May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC
11
Chương 2: MÁY ĐIỀU KHIỂN CHƯƠNG TRÌNH SỐ

2.1. Khái Niệm Cơ Bản
2.1.1/ Điều khiển
Là sự thay đổi của các đại lượng đầu ra theo quy luật nhất đònh nào đó của các đại lượng đầu
vào.

2.1.2/ Điều khiển số NC ( Numeric Control )
Là hệ thống các hoạt động được điều khiển trực tiếp bởi dữ liệu số được mã hóa bằng
chương trình. Chương trình gồm các chỉ thò được mã hóa dưới dạng số, kí tự chữ, và các kí tự
đặc biệt khác. Các chỉ thò này bao gồm:
 Chỉ thò điều khiển: Được chuyển thành 2 dạng:
Tín hiệu xung điện (Pulse): điều khiển tốc độ, số vòng quay của động cơ truyền
động.
Tín hiệu đóng/ngắt (ON/OFF) : cung cấp chất bôi trơn và làm nguội, chọn và thay
dao, dừng máy, kẹp nhả phôi…
 Thông tin hình học ( Geometrical Information): Là hệ thống thông tin điều khiển
các chuyển động tương đối giữa dao cụ và chi tiết, còn gọi là thông tin về đường
dòch chuyển.
 Thông tin công nghệ ( Technological Information ): Là hệ thống thông tin cho phép
máy thực hiện gia công với những giá trò công nghệ yêu cầu. Vd: chuẩn hóa gốc tọa
độ, chiều sâu cắt, tốc độ chạy dao, số vòng quay trục chính, chiều quay trục chính,
đóng hay tắt dung dòch trơn nguội

2.1.3/ Điều khiển số bằng máy tính (CNC)
Đònh nghóa: CNC là hệ thống NC sử dụng máy tính thiết lập trực tiếp trên hệ điều khiển

+ Nhập dữ liệu
+ Biên tập chương trình, lập trình
+ Lưu trữ chương trình
+ Kiểm tra chương trình
+ Chẩn đoán lỗi
+ Hiển thò chương trình và mô phỏng bằng đồ họa quá trình gia công
+ Tiện ích giao tiếp
+ Quản lí dữ liệu
+ Cài đặt hệ tọa độ và hệ đơn vò
+ Có khảû năng tính toán, xử lý số liệu
May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC
13
+ Bù trừ đường kính và chiều dài dao
+ Nội suy hình học

2.4. Ưu và nhược điểm của CNC
• Ưu điểm của CNC
+ Độ chính xác và độ chính xác lặp lại cao
+ Đáp ứng nhanh nhu cầu thò trường, gia công nhiều bề mặt phức tạp
+ Nâng cao năng suất đặc biệt là trong sản xuất đơn chiếc các chi tiêt phức tạp
+ Giảm giá thành điều hành gián tiếp
+ Hạ giá thành sản xuất
+ Thuận lợi cho việc tự động hoá quá trình sản xuất

• Nhược điểm của CNC.
+ Chi phí đầu tư ban đầu cao.
+ Chi phí lập trình và máy tính kèm theo.

15

Hỡnh 2.4. Trung taõm phay CNC ngang (CNC Horizontal machining center )
Hỡnh 2.5: Maựy khoan ngang CNC (horizontal Drilling CNC)
May CNC & Coõng Ngheọ Gia Coõng Treõn Maựy CNC
16Hỡnh 2.6. Maựy tieọn CNC

Hỡnh 2.7. Maựy tieọn CNC hai ủau dao (CNC Dual turret turning center )
May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC
17Hình 2.9. Máy đo toạ độ CNC ( CNC Coordinate Measuring machine)
Hình 2.10. Máy gia công tia lửa điện EDM Wire Cut.
May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC
Hình 2.11. Hệ điều khiển hở (Open loop System)
May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC
19
b. Hệ điều khiển kín (Closed Loop System )
Với hệ điều khiển kín, mạch phản hồi được sử dụng để theo dõi đáp ứng thực của đại lượng điều
khiển và đưa ra tín hiệu sửa đổi khi có sự sai lệch giữa giá trò mong muốn và gía trò thực. Hệ
thống phản hồi có thể là hệ tương tự (analog) hoặc số (digital).
Analog systems: đo sự biến đổi của tín hiệu điều khiển (vò trí, vận tốc) dưới dạng tín hiệu hiệu
điện thế. Điển hình là dùng máy phát tốc (Tachometers) để đo vận tốc và resolvers để đo vò
trí.
Hình.2.12. Mạch điều khiển kín tuần tự (Analog type closed loop CNC drive system)
Digital feedback systems: Dùng bộ xác đònh vò trí số (digital position transducers ) trong mạch
phản hồi. Bộ mã hoá (Encoders) được sử dụng phổ biến nhất. Còn mạch phản hồi tốc độ vẫn
giống như hệ phản hồi tương tự. Hình 2.13
Cườnd độ, hiệu điện thế
để điều chỉnh tốc độ
Tín hiệu điều
chỉnh vò trí
Hệ

