Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chi phí điện năng riêng và chất lượng bề mặt gia công trên máy phay CNC FNC 125

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

LÊ QUỐC MINH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ
ĐẾN CHI PHÍ ĐIỆN NĂNG RIÊNG VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT
GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC FNC - 125

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

HÀ NỘI, 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

LÊ QUỐC MINH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ
ĐẾN CHI PHÍ ĐIỆN NĂNG RIÊNG VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT
GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC FNC - 125

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Mã số: 60.52.01.03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. LÊ VĂN THÁI

HÀ NỘI, 2016


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các nội
dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chƣa cơng bố dƣới
bất kỳ hình thức nào trƣớc đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ
cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá đƣợc chính tác giả thu thập từ các
nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo.
Ngồi ra, trong luận văn cịn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng
nhƣ số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú
thích nguồn gốc.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tơi xin hồn tồn chịu trách
nhiệm về nội dung luận văn của mình.
Hà Nội, ngày...... tháng....... năm 2016
Tác giả luận văn

LÊ QUỐC MINH


ii

LỜI CẢM ƠN
Qua quá trình học tập, nghiên cứu và hồn thành luận văn, em xin kính
gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến:
Thầy PGS.TS. Lê Văn Thái - Thầy hƣớng dẫn thực hiện luận văn đã
tận tình chỉ dạy, tạo điều kiện và động viên em trong suốt q trình thực hiện.
Q thầy cơ tham gia trong công tác giảng dạy và hƣớng dẫn em cũng
nhƣ lớp cao học kỹ thuật cơ khí K22B - Đại học Lâm Nghiệp.
Quý thầy, cô giảng dạy tại khoa Cơ điện - Cơng trình, phịng Đào tạo
Sau Đại học - Trƣờng Đại học Lâm Nghiệp đã giúp đỡ ngƣời thực hiện trong
thời gian học tập và nghiên cứu tại trƣờng.
Kính chúc Quý thầy, cô dồi dào sức khỏe.
Hà Nội, ngày...... tháng....... năm 2016
Tác giả luận văn

LÊ QUỐC MINH


iii

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................ vii
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................ xi
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu ........................................................ 1

2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ..................................... 2
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU................................. 3
1.1. Tổng quan về công nghệ CNC ............................................................... 3
1.1.1. Giới thiệu chung về công nghệ CNC............................................... 3
1.1.2. Máy công cụ điều khiển số ............................................................. 5
1.1.2.1. Các hệ thống dữ liệu cần nạp cho máy công cụ điều khiển số 5
1.1.2.2. Chuyển động của các trục và khái niệm về hệ tọa độ............... 6
1.1.3. Khái quát về hệ thống điều khiển CNC ......................................... 10
1.1.3.1. Khái niệm hệ điều khiển số..................................................... 10
1.1.3.2. Các dạng điều khiển số ........................................................... 10
1.1.3.3. Hệ điều khiển CNC ................................................................. 10
1.1.3.4. Một số hệ điều hành ................................................................ 12
1.1.4. Các chỉ tiêu gia cơng của máy CNC .............................................. 12
1.1.4.1. Thơng số hình học................................................................... 12
1.1.4.2. Thơng số gia cơng ................................................................... 12
1.1.4.3. Độ chính xác của máy CNC ................................................... 14


iv

1.2. Tình hình nghiên cứu và sử dụng máy phay CNC ............................... 15
1.2.1. Trên thế giới................................................................................... 15
1.2.2. Tình hình sử dụng và nghiên cứu máy phay kim loại ở trong nƣớc...... 22
1.3. Tổng quan về gia công cắt gọt bằng phay ............................................ 27
1.4. Kết luận chƣơng 1 ................................................................................ 31
Chƣơng 2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI VÀ PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU ................................................................................................. 33
2.1. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................. 33
2.2. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu ............................................................ 33
2.2.1. Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài.................................................... 33

2.2.2. Phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 36
2.3. Nội dung nghiên cứu ............................................................................ 37
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu ...................................................................... 37
2.4.1. Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết ................................................ 37
2.4.2. Phƣơng pháp kế thừa ..................................................................... 37
2.4.3. Phƣơng pháp qui hoạch thực nghiệm ............................................ 37
2.4.4. Phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu đa mục tiêu ............................... 41
Chƣơng 3. CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẤN DỀ NGHIÊN CỨU ..................... 43
3.1. Động học và động lực học quá trình cắt gọt trên máy phay ................ 43
3.1.1. Động học của quá trình cắt ............................................................ 43
3.1.1.1. Chế độ cắt khi phay................................................................. 43
3.1.1.2. Thơng số hình học lớp cắt khi phay ........................................ 45
3.1.2. Động lực học của quá trình cắt ...................................................... 51
3.1.2.1. Lực cắt khi phay...................................................................... 51
3.1.2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến lực cắt khi phay ............................ 52
3.2. Chi phí điện năng riêng và các yếu tố ảnh hƣởng ................................ 62
3.2.1. Chi phí điện năng riêng ................................................................. 62


