dao ...................................................... 46
2.1.4.4. Kết cấu vít me - Đai ốc bi ........................................................................ 47
Học viên: Phạm Văn Mỹ

4

Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

2.1.5. Chuyển động của đầu trục chính .....................................................................47
2.1.6. Yêu cầu kĩ thuật của trục chính .......................................................................49
2.1.7. Cấu hình chuẩn ................................................................................................49
2.1.7.1. Phần mềm điều khiển trên PC ................................................................. 49
2.1.7.2. Biên soạn chương trình ............................................................................ 49
2.1.7.3. Mơ phỏng ................................................................................................. 49
2.1.7.4. Thực hiện gia công .................................................................................. 50
2.1.7.5. Chế độ điều khiển bằng tay ..................................................................... 50
2.1.7.6. Chức năng đặc biệt .................................................................................. 50
2.2. Phương pháp lập trình gia cơng ............................................................................... 50
2.2.1. Các phương pháp lập trình ..............................................................................50
2.2.1.1. Lập trình bằng tay .................................................................................... 50
2.2.1.2. Lập trình bằng máy .................................................................................. 50
2.2.2. Các hình thức tổ chức lập trình .......................................................................51
2.2.2.1. Lập trình tại phân xưởng.......................................................................... 51
2.2.2.2. Lập trình trong chuẩn bị sản xuất ............................................................ 51
2.2.3. Chuẩn bị lập trình ............................................................................................52
2.2.3.1. Những yêu cầu đối với người lập trình .................................................... 52
2.2.3.3. Nhập chương trình vào máy .................................................................... 53
2.2.3.4. Các thuật ngữ trong lập trình ................................................................... 54
2.2.3.5. Điều khiển và định hướng các trục .......................................................... 55
2.2.3.6. Điểm gốc phôi .......................................................................................... 57
2.2.3.7. Tọa độ lập trình ........................................................................................ 57
2.2.3.8. Xác định điều kiện cắt gọt ....................................................................... 60

3.9. Các dạng mã lệnh ........................................................................................... 61
2.2.3.10. Mẫu cơ bàn của một chương trình ......................................................... 63
2.2.4. Mã lệnh G ........................................................................................................64
2.2.4.1. Danh sách các mã G ................................................................................ 64
2.2.4.2. Các dạng tọa độ (G90, G91) .................................................................... 67
2.2.4.3. Lựa chọn tọa độ phôi G54-G59 ............................................................... 68
Học viên: Phạm Văn Mỹ

5


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

2.2.4.4. Bù chiều dài dụng cụ G53, G44, G49 ...................................................... 70
2.2.4.5. Lựa chọn mặt phẳng gia công G17, G18, G19 ........................................ 75
2.2.4.6. Di chuyển dụng cụ với tốc độ chạy không cắt G00 ................................. 78
2.2.4.7. Di chuyển dụng cụ theo đường thẳng với tốc độ chạy dao cắt gọt G01 .. 79
2.2.4.8. Di chuyển dụng cụ theo cung tròn với tốc độ tiến dao cắt gọt G02, G0380
2.2.4.9. Lệnh dừng tạm thời G04 .......................................................................... 84
2.2.4.10. Trở về điểm gốc chính của máy hoặc gốc thứ 2, 3, 4 ............................ 85
2.2.4.11. Bù bán kính dụng cụ G40, G41và G42.................................................. 86
2.2.4.12. Lựa chọn hệ tọa độ máy G53 ................................................................. 88
2.2.5. Bảng mã M ......................................................................................................88
2.2.5.1. Dừng chương trình và dừng lựa chọn M00, M01 .................................... 92
2.2.5.2. M02, M30 kết thúc chương trình và lặp lại chương trình ....................... 92
2.2.5.3. Quay và dừng trục chính M03, M04, M05 .............................................. 93
2.2.5.4. Đổi dụng cụ M06 ..................................................................................... 94
2.2.5.5. Bật tắt dung dịch trơn nguội M08, M09 .................................................. 94

2.2.5.6. Khóa trục chính M19 ............................................................................... 95
2.2.5.8. Chu trình cất dụng cụ M33 ...................................................................... 96
2.2.5.9. Bật và tắt q trình thổi khí M51, M59 ................................................... 97
2.2.5.10. Gọi chương trình con và trở về từ chương trình con M98, M99 ........... 97
2.2.6. Mã lệnh T, S và F ............................................................................................98
2.2.6.1. Mã lệnh T ................................................................................................. 98
2.2.6.2. Mã lệnh S ................................................................................................. 98
2.2.6.3. Mã lệnh F ................................................................................................. 99
2.2.7. Mã lệnh D và H ...............................................................................................99
2.2.7.1. Mã lệnh D .....................................................................................................99
2.2.7.2. Các thuật ngữ giải thích chức năng bù bán kính dụng cụ ...................... 100
2.2.7.3. Mã lệnh H .............................................................................................. 100
Chương 3: LẬP TRÌNH GIA CƠNG CÁC BÀI THỰC HÀNH TRÊN MÁY PHAY
CNC AGMA - A8 VỚI HỆ ĐIỀU KHIỂN FANUC OI-MC...................................... 103

Học viên: Phạm Văn Mỹ

6


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

3.1. Xác định chuẩn kỹ năng đối với sinh viên Cao đẳng Nghề về kỹ năng thực hành
CNC tại Trường cao đẳng nghề cơ giới Ninh Bình. ................................................. 103
3.2. Các bài tập lập trình gia cơng trên máy phay CNC ACMA - A8 ..................... 103
Chương 4: KIỂM NGHIỆM ĐÁNH GIÁ .................................................................. 120
4.1. Mục đích, nhiệm vụ, phương pháp và đối tượng kiểm nghiệm ......................... 120
4.1.1. Mục đích của kiểm nghiệm ...........................................................................120

4.1.2. Nhiệm vụ của kiểm nghiệm ..........................................................................120
4.1.3. Phương pháp kiểm nghiệm ...........................................................................120
4.2. Nội dung và tiến hành thực nghiệm ................................................................... 121
4.2.1. Đối tượng thực nghiệm .................................................................................121
4.2.2. Chuẩn bị thực nghiệm ...................................................................................121
4.3. Đánh giá, xử lý kết quả thực nghiệm ................................................................. 121
4.3.1. Đánh giá định tính .........................................................................................122
4.3.2. Đánh giá định lượng ......................................................................................122
4.4. Phương pháp chuyên gia .................................................................................... 127
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 128
I. Kết luận .................................................................................................................. 128
II. Kiến nghị. ............................................................................................................. 128
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 129

Học viên: Phạm Văn Mỹ

7


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Hệ thống điều khiển theo cam
Hình 1.2 Điều khiển theo quãng đường
Hình 1.3. Điều khiển thời gian
Hình 1.4. Điều khiển theo chu kỳ
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy gia công CNC
Hình 1.6. Chu trình điều khiển trong các hệ điều khiển NC

Hình 1.7. Các dịng thơng tin trong điều khiển CNC
Hình 1.8. Phương án nhiều bộ vi xử lý
Hình 1.9. Hệ thống DNC
Hình 1.10. Lịch sử phát triển của CNC
Hình 1.11. Máy CNC điều chỉnh nhiều nguyên công với ụ trục chính thay đổi
Hình 1.12. Dây chuyền tự động điều chỉnh
Hình 1.13. Hệ thống điều khiển FMS
Hình 2.1. Trung tâm gia cơng AGMA-A8
Hình 2.2. Bảng điều khiển trung tâm gia cơng AGMA-A8
Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động chạy dao
Hình 3.1. Thao tác vận hành máy
Hình 3.2. Chiều chuyển động trên máy CNC
Hình 3.3. Chuyển động của các trục chính
Hình 3.4.a. Điểm gốc phơi
Hình 3.4.b. Điểm gốc phơi
Hình 3.5.a. hệ tọa độ tuyệt đối
Hình 3.5.b. Hệ tọa độ tuyệt đối
Hình 3.6.a. Lệnh gia số
Hình 3.6.b. Lệnh gia số
Hình 3.7. Điều kiện cắt
Hình 3.8. Hệ tọa độ 91
Hình 3.9. Lựa chọn tọa độ phôi
Học viên: Phạm Văn Mỹ

8


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 3.10.a. G54 đến G59
Hình 3.10.b. G54 đến G59
Hình 3.11. Bù chiều dài dụng cụ
Hình 3.12.a. Dụng cụ
Hình 3.12.b. Dụng cụ 2
Hình 3.12.c. Dụng cụ 3
Hình 3.13. Lập trình sử dụng dụng cụ
Hình 3.14. Chọn mặt gia cơng
Hình 3.15.a. Lập trình cung trịn
Hình 3.15.b. Lập trình cung trịn
Hình 3.16. Gia cơng bán cầu lõm
Hình 3.17.a. Di chuyển dụng cụ nhanh
Hình 3.17.b. Di chuyển dụng cụ nhanh
Hình 3.18.a. Di chuyển dụng cụ G01
Hình 3.18.b. Di chuyển dụng cụ G01
Hình 3.19.a. Di chuyển dụng cụ G02
Hình 3.19.b. Di chuyển dụng cụ G02, G03
Hình 3.20. Lập trình G02, G03
Hình 3.21.a. Dừng tạm thời
Hình 3.21.b. Dừng tạm thời G04
Hình 3.22.a. Bù bán kính
Hình 3.22.b. Bù bán kính
Hình 3.23. Dừng chương trình
Hình 3.24. Kết thúc chương trình
Hình 3.25. Chiều quay trục chính
Hình 3.26. Thay dụng cụ
Hình 3.27. Tắt trơn nguội
Hình 3.28. Khóa trục chính
Hình 3.29. Nguồn ngắt tự động

