BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA KC.03
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP NHÀ NƯỚC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO
CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (CNC)
THÔNG MINH VÀ CHUYÊN DỤNG
CHO CÁC HỆ THỐNG VÀ QUÁ TRÌNH PHỨC TẠP

MÃ SỐ KC.03.12 Chủ nhiệm đề tài: TS . Thái Thò Thu Hà
6294
06/02/2006

13. Trần Tuấn Đạt Kỹ sư Đang làm thạc sỹ tãi Đức
14. Nguyễn Văn Giáp GVC.Tiến só

i
15. Tôn Thiện Phương Thạc sỹ
16. Từ Diệp Công Thành Tiến sỹ
17. Bùi Quang Được Kỹ sư
18. Tô Hoàng Minh Kỹ sư Đang làm tiến só tại Hàn Quốc

Chù nhiệm đề tài Tp.Hồ Chí Minh 26/12/2005
Thủ trường cơ quan chủ trì Đề tài

TS.Thái Thò Thu hà
xiv
BẢNG CHÚ GIẢI CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Mục lục v
Bảng chú thích các chữ viết tắt
Chương 1:BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CNC THÔNG MINH 1
1.1 Tổng quan 1
1.1.1 Giới thiệu đề tài nghiên cứu 1
1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1
1.1.3 Nhận xét 6
1.1.4 Mục đích và nội dung nghiên cứu 6
1.2 Cấu trúc của máy phay cnc thông minh 7
1.2.1 Sơ đồ cấu trúc máy phay CNC thông minh 7
1.2.2 Sơ đồ bộ điều khiển thông minh 10
1.3 Máy phay và phần mềm điều khiển 10
1.3.1 Giới thiệu chung 10
1.3.2 Sơ đồ điều khiển của máy đã thưc hiện 12
1.3.3 Giới thiệu các phần tử của hệ thống 13
1.3.3.1 Giới thiệu phần cơ của máy 13
1.3.3.2 Giới thiệu các motor và driver fanuc 14
1.3.3.3 Giới thiệu biến tần fuji FRENIC 5000G 15
1.3.3.4 Giới thiệu PLC MITSUBISHI FX1S 16
1.3.3.5 Giới thiệu bàn phím và bảng điều khiển 18
1.3.3.6 Giới thiệu PCL-812 20
1.3.3.7 Giới thiệu PXI 7344 ( Hwardwase ) 21
1.3.3.8 Một số các đặc tính quan trọng của card 7344 22
1.3.3.9 Kết nối hệ thống điện 25
1.3.4 Phần mềm điều khiển 28
vi
1.3.4.1 Giới thiệu chung 28
1.3.4.2 Giao diện và cách giao tiếp 29
1.3.4.3 Phần mềm điều khiển máy cnc 32
1.4 Bộ điều khiển thích nghi quá trình phay 33

1.5.5 Thực nghiệm 73
1.5.5.1 Huấn luyện mạng 73
1.5.5.2 Xác đònh trọng số 76
1.5.5.3 Xác đònh mạng Neural cho quá trình điều khiển 76
1.5.5.4 Tiến hành gia công với quá trình điều khiển Neural 77
1.6 Optimal milling 79
1.6.1 Đặt vấn đề 79
1.6.2 Sơ đồ mạch điện 80
1.7 Kết luận 83
Chương 2: MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CÓ CẤU TRÚC MỞ. 85
2.1 Tổng quan 85
2.1.1 Giới thiệu về bộ điều khiển có cấu trúc mở 85
2.1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước 90
2.1.3 Nhận xét đánh giá 92
2.1.4 Mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tài 92
2.2 Phần cứng của mô hình tổng quát 93
2.2.1 Sơ đồ nguyên lý và điều khiển 93
2.2.2 Giới thiệu các thành phần cơ bản của bộ điều khiển 96
2.3 Phần mềm điều khiển 103
2.3.1 Cấu trúc file chương trình CAD/CAM 103
2.3.2 Phần mềm điều khiển 103
2.4 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm 104
2.4.1 Mô hình thí nghiệm 104
2.4.2 Mẫu thí nghiệm 105
2.4.3 Các thông số thí nghiệm 106
viii
2.4.4 Kết quả 106
2.5 Kết luận 107
Chương 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HEXAPOD 108
3.1 Tổng quan về hexapod 108

