Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
LỜI TỰA
Các nước phát triển trên thế giới, sự đột phá về khoa học kỹ thuật đã giúp
họ tìm ra những kỹ thuật tiên tiến áp dụng trong sản xuất, chế tạo. Nhằm tạo ra
những công cụ giảm sức lao động của con người mà năng suất, hiệu quả kinh tế
đạt ở mức độ cao. Trong ngành chế tạo máy thì không ngừng đổi mới những
tính năng của các máy, quá trình tự động hoá, các phần mềm ứng dụng tin học
được đưa vào trong kỹ thuật chế tạo. Do vậy các thiết bị sản xuất được tự động
hoá cao nhờ sự hỗ trợ của hệ thống điều khiển số bằng máy tính đã có mặt ở
các nhà máy, xí nghiệp,……
Trong chế tạo máy từ những máy thông thường đã dần được cải tiến nhờ
điều khiển số, lúc đầu xử dụng hệ điều khiển NC dùng để điều khiển tự động
một chuỗi lệnh kế tiếp liên tục. Thế hệ sau của NC là hệ điều khiển số CNC
dùng các cụm vi xử lý thông qua máy tính để thực hiện một cách tự động các
máy công cụ, bằng các chương trình được lập trước.
Thời kỳ đổi mới đất nước ta đã chủ trương phát triển ngành công nghiệp
nặng, trong đó ngành cơ khí chế tạo được quan tâm, và không ngừng đổi mới
các trang thiết bị để năng cao chất lượng và tính ưu việt của sản phẩm. Do vậy
các máy điều khiển số đang được sử dụng rộng rãi ở nước ta để chế tạo cơ khí,
đặc biệt áp dụng để chế tạo các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết phục vụ trong
công nghiệp Quốc Phòng. Các máy công cụ điều khiển số còn được dùng trong
công tác nghiên cứu khoa học và đào tạo, qua các lớp đào tạo về máy điều
khiển số ta có thể tìm hiểu vận hành và sử dụng chúng để nâng cao trình độ áp
dụng trong sản xuất có hiệu tối đa nhất.
Dưới đây em xin trình bày toàn bộ nội dung đồ án tốt nghiệp “Nghiên
cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC”. Để hiểu sâu hơn về máy
công cụ điều khiển số, trong thuyết minh em trình bày các phần sau:
Chương I: Khái niệm cơ bản về điều khiển số & máy công cụ CNC.
- 1 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
Chương II: Bộ nội suy và hệ thống truyền động cơ khí trong máy điều

hàn và các ổ cắm (giao điện ) vừa tốn kém trong chế tạo và hạn chế độ tin cậy
- 3 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
trong vận hành và điều khiển.Thông tin điều khiển ghi trên băng đục lỗ, dung
lương thấp, khi gia công cho nhiều chi tiết giống nhau vẫn phải đọc băng đục lỗ
cho từng lân gia công. Khi thay đổi chương trình điều khiển đòi hỏi phải cải tiến
hay làm lại băng đục lỗ.
Trong những năm 70 ngành điều khiển số nhanh chóng ứng dụng trong
các thành tựu phát triển của kỹ thuật vi điện tử , vi mạch tích hợp. Những hệ NC
sử dụng các bản mạch logic nối cứng được thay thế bởi các hệ điều khiển có bộ
nhớ và dung lượng đủ lớn. Do nối ghép các cụm vi tính vào hệ điều khiển số mà
phần cứng có nhiệm vụ chuyên dùng trước đây được thay thế bằng các phần
mềm linh hoạt hơn. Dung lượng nhớ ngày càng được mở rộng, tạo điều kiện lưu
trữ trong hệ điều khiển số trước hết là những chương trình đơn lẻ sau đó là cả
một thư viện chương trình, lại có thể thay đổi được chương trình đã lập một cách
dễ dàng thông qua cấp lệnh bằng tay, thao tác trực tiếp trên máy.
Năm 1972, các tủ điều khiển NC đầu tiên có cài đặt các cụm vi tính chế
tạo hàng loạt đưa ra một thế hệ mới các thiết bị NC cài đặt các cụm vi tính có
công năng mạnh mẽ hơn. Thế hệ này được nhanh chóng thay thế bởi các cụm
điều khiển CNC cài đặt ( Microproessor ).
Năm 1984 hệ điều khiển CNC có công năng mạnh được trang bị các công
cụ trợ giúp lập trình “ garaphic ”. Tiến thêm một bước phát triển mới lập trình
tại phân xưởng sản xuất.
Những năm 1986 – 1987 các giao diện tiêu chuẩn hóa ( Inteface ) mở ra
con đường tiến tới các xí nghiệp tự động trên cơ sở một hệ thống trao đổi thông
tin liên thông : CIM ( Computer Integrated ManufaeTuring ).
2. Trình độ hiện tại.
Các chức năng tình toán trong hệ thống CNC ngày càng hoàn thiện hơn
và đạt độ xử lý cao do tiếp tục ứng dụng những thành tựu phát triển của các bộ
vi xử lý

Điều khiển kỹ thuật nghiêm cứu các quy luật xuất hiện trong : Quá trình thiết lập
hoặc trong quá trình hoạt động.
Các hệ thống làm việc tự động, gọi chung là hệ thống công tác. Một hệ
thống công tác bao gồm hàng loạt hệ thống thành phần và hàng loạt các mỗi
- 5 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
quan hệ giữa hai hay nhiều khâu hoặc nhiều quá trình. Một hệ thống công tác
phải có một hay nhiều đầu vào và đầu ra, thông qua đó hệ thống công tác có thể
trao đổi vật chất, năng lượng và thông tin với môi trường bên ngoài.
2.2 Điều khiển tự động hóa máy công cụ.
Điều khiển tự động hoá máy công cụ được thể hiện qua các chức năng
sau:
- Khởi động, dẫn dắt và kết thúc các chuyển động.
- Biến đổi tốc độ, số vòng quay, biến đổi lực, mô men hay biến đổi công
suất tác dụng.
- Thực hiện định vị các cụm máy với độ chính xác yêu cầu để bảo đảm vị
trí tương quan giữa dao và phôi.
- Bộ điều khiển bao gồm một hay nhiều xích điều khiển, chúng gắn liền
một hay nhiều mạch điều chỉnh.
Các xích điều khiển và mạch điều chỉnh làm việc với các bộ khuyếch đại
công suất. Ở đầu vào của bộ điều khiển, công suất thường thấp, nhưng ở đầu ra,
công suất điều khiển lại cao hơn nhiều. Năng lượng này sẽ được khuếch đại từ
nguồn khác. Bởi vậy giữa các đại lượng đầu vào và đầu ra xuất hiện sự “ trễ “
về thời gian. Thời gian trễ phụ thuộc vào lực quán tính và các trở kháng (như
ma sát trượt và lăn, điện trở công suất, các hiệu ứng cảm ứng điện từ ).
Quá trình làm việc của một máy công cụ, thì từng bước nguyên công được
thực hiện theo một trình tự không gian và thời gian xác định, với sự xắp đặt có
tính quy luật, rất chặt chẽ và chính xác giữa các chuyển động và thiết bị đóng/
ngắt. Gọi đó là chương trình làm việc cuả máy. Bộ điều khiển máy công cụ có
nhiệm vụ thực hiện chương trình này một cách tự động.

một nhiệm vụ nhất định, liên hệ giữa chúng phải thông qua những dây nối hàn
cứng trên các mạch logic điều khiển.
- 7 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
- Chức năng điều khiển được xác định chủ yếu bởi phần cứng.
2.5 Điều khiển CNC (Computerized Numerical Control).
Là một hệ thống điều khiển có thể lập trình và ghi nhớ. Nó bao hàm một
máy tính cấu thành từ các bộ vi xử lý ( microprocessor) kèm theo các bộ nhớ
ngoại vi.
Đa số các chức năng điều khiển đều được giải quyết thông qua phần mềm
nghĩa là các chương trình làm việc có thể thiết lập trước.
2.6 Điều khiển đọc.
Điều khiển đọc bao quát cả quá trình đọc tin. Nó kiểm tra các thông tin đã
được đọc về tính đúng đắn của hình thức cấu trúc tin (tính chẵn của số bit trong
mã số ISO) và ngừng ngay quá trình đọc khi phát hiện các cấu trúc tin bị lỗi.
2.7 Bộ nhớ chương trình.
Bộ nhớ chương trình đảm bảo chuẩn bị và thực hiện các bước xử lý song
song (xử lý đồng thời) các thông tin của một công đoạn gia công vốn đã được
đọc vào theo thứ tự từng bước (dạng chuyển động, tọa độ điểm kết thúc chuyển
động, tốc độ trên đường biên dạng, số vòng quay và chiều quay của trục chính).
2.8 Thông tin hình học.
Là hệ thống thông tin điều khiển các hệ thống chuyển động tương đối
giữa dao cụ và chi tiết liên quan trực tiếp tới quá trình tạo hình bề mặt, còn gọi
là thông tin về đường dịch chuyển (hình dạng đường sinh và đường chuẩn của
bề mặt hình học muốn tạo ra trên đường dịch chuyển).
2.9 Thông tin công nghệ (Technologual information).
Là hệ thống thông tin cho phép máy thực hiện gia công với những giá trị
công nghệ yêu cầu: Chuẩn hóa các gốc tọa độ, chọn chiều sâu lát cắt, tốc độ
chạy dao, số vòng quay trục chính, chiều quay trục chính vị trí xuất phát của dao
đóng hay ngắt mạch tưới dung dịch trơn nguội, mạch đo lường kiểm tra…