Hình 3.30: Cất dụng cụ
Học viên: Phạm Văn Mỹ

9


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 3.31. Chương trình con
Hình 3.32. Gọi dụng cụ
Hình 3.33. Tốc độ trục chính
Hình 3.34. Tốc độ tiến dao
Hình 3.35: Địa chỉ bù bán kính
Hình 3.36.Offset dụng cụ
Hình 4.1 : Đường tần suất của lớp đối chứng và lớp thực nghiệm
Hình 4.2: Đường tần suất lớp hội tụ tiến của lớp đối chứng

Học viên: Phạm Văn Mỹ

10


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

NC

Numerical Control

Điều khiển số

CAD

Computer Aided Design

Thiết kế với sự trợ giúp của máy

CAM

Computer Aided Manufacturing

Sản xuất có sự trợ giúp của máy tính

CNC

Computer Numerical Control

Điều khiển số bằng máy tính

2D

2 Dimension

Khơng gian 2 chiều

3D

3 Dimension

Khơng gian 3 chiều

PP

Post Processor

Hậu xử lý

CLD

Cutter Location Data

Chương trình xử lý

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

PLC

Programmable Logic Controller

Bộ điều khiển PLC

FMS

Flexible manufacturing system

Hệ thống sản xuất linh hoạt

CIM

Computer Integrated manufacturing Hệ thống sản xuất tích hợp

tính

with planning, design and manufacturing

Học viên: Phạm Văn Mỹ

11


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

MỞ ĐẦU
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ CÔNG NGHỆ CNC
1.1. Bản chất của điều khiển số
Khi 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 kỳ gia cơng. Để có một
chu kỳ gia công ta phải xác định một đại lượng và một thứ tự của hành trình. Phần

"thứ tự" được gọi là phần điều khiển. Thật vậy, chương trình làm việc của bất kỳ một
máy tự động nào cũng cần có hai loại thơng tin: Về kích thước (xác định hành trình
của chu kỳ), về điều khiển (xác định thứ tự của hành trình theo thời gian).
Người ta chia các hệ thống điều khiển máy công cụ ra hai loại:
- Điều khiển khơng theo số (hay cịn gọi là điều khiển truyền thống, điều khiển liên
tục);
- Điều khiển số.
1.1.1. Điều khiển không theo số
Hệ thống điều khiển không theo số có các loại như sau: điều khiển bằng các cam,
điều khiển bằng quãng đường, điều khiển theo thời gian và điều khiển theo chu kỳ.
* Hệ thống điều khiển theo cam

Hình 1.1. Hệ thống điều khiển theo cam
Theo hệ thống này thì quãng đường (hành trình) L được xác định theo công thức:
L = S0.K

(1.1)

Ở đây: So - khoảng nâng Prôfin của cam (mm)

Học viên: Phạm Văn Mỹ

12


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

K - Tỷ số truyền trung gian (trên hình 1.1 ta có K = L2/L1)

* Hệ thống điều khiển theo quãng đường

Hình 1.2 Điều khiển theo quãng đường
Ở đây, đại lượng hành trình của cơ cấu chấp hành được giới hạn bởi hai bộ
chuyển hành trình KBB và KBH: KBB giới hạn di chuyển của cơ cấu chấp hành về
bên trái hay về phía trước; KBH giới hạn di chuyển cơ cấu chấp hành về bên phải hay
phía sau. Đại lượng hành trình L được xác định như sau :
L = b - a = b 1 + b 2 - a2 + a 1

(1.2)

Ở đây: a1, a2, b1, b2 - toạ độ của các chốt và các bộ chuyển hành trình (mm);
a - Khoảng cách giữa các chốt trên cơ cấu chấp hành;
b - Khoảng cách giữa hai bộ chuyển hành trình.
* Hệ thống điều khiển thời gian

Hình 1.3. Điều khiển thời gian

Học viên: Phạm Văn Mỹ

13


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trong hệ thống điều khiển này thì cơ cấu chấp hành được điều khiển bằng bộ
điều khiển. Bộ điều khiển ở đây là một chi tiết hình tang trống mà trên nó có một số
đường rãnh nhất định. Trên các đường rãnh này có gá các cam. Các cam này được lắp

với các cữ hành trình (bộ chuyển hành trình). Cữ hành trình điều khiển mỗi chu kỳ gia
cơng theo các lệnh điều khiển "dịch chuyển về bên trái" (theo cữ KBH) hoặc điều
khiển "dịch chuyển về bên phải" (theo cữ KBK).
Chiều dài hành trình được xác định theo công thức:

L=

.V .T
(1.3)

360

Ở đây: T - thời gian quay một vịng của bộ điều khiển (ph);
- góc gá cam (0);
V - tốc độ trung bình của cơ cấu chấp hành (m/ph).
* Hệ thống điều khiển theo chu kỳ
Hệ thống điều khiển này là tổng hợp của hai hệ thống điều khiển theo quãng
đường và thời gian. Ở đây đại lượng hành trình được xác định bằng các cữ hành trình
trong hệ thống điều khiển theo quãng đường hoặc bởi bộ điều khiển trong hệ thống điều
khiển thời gian.