3.5.1.1 Các dạng nội suy 152
3.5.1.2 Các giải thuật nội suy cho các lệnh cơ bản của phay CNC 152
3.5.2 Một số giải thuật lập trình gia công cho hexapod 152
3.5.2.1 Lập trình bằng tay và đọc mã lệnh G code trong trường hợp
phay 2D 152
3.5.2.2 Giải thuật đọc file cl file 154
3.5.3 Đọc mã lệnh G codes tương ứng với máy phay 5 trục 155
3.6 Bộ điều khiển cho hexapod 156
3.6.1 Sơ đồ điều khiển chung 156
3.6.2 Giải thuật điều khiển song song 157
3.6.3 Hệ thống SERVO 170
3.6.4 Mạch điều khiển sensor 175
3.7 Thực nghiệm 178
3.8 Kết luận 182
Chương 4: HỆ THỐNG ĐỊNH LƯNG NHIỀU THÀNH PHẦN 183
4.1 Tổng quan 183
4.1.1 Giới thiệu chung 183
4.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 183
4.1.3 Nhận xét 185
4.1.4 Mục đích và nội dung nghiên cứu 185
4.2 Thiết kế phần cơ của hệ thống đònh lượng tự động 186
x
4.2.1 Phân tích chọn phương án thiết kế 186
4.2.1.1 Đặc tính vật liệu 186
4.2.1.2 Chọn nguyên lý 186
4.2.2 Lựa chọn loadcell 192
4.2.3 Thiết kế thùng chứa và phễu cấp liệu 194
4.2.3.1 Các dạng dòng chảy vật liệu 194
4.2.3.2 Một số phương án lựa chọn hình dáng thùng chứa 196
4.2.3.3 Thiết kế thùng chứa 197

4.6.4 Vận hành 231
4.7 Đánh giá kết quả 234
4.8 Kết luận 237
Chương 5: CẢI TIẾN HỆ THỐNG ĐỊNH LƯNG VÍT 238
5.1 Đặt vấn đề 238
5.2 Chọn phương án đònh lượng 238
5.2.1 Các đặc điểm khi đònh lượng bulông-vít-đai ốc 238
5.2.2 Các yêu cầu kỹ thuật 239
5.2.2.1 Năng suất 239
xii
5.2.2.2 Độ chính xác 239
5.2.2.3 Chất lượng sản phẩm 239
5.2.3 Sơ đồ phương án đònh lượng 239
5.2.3.1 Thùng chứa 240
5.2.3.2 Giai đoạn chuyển tiếp 240
5.2.3.3 Xích tải 241
5.2.3.4 Cơ cấu chia phôi 241
5.2.3.5 Máng rung phẳng có bộ phận tạo rung bằng điện từ 241
5.2.3.6 Máng rung xoắn 241
5.3 Nguyên lý hoạt động 241
5.4 Hệ thống điều khiển 243
5.4.1 Yêu cầu đối với hệ thống điều khiển 243
5.4.2 Đặc điểm khi thiết kế hệ thống điều khiển 243
5.4.3 Các cơ cấu chính của hệ thống điều khiển 243
5.4.3.1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển 244
5.4.3.2 Các bộ phận chính của hệ thống điều khiển 244
5.4.3.3 Sơ đồ nguyên lý 246
5.5 Thiết kế hệ thống điện 247
5.5.1 Cơ cấu cần lắc và máng rung chuyển tiếp 247
5.5.1.1 Lựa chọn các cảm biến 248

