(Đồ án hcmute) nghiên cứu thiết kế và chế tạo cụm trục thứ 5 trên máy cnc 4 trục phát triển hoàn thiện và chế tạo hệ thống điều khiển máy cnc 4 trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CỤM TRỤC
THỨ 5 TRÊN MÁY CNC 4 TRỤC. PHÁT TRIỂN HOÀN
THIỆN VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY
CNC 4 TRỤC.

GVHD: ThS. ĐẶNG MINH PHỤNG
SVTH : NGUYỄN LÊ QUANG NHẬT
VÕ VĂN MẠNH
TRẦN THANH LỘC

SKL 0 0 4 6 9 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2016

do an

MSSV:12143516
12143426
12143335


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH


KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƢỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CỤM TRỤC
THỨ 5 TRÊN MÁY CNC 4 TRỤC. PHÁT TRIỂN HOÀN
THIỆN VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY
CNC 4 TRỤC.

SVTH : NGUYỄN LÊ QUANG NHẬT

MSSV:12143516

VÕ VĂN MẠNH

12143426

TRẦN THANH LỘC

12143335

Khóa :

2012-2016

Ngành:

CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD:

ThS. ĐẶNG MINH PHỤNG

Tp. Hồ Chí Minh - tháng 8 năm 2016

1

do an


Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Giáo viên hƣớng dẫn: ThS. Đặng Minh Phụng
Họ và tên sinh viên: 1. Nguyễn Lê Quang Nhật
MSSV: 12143516
2. Trần Thanh Lộc
MSSV: 12143335
3. Võ Văn Mạnh
MSSV: 12143426
Ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
1. Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CỤM TRỤC THỨ 5 TRÊN
MÁY CNC 4 TRỤC, PHÁT TRIỂN HOÀN THIỆN VÀ CHẾ TẠO HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 4 TRỤC.
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
- Kích thƣớc máy: 862 x 912 x 1037 mm
- Hành trình gia công: Trục X 400 mm, Trục Y 320 mm, Trục Z 300 mm

- Phạm vi ứng dụng: gia công gỗ, vật liệu nhôm và kim loại màu…
3. Nội dung thuyết minh, tính tốn:
 Tổng quan về máy CNC 4,5 trục
 Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan.
 Ý tƣởng và giải pháp phát triển hoàn thiện thiết kế các cụm để tăng tính ổn
định phần hệ thống, kết cấu phần cơ khí.
 Thiết kế, tính tốn cụm trục thứ 5.
 Kết luận và đề nghị.
4. Các sản phẩm dự kiến:
- Thuyết minh, thiết kế tính tốn máy phay CNC 5 trục. Hồ sơ thiết kế, chế tạo
hệ thống điện máy phay CNC 4 trục. Hồ sơ thiết kế máy cụm trục thứ 5: bản vẽ
chi tiết, bản vẽ lắp từng cụm, lắp tồn máy.
- Mơ hình máy CNC 4 trục phát triển
Ký tên

ThS. Đặng Minh Phụng

ii

do an


Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

PHIẾU NHẬN X T CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN
Giáo viên hƣớng dẫn: ThS. Đặng Minh Phụng
Họ và tên sinh viên: 1. Nguyễn Lê Quang Nhật
MSSV: 12143516
2. Trần Thanh Lộc

MSSV: 12143335
3. Võ Văn Mạnh
MSSV: 12143426
Nghành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CỤM TRỤC THