Phạm Đức An

bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học
ngành : cơ học kỹ thuật

Cơ học kỹ thuật

Thiết kế và xây dựng phần mềm
điều khiển PC-based dùng cho máy
phay CNC Bkmech vmc65

Phạm đức an

2006 - 2008
Hà Nội
2008

Người hướng dẫn khoa học: T.S Hoµng VÜnh Sinh

Hµ Néi 2008


luận văn thạc sĩ khoa học

Thiết kế và xây dựng phần mềm
điều khiển PC-based dùng cho máy
phay CNC Bkmech vmc65

ngành : cơ học kỹ thuật
mà số:23.04.3898

Phạm đức an
Hà Nội 2008


bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học

Thiết kế và xây dựng phần mềm
điều khiển PC-based dùng cho máy phay CNC
Bkmech vmc65
ngành : cơ học kỹ thuật
ma số:
Phạm đức an

Ngi hng dẫn khoa học : TS. Hoµng vÜnh sinh

Hµ Néi 2008


CHƯƠNG I Vai trị của máy CNC trong ngành cơng nghiệp Cơ khí ở
Việt Nam........................................................................................................... 9
1.1 Tình hình sử dụng máy CNC tại Việt Nam ........................................... 11
1.2 Khái quát tình hình của việc sản xuất CNC trong nước ........................ 17
1.2.1 Những thành công bước đầu đã đạt được trong việc sản xuất và sửa

chữa máy CNC tại Việt Nam ................................................................... 17
1.2.2 Những vấn đề còn tồn tại trong việc sản xuất và sử dụng máy
CNC tại Việt
Nam………………………………………………………………………1
9
1.2.3 Nguyên nhân của những tồn tại việc trên........................................ 21
1.3 Những yêu cầu cấp thiết về việc chế tạo máy cnc mang nhãn hiệu Việt
Nam và việc đào tạo nguồn nhân lực CNC đối với nước ta hiện nay. ........ 22
1.4 Những nghiên cứu cần tiến hành để thỏa mãn được các yêu cầu trên .. 25
CHƯƠNG II Cấu trúc của bộ điều khiển CNC ......................................... 27
2.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển số CNC ..................... 27
2.1.1.1 Giới thiệu về hệ thống điều khiển số NC ................................ 27
2.1.1.2 Lịch sử của NC và các máy công cụ NC .................................. 29
2.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống tự động trong máy CNC ....... 31
2.1.2.1 Các thành phần của hệ thống dẫn động .................................... 31
2.1.3. Các vòng điều khiển trong CNC .................................................... 38
2.1.3.1 Vịng điều khiển nửa đóng ....................................................... 39
2.1.3.2 Vịng điều khiển đóng .............................................................. 41
2.1.3.3 Vịng điều khiển lai ................................................................... 41
2.1.3.4 Vòng điều khiển mở ................................................................. 42
2.1.4 Các thành phần của hệ thống CNC và các chức năng cơ bản của
chúng ........................................................................................................ 42
2.1.4.1 Các chức năng của khối giao tiếp với người sử dụng MMI
(Man-Machine Interface) ...................................................................... 46
2.1.4.2 Phần lõi điều khiển số NCK (Numerical Control Kernel) ....... 49
2.1.4.3 Khối điều khiển logic lập trình được PLC (Programmable Logic
Control) ................................................................................................. 51
2.1.4.4 Tính chất điều khiển thời gian thực của hệ thống CNC (Realtime Control System) ............................................................................ 54
2.2 Các vấn đề gặp phải với từng thành trong cấu trúc của bộ điều khiển
CNC trong điều kiện của nước ta ................................................................ 58

2.2.1 MMI................................................................................................. 58
2.2.2 NCK................................................................................................. 59
2.2.3 PLC .................................................................................................. 59
2.2.4 Tính chất điều khiển thời gian thực của hệ thống ........................... 60


2.3 Các giải pháp cho những vần đề trên .................................................... 60
Chương III Hệ thống điều khiển CNC có cấu trúc dạng mở (OpenArchitecture Soft CNC system) – Viết tắt OpenCNC ............................... 62
3.1 Giới thiệu về hệ điều khiển cấu trúc mở OAC ...................................... 62
3.1.1 Định nghĩa OAC.............................................................................. 62
3.1.2 OAC trong máy công cụ CNC trong quá khứ, hiện tại và tương lai
.................................................................................................................. 63
3.1.2 Tổng quan về thị trường bộ điều khiển có tính mở ......................... 67
3.1.2 Xu hướng phát triển của hệ điều khiển cấu trúc mở trong máy CNC
.................................................................................................................. 70
3.1.2.1 Các tiêu chuẩn đánh giá một hệ thống mở ............................... 70
3.1.2.2 Phân loại các hệ thống điều khiển mở ...................................... 72
3.2 Một số cấu trúc điều khiển dạng mở áp dụng cho máy CNC................ 74
3.3 Một số cấu trúc phần mềm CNC dạng mở (Software – controlled CNC)
...................................................................................................................... 77
3.3.1 OMAC (Open Modular Architecture Controller) hệ thống điều
khiển cấu trúc module mở ........................................................................ 77
3.3.2 OSACA (Open System Architecture for Controls within
Automation Systems) hệ thống cấu trúc mở cho điều khiển các hệ thống
tự động ...................................................................................................... 79
3.3.3 OSEC (Open System Environment for Controller) môi trường hệ
thống mở cho các hệ thống điều khiển..................................................... 80
3.4 So sánh các cấu trúc hệ thống điều khiển mở........................................ 81
3.4.1 So sánh vể tập API (Bảng 3.2) ........................................................ 81
3.4.2 So sánh về cấu trúc tham chiếu. ...................................................... 82