v

3.3.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chi phí điện năng riêng ....................... 63
3.3. Độ nhám bề mặt chi tiết máy................................................................ 64
3.3.1. Khái niệm....................................................................................... 64
3.3.2. Ảnh hƣởng của độ nhám bề mặt. ................................................... 65
3.3.3. Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt ........................................... 67
3.3.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt .................................. 70
3.4. Tối ƣu hóa quá trình cắt gọt ................................................................. 73
3.4.1. Các phƣơng pháp tối ƣu hóa q trình gia cơng cắt gọt ................ 74
3.4.1.1. Tối ƣu hóa tĩnh ........................................................................ 74

3.4.1.2. Tối ƣu hóa động ...................................................................... 75
3.5. Kết luận chƣơng 3 ................................................................................ 76
Chƣơng 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM................................................. 78
4.1. Mục tiêu thực nghiệm và các tham số điều khiển ................................ 78
4.1.1. Mục tiêu thực nghiệm .................................................................... 78
4.1.2. Các tham số điều khiển và khoảng giới hạn của chúng ................ 78
4.2. Thiết bị đo và phƣơng pháp đo............................................................. 78
4.2.1. Thiết bị đo ...................................................................................... 78
4.2. Phƣơng pháp đo .................................................................................... 80
4.3. Kết quả thí nghiệm thăm dị ................................................................. 83
4.3.1. Xét đại lƣợng nghiên cứu là độ nhám bề mặt Ra. ........................ 83
4.3.2. Xét đại lƣợng nghiên cứu là chi phí điện năng riêng Nr. ............. 85
4.4. Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố .......................................................... 86
4.4.1. Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt và chi phí điện
năng riêng ................................................................................................ 86
4.4.2. Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao đến độ nhám bề mặt và chi phí
điện năng riêng ........................................................................................ 90


vi

4.4.3. Ảnh hƣởng của chiều sâu cắt tới độ nhám bề mặt và chi phí điện
năng riêng ................................................................................................ 94
4.5. Kết quả thực nghiệm đa yếu tố ............................................................. 99
4.5.1. Vùng nghiên cứu và các giá trị biến thiên của các yếu tố ảnh hƣởng ... 99
4.5.2. Thành lập ma trận thí nghiệm ..................................................... 100
4.5.3. Tiến hành thí nghiệm theo ma trận Harley với số lần lặp lại của
mỗi thí nghiệm m = 3............................................................................ 101
4.5.4. Xác định mơ hình tốn của hàm độ nhám bề mặt Ra ................. 101
4.5.5. Xác định mô hình tốn của hàm chi phí điện năng riêng ........... 103

4.5.6. Chuyển phƣơng trình hồi quy của các hàm mục tiêu về dạng thực ... 104
4.6. Xác định các thông số công nghệ tối ƣu ............................................ 105
4.6.1. Lựa chọn phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu đa mục tiêu ............. 105
4.6.2. Xác định giá trị tối ƣu của các thông số V, S và t ...................... 105
4.7. Thực nghiệm gia công chi tiết với các thông số tối ƣu ...................... 108
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 109
1. Kết luận.................................................................................................. 109
2. Khuyến nghị .......................................................................................... 110
TÀI LIÊU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tên

Đơn vị

Nr

Chi phí điện năng riêng

Wh/cm3

Nđ

Cơng suất chi phí của động cơ

kW

Tcv

Thời gian làm việc để thực hiện đƣợc khối lƣợng công việc

giây

Nc

Công suất của máy

kW

m

Hiệu suất của máy

Kt

Hệ số quá tải cho phép

Pz

Lực tiếp tuyến

N

Py

Lực hƣớng kính

N

Px

Lực chạy dao

N

Vz

Tốc độ cắt

vịng/ph

Vx

Tốc độ chạy dao

m/ph

Cp

Hệ số phụ thuộc tính chất của vật liệu gia công

Cv

Hệ số phụ thuộc vào vật liệu gia công

Ra

Sai lệch trung bình số học của profin (độ nhám bề mặt gia cơng)