Hình 1.4. Điều khiển theo chu kỳ
Trên (hình 1.4) ta thấy, khi bộ điều khiển tác động vào rơ le "tiến" thì cơ cấu
chấp hành dịch chuyển phía trước, khi bộ điều khiển tác động vào rơ le "lùi" thì cơ cấu
chấp hành dịch chuyển sang phía sau (về bên phải). Dĩ nhiên, bộ điều khiển chỉ tác

Học viên: Phạm Văn Mỹ

14

Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

động vào rơ le "lùi" khi cơ cấu chấp hành chạm vào cữ hành trình KBB. Khi cơ cấu
chấp hành dịch chuyển về bên phải thì rơ le "tiến" không làm việc. Rơ le "tiến" chỉ
hoạt động khi cơ cấu chấp hành chạm vào cữ hành trình KBH và lúc ấy chu kỳ mới
được lặp lại. Ta thấy các hệ thống điều khiển trên đây tuy không giống nhau nhưng đại
lượng hành trình lại được điều khiển giống nhau (liên tục). Điều đó có nghĩa là điều
khiển theo chương trình số .
1.1.2. Điều khiển số
Điều khiển số là hệ thống điều khiển mà mỗi hành trình được điều khiển theo số.
Mỗi thông tin đơn vị ứng với một dịch chuyển gián đoạn của cơ cấu chấp hành. Đại
lượng này có tên gọi là "khả năng giải quyết" của hệ thống hay là giá trị xung. Cơ cấu
chấp hành có thể dịch chuyển với một đại lượng bất kỳ nào ứng với giá trị xung. Như
vậy, khi biết giá trị xung q và đại lượng dịch chuyển L của cơ cấu chấp hành, ta có thể
xác định số lượng xung N cần thiết tác động để có lượng dịch chuyển L:
L = q.N.

(1.4)

Số lượng xung N được ghi trên kênh thơng tin được gọi là một chương trình xác
định đại lượng thơng tin kích thước. Các thơng tin cần thiết được ghi trên băng đục lỗ
hoặc băng từ. Số lượng thơng tin được ghi trong một hệ thống mã hố nhất định [9].
1.1.3. Mã hố thơng tin
Con người và máy quan hệ với nhau bằng một ngôn ngữ mà máy có thể hiểu
được. Máy phải đọc được chương trình do con người ghi và thực hiện theo chương
trình đó. Khi cơ cấu điều khiển số bị hỏng, chương trình có sai sót thì điều khiển số sẽ
truyền thơng tin về nguyên nhân ngừng hoạt động.

* Chữ cái
Chữ cái của mã số là tập hợp các ký hiệu được dùng khi mã hoá. Các phần tử
mới hiện nay của tự động hố chỉ có hai trạng thái ổn định: Cơng tắc kín hoặc cơng tắc
hở, trong mạng của băng đục lỗ có thể có hoặc khơng có lỗ.... Một trạng thái ứng với
ký hiệu 1 (cấp dòng năng lượng chẳng hạn), còn trạng thái khác ứng với ký hiệu 0
(ngắt dòng năng lượng chẳng hạn). Vì vậy chữ cái của mã số chỉ chứa hai ký hiệu
{0,1} [11].

Học viên: Phạm Văn Mỹ

15


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

* Mã thập phân
Cơ sở của hệ thập phân (mã thập phân) là số 10. Hệ thống này có 10 ký tự:
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Người ta chọn hệ thập phân để tính là xuất phát từ lịch sử tính
tốn bằng 10 ngón tay.
Theo hệ thập phân thì số 3807,45 được viết như sau: 3.103 + 8.102 + 0.101 +
7.100 + 4.10-1 + 5.10-2. Ta thấy, ví trị đầu tiên bên trái dấu phẩy ứng với số mũ 0 đi
vè bên trái của dấu phẩy, các số mũ luỹ thừa tăng dần (2,3). Đi về bên phải của dấu
phẩy số mũ lũy thừa giảm dần: - 1, -2, -3... Ví dụ, trong trường hợp phân tích số
3807,45 thì số mũ luỹ thừa giảm như sau: -1, -2 (bằng các chữ số đứng đằng sau dấu
phẩy). Mã số thập phân tuy chứa được nhiều dung lượng nhưng lại rất phức tạp khi
tính tốn [7].
* Mã số đơn vị
Mã số đơn vị là một loại mã số trong đó mỗi số được biểu thị bằng số lượng các