3.4.3 So sánh về hạ tầng thông tin. .......................................................... 82
3.4.4 Tính tương đồng của các loại cấu trúc mở (Bảng 3.5).................... 83
3.4.4 Kết luận ........................................................................................... 84
Chương IV Xây dựng cấu trúc của bộ điều khiển PC-based cho máy
phay 3 trục ..................................................................................................... 86
4.1 Các yêu cầu đối với bộ điều khiển PC-based ........................................ 86
4.1.1 Yêu cầu về khả năng hoạt động của hệ thống ................................. 86
4.1.2 Tiêu chuẩn về cấu trúc mở của hệ thống......................................... 87
4.2 Các bước tiến hành ................................................................................ 88
4.3 Chọn mơ hình hệ thống điều khiển ........................................................ 89
4.4 Chức năng của các module thiết yếu trong bộ điều khiển CNC 3 trục
dạng PC-based ............................................................................................. 93
4.4.1 Các module cơ bản của hệ thống điều khiển CNC ......................... 95
4.4.2 Giao tiếp giữa các module............................................................. 103
4.4.3 Phương thức hoạt động của hệ thống ............................................ 105


4.4.4 Mơ hình thao tác ............................................................................ 108
4.5 Tổng quan về các Module.................................................................... 116
4.5.1 Task Coordinators ......................................................................... 117
4.5.2 Axis ............................................................................................... 120
4.5.3 Module Axis Group ....................................................................... 122
4.5.4 HMI ............................................................................................... 124
4.5.6 Control Law................................................................................... 126
4.5.7 Kinematics Model ......................................................................... 126
4.5.8 Control Plan Generator (Part Program Translator) ....................... 129
4.5.9 Discrete Logic ............................................................................... 129
4.5.10 I/O Points..................................................................................... 130
4.5.11 Machine-to-Machine ................................................................... 131
4.6 Một số các ví dụ kết nối các module. .................................................. 132

4.6.1 Điều khiển hoạt động của một tập các đầu vào ra ........................ 132
4.6.2 Điều khiển một trục ....................................................................... 132
4.6.3 Điều khiển Logic lập trình được PLC ........................................... 133
4.6.4 Mơ hình điều khiển chuyển động thực hiện chức năng tarô của máy
CNC 3 trục.............................................................................................. 134
4.7 Kết luận ................................................................................................ 135
Chương V Kết luận chung và phương hướng phát triển hệ thống trong
tương lai ....................................................................................................... 140
Tài liệu tham khảo………………………………………………………….141


Danh mục các hình vẽ
Hình 1.2 Xu hướng sản xuất máy CNC tại Việt Nam .................................... 18
Hình 1.3 Các khó khăn cơ bản liên quan đến bộ điều khiển CNC ................. 20
Hình 1.4 Các tiêu chí đặt ra cho phần mềm điều khiển CNC ......................... 23
Hình 2.1 Các loại máy NC .............................................................................. 28
Hình 2.2 Cấu trúc một máy cơng cụ CNC và quy trình gia cơng trên nó....... 30
Hình 2.3 Cơ cấu dẫn truyền động của máy công cụ ....................................... 32
Hình 2.4 Các đặc tính u cầu đối với động cơ servo .................................... 33
Hình 2.5 Các loại động cơ servo ..................................................................... 34
Hình 2.6 Các loại cảm biến sử dụng trong hệ dẫn động. ................................ 35
Hình 2.7 encoder tương đối............................................................................. 36
Hình 2.8 Encoder tuyệt đối ............................................................................. 36
Hình 2.9 Phần dẫn hướng chuyển động tịnh tiến và bộ truyền vít me bi ....... 37
Hình 2.10 Nối trục và các đai truyền .............................................................. 38
Hình 2.11 Các vịng điều khiển phản hồi trong máy CNC ............................. 38
Hình 2.12 Phân loại các kiểu điều khiển dựa vào vị trí của các sensor .......... 40
Hình 2.13 Cấu trúc của CNC .......................................................................... 43
Hình 2.14 Các thành phần của hệ thống CNC ................................................ 44
Hình 2.15 Một số giao diện của bộ điều khiển CNC. ..................................... 47

Hình 2.16 Khối chức năng của NCK .............................................................. 50
Hình 2.17 Cấu trúc và chức năng của hệ thống PLC ...................................... 53
Hình 2.18 Multitasking và Multithreading ..................................................... 57
Hình 3.1 PC-based, phần mềm hệ thống điều khiển hướng đối tượng ........... 64
Hình 3.2 Phần cứng và phần mềm CNC – Xu hướng thực tế......................... 65
Hình 3.3 Lợi ích của việc sử dụng hệ thống điều khiển mở ........................... 66
Hình 3.4 Các giao tiếp bên trong và bên ngồi của hệ thống điều khiển ....... 67
Hình 3.5 Các tiêu chuẩn của hệ thống điều khiển mở .................................... 68
Hình 3.6 Tổng quan về các hệ thống CNC thương mại hiện nay. ................. 70
Hình 3.7 Tiêu chuẩn của hệ thống điều khiển mở .......................................... 71
Hình 3.8 Mức độ mở của hệ thống điều khiển mở ......................................... 72
Hình 3.9 Phân chia tính năng của hệ thống điều khiển................................... 73
Hình 3.10 Cấu trúc của hệ thống điều khiển dạng mudule mở....................... 74
Hình 3.11 Các loại hệ thống điều khiển cấu trúc mở hiện nay ....................... 75
Hình 3.12 Phần cứng và phần mềm của một số loại hệ thống CNC .............. 76
Hình 3.13 Hệ thống điều khiển dựa trên cấu trúc module của OMAC .......... 78
Hình 3.14 Nền lập trình với các đối tượng ứng dụng cơ bản (OSACA, 1997)
......................................................................................................................... 79
Hình 3.15 Cấu trúc OSEC (OSE, 1998).......................................................... 80
Hình 4.1 Yêu cầu cơ bản về khả năng hoạt động của hệ thống ..................... 87