Rz

Chiều cao nhấp nhơ trung bình của profin

Vc

Vận tốc cắt

vg/ph

fz

Lƣợng ăn dao

mm/ph

t

Chiều sâu cắt

mm

hz

Mức độ mòn mặt sau của dao cắt



Góc nghiêng chính

Độ

1

Góc nghiêng phụ

Độ



Góc mũi dao

Độ



Góc trƣớc

Độ



Góc sau chính

Độ



Góc cắt

Độ



Góc sắc

Độ

m


viii
c

Số lƣợng nhóm

K

Khoảng chia nhóm

a

Số tổ đƣợc chia

n

Số lần thí nghiệm

xmax, min

Trị số thu nhập lớn nhất, bé nhất của đại lƣợng nghiên cứu

St

Sai tiêu chuẩn

S%

Hệ số biến động

R

Phạm vi biến động

Sk

Độ lệch

Ex

Độ nhọn

L

Số tổ hợp

m

Số lần lặp

%

Sai số tƣơng đối

Ῡ

Giá trị trung bình của đại lƣợng nghiện cứu

Gtt

Tính đồng nhất theo tiêu chuẩn Kohren

S2max

Phƣơng sai lớn nhất trong N thí nghiệm

F

Giá trị tính tốn theo tiêu chuẩn Fisher

N

Tổng số thí nghiệm

e

Khoảng biến thiên

R

Hệ số đơn định

T

Giá trị chuẩn Student


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG

STT

Tên bảng

Trang

2.1. Thông số kỹ thuật của máy phay CNC FNC - 125

34

2.2. Thành phần hóa học của thép C45

35

3.1. Xác định hệ số cv

55

3.2. Các giá trị thông số độ nhám bề mặt (TCVN 2511 - 78)

69

3.3. Các giá trị tiêu chuẩn của Ra và RZ

70

4.1. Tổng hợp kết quả phân bố thực nghiệm của Ra

84

4.2. Các đặc trƣng của phân bố thực nghiệm

84

4.3. Tổng hợp kết quả phân bố thực nghiệm của Nr.

85

4.4. Các đặc trƣng của phân bố thực nghiệm

85

4.5.

Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hƣởng của vận tốc cắt tới độ
nhám bề mặt Ra và chi phí điện năng riêng Nr.

87

4.6.

Tổng hợp các giá trị tính tốn của hàm độ nhám bề mặt khi vận
tốc cắt thay đổi.

87

4.7.

Tổng hợp các giá trị tính tốn của hàm độ chi phí điện năng
riêng khi vận tốc cắt thay đổi

89

4.8.

Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao
đến độ nhám bề mặt Ra và chi phí điện năng riêng.

90

4.9.

Tổng hợp các giá trị tính tốn của hàm độ nhám bề mặt khi
lƣợng chạy dao thay đổi

91

4.10.

Tổng hợp các giá trị tính tốn của hàm chi phí điện năng riêng
khi lƣợng chạy dao thay đổi

93

4.11.

Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hƣởng của chiều sâu cắt tới độ
nhám bề mặt Ra và chi phí điện năng riêng Nr

94

4.12.

Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm độ nhám bề mặt khi
chiều sâu cắt thay đổi

95

4.13.

Tổng hợp các giá trị tính tốn của hàm chi phí điện năng riêng
khi chiều sâu cắt thay đổi

97

x

4.14. Mã hố của các thơng số đầu vào

100

4.15. Ma trận thí nghiệm Hartley

100

4.16. Tổng hợp các giá trị xử lý đƣợc của hàm độ nhám bề mặt Ra

101

4.17.

Tổng hợp các giá trị xử lý đƣợc của hàm chi phí điện năng
riêng Nr

4.18. Kết quả thí nghiệm phay chi tiết theo chế độ tối ƣu

103
108


xi

DANH MỤC CÁC HÌNH

STT

Tên hình

Trang

1.1. Ký hiệu các trục tọa độ trên máy CNC

7

1.2. Các trục tọa độ trên máy CNC

9

1.3. Các dạng dao phay chủ yếu

29

1.4. Phay thuận

31

1.5. Phay nghịch

31

2.1. Máy phay CNC FNC - 125

33

2.2. Cấu tạo và thống số cơng nghệ dao phay dùng làm thí nghiệm

36

2.3. Khuôn đúc Roto 117

36

2.4. Tấm đế trên và chi tiết gia công

36

3.2. Thông số lớp cắt khi phay bằng dao phay mặt đầu

44

3.3. Thông số lớp cắt khi phay (phay bằng dao trụ)

45

3.4. Phay đối xứng

46

3.5. Phay không đối xứng

46

3.6. Chiều dày cắt khi phay bằng dao phay trụ

47

3.7. Chiều dày cắt a, chiều rộng cắt b khi phay mặt đầu

49

3.8. Các thành phần lực cắt khi phay

51

3.9. Ảnh hƣởng của vật liệu dao tới lực cắt

56

3.10.

Lực cắt PZ phụ thuộc vào tốc độ cắt v và góc trƣớc γ khi gia công
thép 40X với chiếu dày cắt a = 0,2 mm và bề rộng cắt b = 4mm.

