Chương 9. ĐIỀU KHIỂN MÁY NC BẰNG MÁY TÍNH
Thực

Lê Trung

Chương 9
ĐIỀU KHIỂN MÁY NC BẰNG MÁY TÍNH (CNC)
9.1. Khái niệm.

Sự tiến hóa của công nghệ NC có liên hệ mật thiết và phụ thuộc vào sự phát
triển của công nghệ máy tính. Trong chương 8 chúng ta đã xem xét việc dùng máy
tính trong việc lập trình cho máy NC. Thực tế, nhiều sản phẩm thiết kế không thể
lập trình gia công được nếu thiếu sự lập trình nhờ máy tính. Hơn nữa, máy tính lại
đang được dùng để gọt dũa và cải thiện việc lập trình gia công NC nhờ kỹ thuật
tương tác đồ họa và lập trình bằng giọng nói.
Việc sử dụng máy tính số đã làm thay đổi về chất trong việc điều khiển máy
NC. Trong chương này chúng ta sẽ bàn 3 vấn đề sau:
1. Computer numerical control (CNC)
2. Direct numerical control (DNC)
3. Adaptive control (AC)
CNC – thay bộ điều khiển NC cổ điển bằng bộ tính toán nhỏ (minicomputer hay
microcomputer).
Máy tính nhỏ dùng để thực hiện một số hoặc tất cả các chức năng NC bởi các
chương trình đựợc lưu trong bộ nhớ Read – Write của nó.
Một trong những khác biệt của CNC là một máy tính điều khiển một máy công
cụ. Khác với DNC là dùng 1 máy tính để điều khiển nhiều máy công cụ riêng biệt.
Điều khiển thích nghi không đòi hỏi máy tính số. Điều khiển thích nghi là dùng
hệ thống điều khiển để đo 1 hoặc nhiều biến số của qúa trình (lực cắt, nhiệt độ,
công suất, v.v.) và thay đổi lượng ăn dao và (hoặc) tốc độ cắt để bù trừ vào những
thay đổi có hại của các biến số của qúa trình.
Mục đích của điều khiển thích nghi là tối ưu hóa qúa trình gia công mà máy NC

đơn độc không thể thực hiện được. Nhiều dự án điều khiển thích nghi ban đầu là
dựa trên việc điều khiển tương tự hơn là máy tính số. Ngày nay các hệ thống sử
dụng công nghệ vi xử lý để ứng dụng chiến lược điều khiển thích nghi.
Trước khi bàn về ba hệ thống điều khiển trên, ta phải xem xét một số vấn đề
vướng mắc liên quan đến việc hệ thống điều khiển số cổ điển. Chính những vấn đề
này đã ảnh hưởng đến việc biến đổi hệ thống điều khiển số cổ điển bằng hệ thống
điều khiển nhờ máy tính.

9.2 Những vấn đề ( khó khăn) đối với NC cổ điển ( truyền thống)

Có nhiều vấn đề trong NC cổ điển dẫn đến việc các nhà chế tạo máy công cụ
tìm kiếm việc cải thiện hệ thống điều khiển máy NC. Những khó khăn này bao
gồm:

1. Có lỗi khi lập trình gia công

Khi chuẩn bò băng đục lỗ, các lỗi lập trình là thường. Lỗi có thể do:
• Cú pháp sai
• Số sai.
Để cho băng lỗ đúng, phải chỉnh sửa đến 3 – 4 lần hoặc hơn nữa.
♦ Khó đạt được trình tự gia công tốt nhất.
♦

CAD/CAM

129


Chương 9. ĐIỀU KHIỂN MÁY NC BẰNG MÁY TÍNH
Lê Trung

Thực
Đây là khó khăn nhất trong lập trình bằng tay. Một số ngôn ngữ lập trình NC
nhờ máy tính có thể hỗ trợ việc đạt được một trình tự gia công tốt nhất.
2. Vận tốc và lượng ăn dao không tối ưu vì không thể thay tốc độ và lượng ăn
dao trong qúa trình gia công. Vì vậy người lập trình phải thiết lập tốc độ và lượng ăn
dao cho trường hợp xấu nhất.

3.

Băng đục lỗ dễ bò rách

Có thể dùng giấy tốt, nhưng lại đắt tiền.
4.
Bộ đọ
đọc băng là phần cứng yếu kém nhất của máy NC. Khi có sự cố, nhóm
thợ bảo trì thường bắt đầu tìm nguyên nhân nơi máy đọc băng.
5. Controller: Bộ điều khiển NC cổ điển là loại gắn cứng (hard – wired).
Điều này có nghóa là đặc điểm điều khiển của nó không thể dễ dàng thay đổi
để đưa vào các cải thiện bên trong thiết bò. Việc dùng máy tính cải thiện được tính
năng của thiết bò điều khiển như nội suy đường cong một khi có bộ phần mềm tốt
hơn.
6. Management information. Hệ thống NC cổ điển không đảm bảo thông tin
theo thời gian khi gia công. Những thông tin này có thể gồm: máy có sự cố và
thay dụng cụ cắt.
Các nhà chế tạo máy và các kỹ sự điều khiển luôn luôn cải thiện công nghệ NC
bằng cách thiết kế những hệ thống giúp giải quyết những vấn đề trên. Nhiều cải
tiến đã được làm nhờ phát triển kỹ thuật điện tử. Trong mục sau đây chúng ta sẽ
trình bày những phát triển trong điện tử và công nghệ Solid – state ( IC) mở đường
cho sự phát triển của điều khiển số (NC controller).


9.3. Công nghệ sản xuất các bộ điều khiển NC
Công nghệ phát triển phần cứng của điều khiển số thay đổi từng năm một cách
rất kòch tính. Ít nhất là có 7 thế hệ các bộ điều khiển đã được biết đến.
1. Bóng chân không (Circa 1952)
2. Electromechanical Relays (Circa 1955)
3. Discrete semiconductors (circa 1960)
4. Intergrated Circuite (circa 1965)
5. Direct numerical control (circa 1968)
6. Computer numerical control (circa 1970)
7. Microprocessors and Microcomputers (circa 1975)
Mẫu máy NC đầu tiên được chế tạo tại PTN servomechanism ở MIT dùng
bóng chân không (Vacuum tubes) trong bộ điều khiển. Các thành phần của bộ điều
khiển to đến nỗi thiết bò điều khiển còn chiếm nhiều không gian hơn là máy công
cụ. Nhưng đấy là do công nghệ điều khiển vào thời gian ấy chỉ đạt được có thế. Một
vài năm sau đó trong những máy NC bán trên thò trường, bộ điều khiển rele điện cơ
đã thay thế cho bóng chân không. Loại này kích thước cũng còn to và không tin cậy.
Ngay chỉ với loại điều khiển điểm-điểm cũng cần tới vài tủ điện chứa đầy rơle. Các
rơle này cũng bò mòn và việc đòi hỏi phải dự trữ một số lớn các phần tử này đã làm
cho hệ thống điều khiển kiểu này không còn hợp lý nữa.

CAD/CAM

130


Chương 9. ĐIỀU KHIỂN MÁY NC BẰNG MÁY TÍNH
Lê Trung
Thực
Việc sử dụng các bóng đèn bán dẫn (Transistor) trên cơ sở công nghệ bán dẫn
tạo nên thế hệ tiếp theo của thiết bò điều khiển số NC. Việc sử dụng bóng bán dẫn

đã giảm số rơle cần thiết, tăng độ tin cậy vì bóng bán dẫn tránh được vấn đề mòn,
giảm kích thước tủ điểu khiển, cho phép tăng số mạch phức tạp trong bô điều khiển
NC. Những hệ thống điều khiể này cho phép thực hiện phép nội suy đường tròn.
Tuy nhiên kích thước của bộ điều khiển vẫn còn to và thiết bò điện tử dễ nhạy
cảm đối với nhiệt độ, cần phải trang bò quạt gió, thiết bò làm mát (điều hòa) bên
trong tủ điện để đảm bảo điều khiển sản xuất tốt.
Khoảng 1965, IC (integrated circuits) đã được dùng trong thiết bò điều khiển
NC. Việc dùng IC đã giảm kích thước và tăng độ tin cậy. Số thành phần giảm xuống
đến 90%, giảm gía thành cho người sử dụng. Xu hướng dùng LSI ( Large – Scale
Integrated circuits) cho phép đưa vào nhiều đặc tính mới vào trong các tủ điều khiển
có kích thước nhỏ hơn. Một trong số những đặc điểm này là các chương trình con nội
suy Hyperbolic, chương trình đổi hệ inch → mét, tính toán tốc độ ăn dao theo véc tơ.
Sự phát triển tiếp là dùng digital computer trong công nghệ điều khiển NC, làm
thay đổi căn bản việc điều khiển NC. Tất cả những bộ điều khiển cũ đều là gắn
cứng (Hard – wired) nên không dễ dàng thay đổi do bản chất cố đònh của chúng.
Máy tính số, ngược lại, dựa trên một phương pháp khác. Trong phương pháp mới
này các chức năng điều khiển đã được lập trình trong bộ nhớ máy tính và có thể
được thay thế bởi một chương trình khác.
Vào những năm 1968, DNC là một trong những hệ thống điều khiển nhờ máy
tính đã được giới thiệu. Trong quá trình phát triển của công nghệ máy tính, máy tính
thời đó rất to và đắt tiền vì thế cách tốt nhất là dùng một máy tính điều khiển nhiều
máy công cụ theo kiểu chia sẻ thời gian (Time-Shared). Ưu điểm của DNC là thiết
lập kết nối trực tiếp điều khiển giữa máy tính và máy công cụ, vì thế không cần
phải có máy đục băng lỗ. Băng lỗ và máy đục lỗ trở nên không còn thích hợp trong
hệ thống NC nữa.
Do xu hướng làm cho máy tính trở nên nhỏ hơn, rẻ hơn, nên ngày càng sáng tỏ
một thực tế là một máy tính nhỏ được gắn trong một máy công cụ. Khái niệm này
gọi là Computer Numerical Control (CNC). Các hệ thống CNC thương mại được
giới thiệu vào những năm 1970 và chúng có ưu điểm là điều khiển trở nên mềm dẻo
hơn.

Một bộ điều khiển máy tính chuẩn có thể thích nghi được với nhiều dạng máy
nhờ các chức năng điều khiển được lập trình vào trong bộ nhớ máy tính cho từng
loại máy riêng. Ngày nay do ưu thế của CNC, rất ít máy NC cổ điển còn bán trên
thò trường.
Những tiến bộ trong công nghệ máy tính tiếp tục làm cho thiết bò điều khiển
nhỏû hơn và nhỏ hơn nữa, nhưng lại có tốc độ cao hơn, khả năng lớn hơn và giá thành
thấp hơn. Việc này cho phép các nhà chế tạo máy thiết kế những panel điều khiển
như là 1 phần tích hợp của máy công cụ chứ không còn chiếm cả một phòng riêng
biệt nữa. Việc này giảm được diện tích mặt bằng. Việc dùng VLSI (Very Large
Scale Integrated circuits) có lợi cho cả người chế tạo lẫn người sử dụng. Người chế
tạo thì giảm giá thành chế tạo, còn người sử dụng giảm được chi phí bảo trì và sửa
chữa trong sử dụng.
CAD/CAM

131


Chương 9. ĐIỀU KHIỂN MÁY NC BẰNG MÁY TÍNH
Lê Trung
Thực
Sau khi chúng ta đã theo bước chân phát triển của điều khiển NC từ ống chân
không đến – microcomputer, chúng ta bước qua xem xét kỹ về công nghệ CNC và
DNC.

