TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ
-----o0o-----

GIÁO TRÌNH

MÁY CNC VÀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG
TRÊN MÁY CNC

TS. NGUYỄN QUỐC HƯNG

http://www.ebook.edu.vn


Máy CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC
CHƯƠNG 1

TỰ ĐỘNG HÓA QÚA TRÌNH SẢN XUẤT – SỰ RA ĐỜI CỦA MÁY
CNC
----------------Trong nửa thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự ra đời và phát triển như vũ bão của KTĐK tự
động. Và nhanh chóng KTĐK tự động đã được ứng dụng vào công nghệ chế tạo sản phẩm cơ
khí. Sự phát triển của tự động hóa QTSX có thể được tóm lược như sau.
1.1/ NC (Numerical Control)
1.1.1/ Lòch sử ra đời của NC.
Cũng như các kỹ thuật tiên tiến khác, NC ra đời vào đầu thập niên 50 tại phòng thí nghiệm của
học viện Massachusetts. Khi mới ra đời, máy NC chỉ có thể cắt được những đường thẳng chính
xác và hiệu qủa. Điều này gây ra rất nhiều khó khăn vì máy phải thực hiện vô số các đường
thẳng ngang, dọc để gia công các biên dạng cong (hình 1.1)

Hình 1.1
Vấn đề này dẫn đến sự ra đời của APT (Automatically Programme Tools). Đây là loại ngôn ngữ

Trên hình 1.2 là sơ đồ các thành phần cấu tạo của máy NC
Số xung ⇒ vò trí của trục
Tần số xung: tốc độ các trục

Hình 1.2. thành phần của máy NC
Máy NC đã khắc phục được những hạn chế mà các máy công cụ truyền thống không thực hiện
được. Với máy NC, độ chính xác gia công cao hơn, tiết kiệm dụng cụ hơn, dễ tự động hóa hơn.
Sự ra đời của NC cũng đã đưa đến sự ra đời của hàng loạt các phương pháp gia công hiện đại,
tiên tiến khác như:
EDM
Laser Cutting
Electron Beam welding
Water jet…………
http://www.ebook.edu.vn

2


Máy CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC
1.2/. DNC (Direct NC):
Vào giửa thập niên 60, với sự ra đời của máy tính, người ta đã nghó đến việc thay đổi việc mã
hóa dữ liệu trên băng đục lỗ, băng từ bằng máy tính nhằm giảm bơt các yêu cầu về phần cứng,
lập trình đơn giản hơn, nhanh chóng và linh hoạt hơn.
Vào thời điểm này, máy tính rất đắt tiền nên người ta dùng một máy chủ (host) để điều khiển
chung nhiều máy NC qua mạng kết nối. Hệ thống trên gọi là DNC (Hình1.3)

Hình 1.3. Hệ thống DNC
1.3/. CNC (Computer Numerical Control)
Vào cuối thập niên 60, sự ra đời của công nghệ vi xử lý đã đưa đến sự xuất hiện của PLC,
Microcomputer. Các thiết bò này ngay sau khi ra đời đã được ứng dụng trên các máy NC, và thế

4


Máy CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC

Hình 1.5. Hệ thống DNCII
1.5. Hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS: Flexible Manufacturing System)
Vào giửa thập niên 60, công ty Molins Ltd (anh) đã phát triển hệ thống 24, là tiền thân của hệ
thống FMS. Tuy nhiên do hạn chế về kỹ thuật nên hệ thống sản xuất linh hoạt vẫn chỉ dừng lại
ở mức độ lý thuyết, ý tưởng trong suốt những năm 60s, 70s. vào cuối thập niên 1970, đầu thập
niên 1980s, với sự phát triển mạnh của công nghệ điều khiển phức tạp nhờ máy tính, hệ thống
FMS đã được ứng dụng thành công. Hệ thống FMS dược ứng dụng chủ yếu ở US trong các lónh
vực chế tạo ô tô, xe cơ giới, máy bay…Hệ thống FMS điển hình bao gồm:
• Thiết bò xử lý: Maý công cụ, hệ thống lắp ráp, Rôbot.
• Thiết bò xử lý phôi: Robot, băng tải, Hệ thống vận chuyển tự động (AGV : Automated
guided vehicles) hệ thống lưu kho tự động (AS:Automated storage) và hệ thống truy xuất
(RS: Retrieval System)

http://www.ebook.edu.vn

5


Máy CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC
• Hệ thống trao đổi thông tin.
• Hệ thống điều khiển bằng máy tính (Computer controlled system)
• Con người ( Human operator).
• Hệ thống thay dao tự động (automated tool changers).
FMS tạo nên một bước tiến mới hướng đến việc tích hợp hoàn toàn qúa trình sản xuất, dựa trên
các hệ thống, quan điểm tự động hóa sau:

ở Mỹ. CIM là hệ thống tích hợp toàn bộ các thành phần của qúa trình sx, được xử lý và điều
khiển bởi máy tính. Từ việc phân tích thò trường,thiết kế, chuẩn bò phôi liệu, chuẩn bò và tổ chức
sx, kiểm tra chất lượng sản phảâm cho đến cả việc phân phối ra thò trường. Với sự ra đời của
công nghệ CIM, lòch sử phát triển của sản xuất xã hội đã trải qua các giai đoạn sau:
- Sản xuất thủ công
- Sản xuất cơ khí hóa, chuyên môn hóa
- Tự đông hóa sản xuất.
- Tích hợp sản xuất
- Các thành phần cơ bản của hệ thống CIM bao gồm (Hình 1.10).
• CAD/CAM (Computer-aided design/Computer-aided manufacturing)
• CAPP (Computer-aided process planning)
• ERP (Enterprise resource planning)
• CNC machine tools
http://www.ebook.edu.vn