Hình 4.2 Các yêu cầu của hệ thống điều khiển PC-based .............................. 88
Hình 4.3 Cấu trúc hệ thống CNC sử dụng Motion Card ................................ 91
Hình 4.4 Mơ hình hệ thống điều khiển CNC dạng Software – Oriended ....... 92
Hình 4.5 Một số chức năng yêu cầu của máy CNC 3 trục.............................. 94
Hình 4.6 Các module cơ bản của hệ thống điều khiển CNC .......................... 95
Hình 4.7 Các chức năng của module Axis ...................................................... 96
Hình 4.8 Các chức năng của module AxisGroup ........................................... 96
Hình 4.9 Các chức năng của module Overview.............................................. 97

Hình 4.10 Chức năng của module ControlLaw .............................................. 97
Hình 4.11 Chức năng của module ControlPlan .............................................. 97
Hình 4.12 Chức năng của module ControlPlanGenerator. ............................. 98
Hình 4.13 Chức năng của module DiscreteLogic ........................................... 98
Hình 4.14 Một số tính năng của module HMI ................................................ 99
Hình 4.15 Các chức năng của module IO. ...................................................... 99
Hình 4.16 Các chức năng của module Kinematics ....................................... 100
Hình 4.17 Các tính năng của module Machine-to-Machine ......................... 100
Hình 4.18 Các chức năng của module ProcessMode .................................... 100
Hình 4.19 Các tính năng của module TaskCoordinator................................ 101
Hình 4.20 Mối liên kết giữa các module ....................................................... 103
Hình 4.21 Điều khiển dạng MultiThread. ..................................................... 104
Hình 4.22 Sơ đồ trạng thái tổng quát của FSM quản lý ............................... 105
Hình 4.23 Các mức của FSM ........................................................................ 106
Hình 4.24 Sơ đồ mơ hình hoạt động của các module ................................... 108
Hình 4.25 Phác thảo các tính năng cơ bản của CPU..................................... 109
Hình 4.26 Dạng quan hệ không chặt chẽ của CPU với hệ thống điều khiển 110
Hình 4.27 Dạng quan hệ chặt chẽ của CPU với hệ thống điều khiển ........... 110
Hình 4.28 Một số kiểu của CPU ................................................................... 112
Hình 4.29 ControlPlan được xây dựng từ một chuỗi các CPU..................... 112
Hình 4. 30 Ví dụ về biến đổi trạng thái của ControlPlan.............................. 114
Hình 4.31 Các truyền tuần tự của các CPU .................................................. 115
Hình 4.32 Sơ đồ tương tác giữa các module. ................................................ 116
Hình 4.33 Mơ hình hoạt động của TaskCoordinator. ................................... 118
Hình 4.34 Sơ đồ tương tác của các Capability và TaskCoordinator............. 119
Hình 4.35 Các thành phần của module Axis................................................. 120
Hình 4.36 Biểu đồ trạng thái hoạt động của module Axis ............................ 121
Hình 4.37 Sơ đồ kết nối hoạt động của module Axis ................................... 122
Hình 4.38 Mơ hình hoạt động của module AxisGroup................................. 123
Hình 4.39 Các thành phần của module AxisGroup ...................................... 124

Hình 4.40 Một số thơng tin được quản lý trong HMI ................................... 125
Hình 4.41 Mơ hình model – view – controller của HMI .............................. 125


Hình 4.42 Mơ hình điều khiển chung trong luật điều khiển ........................ 126
Hình 4.43 Mơ hình luật điều khiển để thực hiện tuning các tham số PID.... 127
Hình 4.44 Các chức năng phụ khác của module Kinematics ....................... 128
Hình 4.45 Sơ đồ hoạt động của Part Program Translator ............................. 129
Hình 4.46 Mơ hình hoạt động của module DiscreteLogic ............................ 130
Hình 4.47 Các thành phần của module vào ra .............................................. 131
Hình 4.48 Hoạt động điều khiển các đầu vào ra ........................................... 132
Hình 4.49 Điều khiển một trục bằng tay ....................................................... 133
Hình 4.50 Sơ đồ điều khiển logic.................................................................. 134
Hình 4.51 Điều khiển chuyển động khi tarô trên máy CNC 3 trục .............. 134


Danh mục các bảng
Bảng 2.1 Tổng hợp về các loại động cơ servo dùng trong các máy CNC ...... 35
Bảng 3.1 Các đặc tính của hệ thống điều khiển mở ........................................ 69
Bảng 3.2 Các đặc tính khác nhau của các API ............................................... 81
Bảng 3.3 So sánh về đặc tính của cấu trúc tham chiếu ................................... 82
Bảng 3.4 So sánh về đặc tính của hạ tầng thơng tin áp dụng cho các cấu trúc
......................................................................................................................... 83
Bảng 3.5 Sự tương đồng về chức năng của các hệ thống điều khiển cấu trúc
mở .................................................................................................................... 84


9

Mở đầu

Hiện nay các vấn đề liên quan đến chế tạo máy CNC đang được đặc biệt
quan tâm. Trong đó vấn đề về liên quan đến bộ điều khiển CNC đang được
nghiên cứu ở từng mức độ khác nhau. Song hầu hết là các nghiên cứu về ứng
dụng của bộ điều khiển CNC cho các máy cụ thể. Chưa có những nghiên cứu
cụ thể về cấu trúc cũng như nguyên lý hoạt động, các thuật toán điều của hệ
thống điều khiển. Trong một số các nghiên cứu được thực hiện trong trường
đại học để xây dựng các máy CNC, kết quả thường dừng lại ở mức mơ hình
máy với những chuyển động đơn giản. Sản phầm bộ điều khiển PC-based
mang tên LAME-2000-M cho máy phay CNC cũng được phát triển ở trường
ĐHBK thành phố Hồ Chí Minh. Đây là bộ điều khiển PC-based chạy trên mơi
trường DOS được hình thành từ quá trình nghiên cứu khoa học từ cấp trường
đến cấp bộ của bộ môn Cơ học ứng dựng trường ĐHBK thành phố Hồ Chí
Minh. Nhưng hiện tại ứng dụng của phần bộ điều khiển này chưa được rộng
rãi. Trong khi đó việc phát triển bộ điều khiển kiểu PC-based dùng cho máy
CNC đã được phát triển khá lâu. Các ứng dụng của các bộ điều khiển PCbased không chỉ dừng lại ở các máy phay, tiện CNC mà còn phát triển ở rất
nhiều các loại máy chuyên dụng khác nữa. Các ngành kỹ thuật liên quan đến
việc phát triển các bộ điều khiển PC-based dùng trong công nghiệp cũng được
phát triển trong 20 năm trở lại đây. Thể hiện rõ nhất đó là sự ra đời của các
cơng ty sản xuất Motion Card dùng để điều khiển các động cơ dùng trong các
máy CNC, như PMC, Delta tau… Tiếp đó là sự ra đời ngày càng nhiều của
các bộ PC-based dùng cho máy CNC như các hãng nổi tiếng như EMCO của
Áo, hay, Fanuc của Nhật. Các bộ điều khiển này được sử dụng ở Việt Nam
cho các máy dạy học loại nhỏ.


10

Như vậy có thể thấy việc phát triển Bộ điều khiển máy CNC kiểu PCbased là một yêu cầu cần thiết trong tình hình hiện nay. Việc phát triển thành
cơng của bộ PC-based sẽ mang lại những lợi ích khơng nhỏ trong sản xuất
cũng như trong việc đào tạo ở bậc Cao Đẳng và Đại học. Đề tài thiết kế và

chế tạo bộ điều khiển PC-based cho máy phay CNC BKMech VMC65 (một
loại máy phay 3 trục) nhằm giải quyết những yêu cầu cấp thiết đặt nhằm thúc
đẩy ngành công nghiệp CNC trong nước phát triển đáp ứng được công cuộc
hiện đại hóa của đất nước.


SUMMARIZATION OF THE THESIS
The content of the thesis with the topic “ designing and building a PCbased controller for BKMech VMC65 milling CNC machine” includes 5 chapter.
Chapter 1: The role of CNC machine in Vietnamese mechanical industrial.
The chapter has analysis about the situation of using CNC machine in Vietnam,
that is the problems in operation, repairing, maintaining the controlling systems.
Besides, the tendency of making CNC machine in Vietnam, that includes
beginning results and difficulties, is described quite clearly. After that, some
reasons and the solutions of the problems are mentioned.
Chapter 2: Architecture of a CNC controller. The main content of the
chapter is the overview about architecture of a traditional CNC controller, that
includes the main components and its functions, some important characteristics
which effects to operation of controlling system. The goal of this chapter is to give
the tasks that will conduct in some next chapters.
Chapter 3: The open architecture of a CNC machine. The major of the
chapter is the general idea about an open architecture of CNC system. It describes
some open architectures that have been researched and developed for CNC
machine in the world such as OMAC, OSACA, OSEC. The comparison of three
architechtures about their function is useful for the researching tendency for a
different controller that appropriates in state of development of CNC in Vietnam.
Chapter 4: Building an architecture of PC-based controller for 3 axes
milling CNC machine. This chapter proposals an architecture of PC-based for
CNC machine, that comprises selecting model of controller, separating module
based on their functions, and the monitoring system behavior.
Chapter 5: General conclusion and the future development of the system

Some results and the next researching tendency of the thesis.
Key works: milling CNC, controlling system, open architechture, PCbased, OpenCNC.


TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN.
Nội dung luận văn về đề tài “thiết kế và xây dựng bộ điều khiển PC-based
cho máy phay CNC BKMech VMC65” bao gồm 5 chương.
Chương 1: Vai trị của máy CNC trong ngành cơng nghiệp Cơ khí ở Việt
Nam. Trong chương này phân tích về tính hình sử dụng máy CNC ở trong nước,
những khó khăn mắc phải trong quá trình vận hành, sửa chữa, bảo trì các hệ thống
điều khiển CNC. Bên cạnh đó là tình hình sản xuất máy CNC trong nước bao gồm
xu hướng, những kết quả bước đầu và những khó khăn vướng mắc. Đưa ra nguyên
nhân khác quan của những tồn tại trên và đề xuất các nghiên cứu để khắc phục
những tồn tại này.
Chương 2: Cấu trúc của bộ điều khiển CNC. Nội dung của chương trình
bày tổng quan về cấu trúc chung của một bộ điều khiển CNC truyền thống, các
tính năng của từng thành phần, một số đặc tính quan trọng quyết định đến q
trình hoạt động của hệ thống điều khiển. Mục tiêu của chương là để phân tích cụ
thể các cơng việc phải tiến hành nghiên cứu tiếp theo.
Chương 3: Hệ thống điều khiển CNC có cấu trúc dạng mở. Nội dung của
chương trình bày tổng quát về một hệ thống điều khiển có cấu trúc mở, các nghiên
cứu liên quan đến hệ thống điều khiển mở cho máy CNC như OMAC, OSACA,
OSEC và tiến hành so sánh đánh giá khả năng của các hệ thống và đưa định hướng
nghiên cứu về một hệ thống điều khiển mở riêng phù hợp với hoàn cảnh Việt Nam
Chương 4: Xây dựng cấu trúc của bộ điều khiển PC-based cho máy phay
CNC 3 trục. Chương này đề xuất một cấu trúc cho hệ thống điều khiển mở CNC
kiểu PC-based bao gồm chọn mơ hình, phân chia các module điều khiển và đưa ra
cách quản lý các hoạt động của hệ thống.
Chương 5: Kết luận chung và hướng phát triển hệ thống trong tương lai.
Các kết quả của luận văn và hướng phát triển tiếp theo.