9.4. Điều khiển số nhờ máy tính (CNC)
CNC là hệ thống NC dùng máy tính có bộ chứa chương trình để thực hiện một
số hay tất cả các chức năng điều khiển số cơ bản.
Do máy tính càng ngày càng có kích thước nhỏ, phần lớn các hệ thống NC hiện
đại đều dùng các thiết bò điều khiển trên cơ sở microcomputer. Nhiều năm trước kia
minicomputer cũng đã được sử dụng để điều khiển máy CNC.

Bề ngoài, máy CNC trông rất giống máy NC truyền thống. Các chi tiết gia công
lúc đầu cũng được gá đặt như nhau. Thiết bò đọc băng lỗ vẫn còn là thiết bò thông
thường để nhập chương trình vào hệ thống. Tuy nhiên với hệ thống điều khiển
truyền thống băng dục lỗ được quay lặp lại cho mỗi chi tiết trong loạt gia công. Với
CNC, chương trình được cho vào một lần và được lưu trong bộ nhớ máy tính. Vì vậy
máy đọc băng lỗ chỉ dùng khi nạp các chương trình và dữ liệu gốc. So với các máy
NC thông thường máy CNC mềm dẻo hơn, khả năng tính toán tốt hơn. Cấu hình
chung của một hệ thống CNC được vẽ trên hình 9.1.
Máy đọc băng
lỗ để đưa
chương trình
ban đầu vào

Minicomputer hoặc
microcomputer
(software function and NC
part program storage)

Computer
hardware
interface and
servor system

Hình 9.1. Cấu hình chung của HT CNC

Các chức năng của CNC

Có nhiều chức năng được thực hiện trên CNC. Một số trong những chức năng
này những máy NC truyền thống không thể thực hiện được hoặc rất khó thực hiện.
Các chức năng chính của CNC gồm:

1. Điều khiển máy công cụ (Machine tool control)
2. Hiệu chỉnh bán kính dao trong qúa trình gia công (In – process
compensation)
3. Cải thiện việc lập trình và vận hành (Improved Programming and Operating
features)
4. Chẩn đoán (Diagnostics).
Điều khiển máy công cụ
Chức năng đầu tiên của hệ thống CNC là điều khiển máy công cụ, biên dòch
chương trình thành chuyển động qua giao diện giữa máy tính và servosystem.
Ưu điểm chính của CNC là chứa đựng các khả năng điều khiển trong bộ điều
khiển gắn mềm (soft – wired)ø. Một số chức năng điều khiển như nội suy cung tròn
CAD/CAM

132


Chương 9. ĐIỀU KHIỂN MÁY NC BẰNG MÁY TÍNH
Lê Trung
Thực
có thể được thực hiện trong HTĐK gắn cứng (hard – wired) thì tốt hơn so với gắn
mềm. Việc này dẫn đến là sự phát triển CNC đi theo 2 hướng:
1. Hybrid CNC: CNC lai (phối hợp cả gắn cứng và gắn mềm)
2. Straight CNC: CNC trực tiếp (chỉ sử dụng bộ điều khiển gắn mềm)
Sơ đồ HT Hybrid CNC được vẽ trên hình 9.2.

Máy đọc băng
lỗ để đưa
chương trình
ban đầu vào


Minicomputer hoặc
microcomputer
(soft-wred)

Motion
interpolators &
servor system
(soft-wired)

Motion
feedback

Interface logic
(hard-wired)

Hình 9.2. Hybrid CNC
Trong hệ thống lai (Hybrid CNC )
Các thành phần gắn cứng (Hard – wired components) thực hiện các chức năng
có lợi nhất như
• Tính toán và sinh ra lượng ăn dao (Feed rate gereration)
• Nội suy đường tròn (Circular Interpolattion)
Các chức năng khác do computer (soft-wired components) thực hiện.
Hybrid CNC được sử dụng khá rộng rãi vì giá rẻ hơn Straight CNC.
Trong hệ thống trực tiế
tiếp (Straight CNC): Máy tính thực hiện mọi chức năng. Sơ
đồ Straight System được vẽ trên hình 9.3.
Motion
feedback

Máy đọc băng

lỗ để đưa
chương trình
ban đầu vào

Minicomputer hoặc
microcomputer
(soft wired)

Servos and
Interface logic
(hard wired)

Hình 9.3. Straight CNC
HT trực tiếp Straight đắt tiền hơn nhưng mềm dẻo hơn
Bù trừ trong qúa trình gia công (In – Process compensation)
• Hiệu chỉnh bán kính dao trong qúa trình gia công,
• Điều khiển sai số phát sinh trong qúa trình gia công. Thuộc loại này gồm.
CAD/CAM

133


Chương 9. ĐIỀU KHIỂN MÁY NC BẰNG MÁY TÍNH
Lê Trung
Thực
♦ Điều chỉnh sai số được cảm nhận bởi thiết bò đo
♦ Tính lại vò trí các trục khi thiết bò kiểm tra được dùng để đònh vò các điểm
tham chiếu trên chi tiết gia công.
♦ Điều chỉnh bán kính dao
♦ Điều khiển thích nghi để điều chỉnh lại tốc độ cắt và lượng ăn dao.