ký hiệu chữ số 1.
Ví dụ:
1

1

5

11111

9

111111111

2

11

6

111111

10

1111111111

3

111

7

1111111

4

1111

8

11111111

Hệ thống mã số đơn vị có ưu điểm là đơn giản, dễ sử dụng. Nó được sử dụng để
ghi số lượng các xung trên băng từ. Tuy nhiên, mã số đơn vị có nhược điểm là cồng
kềnh, phức tạp. Ví dụ để biểu diễn số trong hệ thập phân 358610 bằng mã số đơn vị thì
phải cần tới 3586 ký hiệu 111....111....111 [8].
* Mã nhị phân
Cơ sở của mã nhị phân là số 2. Đa số 2 lên cấp có số mũ nguyên dương
(0,1,2,3...) ta sẽ được dãy số 20, 21, 23, 24... ứng với dãy số 1,2,3,4,8,16... Bất kỳ một
số nào trong hệ nhị phân là tổ hợp của chữ số 0 và 1 [11]. Để chuyển số từ hệ tính thập
phân sang hệ tính nhị phân cần phải chia tuần tự số thập phân cho 2 như ví dụ cho số
43 sau đây:

Học viên: Phạm Văn Mỹ

16


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật
43: 2 = 21

lẻ 1

21: 2 = 10

lẻ 1

10:2 = 5

lẻ 0

5: 2 = 2

lẻ 1

2: 2 = 1

lẻ 0

1: 2 = 0

lẻ 1

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Vậy giá trị số tương ứng trong hệ nhị phân số 4310 được diễn là 1101011. Ngược lại,
số trong hệ nhị phân 1010112 có thể biểu diễn sang hệ thập phân như sau:
1010112 = 1.25 + 0.24 + 1.23 + 0.22 + 1.21 + 1.20 = 43
1.1.4. Máy cơng cụ điều khiển theo chương trình CNC
Là máy cơng cụ được điều khiển theo chương trình viết bằng chữ mã ký tự số.

Chữ cái và các kí tự chuyên dụng khác trong đó hệ thống điều khiển có cài đặt các bộ
vi xử lý UP (Micro processor) làm việc với các chu kỳ thời gian từ 1 đến 20 và có bộ
nhớ tổi thiểu 4KByte, đảm nhiệm các chức năng cơ bản của chương trình điều khiển
số như:
Tính tốn toạ độ 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, thực hiện so sánh các cặp giá trị cần và giá trị thực.

Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy gia công CNC

Học viên: Phạm Văn Mỹ

17


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

* Hệ thống điều khiển NC
Hệ thống NC đầu tiên ra đời do nhu cầu chế tạo các chi tiết phức tạp với số lượng
ít. Trong hệ thống NC các thơng số hình học của chi tiết và các lệnh điều khiển máy
được cho dưới dạng dãy các con số.
Đưa dữ liệu vào hệ thống
Toàn bộ các chỉ dẫn gia công được in vào băng đục lỗ dưới dạng các câu lệnh của
chương trình. Mỗi câu lệnh được đọc trong hệ thống điều khiển NC, đồng thời đưa vào
các bộ phận hiệu chỉnh dụng cụ cần thiết và xê dịch các điểm (0).
+ Xử lý dữ liệu và đưa dữ liệu ra
Các thông tin đưa vào hệ thống điều khiển được mã hố và tách thành thơng tin
hình học và thơng tin cơng nghệ (hình 1.5). Các thơng tin hình học dịch chuyển dụng

cụ. Các thơng tin cơng nghệ điều khiển các chức năng vận hành máy.

Hình 1.6. Chu trình điều khiển trong các hệ điều khiển NC
Mỗi một bàn trượt của máy có trang bị một hệ thống dị dịch chuyển để xác định
vị trí của bàn trượt và báo cho thiết bị so sánh giá trị thực với giá trị đã cho trong bộ so
sánh của hệ thống điều khiển, sai lệch này sẽ được biến đổi thành các tác động điều
khiển cụm chạy dao. Khi sai lệch điều khiển bằng 0 tức là đã đạt được vị trí đã cho,
động cơ chạy dao sẽ dừng. Chu trình điều khiển tốc độ cũng dựa trên cơ sở của chu
trình điều khiển vị trí. Số vịng quay thực được xác định nhờ máy phát đo tốc độ lắp
trong động cơ chạy dao.
+ Bộ thích nghi