Từ khóa: phay CNC, hệ thống điều khiển, cấu trúc mở, PC-based,
OpenCNC


11

CHƯƠNG I Vai trị của máy CNC trong ngành cơng nghiệp
Cơ khí ở Việt Nam
1.1 Tình hình sử dụng máy CNC tại Việt Nam
- Các máy CNC đã và đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực sản
xuất đặc biệt là trong ngành cơ khí. Về xuất xứ của máy cũng rất đa dạng có
thể là các máy mới nhập từ các nước có nền sản xuất CNC tiến tiến như Nhật,
Đức, Mỹ… hay là các máy CNC cũ chủ yếu của Nhật Bản, các máy CNC của
Trung Quốc và đặc biệt trong những năm gần đây người sử dụng đã có thể lựa
chọn những máy CNC sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam với chất lượng tốt.
Song số lượng máy chủ yếu của các doanh nghiệp Việt Nam là các máy CNC
cũ của Nhật, Ý… với giá thành thấp hoặc các máy có xuất xứ từ Trung Quốc.
Các máy CNC cũ có giá thành thấp hơn khá nhiều so với các máy CNC mới
này giúp các doanh nghiệp giảm chi phí cho vật tư đầu vào nhưng cũng gây
cho doanh nghiệp nhiều vấn đề trong việc khai thác sử dụng cũng như bảo trì
các máy CNC cũ này.
- Vấn đề đầu tiên mà các doanh nghiệp sử dụng các máy CNC cũ gặp
phải đó là làm thế nào để vận hành, bảo trì và sửa chữa các máy CNC do việc
chuyển giao công nghệ cho một chiếc máy cũ là khó khăn bởi một số nguyên
nhân sau:
+ Thiếu tài liệu hướng dẫn vận hành và bảo trì cho máy do vậy việc thao
tác vận hành cũng như lập trình cho máy hoạt động một cách tự động là
không dễ dàng cho người sử dụng cụ thể như: tìm được các mã G-code của
từng máy, các điều kiện ban đầu để máy có thể hoạt động được như các điều
kiện về an toàn cũng như các trạng thái tiên quyết của máy cần thiết đặt trước

khi sử dụng để máy có thể chạy được (như các trục phải về home trước khi
hoạt động đối với một số loại máy…)


12

+ Thiếu đội ngũ có khả năng để sử dụng và vận hành máy một cách hiệu
quả. Điều này là do mỗi máy CNC cũ thường có những bộ điều khiển khác
nhau ở các version khác nhau, ngôn ngữ giao tiếp của bảng điều khiển với
người sử dụng đều là tiếng nước ngoài thường là tiếng Anh, tiếng Nhật hay
tiếng Trung Quốc… do đó dù người sử dụng đã quen với một máy CNC cũ
nào đó thì việc tiếp cận với một máy khác vẫn là khó khăn do rào cản ngơn
ngữ cũng như do sự hạn chế về trình độ sử dụng máy móc hiện đại.
+ Sửa chữa các máy CNC cũ đặc biệt là sửa chữa những hỏng hóc xảy ra
đối với bộ điều khiển là một cơng việc hết sức khó khăn. Do các sơ đồ mạch
điện của máy là rất phức tạp nhiều đầu nối dây trong khi sơ đồ nối dây cũng
như sơ đồ điều khiển của các máy CNC cũ khơng có hoặc là có nhưng khơng
đầy đủ. Điều này dẫn đến người sửa chữa phải mầy mò theo kinh nghiệm, hay
thực hiện đo đạt một cách thủ công để đưa ra được sơ đồ điều khiển. Công
việc này mất rất nhiều công sức và thời gian trong khi chưa chắc có thể tìm ra
được lỗi của hệ thống. Nhiều trường hợp biết được lỗi nhưng cách khắc phụ
gần như là không thể do tính chất đóng kín của phần điều khiển do vậy người
sửa chữa chỉ được phép can thiệp vào một phần rất nhỏ trong phần điều khiển
thường là điều chỉnh các tham số. Sự can thiệp này thường chỉ khắc phục
được một số lỗi nhỏ do một số qui trình hoạt động của máy không đúng yêu
cầu. Với những trường hợp hỏng hóc của phần cứng thì gần như phải thay thể
cả bộ điều khiển, hoặc nếu may mắn hơn thì có thể thay thế một module trong
bộ điều khiển. Việc thay thế này địi hỏi một chi phí lớn và cả thời gian chờ
đợi lâu do phải nhập phần thay thế từ nước ngoài và hơn thế nữa là phải có
chuyên gia để có thể thực hiện việc gắn kết phần thay thế sao cho nó có thể

tích hợp với sự hoạt động của các phần khác trong máy. Trong nhiều trường
hợp các phần hỏng hóc là thế hệ cũ thì việc thay thế cũng khơng đơn giản vì


13

có thể những module cũ này khơng cịn được sản xuất, như vậy thì sự tích hợp
phần thay thế gặp nhiều khó khăn.
+ Khai thác khơng hết khả năng của máy CNC cũ
- Có những máy CNC cũ khi được nhập về Việt Nam có kèm các
hệ thống điều khiển tự động khác đi kèm như các hệ thống cấp phôi tự
động và hệ thống lắp ráp tự động nhưng do khơng có hướng dẫn lắp ráp
và sử dụng người sử dụng máy khơng thể áp dụng nó vào qui trình sản
xuất. Trong một số trường hợp các hệ thống đó lại gây khó cho người sử
dụng vì trong hệ điều khiển của máy có bao gồm cả việc điều khiển các
hệ thống đó theo một qui trình đã định. Ngồi ra từng máy có các chế độ
chạy theo chu trình có thể áp dụng tốt vào q trình sản xuất nhưng do
thiếu tài liệu và trình độ người sử dụng có hạn do đó khơng khai thác hết
khả năng của máy vào quá trình sản xuất dẫn đến lẵng phí về thời gian
cũng như chi phí sản xuất.
- Trong nhiều trường hợp độ chính xác của các máy là khơng đủ
đế có thể tiến hành gia cơng các chi tiết một cách chính xác.Do các
máy cũ nên kết cấu cơ khí sau thời gian hoạt động đã bị mài mịn tạo ra
các sai số trong q trình hoạt động. Một ví dụ điển hình đó là khe hở
của vít me bi. Trong khi đó thì các tham số khai báo trong bộ điều
khiển có tác dụng để bù đắp các sai số này chưa được thay đổi do đó độ
chính xác của các máy này bị giảm. Một cách khắc phục đó là có thể
mang máy đi kiểm định và thực hiện lại bộ tham số bù sai số cho máy
nhưng điều này cũng gặp phải khó khăn do việc tìm vị trí cần bù sai số
cũng như qui trình thực hiện bù sai số đối với các máy cũ này thường

khơng có hướng dẫn cụ thể do vậy cũng khó lịng có thể tăng độ chính
xác của máy.