57

3.11. Lực cắt PZ phụ thuộc vào v khi gia công gang

58

3.12. Chiều dài đoạn tiếp xúc của dao và chi tiết theo mặt sau

58

3.13. Ảnh hƣởng của góc nghiêng λ đến các lực cắt PZ, PY, PX

60

3. 14. Ảnh hƣởng của vật liệu dao đến lực cắt

61

3.15. Các loại nhấp nhô trên bề mặt chi tiết

65

3.16. Ảnh hƣởng đến tính chống mòn

65

3.17. Ảnh hƣởng đến độ bền mỏi của chi tiết

66

3.18. Ảnh hƣởng đến tính chống ăn mịn

66


xii

3.19. Ảnh hƣởng đến tính chống ăn mịn

67

3.20. Prơphin bề mặt

68

3.21. Prơphin bề mặt

68

3.22. Kí hiệu độ bóng theo Ra và Rz

69

3.23.

Ảnh hƣởng của tốc độ cắt đến độ nhám bề mặt khi gia công
Thép.

71

3.24. Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao S tới chiều cao nhấp nhô tế vi Rz.

72

3.25. Sơ đồ áp dụng tối ƣu hóa q trình cắt gọt trong sản xuất.

73

4.1. Thiết bị đo Fluke nối máy tính

79

4.2. Máy đo nhám TR 200

79

4.3. Thiết kế chi tiết và lập chƣơng trình trên máy tính

80

4.4. Cài đặt chế độ cắt

80

4.5. Chạy mơ phỏng chƣơng trình phay chi tiết

81

4.6. Xuất code sang CIMCO

81

4.7. Gá đặt chi tiết và lắp dao cắt

82

4.8. Set tâm phơi

82

4.9. Đo chi phí điện năng riêng

83

4.10. Đồ thị ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt

88

4.11. Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến chi phí điện năng riêng

90

4.12. Đồ thị ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao S đến độ nhám bề mặt Ra

92

4.13. Đồ thị ảnh hƣởng của lƣợng chay dao tới Nr

94

4.14. Đồ thị ảnh hƣởng của chiều sâu cắt t cắt đến độ nhám bề mặt Ra

96

4.15.

Đồ thị ảnh hƣởng của chiều sâu cắt t đến chi phí điện năng
riêng Nr

98

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu
Trong giai đoạn đất nƣớc đang trên con đƣờng đổi mới, để thực hiện
đƣợc mục tiêu “Cơng nghiệp hố, hiện đại hố Đất nƣớc”, đƣa nƣớc ta trở
thành nƣớc cơng nghiệp vào năm 2020 thì việc phát triển khoa học cơng
nghệ nói chung và khoa học cơng nghệ trong cơ khí nói riêng càng trở nên
quan trọng và cấp thiết hơn bao giờ hết. Trong những năm gần đây, sự phát
triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy các ngành công
nghiệp sản xuất tự động phát triển theo. Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, sự
ra đời của máy cơng cụ điều khiển bằng chƣơng trình số với sự trợ giúp của
máy tính, gọi tắt là máy CNC (Computer Numerical Control), đã đƣa
ngành cơ khí chế tạo sang một thời kỳ mới, thời kỳ sản xuất hiện đại. Sử
dụng máy điều khiển số CNC cho phép giảm khối lƣợng gia cơng chi tiết,
nâng cao độ chính xác gia cơng, mở rộng phạm vi cơng nghệ nhƣ có thể gia
cơng đƣợc các bề mặt phức tạp.
Tuy nhiên, cịn có những khó khăn về hiệu quả kinh tế khi sử dụng các
máy và thiết bị này bởi vì các nguyên nhân sau:
- Việc chuyển giao công nghệ chƣa đầy đủ.
- Đầu tƣ thiếu đồng bộ, nhập nhiều chủng loại và thế hệ máy khác nhau.
- Chƣa chủ động đƣợc về bảo dƣỡng, bảo trì máy.
- Sử dụng chế độ cơng nghệ chƣa hợp lý.
- Do đó hiệu quả khai thác, sử dụng máy cịn hạn chế.
Với tinh thần đó, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công
nghệ đến chi phí điện năng riêng và chất lượng bề mặt gia công trên máy
phay CNC FNC - 125” là cần thiết, góp phần vào việc nâng cao hiệu quả khai
thác, sử dụng máy phay CNC trong đào tạo và gia cơng cơ khí.

2

2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
 Ý nghĩa khoa học
Bằng phƣơng pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực
nghiệm, luận văn xây dựng đƣợc các mơ hình tốn học mơ tả mối quan hệ
giữa các thông số công nghệ với chi phí điện năng riêng và độ nhám bề mặt
làm cơ sở cho việc lựa chọn chế độ cắt hợp lý khi gia công trên máy phay
CNC FNC 125.
 Ý nghĩa thực tiễn
- Làm cơ sở cho việc nghiên cứu các khía cạnh khác của q trình cắt.
- Giúp cho việc lựa chọn các thông số công nghệ tối ƣu khi lập trình gia
cơng trên máy phay CNC, góp phần nâng cao năng suất và hạ giá thành sản
phẩm.