Học viên: Phạm Văn Mỹ

18


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Các thơng tin hình học và thơng tin cơng nghệ chuyển qua bộ thích nghi. Bộ
thích nghi có chức năng như một mắt xích nối giữa máy CNC và hệ thống điều khiển.
Kết nối các lệnh điều khiển NC với các thơng báo từ máy trở lại. Chúng có chức năng
chính như là các chuyển đổi liên động, cho khả năng tránh được việc thực hiện các
lệnh không hợp lý. Ví dụ: khi mâm cặp của máy tiện chưa kẹp chặt. Bộ thích nghi
khơng phát lệnh chạy dao mặc dù hệ thống điều khiển có phát lệnh dịch chuyển [3].
* Hệ thống điều khiển CNC
Điều khiển NC có nhược điểm là kém linh hoạt, tốn thời gian trong việc thay đổi
chương trình vì phải sửa lại các băng đục lỗ. Ngày nay hệ thống điều khiển NC được

thay thế rộng rãi bằng các hệ thống điều khiển CNC là có sự can thiệp của máy tính.
Trong các hệ thống điều khiển này có một chương trình hệ thống CNC do nhà chế tạo
cài đặt trong máy tính. Thơng qua các phần mềm riêng lẻ, ví dụ: chương trình giải mã
và hệ điều hành chương trình mà các chức năng CNC riêng lẻ được thực hiện.
+ Đưa dữ liệu vào hệ thống
Trong hệ thống NC thơng thường chương trình gia công làm chỉ một lần trên
băng đục lỗ và nằm trong bộ phận lưu giữ chương trình. Hệ thống điều khiển CNC
chương trình gia cơng có thể đưa vào trong hệ thống điều khiển của hệ điều khiển số
khi lập trình, xử lý dữ liệu và đưa dữ liệu ra.

Học viên: Phạm Văn Mỹ

19


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 1.7. Các dịng thơng tin trong điều khiển CNC
Chương trình gia cơng được đưa vào có thể gọi ra bất cứ lúc nào từ bộ phận lưu
trữ chương trình gia cơng. Việc sửa chữa, thay đổi và tối ưu một chưng trình có thể
tiến hành
bất kỳ lúc nào ngay tại máy.
Việc kiểm tra tính tốn nhận biết mã và tách ra thành các dự liệu hình học, dữ
liệu cơng nghệ là do chương trình điều hành đối với bộ phận lưu giữ chương trình sẽ
điều khiển bộ chỉ dẫn các câu lệnh, chỉ dẫn các câu lệnh, chỉ dẫn các chương trình con
và nội dung các chương trình gia cơng đang có trong bộ lưu giữ chương trình.
Điều khiển CNC hiện đại có một màn hình đồ hoạ, mơ phỏng động học q trình
cắt gọt. Nhờ bàn phím và giao diện trực tiếp với hệ thống điều khiển cho phép đưa

chương trình vào một cách nhanh chóng và tránh được các sai sót.
+ Bộ thích nghi
Bộ thích nghi trong hệ điều khiển NC thông thường là một bộ chuyển đổi liên động.
Trong hệ điều khiển CNC bộ chuyển đổi liên động được thay thế bằng bộ điều khiển

Học viên: Phạm Văn Mỹ

20


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

chương trình lưu trữ, bộ điều khiển chương trình đã được lưu trữ sẽ theo dõi và ghép nối
chức năng vận hành máy đến từ hệ điều hành khiển CNC và máy.
+ Sơ đồ hệ điều khiển CNC
Các hệ điều khiển CNC hiện nay được cấu tạo để khi mở rộng hệ điều khiển có thể
bổ sung thêm cho các chức năng đã có các mơ đun mở rộng. Vì vậy các hệ điều khiển
được thiết kế thích hợp cho việc lắp vào phần mềm hoặc sử dụng các linh kiện điện tử
hiện đại thích hợp. Trong các hệ điều khiển nhiều bộ vi xử lý thường sử dụng cả phần
cứng lẫn phần mềm.
* Hệ thống DNC
DNC viết tắt (Direct Numerial Control) để biểu thị một hệ thống trong đó nhiều
máy CNC được nối với một máy tính gia cơng.
Các chương trình NC sẽ được sử dụng, lưu giữ trên các đĩa cứng của các máy
tính, bố trí trên hệ thống DNC và có thể gọi ra trực tiếp tuỳ theo nhu cầu của từng
máy.

Hình 1.8. Phương án nhiều bộ vi xử lý

Trong các phân xưởng có hệ thống DNC các chương trình NC được lập và đưa
thẳng vào trong máy tính. Phần lớn các hệ điều khiển CNC có các ngơn ngữ lập trình khác

Học viên: Phạm Văn Mỹ

21


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

nhau vì vậy khi lập trình bằng tay cần có phần mềm tương ứng cho việc biên dịch DNC
cung cấp cho cho các máy CNC riêng biệt các thông tin điều khiển.

Hình 1.9. Hệ thống DNC
NC lập trình bằng máy đòi hỏi đối với từng kiểu điều khiển một chương trình
dịch riêng (Postprocessor). Trong phân xưởng có nhiều máy CNC, các trang bị công
nghệ được lưu giữ và điều hành trong một ngân hàng giữ liệu trung tâm của máy tính
[4].
Nhờ đó, các dữ liệu về dụng cụ và trang thiết bị cơng nghệ được gọi ra trên màn
hình. Các hệ thống DNC có các ưu điểm sau:
- Có một ngân hàng dữ liệu trung tâm cho biết các thơng tin của chương trình,
chi tiết gia cơng và dụng cụ;
- Truyền dữ liệu nhanh, tin cậy phát huy tốt hiệu quả của các máy CNC;
- Điều khiển và lập kế hoạch gia cơng;
- Có khả năng ghép nối vào hệ thống gia cơng linh hoạt.
* Điều khiển thích nghi AC (Adaptive Control)
Điều khiển thích nghi AC là điều khiển tự động q trình gia cơng khơng có tác
động của người vận hành máy. Nhằm tự động thay đổi các thông số gia công theo ảnh

hưởng không thể dự kiến trước trong q trình gia cơng. Ví dụ: Kích thước phôi thay

Học viên: Phạm Văn Mỹ

22


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

đổi khi điều khiển thích nghi sẽ thay đổi tốc độ chạy dao cho phù hợp. Tuỳ theo mục
tiêu sử dụng người ta phân chia các hệ thống điều khiển thích nghi thành:
- Điều khiển thích nghi cưỡng bức ACC (Adaptive Control Constrain);
- Điều khiển thích nghi tối ưu ACO (Adaptive Control Optimation).
ACC dùng để điều khiển giới hạn của các thơng số cắt gọt. Ví dụ: khi tiện côn,
chiều sâu cắt gọt thay đổi do vậy lượng chạy dao và số vòng quay của dao phải được
điều khiển sao cho đảm bảo công suất cắt tối đa cho phép.
ACO dùng cho việc tối ưu hố các q trình gia công nhằm giảm thời gian gia
công hoặc giảm giá thành gia cơng có chú ý đến nhiều yếu tố ảnh hưởng ngược nhau
(công suất cắt cao sẽ làm giảm tuổi bền của dụng cụ cắt). Hiện nay các hệ thống ACO
ứng dụng nhiều trong gia công bằng mài và gia cơng bằng tia lửa điện. Hệ thống điều
khiển thích nghi được ứng dụng rộng rãi cho các chức năng bổ sung thêm của các hệ
điều khiển CNC như tự động theo dõi dụng cụ cắt và đo chi tiết trong q trình gia
cơng [3].
* Hệ thống gia cơng linh hoạt FMS (Flexble manufaceturing systems)
Sự đa dạng của sản phẩm dẫn đến giảm số lượng chi tiết gia công trong một
loạt và
làm tăng giá thành. Một số ngành công nghiệp chế tạo do số lượng kiểu sản phẩm và
các phương án mẫu ngày càng tăng. Dây chuyền sản xuất truyền thống không hiệu quả

kinh tế đối với khối lượng chủng loại chi tiết.
Các hệ thống gia cơng linh hoạt có khả năng gia công các chi tiết khác nhau
trong cùng một họ chi tiết với số lượng chi tiết và thứ tự gia công tuỳ ý. Giá thành chế
tạo chi tiết kể cả trong điều kiện gia công loạt nhỏ vẫn đạt hiệu quả kinh tế [1].
Tuỳ theo tính linh hoạt và năng suất, người ta phân loại các hệ thống gia công
linh hoạt thành:
- Các tế bào gia công linh hoạt;
- Các cụm gia công linh hoạt;
- Các dây chuyền gia công linh hoạt.
Một hệ thống gia công linh hoạt thường có ba thành phần chính:
- Một hay nhiều cụm gia công;
Học viên: Phạm Văn Mỹ

23


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

- Các hệ thống vận chuyển chi tiết và dụng cụ;
- Máy tính của hệ thống DNC đóng vai trò là thiết bị chỉ đạo.
Hạt nhân của tế bào gia công là máy CNC. Một trung tâm gia công có trang bị ổ
chứa dụng cụ, các trang bị thay đổi gá lắp. Hệ thống thay đổi dụng cụ và chi tiết tạo
thành một hệ thống gia công linh hoạt làm việc tự động đòi hỏi các thiết bị giám sát và
đo lường tự động như: đo kích thước dụng cụ ở trên máy; theo dõi tự động tuổi bền
của dao; đo chi tiết [5].
1.2. Lịch sử phát triển của các máy CNC
Ý tưởng điều khiển một dụng cụ thông qua chuỗi lệnh kế tiếp liên tục, mà chúng
được ứng dụng trong các máy điều khiển CNC ngày nay đã được phát triển từ thế kỷ