♦ Tính toán chu kỳ bền của dụng cụ cắt và chọn dụng cụ khác khi được chỉ
đònh.
Cải thiện được việc lập trình và thao tác.
• Chỉnh lý chương trình gia công trên máy. Việc này cho phép điều chỉnh lại
hoặc tối ưu hóa chương trình gia công.
• Cho hiện đường chạy dao để kiểm tra băng lỗ.
• Nhiều kiểu nội suy: đường tròn, barabol, cubic
• Sử dụng các chương trình con chuyên dùng
• Nhập dữ liệu bằng tay (Manual Data Input).
• Có thể lưu trữ nhiều chương trình
Chẩn đoán (Diagnostic)
CNC có trang bò thêm thiết bò chẩn đoán để giúp cho việc bảo trì và sửa chữa
hệ thống. Các chức năng của thiết bi chẩn đoán (Diagnostic) gồm:
1/ Phát hiện nguyên nhân hư hỏng để sửa chữa nhanh chóng.
2/ Ra dấu hiệu cảnh báo về một sự cố có thể xảy ra, nhờ vậy giảm thời gian sửa
chữa và tăng năng suất lao động
3/ Hệ thống CNC phải có một số thành phần dự trữ để khi có hư hỏng thì thay
thế ngay, không để máy chờ.
Ưu điểm của CNC:
1/ Băng chương trình và thiết bò đọc băng chỉ dùng 1 lần để đưa chương trình
vào máy tính. Điều này nâng cao độ tin cậy của HT, vì thiết bò hay hư hỏng nhất
chính là bộ đọc băng.
2/ Điều chỉnh chương trình ngay trên máy
3/ Chuyển đổi inch ↔ mét
4/ Mềm dẻo hơn
5/ Các chương trình do người dùng viết riêng (MACRO) được lưu trong bộ nhớ
máy tính. Khi cần có thể gọi ra dễ dàng.
6/ Góp phần tạo ra hệ thống sản xuất toàn bộ (Total manufacturing system):
CNC dễ tương thích hơn khi dùng trong hệ thống sản xuất lớn đã được máy tính
hóa. Một trong những bước quan trọng tiến đến những hệ thống này là DNC (điều

khiển số trực tiếp).

CAD/CAM

134


Chương 9. ĐIỀU KHIỂN MÁY NC BẰNG MÁY TÍNH
Thực

Lê Trung

9.5. Direct Numerical Control (DNC)
Các thành phần của DNC (Hình 9.4)

Các dây dẫn

Máy tính
trung tâm

Bộ nhớ chính để
lưu chương trình
NC

Máy
công cụ

Hình 9.4. Cấu hình tổng quát của hệ thống DNC
1/ Máy tính trung tâm (Central computer)
2/ Bộ nhớ chính lưu trữ các chương trình NC (Bulk memory, which stores the

NC part programs )
3/ Các dây truyền thông từ xa (Telecommunication lines)
4/ Máy công cụ (Machine tools).
Các dây dẫn
từ xa

Máy tính
mini vệ tinh

Máy tính
trung tâm

Bộ nhớ
đệm

Máy tính
mini vệ tinh

Bộ nhớ chính để
lưu các chương
trình NC

Bộ nhớ
đệm

Máy tính
mini vệ tinh

Bộ nhớ
đệm

Máy
công cụ

Hình 9.5. Hệ thống DNC có máy tính vệ tinh

CAD/CAM

135


Chương 9. ĐIỀU KHIỂN MÁY NC BẰNG MÁY TÍNH
Lê Trung
Thực
Đôi khi giữa máy tính trung tâm và máy công cụ có bố trí các máy tính vệ tinh.
Mỗi máy tính vệ tinh điều khiển vài máy công cụ (hình 9.5). Các máy công cụ này
được dùng để giảm bớt gánh nặng cho máy tính trung tâm.
Có 2 dạng HT DNC

1/ Hệ thống sau bộ đọc băng (Behind – the – Tape – Reater ( BTR)
system)(hình 9.6)
Máy tính
DNC

Hai bộ
nhớ đệm

Bộ nhớ chính chức
các chương trình NC
Máy công
cụ


Bộ đọc băng được thay bằng dây
dẫn truyền thông
Bộ điều khiển
NC

Hình 9.6. Hệ thống DNC với cấu hình BTR

Đặc điểm: máy tính trung tâm được nối với bộ điều khiển NC không cần qua bộ
đọc băng lỗ. Bộâ đọc băng lỗ giờ được thay bằng các dây truyền thông từ xa.
Hệ thống này rất giống với NC truyền thống trừ nguồn chương trình.
Bộ điều khiển sử dụng 2 bộ nhớ đệm để nhận các block từ máy tính và biên
dòch nó thành hoạt động của máy. Trong khi 1 bộ nhớ đệm nhận block dữ liệu, bộ
nhớ đệm kia thực hiện việc điều khiển máy.

2/ Hệ thống DNC với bộ điều khiển máy chuyên nghiệp (Special
Machine control Unit)(hình 9.7)

Máy tính DNC

Bộ nhớ chính
lưu chương trình NC
Máy công cụ

Bộ điều khiển NC truyền thống được
thay bằng bộ điều khiển chuyên nghiệp

MCU
chuyên nghiệp


Hình 9.7. DNC với bộ điều khiển máy chuyên nghiệp
CAD/CAM

136


Chương 9. ĐIỀU KHIỂN MÁY NC BẰNG MÁY TÍNH
Thực

Lê Trung

Bộ điều khiển máy chuyên nghiệp là 1 thiết bò được thiết kế chuyên để giao
tiếp dễ dàng giữa máy tính và máy công cụ. Một trong những thành phần quan trọng
của bộ điều khiển máy chuyên nghiệp chính là bộ nội suy đường tròn của đường
chạy dao. Hệ thống này có độ chính xác nội suy cao hơn, tốc độ nội suy nhanh hơn
so với hệ thống BTR
Hệ thống điều khiển máy chuyên nghiệp là soft – wired trong khi NC truyền
thống là hard – wired. Vì vậy nó mềm hơn, linh hoạt hơn. Các chức năng điều khiển
có thể thay đổi dễ dàng để cải thiện qúa trình. Trong những hệ thống NC cổ điển
việc thay đổi khó hơn nhiều vì phải làm lại băng lỗ.
Hiện tại thì máy tính BTR có ưu điểm là gía rẻ hơn vì rất dễ đưa hệ DNC vào
trong hệ thống NC cổ điển. Hệ thống BTR không cần phải thay bộ điều khiển cổ
điển bằng bộ điều khiển máy chuyên nghiệp. Tuy nhiên ưu điểm của hệ BTR chỉ là
tạm thời, vì phần lớn máy NC là được bán với bộ điều khiển máy tính mà mục đích
thì cũng tương tự như là bộ điều khiển máy chuyên nghiệp khi được gắn vào trong
hệ DNC.