3

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Tổng quan về công nghệ CNC
1.1.1. Giới thiệu chung về công nghệ CNC
Vào cuối những năm 40 học viện công nghệ MIT Hoa Kỳ bắt đầu thực
hiện đề án nghiên cứu về kỹ thuật điều khiển số. Năm 1953 công bố sáng chế
máy phay điều chỉnh theo chƣơng trình số NC. Vào năm 1959 triển lãm máy
công cụ tại Paris trƣng bày những chiếc máy phay NC đầu tiên của châu Âu.
Năm 1960 các hệ điều khiển số đƣợc chế tạo tƣơng ứng với trình độ kỹ
thuật của các cơng nghệ bóng đèn điện tử và rơle (cơ/điện/thuỷ lực), máy kích

thƣớc lớn, rất nhạy cảm với các điều kiện môi trƣờng khác nhau và giá cả thì
rất đắt đỏ. Vì vậy máy không đƣợc sử dụng rộng rãi.
Từ sau những năm 1960, bóng đèn điện tử đƣợc thay dần bằng các
phần tử bán dẫn rời rạc, đi ốt, và tranzito ( đèn 3 cực), thế nhƣng những linh
kiện đơn lẻ vẫn đòi hỏi có thể tích chiếm chỗ đủ lớn, cịn rất nhiều mối hàn và
các ổ cắm, các ghép nối vừa tốn kém khi chế tạo vừa hạn chế độ tin cậy khi
vận hành điều khiển. Những thông tin điều khiển đƣợc ghi trên băng đục lỗ
nên dung lƣợng thấp và phải đọc từng bƣớc trong q trình gia cơng, khi gia
công nhiều chi tiết giống nhau vẫn phải đọc băng đục lỗ cho từng lần gia
công. Khi thay đổi chƣơng trình điều khiển chẳng hạn nhƣ muốn thay đổi chế
độ cắt cho phù hợp đòi hỏi phải làm lại băng đục lỗ.
Vào những năm 70, kỹ thuật điều khiển số nhanh chóng ứng dụng các
tiến bộ của kỹ thuật vi điện tử, vi mạch tích hợp: những hệ NC sử dụng những
bản mạch lơgíc đƣợc thay thế bởi các bộ nhớ có dung lƣợng đủ lớn; do nối
ghép các cụm vi tính vào hệ điều khiển số mà những phần cứng trƣớc đây
đƣợc thay thế bằng những phần mềm linh hoạt hơn. Dung lƣợng bộ nhớ ngày


4

càng đƣợc mở rộng tạo điều kiện lƣu giữ trong hệ điều khiển số trƣớc hết là
từng chƣơng trình đơn lẻ, sau đó là cả một thƣ viện chƣơng trình lại có thể
sửa đổi chƣơng trình đã lập một cách dễ dàng thông qua việc cấp lệnh bằng
tay, thao tác trực tiếp trên máy.
Cho đến ngày nay các chức năng tính tốn trong hệ thống CNC ngày
càng đƣợc hồn thiện và đã đạt đƣợc tốc độ xử lý rất cao do tiếp tục ứng dụng
những thành tựu khoa học kỹ thuật phát triển của các bộ vi xử lý.
Các hệ thống CNC đƣợc chế tạo hàng loạt theo các công thức xử lý đa
chức năng dùng cho nhiều mục đích điều khiển khác nhau.
Từ chỗ những vật mang tin là những băng đục lỗ, băng từ, đĩa từ tiến

tới đĩa compact (đĩa CD) có dung lƣợng nhớ ngày càng mở rộng độ tin cậy và
tuổi thọ ngày càng cao.
Việc cài đặt các cụm vi tính trực tiếp vào hệ NC để trở thành CNC
(Computer Numerical Control) đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng,
cho chúng ta có thể ứng dụng đƣợc máy công cụ điều khiển số CNC ngay cả
trong các xí nghiệp vừa và nhỏ khơng có phịng lập trình riêng, điều đó có
nghĩa là ngƣời điều khiển máy có thể lập trình trực tiếp trên máy. Những dữ
liệu đƣợc nhập vào, nội dung lƣu trữ trên máy, thơng báo về tình trạng hoạt
động của máy cùng các chỉ dẫn cần thiết khác cho ngƣời điều khiển máy đều
đƣợc hiển thị trên màn hình.
Lúc đầu màn hình của các hệ điều khiển số chỉ là màn hình đen trắng
với các ký tự chữ cái và con số nay đã sử dụng các màn hình mầu đồ hoạ với
độ phân giải cao, biên dạng của chi tiết gia cơng, chuyển động của dao cụ đều
đƣợc hiển thị, có thể mô phỏng chi tiết gia công theo 3 chiều kích thƣớc (3D).
Trong những năm gần đây sự bùng nổ của ngành công nghệ thông tin, sự
phát triển của công nghệ Hig-Tech ngày càng tạo ra đƣợc những thế hệ máy
công cụ điều khiển số ngày càng ƣu việt hơn, đáp ứng đƣợc những yêu cầu cao
của thị trƣờng.