thứ 14. Bắt đầu từ những cụm chuông được điều khiển bởi các trục đục lỗ [11].
- 1808 Josehp M. Jacqard đã dùng bìa tơn có đục lỗ để điều khiển các máy dệt.
Vật mang tin có thể thay thế được dùng để điều khiển máy đã được phát minh.
- 1863 M. Fourneaux đã sáng chế ra đàn Dương Cầm tự động, có dùng một bìa giấy
khổ 30cm với các lỗ tương ứng để điều tiết khí nén, tác động lên hệ phím ấn cơ khí tạo ra
nhạc điệu. Phương pháp này đã được tiếp tục phát triển để sau đó có thể điều khiển cả âm
lượng. Băng giấy đã trở thành vật mang tin và kỹ thuật điều khiển các chức năng phụ đã
được phát minh.
- 1938 Claude E. Shanon đã thành công việc tính tốn và chuyển nhanh dữ liệu ở
dạng nhị phân có vận dụng lý thuyết đại số BOOL và xác nhận công tắc điện tử là
thành phần hiện thực duy nhất cho giải pháp này.
- 1946 Tiến sĩ John W.Mauchyly và J.Preper Eckrt đã cung cấp máy tính số điện
tử đầu tiên có tên là ENIAC cho quân đội Hoa Kỳ. Cơ sở của kỹ thuật xử lý dữ liệu
điện tử đã được tạo lập.
- 1949 - 1952 Jonh Parsons và viện công nghệ MIT đã nghiên cứu theo hợp đồng
của không lực Hoa Kỳ một hệ thống dùng cho các máy cơng cụ để điều khiển trực tiếp
vị trí của các trục vít - me bằng đầu ra của một máy tính và chứng minh chức năng
thơng qua cơng một chi tiết. Parons đã công bố luận điểm cơ bản về ý tưởng này như
sau:
- Lưu trữ các vị trí đã tính tốn ở bìa đục lỗ;
Học viên: Phạm Văn Mỹ

24


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

- Bìa đục lỗ được đọc tự đồng trên máy;

- Các vị trí đã được đọc phải được thơng báo liên tục và các giá trị trung gian bổ
sung phải được tính tốn cho các giá trị trung gian nội sao cho động cơ Servo (vơ tốc
độ) có thể điều khiển chuyển động của các trục.
Với một máy như vậy cần phải chế tạo được các phần tử thích hợp ngày càng
phức tạp hơn. Những chi tiết đó vào thời kỳ này đã được miêu tả chính xác với một số
ít các dữ liệu tốn học. Nhưng việc chế tạo chúng bằng tay rất khó khăn.
- Năm 1952 Viện Công nghệ MIT đã vận hành máy công cụ điều khiển số đầu tiên.
Đó là máy Cincinati Hydrotel có trục vít - me thẳng đứng, hệ điều khiển có cấu tạo gồm
nhiều đèn điện tử, tạo khả năng chuyển động đồng thời ba trục, tức là nội suy đường thẳng
đồng thời theo ba trục và nhận dữ liệu thông qua băng đục lỗ mã nhị phân (Benary Code
Punched Band).
- 1954 Bendix chế tạo ra hệ điều khiển NC hoàn chỉnh đầu tiên có dùng các đèn điện
tử.
- 1957 Khơng lực Hoa Kỳ đã lắp đặt những máy phay NC đầu tiên.
- 1958 ngơn ngữ lập trình biểu tượng hố (Symbolish) đầu tiên là cơng cụ lập
trình tự động APT (Automatically Programmed Tool) đã được giới thiệu trong quan hệ
liên kết với máy tính IBM 704.
- 1960 các hệ điều khiển NC trong kỹ thuật đèn bán dẫn (Transitor) đã thay thế
các hệ điều khiển cũ (dùng đèn điện tử).
- 1965 giải pháp thay dụng cụ tự động ATC (Automatic Tool Change) đã nâng
cao trình độ tự động hố khâu gia cơng.
- 1968 kỹ thuật mạch tích hợp IC (Intergated Circuits) làm cho các hệ điều khiển
có kích thước nhỏ, gọn và tin cậy hơn.
- 1969 những giải pháp đầu tiên về điều khiển liên kết chung từ một máy tính
trung tâm DNC đã được thiết lập tại Mỹ bằng hệ điều khiển Sundstrand và máy tính
IBM. Giải pháp thay bệ phiến gá phôi tự động (Automatic Palete Change).
- 1972 hệ điều khiển NC đầu tiên có lắp đặt một máy tính nhỏ được chế tạo hàng
loạt đã tạo ra một thế hệ mới có tiềm lực mạnh hơn, đó là điều khiển số dùng máy tính

Học viên: Phạm Văn Mỹ

25