Bộ điều khiển thông minh có ý nghóa quan trọng trong tự động hóa và quá trình
sản xuất hiện đại. Tầm quan trọng này được thể hiện qua một số công trình của
Fritschow, Wright và James. Ngay từ năm 1993, GS Fritschow đã khẳng đònh bộ
điều khiển thông minh trên nền tảng của bộ điều khiển cấu trúc mở sẽ làm thay đổi
ngành công nghiệp chế tạo máy công cụ trong tương lai.
Trong cuốn sách Sản xuất ở thế kỷ 21 , Wright đã nêu xu thế phát triển của chế
tạo máy về máy thông minh và tầm quan trọng của nó.
Trong chiến lược phát triển chế tạo máy ở Châu Âu giai đoạn 2015 – 2020 đã có
những dự án sau đây:
- Hệ thống cấu trúc mở để điều khiển thông minh máy CNC.
- Bộ điều khiển cấu trúc mở.
- Giám sát trực tuyến thông minh và điều khiển thích nghi.
Năm 2002, trong dự báo tương lai của ngành chế tạo máy Jordan James cũng
nhấn mạnh vai trò của bộ điều khiển cấu trúc mở.
Chính vì tính cấp thiết của bộ điều khiển thông minh như vậy cho nên trong
chương trình nghiên cứu trọng điểm của nhà nước về tự động hóa giai đoạn
2001 – 2005 có nhiệm vụ của đề tài KC.03.12 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ
TẠO CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (CNC) THƠNG MINH VÀ CHUN DỤNG
CHO CÁC HỆ THỐNG VÀ Q TRÌNH PHỨC TẠP.
Sản phẩm nghiên cứu của đề tài KC.03.12 bao gồm:
- Máy phay CNC 3 trục với bộ điều khiển thông minh.
- Mô hình điều khiển tổng quát.
- Mô hình Hexapod.
- Hệ thống đònh lượng nhiều thành phần.
- Bộ điều khiển cải tiến hệ thống đònh lượng vít.
Để thực hiện các sản phẩm này, chúng tôi phải triển khai thiết kế chế tạo phần
cứng cũng như xây dựng bộ điều khiển và các chương trình phần mềm điều khiển iii


iv
Chương 2: Mô hình điều khiển tổng quát.
Chương 3:
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hexapod.
Chương 4: Hệ thống đònh lượng nhiều thành phần.
Chương 5: Cải tiến hệ thống đònh lượng vít.
Chương 6: Kết luận và kiến nghò.
Với những kết quả đạt được, chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến đánh
giá, góp ý của hội đồng nghiệm thu các cấp để hoàn thiện tốt hơn nhằm phục vụ
hiệu quả trong sản xuất và đào tạo.


Với ưu việt nổi trội của bộ điều khiển CNC thông minh ngoài việc áp dụng cho các
máy công cụ nó còn đang được nghiên cứu để áp dụng vào cho các quá trình sản xuất và
hệ thống gia công phức tạp khác.
Do vậy việc nghiên cứu để thiết kế và chế tạo bộ điều khiển thông minh cho máy
phay CNC là cấp thiết.
1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
B
áo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật
–
Đ
ề tài KC-03.12
Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh
2

Trên thế giới việc nghiên cứu bộ điều khiển thông minh đã được ứng dụng trong nhiều
lónh vực khác nhau, đặc biệt là việc nghiên cứu trong lónh vực ứng dụng trên máy CNC.
Trong quá trình nghiên cứu các tác giả đã đưa ra một số khái niệm về máy thông minh.
Cho đến nay, có khá nhiều đònh nghóa về máy công cụ thông minh. Trong cuốn sách
viết năm 1988, Wright và Bourne đã đưa ra một số ý tưởng và mức độ thông minh cho
máy công cụ. Nacsa J [1, 2, 3, 4] đã tổng quan lại những công trình nghiên cứu liên quan
đến máy công cụ thông minh. Trong các bài báo này đã đưa ra những nhu cầu thương
mại về máy công cụ thông minh theo dự báo của Wright từ năm 1988 và cho đến nay.
Monostoris lại phân loại các máy thông minh thành 3 phần:
¾ Điều khiển giám sát dụng cụ.
¾ Mô hình hóa và mô phỏng hoạt động của máy.
¾ Điều khiển thích nghi.
Hệ thống gia công thông minh đầu tiên được trình bày bởi K. Mori và Kasashina vào

máy công cụ thông minh cho các quá trình khoan, ta rô. Nguyên lý điều khiển thông
minh quá trình khoan được thể hiện qua sơ đồ tổng thể hình 1.2.

Hình 1.2: Sơ đồ máy thông minh của dự án INC
Để có thể nghiên cứu các tính chất của bộ điều khiển này cần có các cơ cấu chấp hành
nhiều cấp đặc trưng cho một hệ thống phức tạp trong ngành chế tạo máy. Theo Atsuhi
Matsubara, Soichi IBARAKU và Yoshiaki KaKINO ở trường Kyoto, máy khoan thông
minh được thể hiện ở 3 mức điều khiển sau:
¾ Mức 1 : Điều khiển dòng điện, vận tốc, vò trí.
¾ Mức 2 : Điều khiển lực cắt.
¾ Mức 3: Điều khiển trực tuyến và không trực tuyến.
Ngoài ra theo Yoshiaki Kakino máy thông minh có hai loại: feedback, hoặc
feedforward.
Còn theo Altintas, Đại học British Columbia Canada thì cấu trúc chung phần cứng của
máy thông minh chỉ ra trên hình 1.3.