14

+ Các máy cũ khơng đủ tính năng cho các q trình gia cơng phức tạp.
Hầu hết các máy cũ thường có bộ nhớ chương trình nhỏ, một số loại máy
khơng cho phép giao tiếp DNC do đó gây khó khăn cho người vận hành khi
muốn gia công các chi tiết phức tạp theo qui trình CAD-CAM-CNC.
- Đối với doanh nghiệp nhập máy mới từ nước ngồi thì vấn đề khó
khăn trong q trình sử dụng, sửa chữa và bảo dưỡng máy gặp phải những
vấn đề lan giải khác so với các máy CNC cũ. Ở đây có hai hướng nhập khẩu
máy cần quan tâm. Thứ nhất là các máy CNC được nhập từ Trung Quốc với
giá thành khá rẻ và thứ hai là các máy CNC nhập từ các nước khác trên thế
giới chủ yếu là các nước châu Âu và Nhật Bản.
- Đối với máy CNC nhập từ Trung Quốc thì vấn đề của nhà sử dụng đó
là chất lượng của các loại máy này sau một thời gian sử dụng. Và tiếp đó là
khả năng hoạt động của máy.
+ Chất lượng của máy sau một thời gian sử dụng sẽ bị giảm sút
hay gặp phải các hỏng hóc hầu hết là do các mạch điện tử của máy
khơng đáp ứng được với mơt trường nóng ẩm của Việt Nam. Các hỏng
hóc này thường khó khắc phục và mất nhiều thời gian vì thường phải
thay phần cứng gây ảnh hưởng đến năng suất của nhà máy.
+ Khả năng làm việc của các máy CNC này không cao như tốc
độ trục chính thấp, độ chính xác chưa cao. Khó nâng cấp mở rộng chức
năng (Đặc biệt đối với hệ thống PC-based)
- Đối với máy CNC nhập từ các nước tiên tiến khác thì vấn đề đầu tiên
là giá thành của một máy cao chưa phù hợp với một số các doanh nghiệp vừa
và nhỏ của nước ta. Tiếp đến là q trình chuyển giao cơng nghệ gặp khó

khăn do các hãng cung cấp máy thường chưa có văn phịng đại diện chịu trách
nhiệm về các dịch vụ sau khi bán hàng tại Việt Nam do đó việc sửa chữa về
sau cũng có khó khăn.


15

Một điều nữa cần quan tâm đối với việc sử dụng các máy CNC nhập
ngoại đó là khả năng mở rộng tính năng cho phép máy kết hợp với các thiết bị
khác trong một hệ thống tự động hóa. Đây là xu hướng phát triển chung. Tiếp
đến là khả năng thay thế các module của máy vì trong nhiều trường hợp
không thể mua được sản phẩm từ nhà cung cấp trước thì phải tính đến việc
mua module tương ứng của hãng khác có thể tích hợp vào với các module cũ
hoặc là mua các module cùng hãng nhưng ở version cao hơn và chắc chắn giá
sẽ cao hơn.
Hầu hết các máy CNC của nước ta hiện nay vẫn còn hoạt động một các
riêng lẻ - mỗi máy có một người quản lý vận hành, truyền dữ liệu từ một máy
tính riêng…- chưa có một sự quản lý tập chung theo mơ hình sản xuất tiến
tiến – Chỉ cần một máy tính dùng để quản lý hoạt động của nhiều máy CNC
cùng một lúc. Điều này gây ra lãng phí cho các doanh nghiệp. Nhưng cũng
phải nói rằng chỉ có một số các máy đời mới mới có đủ tính năng cho việc
xây dựng mơ hình hoạt động như vậy, đối với các máy cũ cần thêm một số
phần cứng khắc để thực hiện được việc này nhưng nhìn chung là chạy chưa
được ổn định do nhiều nguyên nhân khác nhau.
Đối với các máy CNC sản xuất trong nước thì khó khăn gặp phải của
các doanh nghiệp sử dụng đã được khắc phục khá nhiều. Do họ được cung
cấp các dịch vụ sau bán hàng như: chuyển giao công nghệ, sửa chữa bảo trì,
tư vấn sử dụng,…do các chuyên gia trong nước đảm nhiệm. Xong các khó
khăn về việc khắc phục và sửa chữa vẫn là vấn đề nổi cộm do tỷ lệ nội địa hóa
của máy CNC là chưa thật cao đặc biệt là các thiết bị điều khiển và dẫn hướng

như: các động cơ, bộ điều khiển, các thiết bị điều khiển vào ra…Các phần này
thường có cấu trúc dạng đóng chỉ cho phép người sử dụng thiết đặt các tham
số và kết nối các phần với nhau theo những qui tắc nhất định. Điều này làm
cho đội ngữ chuyển gia của các doanh nghiệp sản xuất không thể lắm chắc


16

qui trình hoạt động bên trong của các bộ phần điều khiển và sự giúp đỡ của
các doanh nghiệp bán hàng cho các doanh nghiệp sản xuất máy CNC là không
nhiều do vậy việc khắc phục mất nhiều thời gian. Tiếp đó là việc thực hiện
thay thế các thiết bị hỏng hóc cũng phải chờ đợi trong một khoảng thời gian
dài để có thể nhập được thiết bị từ nhà cung cấp nhiều khi kéo dài đến vài
tuần lễ làm chậm kế hoạch sản xuất của doanh nghiệp sử dụng.