8


Máy CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•


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:
¾ 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…
¾ 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.
¾ 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
máy.
Đặc điểm:
¾ Được điều khiển bởi các chỉ thò lưu trữ trên bộ nhớ máy tính để thực hiện một phần
hay toàn bộ các chức năng điều khiển số.
¾ Được phát triển dựa trên những thành tựu của công nghệ vi điện tử, vi xử lí.
¾ Các hệ điều khiển CNC có khả năng thực hiện các chức năng điều khiển bởi phần
mềm -> đơn giản các mạch điều khiển, giảm giá thành , tăng độ tin cậy.
*** Hầu hết các hệ điều khiển số thế hệ mới đều ở dạng CNC.
2.1.4/ Máy công cụ điều khiển theo chương trình số (CNC Machine)
Là thế hệ máy công cụ (machine tool) được điều khiển bởi bộ điều khiển CNC

http://www.ebook.edu.vn

12


Máy CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC
+ 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.
+ Chi phí bảo trì cao và cần phải có thợ bảo trì chuyên nghiệp.
2.5. Các loại máy CNC
Ngày nay, nhiều loại máy CNC đã được ngiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong chế tạo cơ khí
như:
- Máy phay CNC
- Máy tiện CNC
- Máy gia công tia lửa điện CNC dùng điện cực nhúng
- Máy gia công tia lửa điện CNC dùng dây cắt
- Máy khoan CNC
- Máy mài CNC
- Máy gia công dùng tia laser CNC
- Máy gia công tia nước CNC
- Máy hàn CNC

Hỡnh 2.6. Maựy tieọn CNC

Hỡnh 2.7. Maựy tieọn CNC hai ủau dao (CNC Dual turret turning center )
http://www.ebook.edu.vn

16


Máy CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC

Hình 2.9. Máy đo toạ độ CNC ( CNC Coordinate Measuring machine)

Hình 2.10. Máy gia công tia lửa điện EDM Wire Cut.

http://www.ebook.edu.vn

17


Máy CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC
2.6. Một số bộ phận cơ bản của máy CNC
2.6.1/ Hệ thống điều khiển truyền động CNC (CNC drive systems)
Hệ thống điều khiển CNC bao gồm mạch điều khiển tốc độ (velocity loop) ở trong hệ thống
động cơ truyền động và mạch điều khiển vò trí(position loop control) ở bên ngoài hệ thống động
cơ truyền động. Hệ thống điều khiển CNC có thể là hệ thống điều khiển hở (open loop) hoặc hệ
thống điều khiển kín (closed loop). Sự khác nhau cơ bản là hệ thống điều khiển kín có phản hồi
nhằm đảm bảo độ chính xác yêu cầu.
a. Hệ điều khiển hở (Open Loop System ) hình 2.11.
Hệ thống điều khiển hở không có mạch phản hồi, bộ điều khiển máy xem như sự di chuyển bàn
máy đúng như mong muốn. Hệ điều khiển hở rất nhạy cảm với sự thay đổi của tải trọng. Các sai

Máy CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC
Ngày nay đa số hệ điều khiển máy CNC đều là hệ kín, Sơ đồ điều khiển máy CNC kín tổng
quát được mô tả như hình 2.14.

Hệ thống điều
khiển trục

Tín hiệu điều
chỉnh vò trí

Cườnd độ, hiệu điện thế
để điều chỉnh tốc độ

Tín hiệu phản hồi tốc
Tín hiệu
phản hồi
vò trí

Máy phát tốc

Vít me bi Đai ốc bi

Động cơ
truyền động

Hình 2.14 . Sơ đồ điều khiển CNC
2.6.2/ Truyền động vít me đai ốc bi (recirculating Ball Screw).
Trong máy CNC, hệ thống truyền động được sự dụng là vitme đai ốc bi (hình2.15). Để thấy rõ
ưu nhược điểm của hệ thống vitme đai ốc bi so với các hệ thống truyền động khác ta xem bảng
2.1

X
Độ tinh cậy cao
X
Hiệu qủa cao
X
Khả năng truyền tải
X
X
lớn
Kết cấu gọn
X
X
X
http://www.ebook.edu.vn

Khí nén

X

21


Máy CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC
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.

(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.

Δu =

l
Với: l (lead): bước ren (mm/vòng hoặc inch/vòng)
N

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.

Δu =

l
N .m

; m: số vi bước trong một đầy bước

¾ 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

2.6.4/ Động cơ Servo.
Sự khác nhau cơ bản nhất của động cơ servo so với động cơ bước là động cơ servo có mạch điều
khiển kín (close loop control).Như vậy trong động cơ servo cần phải có hệ thống phản hồi để
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
Yêu 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
http://www.ebook.edu.vn

24


Máy CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC

Hình 2.19. Hình cắt của động cơ Servo