để gia công chi tiết, được đưa vào chương trình gia công với các bước gia công
- 9 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
kế tiếp nhau. Những chương trình gia công chi tiết được số hoá và ghi vào vật
mang tin bởi một mã (code) tương thích, để phân biệt với bộ nhớ nôị tại vật
mang tin còn gọi là bộ nhớ ngoại vi. Vật mang tin có thể là băng đục lỗ được ghi
và đựơc đọc ra một cách tuần tự với tốc độ đọc 120 ký tự/ giây, băng từ (casset)
là những dải băng có khả năng nhiễm từ quấn trong một casset và nó có tốc độ
đọc từ 400 đến 3000 ký tự/ giây hoặc đĩa từ (disk) có ưu điểm là khai thác
nhanh, trực tiếp, đựơc lựa chọn tự do với tốc độ đọc từ 4000 đến 300000 ký tự/
giây.
- 10 –
Nghiờn cu h thng iu khin s trờn mỏy cụng c CNC (mỏy phay)
- 11
Bàn máy
Bộ so sánh
tđ
số bên
b ớc
Bàn máy
HT đo
Hệ thống đóng/ngắt
GT cần
GT thực
GT cần
Đ cơ
Lập trình
Điều khiển
Bộ nội suy
Nhớ

chương trình đọc vào là phù hợp. Bộ nội suy tính toán tọa độ của các điểm trên
- 12 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
đường dịch chuyển dọc theo biên dạng cần, đoạn biên dạng giữa điểm khởi xuất
và điểm kết thúc mà toạ độ của chúng đã được đưa vào chương trình, để hình
thành nên biên dạng của chi tiết cần gia công trong một dung sai xác định. Các
tín hiệu điện được bộ đọc chuyển đổi từ các thông tin cần đưa vào thành tín hiệu
tương tự (tín hiệu điện), tín hiệu này hình thành giá trị “Cần” của vị trí bàn máy
(trong hệ lệnh về hướng dịch chuyển). Giá trị “Cần” được dẫn tới bộ so sánh
theo một tuần tự điều khiển xác định. Các giá trị “ Cần“ qua bộ so sánh hình
thành giá trị “Thực” về vị trí bàn máy, nó được thu thập thông qua hệ thống đo
lường dịch chuyển và cũng được dẫn tới bộ so sánh .
Kết quả đưa ra từ bộ so sánh giá trị “ Cần - Thực” trở thành những tín
hiệu điều khiển tự động cấp cho hệ thống truyền động, nhằm đạt tới vị trí chính
xác mong muốn của bàn máy. Đến khi kết quả so sánh cặp giá trị “ Cần - Thực”
bằng “ Không”, tín hiệu điều khiển không còn nữa và hệ thống truyền động
ngừng lại.
Quá trình trên đây được thực hiện trên nguyên tắc đường tác dụng “ kín”
(hình1a). Còn trên hình1b, lại mô tả một hệ điều khiển theo nguyên tắc đường
tác dụng hở. Ở đây, các thông tin đã ghi nhận được truyền động thẳng tới hệ
truyền động thông qua cụm điều khiển. Giá trị “ Thực” không được thu thập và
phản hồi trên đường tác dụng “hở”. Đối với hệ lệnh đóng/ ngắt quá trình cũng
diễn ra tượng tự, chúng được ghi nhớ, xử lý và truyền đạt tới các khâu điều
chỉnh và những chu kỳ làm việc thích hợp .
3.2 Các dạng điều khiển trong điều khiển số.
Các dạng máy công cụ khác nhau, các bề mặt tạo hình khác nhau đòi hỏi
những chuyển động tương đối rất khác nhau giữa dao cụ và chi tiết gia công.
Các dạng điều khiển số đó cũng được phân thành: điều khiển điểm, điều khiển
đoạn thẳng hay đường thẳng và điều khiển biên dạng phi tuyến (contour).
- 13 –