thống điều
khiển trục
Đai ốc bi
Vít me bi

Động cơ
truyền động
Máy phát tốc

May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC
21
Hình 2.15 . Truyền động vítme – Đai ốc bi

Bảng 2.1 : Ưu điểm của truyền động vít me đai ốc bi.
Vít me
đai ốc bi
Vít me
thường


X X X
Kết cấu gọn

X

X
X
May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC
22
2.6.3/ Động cơ bước (Stepper Motor)
Hình 2.16 mô tả sơ đồ nguyên lý dùng động cơ bước cung cấp điều khiển số không phản hồi về
vò trí của bàn máy khi gia công trên máy CNC. Bộ điều khiển nhận tín hiệu về chiều quay và
tính hiệu xung điện để điều khiển góc quay của động cơ. ng với mỗi tính hiệu xung điện, bộ
điều khiển sẽ đưa ra tính hiệu cường độ hoặc hiệu điện thế để làm cho động cơ quay một góc
nhất đònh nào đó (one step). Trục vít me đai ốc bi sẽ biến chuyển động quay thành chuyển động
tònh tiến của các trục.

Hình 2.16. Dùng động cơ bước để truyền động trong máy CNC

Về cơ bản động cơ bước được chia làm 3 loại sau: động cơ bước từ trở thay đổi (Variable-

Điều khiển động cơ bước có thể dùng điều khiển đầy bước (full step) hoạêc không đầy bước
(micro step).
a. Điều khiển đầy bước.
Bằng việc điều khiển cường độ dòng điện cung cấp lần lượt cho từng cuộn dây trên Stato của
động cơ bước ta sẽ có được các vò trí chính xác tương ứng của Roto (nam châm). Tốc độ quay
của động cơ bước phụ thuộc vào tần số xung điện cung cấp cho các cuộn dây. Trong trường
hợp này, độ phân giải vò trí của trục vít dẫn động được tính như sau.
N
l
u =∆
Với: l (lead): bước ren (mm/vòng hoặc inch/vòng)
b. Điều khiển không đầy bước(vi bước).
Bằng việc điều khiển cung cấp cường độ dòng điện đồng thời cho các cuộn dây stato ta có
thể đònh vò trí của Roto ở các vò trí trung gian giủa các cuộn dây tương ứng, phương pháp
điều khiển động cơ bước theo cách này được gọi là điều khiển vi bước. Điều khiển vi bước
thường được sử dụng khi yêu cầu độ phân giải cao hơn, do vậy độ chính xác cao hơn. Tuy
nhiên việc điều khiển phức tạp hơn. Các vi bước thường được sử dụng là 1/10, 1/16, 1/32,
1/125. Trong trường hợp điều khiển vi bước độ phân giải được tính như sau.
m
N
l
u
.
=∆
; m: số vi bước trong một đầy bước
 Lưu ý: Ở đây chỉ nêu lên những khái niệm chung nhất về động cơ bước, việc nghiên
cứu kỹ cấu cạo, cách điều khiển các loại động cơ này nói chung khá phức tạp và sẽ
được học trong các môn học khác.
Một số ưu điểm của động cơ bước là.


nhận biết các thông số về vò trí, tốc độ mong muốn. Có nhiều phương pháp điều khiển vòng kín
trong đó phương pháp dùng bộ điều khiển PID là được sử dụng rộng rải nhất.
Ưu điểm cơ bản của động cơ servo so với động cơ bước là.
•
Mô men trên trục đều hơn (High intermittent torque )
•
Tốc độ cao hơn (High speeds )
•
Mạch điều khiển tốc độ chính xác và đều hơn (Work well for velocity control)
•
Có nhiều kích cở hơn (Available in all sizes )
•
Làm việc êm hơn (Quiet)
•
Độ chính xác cao hơn
Nhược điểm cơ bản của động cơ servo so với động cơ bước là.
 Đắt tiền hơn
Không làm việc  tốt ở chế độ mạch điều khiển hở, yêu cầu phải có hệ thống phản hồi
Y êu cầu phải điều chỉnh các thông số vòng điều khiển.
Bảo dưỡng tốn kém hơn, đặc biệt là động cơ DC servo
Hiện này đã có động cơ DC servo và AC servo. Động cơ DC servo ra đời trước và đã được sử
dụng rất rộng rãi. Nhưng sau rày với khả năng của việc sử dụng các Transistor với cường độ làm
việc lớn , các động cơ AC servo đã được chế tạo và được sử dụng ngày càng rộng rãi.