Các chức năng của DNC:
Có nhiều chức năng được thực hiện trong hệ thống DNC. Các chức năng này là
duy nhất cho DNC màø các máy tính NC cũ và CNC không thể thực hiện được. Các

chức năng chính của DNC là:
• NC không cần băng đục lỗ
• Lưu trữ chương trình NC
• Thu thập dữ liệu, xử lý và báo cáo
• Truyền thông
Mạng truyền thông là để thực hiện ba chức năng trên. Truyền thông giữa các
hệ thống con là nhiệm vụ trung tâm của bất kỳ hệ DNC nào. Các kết nối chính là:
• Máy tính trung tâm với máy công cụ
• Máy tính trung tâm và người lập trình
• Máy tính trung tâm và và bộ nhớ chính chứa chương trình NC
Các kết nối truyềân thông chọn lựa có thể được hình thành giữa hệ thống DNC:
• Hệ thống thiết kế nhờ máy tính (CAD)
• Hệ thống điều khiển hoạt động sản xuất
• Máy tính xử lý dữ liệu phối hợp
• Hệ thống dự báo bảo trì từ xa
• Các hệ thống tự động dùng máy tính trong nhà máy

Ưu điểm của DNC
1.
2.
3.
4.
5.

CAD/CAM

Loại bỏ được băng lỗ và máy đục lỗ
Khả năng tính toán nhanh hơn và linh hoạt hơn
Lưu chương trình NC ở dạng files
Các chương trình được lưu như là CL files

Báo cáo về tình hình sản xuất

137


Chương 9. ĐIỀU KHIỂN MÁY NC BẰNG MÁY TÍNH
Lê Trung
Thực
6. Thiết lập nền móng để phát triển nhà máy tự động điều khiển nhờ máy tính
trong tương lai.

9.6. Phối hợp giữa DNC và CNC

Sự phối hợp giữa DNC và CNC làm tăng tăng khả năng cho hệ thống sản xuất
nhờ máy tính. Trước hết là không cần băng lỗ và máy đục lỗ nữa cho máy CNC.
Máy tính DNC nạp trực tiếp chương trình cho bộ nhớ CNC. Không giống như các
máy NC truyền thống, máy CNC có đủ bộ nhớ để nạp toàn bộ chương trình trên
DNC. Chương trình chỉ nạp một lần chứ không phải từng block. Việc này giảm được
số lượng đầu nối cần thiết giữa máy tính trung tâm và các máy công cụ.
Xu hướng trong tương lai là trong các hệ thống hỗn hợp DNC và CNC, phần
mềm của bộ điều khiển CNC sẽ có postprocessor. Việc này cho phép chương trình
gia công NC nạp chương trình từ máy tính DNC ở dạng CL (Cutter Location) FILE,
khỏi cần phải hậu xử lý trước khi đưa sang máy CNC. Ưu điểm nữa của sự phối hợp
giữa DNC và CNC là khả năng dự trữ. Nếu máy tính trung tâm bò hỏng, các máy
trong hệ thống sẽ không bò liệt. Chỉ cần thực hiện sự phục hồi cần thiết là mỗi máy
riêng biệt hoạt động được như thường. Có hai yếu tố nói lên khả năng phục hồi này.
Đó là:
1. Có bản sao chương trình NC từ máy tính DNC
2. Mổi máy CNC có trang bò thiết bò đọc băng lỗ hoặc có thể nối với một
máy đọc băng lỗ lưu động. Đương nhiên giá thành hệ thống như thế sẽ phải tăng

lên.
Ưu điểm thứ ba là cải thiện được liên lạc giữa máy tính trung tâm và và nơi sản
xuất. Với việc nối các máy tính ở hai đầu, nhiều sự cố trong thiết kế của một nhà
máy lớn được loại trừ.

9.7. Các hệ tthố
hống máy NC điều khiển thích nghi:
Điều khiển thích nghi (Adaptive Control –AC) có nguồn gốc từ một nghiên cứu
trong những năm đầu của thập kỷ 1960 ở phòng thí nghiệm nghiên cứu Bendix do
không lực Hoa kỳ tài trợ.
Lúc đầu hệ thống điều khiển thích nghi dựa trên các thiết bò điều khiển tương
tự, phản ánh tình trạng phát triển của công nghệ thời đó. Ngày nay AC dùng
Microprocessor, và thông thường là tích hợp với một hệ thống CNC hiện đại.
Đối với máy gia công, thuật ngữ AC nghóa là hệ thống điều khiển dùng để đo
các biến số ra của hệ thống và dùng chúng để điều khiển tốc độ hoặc lượng ăn dao.
Một số các biến số này được dùng trong hệ thống máy điều khiển thích nghi là tốc
độ quay hoặc lực, moment, nhiệt độ cắt, biên độ dao động và công suất. Nói cách
khác hầu như tất cả các tham số cắt mà có thể đo được là được thử trong các các hệ
thống AC thí nghiệm. Mục đích của hệ thống điều khiển thích nghi là làm cho hệ
thống hoạt động có hiệu quả hơn. Hàm mục tiêu ở đây thường là tốc độ cắt bỏ kim
loại và giá thành trên 1 đơn vò thể tích của vật liệu được cắt bỏ.