Máy CNC

Máy CNC mới

Máy CNC TQ

Máy CNC trong
nước

Máy CNC cũ

Máy CNC khác

Sửa chữa bảo trì


Chuyển giao cơng
nghệ

Thiếu tài liệu
Giá thành cao.
Các dịch vụ
bảo hành sau
khi bán là khó
khăn

Cẩu trúc
của đóng
của bộ
điều khiển

Thiếu nhân lực

Phụ thuộc khá
nhiều vào phần
điều khiển của
nước ngoài

Chưa được nhiều
người lựa chọn
mặc dù chất
lượng tốt

Độ chính xác và
ổn định kém hay
hỏng hóc


Hình 1.1 Những tồn tài của doanh nghiệp Việt Nam sử dụng máy CNC
Có thể tóm lược những vấn đề mà các những người sử dụng máy CNC gặp
phải, hình 1.1, chủ yếu là các vấn đề về chuyển giao công nghệ, bảo dưỡng,
sửa chữa mà nguyên nhân khác quan xuất phát từ trình độ lao động kỹ thuật
cao trong CNC còn thiếu, các tài liệu liên quan cịn ít, các nghiên cứu chun
sâu về các hệ thống điều khiển CNC cịn q ít. Và một điều quan trọng nữa


17

đó là các bộ điều khiển máy CNC có cấu trúc dạng đóng gây khó cho người
sử dụng tiếp cận được hệ thống cũng như những người chịu trách nhiệm bảo
dưỡng và sửa chữa máy sẽ gặp nhiều vấn đề để có thể khắc phục các sự cố
bên trong gặp phải của các bộ điều khiển. Thậm trí việc thay thế một bộ điều
khiển mới đối với một chiếc máy cũng là một vấn đề lan giải.
1.2 Khái quát tình hình của việc sản xuất CNC trong nước
1.2.1 Những thành công bước đầu đã đạt được trong việc sản xuất và sửa
chữa máy CNC tại Việt Nam
Trong vòng 5 năm trở lại đây với sự đầu tư cho nghiên cứu về máy
CNC của chính phủ cũng như cố gắng của các nhà khoa học và cả các doanh
nghiệp sản xuất máy CNC, các máy CNC mang nhãn hiệu Việt Nam đã ra đời
và đang dần chiếm được niềm tin nơi người sử dụng. Chất lượng của máy
CNC sản xuất trong nước là tốt, giá rẻ hơn so với các máy cùng tính năng trên
thế giới. Có hai xu hướng tồn tại song song, hình 1.2, trong việc sản xuất các
máy CNC tại Việt Nam hiện nay.
Thứ nhất là chuyển đổi máy cũ thành máy CNC (Convertion) đó là xu
hướng mua các “xác máy” của máy vạn năng hoặc CNC cũ. Các máy này có
thể là máy CNC hoặc là các máy vạn năng thông thường được tiến hành loại
bỏ đi các các thành phần không liên quan như các động cơ, tay quay…. Sau

đó tiến hành thay thế các thiết bị truyền động thích hợp, tiếp đó tiến hành lắp
ráp các thiết bị điều khiển, và công việc cuối cùng là thiết đặt các tham số
điều khiển phù hợp cho quá trình hoạt động của máy.


18

Chế tạo máy
CNC tại Việt
Nam

Convertion
- Giải pháp tạm thời
- Chi phí thấp
- Độ ổn định khơng cao
- Khơng kiểm sốt được sai
số và chế độ hoạt động của
máy

Make new
- Xu hướng tất yếu
- Chi phí cao hơn
- Kiểm sốt được sai số và
chế độ hoạt động của máy
- Xây dựng được đội ngũ kỹ
thuật về CNC lành nghề

Hình 1.2 Xu hướng sản xuất máy CNC tại Việt Nam

Xu hướng này được thực hiện nhiều ở các viện nghiên cứu như IMI…Xu

hướng này có lợi đó là việc sử dụng được kết cấu máy có sẵn do đó sẽ giảm
được chi phí chế tạo kết cấu máy. Nhưng một thực tế đặt ra đó là các kết cấu
này được xây dựng ra liệu đã phù hợp với sự hoạt động của máy CNC mà ta
muốn chế tạo hay chưa. Tiếp đó, việc kiểm sốt độ chính xác của máy là gần
như khơng thể. Trong những năm về trước thì xu hướng này là chủ yếu nhưng
trong tương lai thì có lẽ phải xem xét lại mục đích của xu hướng trên. Có lẽ
nó chỉ thích hợp cho việc chuyển đổi các máy vạn năng thành các máy tự
động với một số tính năng cơ bản.
Thứ hai đó là xu hướng chế tạo các thành phần của kết cấu máy và lắp
ráp tại Việt Nam (đây là hướng mà công ty TNHH Cơ điện tử Bách Khoa –
BKMech đang tiến hành trong những năm gần đây). Còn các bộ phận điều
khiển sẽ được nhập và lắp ráp theo yêu cầu của người sử dụng. Đây là xu
hướng bắt buộc đối với các nhà sản xuất CNC nếu như muốn đưa máy CNC
nhãn hiệu Việt Nam trở lên rộng rãi tại nước ta. Vì chỉ có chế tạo mới có thể
kiểm sốt được các sai số của máy và đưa ra cách khắc phục. Hơn nữa việc
chế tọa các kết cấu máy sẽ tạo ra một sự thúc đẩy các ngành cơ khí liên quan
phát triển như công nghiệp đúc, và gia công cơ khí chính xác. Những ngành
này ở nước ta vừa yếu vừa thiếu, đã gây ra nhiều khó khăn cho các nhà sản