5

Ngồi những ƣu điểm cơ bản của máy và cơng nghệ CNC nhƣ độ chính
xác cao của sản phẩm, đáp ứng nhanh về số lƣợng và thích ứng nhanh với thị
trƣờng về mẫu mã sản phẩm thì những ƣu điểm nổi bật chỉ có ở máy CNC
nữa là phƣơng thức làm việc với hệ thống xử lý thông tin “điện tử-số hoá”,
cho phép nối ghép với hệ thống xử lý trong phạm vi tồn xí nghiệp tạo điều
kiện mở rộng việc tự động hố tồn bộ q trình sản xuất, ứng dụng các kỹ
thuật quản lý hiện đại thông qua mạng liên thơng cục bộ (LAN) hay mạng
liên thơng tồn cầu (WAN).

Xét về bản chất của các máy điều khiển theo chƣơng trình số, từ các
máy NC đầu tiên với bộ xử lý là đƣợc áp dụng công nghệ đèn điện tử, rơle
đến các phần tử bán dẫn rời rạc, điốt, và tranzito ( đèn 3 cực ) và sau đó là đã
áp dụng các tiến bộ của kỹ thuật vi điện tử, vi mạch tích hợp và siêu vi mạch
cũng chỉ là để xử lý các hệ thống dữ liệu đầu vào cho hệ thống điều khiển số.
1.1.2. Máy công cụ điều khiển số
1.1.2.1. Các hệ thống dữ liệu cần nạp cho máy công cụ điều khiển số
Một máy cơng cụ điều khiển số muốn hoạt động đƣợc thì nó yêu cầu
phải đƣợc cung cấp các hệ thống dữ liệu, nó đƣợc coi nhƣ một thứ ngơn ngữ
chung để giao tiếp giữa ngƣời với máy.
Khi ta soạn thảo chƣơng trình cho một hệ thống điều khiển số thì có
nghĩa là ta đƣa tồn bộ các thơng tin cần thiết để chế tạo một chi tiết xác định
trên máy công cụ trở thành dạng có thể hiểu đƣợc cho hệ điều khiển của máy
và thơng báo cho nó theo một hình thức thích hợp.
Thực chất của việc lập trình là thu thập, xử lý và soạn thảo những dữ
liệu thông tin yêu cầu. Các dữ liệu đó bao gồm:
- Các thơng tin hình học ( đó là các dữ liệu tạo hình hay các số liệu về
đƣờng dịch chuyển của dụng cụ cắt trong q trình gia cơng ).
- Các thơng tin cơng nghệ ( nhƣ số vịng quay trục chính, chiều quay,
lƣợng chạy dao, chiều sâu cắt, gọi dao, hiệu chỉnh máy và dao và bơm dung
dịch trơn nguội…).


6

1.1.2.2. Chuyển động của các trục và khái niệm về hệ tọa độ
a) Chuyển động các trục
Trên thực tế không cần xác định xem phải quay mô tơ bao nhiêu vòng.
Chuyển động của các trục đƣợc điều khiển đơn giản hơn và logic hơn qua các
tọa độ. Có hai hệ trục tọa độ hay đƣợc dùng nhất là hệ tọa độ vng góc (hệ

tọa độ Đề các) và hệ tọa độ cực (polar). Trong các máy gia công hệ tọa độ Đề
các phổ biến hơn. Chúng ta đã đƣợc học về hệ tọa độ trong trƣờng phổ thông
và những kiến thức đó đủ cho chúng ta tiếp tục hành trình tìm hiểu cơng nghệ
CNC. Điểm khác so với đồ thị của điểm và đƣờng trong tọa độ toán học là với
máy CNC, các giá trị tọa độ thực tế không liên tục mà thay đổi theo bƣớc
(increment), hay còn gọi là độ phân giải. Ví dụ với hệ đo mét, bƣớc dịch
chuyển tối thiểu thƣờng là 1/1000mm, tức 0.001mm, còn trong hệ đo inch,
bƣớc dịch chuyển tối thiểu là 0.0001inch. Với chuyển động quay, bƣớc dịch
chuyển của góc quay cho cả hai hệ đo thƣờng đƣợc lấy là 0.001°.
Giống nhƣ hệ tọa độ toán học, mỗi trục trong hệ tọa độ của máy CNC
đều có điểm gốc. Ứng với các bài toán kỹ thuật, chúng đƣợc gọi là điểm gốc
(hay chuẩn, hay điểm 0) của chƣơng trình, của phơi hay của chi tiết. Thuật
ngữ tiếng Anh tƣơng ứng là program zero (hay program origin), work zero,
part zero.
b) Hệ toạ độ
Để xác định các tƣơng quan hình học trong vùng làm việc của máy, trong
phạm vi chi tiết gia công một cách rõ ràng ta đƣa vào các hệ toạ độ và các điểm
gốc chuẩn.
Để thống nhất hoá mối tƣơng quan cho các máy công cụ điều khiển số
khác nhau, ngƣời ta tiêu chuẩn hoá các trục của hệ toạ độ và chiều chuyển động
của chúng.
Ví dụ theo tiêu chuẩn ISO 841 hay tiêu chuẩn DIN 66127 thì hệ thống
trục toạ độ cho các máy điều khiển số đƣợc xác định nhƣ sau:


7

Các chiều chuyển động của máy công cụ điều khiển số đƣợc xác định
bởi hệ toạ độ vng góc của bàn tay phải (hình 1.1). Hệ toạ độ này ln ln
đƣợc gán lên chi tiết gia cơng.

Hình 1.1. Ký hiệu các trục tọa độ trên máy CNC
Khi lập trình, chi tiết luôn đƣợc coi là đứng yên. Các chuyển động
luôn thuộc về dao cụ. Trong thực tế trên từng loại máy cụ thể thì việc quy
định này khơng hồn tồn đúng bởi vì có những chiếc máy trong q trình
gia cơng thì chi tiết có thể tham gia thực hiện một vài chuyển động, điều này
dễ làm cho ngƣời vận hành nhìn nhận khơng chính xác về hƣớng chuyển
động của các trục.
Các trục quay tƣơng ứng với trục X,Y, Z đƣợc kí hiệu là A, B, C. Chiều
quay dƣơng tƣơng ứng với chiều quay thuận chiều kim đồng hồ khi ta nhìn
theo chiều dƣơng của trục tịnh tiến.
Để bố trí thứ tự của các trục toạ độ phù hợp với các chiều chuyển động
của máy, tiêu chuẩn ISO 841 hay DIN 66127 qui định:
Trục toạ độ Z
Nếu các máy có trục chính khơng xoay nghiêng đƣợc thì trục Z nằm
song song với trục chính cơng tác hoặc chính là đƣờng tâm trục đó.
Nếu trục chính của máy xoay nghiêng đƣợc và chỉ có một vị trí xoay
nghiêng song song với một trục toạ độ nào đó thì chính trục toạ độ là trục Z.


8

Nếu trục chính xoay nghiêng đƣợc song song với nhiều trục toạ độ khác
nhau thì trục Z chính là trục vng góc với bàn kẹp chi tiết chính của máy.
Nếu trục chính xoay nghiêng đƣợc theo một hƣớng nghiêng với chính
nó thì trục này ký hiệu là W.
Nếu máy có nhiều trục chính cơng tác thì ta sẽ chọn một trong số trục
đó làm trục chính theo cách ƣu tiên trục nào có đƣờng tâm vng góc với bàn
kẹp chi tiết.
Cịn nếu máy khơng có trục chính cơng tác thì trục Z cũng là trục

vng góc với bàn kẹp chi tiết.
Trục toạ độ X
Trục X là trục toạ độ nằm trên mặt định vị hay song song với bề mặt
kẹp chi tiết, thƣờng đƣợc ƣu tiên theo phƣơng nằm ngang. Chiều của trục X
đƣợc xác định nhƣ sau:
Thứ nhất: Trên các máy có dao quay trịn
+ Nếu trục Z đã nằm ngang thì chiều dƣơng của trục X hƣớng về bên
phải khi ta nhìn từ trục chính hƣớng vào chi tiết.
+ Nếu trục Z thẳng đứng và máy có một thân máy thì chiều dƣơng của
trục X hƣớng về bên phải khi ta nhìn từ trục chính hƣớng vào chi tiết.
Nếu máy có hai thân máy thì chiều dƣơng của trục X hƣớng về bên
phải nếu ta nhìn từ trục chính hƣớng vào thân máy bên phải.
Thứ hai: Trên các máy có chi tiết quay trịn
+ Trên các máy có chi tiết gia cơng quay trịn thì trục X nằm theo
phƣơng hƣớng kính của chi tiết và chiều dƣơng của trục đi từ trục tâm chi tiết
đến bàn kẹp dao chính.
Thứ ba: Trên các máy khơng có trục chính cơng tác thì trục X đƣợc qui
định là trục song song theo hƣớng gia cơng chính.
Trục toạ độ Y
Vị trí của trục toạ độ Y sẽ đƣợc xác định sau khi đã xác định đƣợc hai
trục toạ độ Z và X.