CAD/CAM

138


Chương 9. ĐIỀU KHIỂN MÁY NC BẰNG MÁY TÍNH
Thực


Lê Trung

AC dùng ở đâu ?

Máy NC nói chung có ưu điểm là giảm thời gian phụ ( gá đặt, thay dao, …)
Tuy nhiên thời gia công so với máy lại không giảm bao nhiêu. Do đó nếu qúa trình
cắt được điều khiển thích nghi thì sẽ tối ưu hóa được chế độ cắt, giảm được thời
gian cắt.
Nơi mà AC ứng dụng có hiệu qủa là:
1/ Nơi mà dụng cụ cắt được sử dụng ≥ 40% thời gian chu kỳ gia công.
2/ Nơi có nhiều nguồn biến số trong phôi mà AC có thể bù trừ. Thực tế AC
thích nghi lượng ăn dao và vận tốc đối với các biếân số đó.
3/ Nơi giá thành vận hành máy cao. Giá thành vận hành máy chủ yếu là do vốn
đầu tư cho thiết bò cao.
4/ Nơi các phôi điển hình cho AC là những vật liệu gồm thép, Ti tan, hợp kim
bền cao. Gang và nhôm cũng có thể là vật liệu hẫp dẫn đối với AC, nhưng những
vật liệu này thường là dễ gia công.
Các nguồn biến đổi khi gia công.
(Source of Variability in machining)
Dưới đây có các nguồn biến đổi có thể dùng AC. Không phải tất cả các nguồn
này cần hiệu chỉnh bằng AC. Tuy nhiên, người ta nhận thấy rằng sự biến đổi càng
lớn thì điều khiển thích nghi càng có lợi.
1. Chiều sâu và chiều dày cắt thay đổi
2. Độ cứng thay đổi
3. Độ cứng vững thay đổi
4. Mòn dao.
5. Mặt gia công không liên tục
Những biến đổi trên nhiều khi không dự đoán được. Bây giờ chúng ta xem AC
được dùng để bù trừ những biến đổi trên như thế nào.
Hai dạng điều khiển thích nghi:

1/ AC tối ưu (ACO) – Adaptive Control Optimization
2/ AC giới hạn (ACC) -- Adaptive Control constraints
Điều khiển thích nghi tối ưu: Trong những hệ thống này, một thông số tối ưu
hóa được chỉ đònh cho hệ thống . Hàm này được đo trong suốt qúa trình gia công, thí
dụ lượng phoi được cắt ra hoặc giá thành của khối lượng vật liệu cắt ra. Nhiều hệ
thống tối ưu hóa bằng cách cực đại hóa tỉ lệ giữa lượng kim loại cắt ra so với độ
mòn dụng cụ. Hệ này được viết:
LVLCR
)
LMDC
Trong đó: LVLCR – Lượng vật liệu cắt ra
LMDC – Lượng mòn dụng cụ
Cái khó là độ mòn dụng cụ không thể đo trực tuyến bằng công nghệ đo hiện
nay. Vì vậy, hệ số IP không thể điều khiển trong quá trình gia công. Do không có
IP = f (

CAD/CAM

139


Chương 9. ĐIỀU KHIỂN MÁY NC BẰNG MÁY TÍNH
Lê Trung
Thực
cảm biến để đo được độ mòn dụng cụ trong hệ thống ACO nên hầu như tất cả các
hệ thống điều khiển thích nghi hiện nay là thuộc loại thứ 2: ACC
Hệ thống ACC được phát triển với mức độ ít thông minh và ít tốn kém hơn so
với ACO. Các hệ thống sản xuất ACC sử dụng các giới hạn dựa trên những biến
số có thể đo được. Vì thế hệ thống này mới có tên gọi là ACC. Mục tiêu của hệ
thống là điều khiển vận tốc và lượng ăn dao sao cho biến số đo được nằm trong

vùng giới hạn cho phép.

Hoạt động của một hệ thống ACC:

Ứng dụng điển hình là phay viền và phay túi rỗng (profile, pocket) trên máy NC
Vận tốc V – tham số điều khiển được
Lựa cắt P và công suất cắt N là những biến số đo dược.
Gắn một hệ thống ACC vào một máy NC là chuyện bình thường. Có 2 lý do
để máy NC được dùng làm điểm bắt đầu tự nhiên cho việc ứng dụng AC:
1/ Máy NC thường có mô tơ điều khiển,
2/ Các phôi gia công thông thường cho máy NC có những nguồn thay đổi mà
AC có thể thực hiện được (feasible).
Nhiều công ty lớn ứng dụng AC vào HT NC của họ. Một công ty là Macotech
corporation In Seatle, Washington, chuyên cung cấp máy NC có điều khiển thích
nghi cho các công ty khác. Bộ điều khiển thích nghi bao gồm phần cứng và phần
mềm
Phần cứng gồm:
1. Các cảm biến gắn trên trục chính để đo lực
2. Các cảm biến đo dòng điện của mô tơ trục chính. Cái này được dùng để
xác đònh công suất tiêu thụ
3. Bộ điều khiển và Panel màn hình để vận hành máy.
4. Giao diện phần cứng để nối hệ thống AC với NC hiện tại hoặc máy CNC.
Phần mềm gồm chương trình về khả năng gia công có thể được gọi ra dùng như
là một lệnh Macro viết bằng ngôn ngữ APT. Quan hệ giữa chương trình gia công và
qúa trình lập trình gia công được vẽ trên hình 9.8
AC input:
Cutter,
Material,
…
Part

geometry
and motion
statements

AC output: Feed, Speed, Force limits
AC machinibility
program

APT
program

APT
processor

NC tape

Hình 9.8. Quan hệ của phần mềm AC đối với chương trình APT.