Hình 2.18. Động cơ servo nam châm vónh cửu
May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC
25

Chiết áp khá phổ biến vì giá thành rẽ, không cần các điều khiển xử lý tín hiệu đặc biệt. Nhưng
chúng bò giới hạn về độ chính xác, thường khoảng 1% và hao mòn cơ học.
b. Encoder
Encoder là cảm biến xác đònh góc xoay tín hiệu đầu ra là tính hiệu số. Theo cách nhận tính hiệu
ta có các encoder sau: quang học (optical), điện dung (capacitive), từ (magnetic), bán dẫn. Theo
nguyên lý xác đònh vò trí ta chia ra: Encoder tuyệt đối và Encoder gia số.

 Encoder tuyệt đối (Absolute Encoder)
Encoder dạng Absolute có ngõ ra là tín hiệu được mã hoá nhò phân. Bên trong Encoder bao gồm
một dóa tròn bên trên có khắc các vạch trong suốt và các vạch tối xen kẽ theo đường tròn đồng
tâm. Tuỳ theo độ phân giải của Encoder mà số đường tròn đồng tâm đó nhiều hay ít.
Xét trên một đường vạch tròn, một diode phát quang sẽ phát chùm tia đi xuyên qua các
vạch trong suốt và bò chặn lại ở những vạch tối. Bên kia mặt đóa, song song với diode phát là
một diode thu có nhiệm vụ như một cảm biến, ghi nhận các tín hiệu do diode phát đưa tới. Có
bao nhiêu đường vạch tròn thì có bấy nhiêu diode thu tín hiệu.
Các tín hiệu đọc được từ diode thu sẽ được đưa ra ngoài dưới dạng tín hiệu điện. Các tín hiệu
điện này sẽ có dạng mã nhò phân phản ảnh vò trí của trục quay Encoder. Thông thường để dễ
dàng trong chế tạo người ta mã hoá các vạch trong suốt và vạch tối theo mã Gray vì vậy để ứng
dụng được trong các hệ thống sử dụng mã Binary thì ta phải có chương trình chuyển đổi từ mã
Gray sang mã Binary. Một ưu điểm nưa của mã Gray là ở mỗi vò trí kế nhau thì chỉ có một bit
được thay đổi, do đó sai số ở ngõ ra chỉ có thể tối đa là một đơn vò. Còn ở mã Binary thì có thể
gây sai số lớn vì khi thay đổi vò trí thì có thể chỉ có một bit có trọng số cao được thay đổi còn các
bit trên hàng khác chưa kòp thay đổi. H2.24.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Optical Absolute Encoder May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC


Dạng xung ngõ ra : B
A
A

B
Quay theo chiều thuận
Quay theo chiều nghòch

May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC

ω γ
= +
.
V
i
= hiệu điện thế vào
ω
= vận tốc góc
t = thời gian
γ
= dòch pha
Ta có thể xác đònh góc quay dựa vào từng cặp giá trò của V
E1
và V
E2
. đồng thời cũng có thể xác
đònh tốc độ quay dựa vào tần số của xung.
Tính hiệu ra của Resolver là tương tự, ta thøng phải biến thành tính hiệu số để xử lý.