9

Các trục phụ.
Nếu ngồi các trục X,Y,Z mà máy cịn có các trục điều khiển độc lập
khác thì ta cũng ký hiệu các trục nhƣ sau: Trục U(là trục // với trục X), V(là
trục // với trục Y) và trục W(là trục // với trục Z).
Các trục song song khác so với trục toạ độ chính sẽ nhận các ký hiệu

tiếp theo là P, Q, R.

Hình 1.2. Các trục tọa độ trên máy CNC


10

1.1.3. Khái quát về hệ thống điều khiển CNC
1.1.3.1. Khái niệm hệ điều khiển số
Là hệ thống điều khiển đặc trƣng bởi các đại lƣợng đầu vào là
những tín hiệu số nhị phân, chúng đƣợc đƣa vào hệ điều khiển dƣới
dạng một chƣơng trình điều khiển có hệ thống.Trong hệ điều khiển số
ứng dụng cho điều khiển máy công cụ,các đại lƣợng đầu vào là những thông
tin,dữ liệu hay số liệu nạp vào.
1.1.3.2. Các dạng điều khiển số
Khi gia công các chi tiết khác nhau thì các bề mặt tạo hình khác nhau địi
hỏi sự chuyển động khác nhau giữa dao và chi tiết. Qũy đạo của các chuyển
động này đƣợc xác định chính xác thơng qua các chỉ dẫn điều khiển. Tuỳ dạng
chuyển động của điểm đầu, điểm cuối và quãng đƣờng dịch chuyển mà ta có
các dạng điều khiển khác nhau. Các dạng điều khiển đó đƣợc phân ra thành:
điều khiển điểm, điều khiển đoạn hay đƣờng thẳng và điểu khiển biên dạng phi
tuyến
1.1.3.3. Hệ điều khiển CNC
a) Phân biệt hệ điều khiển NC và CNC
- Điều khiển NC (Numberical Control)
Đặc tính của hệ điều khiển này là “chƣơng trình hố các mối quan
liên hệ” trong đó mỗi mảng linh kiện điện tử riêng lẻ đƣợc xác định một
nhiệm vụ nhất định, liên hệ giữa chúng phải thông qua dây nối hàn cứng
trên các mạch logic điều khiển.
Chức năng điều khiển đƣợc xác định chủ yếu bởi phần cứng.

- Điều khiển CNC(Computerized Numerical Control)
Điều khiển CNC là một hệ điều khiển có thể lập trình và ghi nhớ.
Nó bao gồm một máy tính cấu thành từ các bộ vi xử lý (microprocessor)
kèm theo các bộ nhớ ngoại vi


11

Đa số các chức năng điều khiển đều đƣợc giải quyết thơng qua phần
mềm nghĩa là các chƣơng trình làm việc có thể đƣợc thiết lập trƣớc.
Nhờ các chƣơng trình hệ thống CNC mà các máy tính có thể sử
dụng để thực hiện những chức năng điều khiển theo yêu cầu.
Do các hệ điều khiển hiện đại có nguyên lý cấu trúc và xử lý dữ liệu
theo dạng điều khiển CNC
b) Đặc trưng cơ bản của điều khiển CNC
- Nâng cao tính tự động
Các máy cơng cụ đƣợc trang bị bộ điều khiển CNC có tốc độ dịch
chuyển lớn. Do đó tăng đƣợc năng suất cắt gọt, giảm tối đa thời gian phụ.
Khi so sánh một máy công cụ không đƣợc trang bị bộ điều khiển CNC với
máy đƣợc trang bị ngƣời ta nhận thấy năng suất tăng gấp 3 lần.
- Nâng cao tính linh hoạt
Máy CNC có khả năng thích nghi nhanh với chƣơng trình gia cơng
với các chi tiết khác nhau. Do nguyên lý hoạt động và cấu trúc của nó đã
tạo điều kiện giảm thời gian gia công và hiệu chỉnh công nghệ kỹ thuật.
- Nâng cao tính tập trung ngun cơng
Các máy cơng cụ CNC có khả năng thực hiện nhiều bƣớc công nghệ
hoặc nhiều bƣớc nguyên công khác nhau trong một lần gá đặt phôi.
- Nâng cao tính chính xác và đảm bảo chất lượng gia cơng
Trong q trình gia cơng độ chính xác ln đƣợc đảm bảo ổn định.
Ngồi ra máy CNC cịn có khả năng mơ phỏng q trình cắt gọt nên ngƣời

vận hành có thể quan sát tổng thể trực tiếp các giai đoạn gia cơng, phát hiện
kịp thời sai sót.
- Nâng cao hiệu quả kinh tế
Máy CNC vừa có khả năng điều khiển trực tiếp trên máy vừa có khả
năng lập trình trên phần mềm nên máy CNC hữu dụng kinh tế ngay cả với xí