CAD/CAM

140


Chương 9. ĐIỀU KHIỂN MÁY NC BẰNG MÁY TÍNH
Lê Trung
Thực
Các tham số vào của chương trình gồm kích thước và hình dáng của dụng cắt,
độ cứng của vật liệu gia công, kích thước gia công, và đặc tính của máy cắt. Dựa
vào các tham số vào này, chương trình sẽ tính toán và cho ra giá trò của
• Lượng ăn dao

• Vận tốc trụ chính
• Giới hạn lực cắt
cho mỗi vùng cắt
Mục tiêu của việc tính toán này là xác đònh điều kiện cắt để cực đại hóa tốc độ
cắt bỏ kim loại. Người lập trình gia công thường phải chỉ ra vận tốc và lượng ăn dao
để gia công. Với điều khiển thích nghi, các thông số này được tính toán nhờ phần
mềm gia công trên cơ sở dữ liệu nhập vào và người lập trình không phải can thiệp
vào.
Khi gia công, hệ thống AC hoạt động bởi lực được tính cho mỗi dụng cụ cắt và
cho trục chính máy. Năng suất gia công được cực đại hóa nhờ máy chạy ở vận tốc
lớn nhất mà lực cắt cho phép. Vì lực phụ thuộc vào các thông số như chiều rộng và
chiều sâu cắt, lượng ăn dao sẽ giảm để bù trừ cho vận tốc cắt. Khi lực cắt giảm, thí
dụ do chiều dày cắt giảm, chỗ không có vật liệu, lượng ăn dao tăng lớn nhất.
Thông thường việc nhận biết dao cắt hay không cắt là dựa vào sự cảm nhận có
lực cắt hay không. Khi dao không cắt, tức là đi qua chỗ hở, lượng ăn dao lập tức
tăng 2 hoặc 3 lần để giảm thời gian di chuyển vô ích. Khi dụng cụ chạm vào vật
liệu lượng ăn dao trở về như cũ.
Trong qúa trình gia công có thể có một hoặc nhiều thông số được đo. Ngày xưa,
hệ thống Bendix dùng tới 3 tín hiệu: nhiệt độ, moment và rung động. Ngày nay hệ
thống Macotech chỉ dùng 2: lực cắt và công suất cắt sinh ra trên môtơ. Mục đích của
việc đo công suất là bảo vệ mô tơ để khỏi bò qúa tải trong khi tốc độ hớt vật liệu lại
bò giới hạn bởi công suất trên trục chính hơn là lực cắt trên trục chính.

thíchh nghi.
Ích lợi của gia công có điều khiển thíc

1/ Tăng năng suất gia công.
2/ Tăng chu kỳ bền của dụng cụ (tuổi thọ)
3/ Bảo vệ phôi tốt hơn
4/ Người vận hành ít phải can thiệp hơn.

5/ Lập trình gia công cũng dễ hơn.
Những máy NC gia công có AC trong ngành hàng không Hoa kỳ cho thấy là có
thể tiết kiệm 20 – 60% thời gian gia công.

9.8. Xu hướng phát triển của NC:

• Thay thế băng đục lỗ bằng băng từ.
• Sử dụng thiết bò kiểm tra trên NC ngày càng thông dụng hơn
♦ Kiểm tra phôi trong qúa trình gia công khi nó còn nằm trên bàn máy
♦ Tự hiệu chỉnh vò trí dụng cụ để bù trù sai số của máy
♦ Đònh vò mặt tham chiếu trên phôi sau khi gia công để đạt được độ chính xác
cao hơn
♦ Kiểm tra dụng cụ cắt để xác đònh tình trạng của dụng cụ (răng gẫy).

CAD/CAM

141


Chương 9. ĐIỀU KHIỂN MÁY NC BẰNG MÁY TÍNH
Lê Trung
Thực
Ưu điểm chính của việc dùng thiết bò kiểm tra là tiết kiệm thời gian và nâng
cao độ chính xác gia công.
• Những hệ thống NC tiến tiến
Ngôn ngữ APT lập trình NC đã già cỗi trên 40 năm (1959 – 1999). Lúc đầu là
dùng cho phương pháp phay rồi được cải tiến dần theo năm tháng cho nhiều nguyên
công khác nữa. Nhiều khái niệm của APT đã được dùng trong kỹ thuật Modeling
của CAD/CAM hiện nay. Tuy nhiên sự phát triển của mô hình hóa nhờ máy tính đã
không còn phù hợp với các đònh nghóa hình học của APT nữa. Trong lónh vực này

một nghiên cứu quan trọng và có nhiều cố gắng phát triển là dự án NC tiên tiến tên
là CAM – I. Mục tiêu của dự án là phát triển một hệ thống NC tiên tiến mà có
thể dùng được những khái niệm và công nghệ mới nhất trong CAD/CAM và quản lý
dữ liệu. Những vấn đề quan trọng của dự án này chúng ta sẽ bàn ở đây.
Trong ngôn ngữ APT, chi tiết được xác đònh bằng các phương pháp hình học như
đường, mặt phẳng, đường tròn. Đường, mặt phẳng, đường tròn là những phần tử
không có biên vì đường và mặt là vô tận còn đường tròn là khép kín. Còn bản thân
chi tiết là 1 vật có biên, vì vậy phần tử hình học của APT không thể xác đònh đầy đủ
và chính xác hình học của chi tiết. Bằng trật tự câu lệnh trong APT, dụng cụ di
chuyển theo mặt hiện tại của chi tiết, bỏ qua các phần về đường tròn và đường
thẳng không liên quan đến chi tiết. Theo cách xây dựng mô hình trong hệ thống