Z
Y
X
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
Điều khiển đường thẳng là dạng điều khiển mà khi gia công dụng cụ
cắt thực hiện một lượng chạy dao theo một đường thẳng nào đó. Điều khiển
đường thẳng cho phép bên cạnh dịch chuyển nhanh định vị, còn có một dịch
chuyển song song với chiều trục của dụng cụ cắt với lượng chạy dao yêu cầu,
khi đó dao ăn vào phôi.
Hình 3a là sơ đồ chạy dao trên máy tiện dụng cụ cắt chuyển động
song song hoặc vuông góc trục của chi tiết so với trục Z. Trên hình 3b thể hiện
sơ đồ máy phay, dụng cụ cắt chuyển động song song với trục X. Trong cả hai
trường hợp trên dụng cụ cắt chuyển động độc lập theo từng trục tức không có
quan hệ rằng buộc hàm số. Dạng điều khiển này dùng cho máy phay và máy tiện
đơn giản.
3.2.3 Điều khiển theo biên dạng.
Nếu giữa điểm bắt đầu một
chuyển động và điểm kết thúc nó cần
sản sinh ra một biên dạng có ràng
buộc bởi các quan hệ hàm số (tuyến
tính hay phi tuyến) thì điều khiển số
thực hiện chuyển động như vậy thuộc
dạng điều khiển biên dạng ( Contour).
Dạng điều khiển này đòi hỏi
phải có các truyền động biệt lập, điều
chỉnh được vị trí theo thời gian thực trên mỗi trục tọa độ và đảm bảo quan hệ
phụ thuộc hàm số với các Hình 4: Điều khiển biên dạng trên máy phay
CNC.
chuyển động đồng thời trên các trục khác. Giá trị cần – ứng với một vị trí tức
thời trên một trục – phải được tính toán một cách tuần tự đúng với ràng buộc

hai trục hoà hợp với nhau với sự lưu ý tới các
chuyển động giữa chúng.
Trên máy phay CNC có ba trục X, Y, Z
sẽ điều khiển được đồng thời hoặc X và Y
- 16 –
Z
Y
X
Y
Z
X
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
hoặc X và Z hoặc Y và Z. Trên các máy phay điều đó có nghĩa là sự ăn dao có
thể thực hiện Hình 6: Điều khiển 2,5D. theo b ất
kỳ 1 trong 3 trục, trong khi đó giữa hai trục kia dùng sử dụng để phay contour.
Hình 6, thể hiện các chức năng trên.
Như vậy thông qua chức năng G ( G17, G18, G19 ) của chương trình gia
công ta có thể chuyển từ bề mặt gia công này sang bề mặt gia công khác.
c) Điều khiển contour 3D.
Cho phép đồng thời chạy dao theo cả ba trục X, Y, Z, ( cả ba trục chuyển
động hòa hợp với nhau hay có quan hệ ràng buộc bằng hàm số ). Ta thấy trên
hình 7, biên dạng đuợc gia công theo cả ba trục đều có lượng chạy dao theo
chúng tạo thành. Điều khiển contour 3D được ứng dụng rộng để gia công các
khuôn mẫu chính xác, gia công các bề mặt không gian phức tạp.

- 17 –
Y
Z
X
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)

1.2 Máy công cụ CNC .
Thế hệ sau của máy công cụ thông thường là máy NC (máy điều khiển số), với
yêu cầu ngày càng tăng để đưa ra những sản phẩm có chất lượng, gia công hàng loạt
trên một máy công cụ. Chính vì thế mà máy công cụ CNC ra đời là bước phát triển từ
máy NC. Các máy CNC có một máy tính để thiết lập phần mềm để điều khiển chức
năng dịch chuyển của máy. Các chương trình gia công được đọc cùng một lúc và được
lưu trữ vào trong bộ nhớ, khi gia công máy tính đưa các câu lệnh vào điều cũng có khả
năng bù chiều dài và đường kính dụng cụ… Tất cả các chức năng trên đều được nhờ
một phần mềm của máy tính, các chương trình lập ra đều có thể được lưu trữ vào đĩa
cứng hoặc đĩa mềm. So với máy công cụ thông thường thì máy công cụ CNC có khả
năng tự động
- 19 –
Nghiờn cu h thng iu khin s trờn mỏy cụng c CNC (mỏy phay)
Hỡnh 8: mỏy phay thụng thng v mỏy phay CNC.
- 20
Vítme đai ốc bi (trục Y)
Truyền động chạy dao (Động cơ AC, DC)
Bảng điều khiển
có màn hình
Hệ thống đo đ ờng dịch chuyển
Truyền động chính
Các tay quay
Thân máy
Cụm trục chính
Bàn máy
Truyền động trục chính
(Động cơ AC, DC)
Truyền động chạy dao
(Động cơ AC, DC)
Vítme đai ốc bi (trục X)