19

xuất máy CNC trong nước. Nhưng với sự đầu tư phát triển có định hướng thì
chất lượng của máy CNC sản xuất tại Việt Nam là hồn tồn có thể tin tưởng
được.
Hai xu hướng sẽ có những ưu điểm và nhược điểm riêng của nó, hình
1.2. Tùy vào từng tình huống cụ thể nhà sản xuất máy CNC sẽ phải đưa ra
giải pháp phù hợp. Ví dụ trong trường hợp các u cầu về độ chính xác của
máy khơng cần quá cao, hoặc thực hiện nâng cấp chức năng cho một máy
cơng cụ đã cũ thì phương án Convertion là một giải pháp hoàn toàn chấp nhận

được. Song nếu các yêu cầu kỹ thuật cao thì xu hướng phù hợp sẽ là make
new
1.2.2 Những vấn đề còn tồn tại trong việc sản xuất và sử dụng máy CNC
tại việt Nam
- Hiện nay nước ta vẫn phải nhập các bộ điều khiển cho máy CNC bao
gồm các module như khối NC, khối PLC, các khối driver cho từng loại động
cơ và cả các động cơ của các hãng nước ngoài như Fanuc, Heidenhei,
Mitsubitsi, Fago Alinam, Seimen… để lắp ráp vào bộ thân máy sản xuất trong
nước. Đây là điều bất khả kháng vì sự phát triển của nước ta chưa cho phép có
thể chế tạo ra các module trên hoạt động ổn định trong một môi trường làm
việc khắc nghiệt của doang nghiệp (các máy CNC thường chạy 24/24h)
- Các bộ điều khiển còn đắt chiểm tới 30% giá thành của một máy
CNC mới (theo thơng tin của Springer publiction). Cịn đối với Việt Nam thì
giá thành của tồn bộ các module điều khiển chiếm khoản 40% giá thành của
máy.
- Cấu trúc của các bộ điều khiển là dạng đóng closed CNC do đó người
sử dụng chỉ có thể thao tác kết nối và điều chỉnh các tham số theo hướng dẫn
của nhà cung cấp mà không thể tương tác được với cấu trúc bên trong của nó.


20

Các module
Các thuật toán điều khiển
Các tham số
Đặc trưng cho
từng hãng

Bộ điều khiển
CNC


Các mã G-code

Giá cao
Cấu trúc dạng
đóng
Giao diện Tiếng
nước ngồi

Hình 1.3 Các khó khăn cơ bản liên quan đến bộ điều khiển CNC

Khi có sự hỏng hóc sẽ dẫn đến những một số cơ bản khó khăn trong
q trình sửa chữa và bảo trì máy CNC như sau:
- Thiếu thiết bị để thay thế khi hỏng hóc do các thiết bị này được
cung cấp qua các đại lý của nước ngoài với giá thành khá cao.
- Đội ngũ kỹ thuật không đáp ứng được với việc sửa chữa do
không có đầy đủ thơng tin về cấu trúc bên trong của bộ điều khiển như
thuật toán điều khiển, các thuật tốn xử lý q trình nội suy, q trình
điều khiển logic, thuật toán tăng tốc và giảm tốc... Điều này gây khó
khăn cho người sửa chữa trong việc hiệu chỉnh chính xác hoạt động của
máy cũng như đưa ra được phương án sửa chữa.
- Các giao tiếp với người sử dụng cịn ở dạng Tiếng Anh hoặc
đơi khi là tiếng Nhật, Tiếng Trung, trong thời đại hiện nay vẫn là trở
ngại với người sử dụng Việt Nam đặc biệt trong q trình sửa chữa và
bảo trì.
Như vậy có thể tổng kết các nguyên nhân của những tồn tại trong
ngành sản xuất CNC trong nước bao gồm 2 nguyên nhân về con người và về
thiết bị. Nước ta chưa có được đội ngũ kỹ thuật đủ khả năng đáp ứng cho việc
sản xuất một máy CNC hoàn toàn nội địa, và thiết bị kỹ thuật trong nước còn



21

lạc hậu phụ thuộc khá lớn vào các nhà cung cấp của nước ngoài. Trong hai
nguyên nhân này nguyên nhân thứ nhất là cần phải khắc phục thật nhanh
chóng mới có thể đưa nên sản xuất máy cơng nghiệp CNC nội địa tiến xa
được.
1.2.3 Nguyên nhân của những tồn tại việc trên
Những tồn tại trong việc sử dung máy CNC ở Việt Nam đã được trình
bày khá chi tiết ở phần trên. Tóm lược lại những vấn đề tồn tại bao gồm:
- Các máy CNC cũ nhập có chất lượng khơng đảm bảo
- Trình độ của đội ngũ kỹ thuật khai thác và sử dụng máy chưa đáp
ứng được yêu cầu.
- Các máy CNC mới thì giá cao và các dịch vụ bảo hành và sửa chữa
chưa tốt.
- Các máy CNC trong nước đang dần được lựa chọn để thay thế các
máy CNC ngoại nhập.
Về nguyên nhân của những tồn tại trên cũng do hai nguyên nhân cơ bản
đó là nguồn lực con người và thiết bị. Trong đó nguyên nhân về con người có
một phần do chất lượng đào tọa về CNC ở nước ta còn yếu điều này là do
thiết bị đào tạo trong nước còn quá hạn chế nếu như khơng muốn nói là hầu
như khơng có. Với số lượng sinh viên ngày càng cao như hiện nay thì tình
trạng thiếu thiết bị cho sinh viên thực tập đang là một vấn đề nhức nhối nhưng
chưa có hướng giải quyết cụ thể do giá thành của các thiết bị này là khơng
nhỏ. Chính điều này dẫn đến các sản phẩn của các trường đại học, cao đẳng
sau khi gia trường chỉ lờ mờ lắm được về hệ điều khiển CNC. Vì vậy việc họ
khơng khai thác được hết tính năng của bộ điều khiển là hồn tồn dễ hiểu.
Như vậy đối với cả ngành sản xuất cũng như người sử dụng đều có
chung những vấn đề cần giải quyết đó là nâng cao năng lực đội ngũ nghiên
cứu và sử dụng máy CNC, giảm giá thành thiết bị CNC để có thể đưa các máy