B
áo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật
–
Đ
ề tài KC-03.12

g
ắn trên má
y
nh
ậ
n bi
ế
t
3 thành phần
tạo nên
chuyển động
cắt
CNC
Monitor
Z
Y
X
Microphone
Bàn máy
B
áo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật
–
Đ
ề tài KC-03.12
Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh
5


–
Đ
ề tài KC-03.12
Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh
6

1.1.3 Nhận xét
Sau khi nghiên cứu những tài liệu nghiên cứu về hệ thống gia công thông minh chúng
tôi có nhận xét sau đây:
Hệ thống gia công thông minh là hệ thống mà có sử dụng một trong những yếu tố sau
đây:
¾ Có cảm biến.
¾ Các vòng lặp điều khiển.
¾ Cấu trúc mở.
¾ Điều khiển thích nghi.
¾ Điều khiển dùng Neural.
¾ Điều khiển dùng Fuzzy.
¾ Điều khiển giám sát.
Cấu trúc của một hệ thống gia công thông minh bao gồm hệ thống gia công CNC được
điều khiển bởi bộ điều khiển thông minh .
Bộ điều khiển thông minh CNC là bộ phận quan trọng nhất quyết đònh khả năng đạt
mục tiêu của một hệ thống gia công thông minh .
1.1.4 Mục đích và nội dung nghiên cứu
Mục đích chính của đề tài là thiết kế và chế tạo bộ điều khiển CNC thông minh cho
một máy phay.
Tuy nhiên nếu chỉ có bộ điều khiển thì chúng ta không thể nghiên cứu thử nghiệm
cũng như đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển này. Chính vì lẽ đó mục đích tổng thể của
Hình 1.6: Cấu trúc của máy phay CNC thông minh
Hệ thống bao gồm có các bộ phận sau đây:
¾ Máy phay CNC 3 trục với bộ điều khiển PC-based được xây dựng trên nền card
điều khiển chuyển động PCI-7344: Đây là một máy phay CNC 3 trục hoàn chỉnh,
có đầy đủ các chức năng của các máy CNC thông thường. Ngoài ra phần mềm
điều khiển còn có khả năng nhận tín hiệu hồi tiếp từ máy tính, xử lý tín hiệu lực
cắt và hiệu chỉnh trực tuyến tốc độ chạy dao.
¾ Lực kế đo lực cắt theo 3 phương X,Y,Z.
CNC
FANUC
Máy tính 2 + Phần mềm hiển thi
(DASYLab)+ Điều khiển thích nghi Q trình phay

Lượng chạy dao
Lực cắt tham chiếu
Card điều
khiển
Flexmotion
PCI - 7344

Máy tính 1 + CNC Controller
Card PCL

Hình 1.7 : Sơ đồ máy phay thông minh thực hiện
tại trường ĐH.Bách Khoa.TPHCM
Quá trình lập trình và giám sát có thể thực hiện trên bộ điều khiển cấu trúc mở
(OAC), ở đây chúng tôi thực hiện cấu trúc mở về phần mềm, quá trình lập trình, gia
công, giám sát và điều khiển thích nghi được thực hiện trên máy CNC có cấu trúc OAC
để có thể cùng một lúc chạy chương trình và điều khiển thay đổi thông số công nghệ của
quá trình gia công. Chi tiết được thể hiện ở dạng 3D, sau đó chuyển sang ngôn ngữ
máy.
Lập trình đường chạy dao: Các phần mềm CAM có khả năng tạo ra các đường chạy
dao cho bất kỳ chi tiết nào. Việc chế tạo cần phải phân tích từ các yêu cầu kỹ thuật của
chi tiết, các đường chạy dao, khả năng của máy CNC và quyết đònh các thông số hình
học của dao và các thông số công nghệ của quá trình gia công .
Mô hình hóa hình học và cơ chế cắt: Mô phỏng quá trình gia công của chi tiết và dụng
cụ cắt được thực hiện, lượng chạy dao và tốc độ trục chính. Biết loại dao và các thông số
công nghệ sẽ tính được lực cắt. Giá trò lực cắt phải đảm bảo cho lưỡi cắt và chi tiết không
B
áo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật
–
Đ
ề tài KC-03.12
Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh
9

có hiện tượng quá nhiệt và bò mòn. Giữa lực cắt và lượng chạy dao có mối quan hệ với