Máy công cụ CNC có thể dễ dàng thay đổi chương trình gia công, thiết thực với
các loại chi tiết khác nhau, thời gian chuẩn bị và hiệu chỉnh kỹ thuật tại khu vực làm
việc giảm đáng kể. Thời gian thay dao được thực hiện nhanh chóng, chính xác có thể
chuẩn bị dao ở vùng ngoại vi và nạp trở lại vào ổ tích dao chuyên dùng gắn trên máy.
- 21 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
Máy điều khiển kỹ thuật số có thể thực hiện một lúc nhiều chuyển động khác
nhau, tự động điều chỉnh sai số dao cụ, tự động khiểm tra kích thước chi tiết và qua đó
tự động hiệu chỉnh sai lệch vị trí tương đối giữa dao và chi tiết.
Máy công cụ CNC gia công được loạt chi tiết nhỏ, phản ứng một cách linh hoạt
khi nhiệm vụ công nghệ thay đổi và điểm quan trọng nhất là việc lập trình gia công có
thể thực hiện được ngoài máy, trong văn phòng có sự hỗ trợ của kỹ thuật tin học thông
qua các thiết bị vi tính, vi xử lý,….
Đa số các máy CNC đều có thể thực hiện một số lượng lớn các nguyên công
khác nhau mà không cần thay đổi vị trí gá đặt của chi tiết.
Độ chính xác lập lại đặc trưng cho mức độ ổn định trong suốt quá trình đảm bảo
chất lượng gia công cao, là ưu việt tuyệt đối của các máy điều khiển kỹ thuật số.
Bản thân nguyên tắc điều khiển theo chương trình số là đảm bảo cơ bản của độ
chính xác gia công trên máy. Ngoài ra máy CNC còn có điều kiện khai thác tối đa các
chế độ cắt gọt, các nguyên lý cắt và phương án gá đặt, đảm bảo độ chính xác cao, ổn
định chất lượng sản phẩm.
Tóm lại sự lựa chọn thế hệ máy CNC ngày nay trở thành một đặc tính cần thiết
có tầm quan trọng, quyết định đối với các xí nghiệp công nghiệp. Vì nó có thể đem lại
lợi nhuận, khả năng tái sản xuất vá nó có những tính năng cao mà may công cụ thông
thường chưa đạt được.
2.2 Nhược điểm.
- Giá thành chế tạo máy cao hơn;
- Giá mua máy đắt hơn;
- Giá thành bảo dưỡng, sữa chữa máy cũng cao hơn;
- Vận hành máy phức tạp hơn;

- 23 –
Nghiên cứu hệ thống điều khiển số trên máy công cụ CNC (máy phay)
Các thế hệ CNC ngày
nay càng được trang bị các
hệ thống cấp dao hoàn
chỉnh, trong đó các quá trình
cấp dao, chuyển đổi dụng cụ
cắt đều được thực hiện một
cách tự động.
Một tổ hợp các nhóm
dao, lựa chọn theo những nhiệm vụ công
nghệ dự kiến trước, được Hình 9: ổ tích lũy dao: a): Đĩa hoặc tang
quay;
xếp vào các ổ tích luỹ dao. A: dụng cụ cắt; B: đĩa nâng dao; C: hốc
dao;
Từ ổ này, dao được chuyển, D: phần tự kẹp mảnh cắt; E: mảnh cắt;
trực tiếp cho kết cấu kẹp F: rãnh chứa; G: phần tử dụng cụ.
trên đầu trục chính, hoặc thông qua một tay máy đổi dao, đảm bảo lấy dao vừa
cắt
xong từ trục chính trở lại ổ tích luỹ và thay vào một dao mới từ ổ dao lắp vào
trục chính.
- 24 –
B
A
a)
C E
D
F
c)
b)