May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC
30
d. Bộ đo vận tốc góc (Tachometer)
Bộ đo tốc độ góc quay đo lường vận tốc góc của trục quay. Ta có thể dùng phát tốc DC
(phát ta hiệu điện thế DC theo tốc độ quay) hoặc phát tốc AC(phát ra hiệu điện thế AC). Ngoài
ra ta còn dùng phát tốc xung (Frequency type tachometer,Kỹ thuật phổ biến là gắn nam châm
trên trục quay. Khi nam châm di chuyển qua lõi cảm biến cố đònh, dòng điện được sinh ra. Mỗi
vòng xoay của trục tạo ra một xung điện áp, xử lý tính hiệu xung này ta sẽ biết được tốc độ

+ Di chuyển điểm tới điểm (PTP)
+ Di chuyển theo biên dạng (Contour)

a. Di chuyển điểm tới điểm
Theo phương thức này, dao di chuyển theo các hành trình thẳng tới vò trí yêu cầu. Chuyển động
này được sử dụng để di chuyển nhanh - đònh vò.
Có 3 chế độ di chuyển PTP (hình 2.29õ):
+ Di chuyển hướng trục ( axial path )
Dao được di chuyển tuần tự theo các trục : theo phương X, sau đó theo phương Y, hoặc ngược
lại
Ưu điểm: hệ điều khiển đơn giản, di chuyển theo các trục độc lập
+ Di chuyển theo phương xiên 45
0
:
Dao di chuyển theo phương xiên 45
0
cho đến khi đạt được một trong hai thành phần tọa độ ( X
hoặc Y), sau đó di chuyển theo một trục để đạt được vò trí yêu cầu
+ Di chuyển trực tiếp(linear path):
Dao di chuyển theo hành trình ngắn nhất tới điểm đích.

Hình 2.29. Các phương pháp di chuyển PTP
b. Di chuyển theo biên dạng (contour)
Dao di chuyển theo biên dạng yêu cầu để thực hiện quy trình gia công. Biên dạng (contour)
bao gồm chuỗi các đường cong(curve), tùy thuộc vào hình dạng của các đường cong trong không
gian ta có thể phân ra đường cong 2D, 2.1/2D, 3D, 4D, 5D…Hình 2.30->2.33
May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC

Đường bậc 2 (conic) : cung tròn, elip, parabol, hyperbol
Đường bậc 3 (cubic)
Các đường bậc cao hơn . Thực hiện: Các đường cong bậc cao được xấp xỉ bởi chuỗi phần tử
hình học cơ bản bởi 3 nhóm trên.
# Trong điều khiển số, các di chuyển cơ bản này được gọi là chuyển động nội suy.

2.7.2/ Chuyển động nội suy
+ Điều khiển số sử dụng 5 chế độ nội suy:
- Nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn, nội suy đường xoắn, nội suy parabol, nội suy bậc 3
+ Bộ nội suy:
Là thiết bò điện tử ( đối với hệ NC), là phần mềm ( đối với hệ CNC) có các nhiệm vụ :
- Tìm ra vò trí trung gian cho phép hình thành một biên dạng cho trước trong một giới hạn
dung sai xác đònh trước
- Nội suy một cách thích hợp các yếu tố biên dạng đòi hỏi.
- Tốc độ đưa ra vò trí trung gian phải phù hợp với tốc độ chạy dao cho trước.
- Đi tới một cách chính xác các điểm kết thúc chương trình đã đưa ra trước trong chương
trình.
Hệ thống CNC thực hiện nội suy ở hai mức:
- Nội suy thô: xác đònh tọa độ các điểm đầu và điểm cuối của đoạn biên dạng.
- Nội suy tinh: thực hiện tiếp nội suy tuyến tính giữa các điểm trung gian này
Trong hầu hết các máy CNC thông thường chỉ sử dụng nội suy đường thẳng và nội suy vòng
tròn các dạng nội suy khác như parabol, hyperbol hay bậc cao hơn không thực hiện vì chúng
hầu như không có trong đòi hỏi thực tế. Với nội suy thẳng và nội suy vòng, có thể thực hiện
được những khả năng sau:
Nội suy thẳng theo 2 trong n trục
Nội suy thẳng theo n trong n trục
Nội suy vòng theo 2 trong n trục
Nội suy vòng theo 2 trong n trục đồng thời với nội suy thẳng theo trục vuông góc ( nội suy
đường xoắn ốc)
Ngoài 3 trục điều khiển x, y,z còn


May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC
35

Hình 2.34. Nội suy đường thẳng
Ví dụ: Nội suy từ điểm A đến điểm E
Sử dụng phương pháp “ Phân tích vi phân số” DDA ( Digital Differenttial Analyse)
Xét một dao cần chuyển động từ:
P
A
(điểm khởi xuất) đến P
E
(điểm kết thúc) theo một đường thẳng với một tốc độ chạy
dao
u xác đònh. (hình vẽ) Gọi L: đoạn đường từ P
A
đến P
E
.
Vậy trong thời gian T = L/u các đoạn đường thành phần (x
E
-x
A
) và (y