CAD/CAM phôi được xác đònh bằng những mặt và cạnh tạo nên vật thể đặc của
chi tiết. Mặt và cạnh không phải là
là vô tận. Khái niệm này gọi là Boundary
Geometry, ngược lại với các khái niệm của APT. Một trong những mục tiêu của dự
án CAM – 1 là dùng các khái niệm chứa bên trong hình học biên để xác đònh chi
tiết. Một số mục tiêu quan trọng của dự án là:
1/ Một tập ngôn ngữ mới: Dùng khái niệm hình học biên. Sẽ có những cố gắng
làm cho ngôn ngữ mới tương thích với ngôn ngữ APT. Ngôn ngữ mới sẽ ở mức cao
hơn so với APT.
2/ Đa dạng: Không chỉ dùng để cắt kim loại mà còn dùng cho nhiều lónh vực
khác như kiểm tra, dập,…
3/ Thiết kế theo từng Module: các chương trình con phải được thiết kế để thực
hiện các chức năng cơ bản như
• Phay Profile
• Phay Pocket
• Gia công theo điểm (PTP operation)
• Tiện (Turning)
• Kiểm tra (Inspection)

Cách này giống như trong hệ thống CAD/ CAM hiện đại dùng chương trình con
tự động, được thiết kế để thực hiện các chức năng chuyên dùng
3. Tự động hóa thực hiện chức năng lập trình NC
Lập trình NC bao gồm
• Tạo đường chạy dao
• Chọn dụng cụ
• Lượng ăn dao
• Tốc độ cắt

CAD/CAM

142


Chương 9. ĐIỀU KHIỂN MÁY NC BẰNG MÁY TÍNH
Lê Trung
Thực
• Thứ tự nguyên công
Hệ thống NC hiện đại phải tự động thực hiện việc xác đònh các tham số đó.
5. Kiểm tra sự giao nhau. Các chương trình con phải được xây dựng bên trong
bộ NC tiên tiến để kiểm tra khả năng va chạm giữa dụng cụ và đồ gá gia công và
những va chạm khác có thể.
5. Giao diện với cơ sở dữ liệu CAD/CAM:
Hệ thống điều khiển số tiên tiến phải được giao diện với cơ sở dữ liệu thiết kế
và gia công. Dữ liệu thiết kế phải chứa dữ liệu liên quan đến hình học của chi tiết
(phôi thô và kích thước cuối cùng của chi tiết), đồ gá, dao cắt, khả năng chế tạo dao
và dữ liệu về giá thành. Chức năng lập trình NC phải được giao diện với bộ chương
trình lập quy trình gia công nhờ máy tính.

Các hệ thống sản xuất linh hoạt (HTSXLH):


Một trong những phát triển quan trọng trong DNC là được đưa vào ứng dụng
hệ thống sản xuất linh hoạt (Flexible Manufacturing System - FMS) . Một FMS là
một nhóm các máy NC (hoặc những trạm làm việc khác) có liên hệ với nhau bởi hệ
thống vận chuyển vật liệu. Toàn bộ các máy NC và hệ thống vận chuyển được
điều khiển bởi một máy tính.
HTSXLH lần đầu tiên được đưa vào ứng dụng vào khoảng năm 1980. Do qúa
đắt (vài triệu đô la một hệ thống) nên chỉ có khoảng một chục các hệ thống này
được đưa vào ứng dụng. Tuy nhiên, do có nhiều hứa hẹn về năng suất trong sản
xuất hàng loạt nên trong cuối những năm 1980 những hệ thống FMS này đã tăng
lên.
FMS là một bước quan trọng trong sự tiến hóa của nhà máy tự động nhờ máy
tính trong tương lai.

Robotics
Theo bản chất công nghệ và lập trình, Robot công nghiệp có nhiều điểm chung
với các máy NC. Robot được dùng để vận chuyển phôi và dụng cụ trong sản xuất.
Một trong những nhiệm vụ quan trọng của Robot là nạp phôi vào lấy phôi ra khỏi
máy gia công, kể cả máy NC . Robot và máy tạo nên một tế bào sản xuất tự độïng
với việc nạp một phôi vào tế bào từ một băng tải và đưa chi tiết đã gia công trên tế
bào đến một băng tải khác. Toàn bộ công việc được thực hiện một cách tự nhiên
không cần đến con người. Bởi vì Robot là một phần quan trọng của CAD/CAM, nên
chương sau chúng ta sẽ nói về Robots

CAD/CAM

143


Chương 9. ĐIỀU KHIỂN MÁY NC BẰNG MÁY TÍNH

Thực

Lê Trung

CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Điều khiển máy NC bằng máy tính nghóa là gì? Tai sao phải điều khiển máy NC nhờ máy
tính? Đặc điểm của CNC là gì? Cấu hình chung của một hệ thống CNC và các chức năng
của nó. Ưu nhược điểm của CNC
2. DNC là gì? DNC gồm những thành phần gì? Các chức năng của DNC là gì? Ưu nhược điểm
của DNC. Phối hợp DNC với CNC đưa lại lợi ích gì?
3. Điều khiển thích nghi nghóa là gì? Dùng khi nào? Có những dạng điều khiển thích nghi nào?
Các thành phần của hệ thống điều khiển thích nghi kiểu giới hạn (ACC) và mối quan hệ
giữa chúng. Ưu nhược điểm của hệ thống điều khiển thích nghi.
4. Hãy nói về xu hướng phát triển của điều khiển số (NC) (kiểm tra phôi và dụng cụ trên máy,
phát triển ngôn ngữ lập trình NC, FMS, Robot)

HẾT CHƯƠNG 9

CAD/CAM

144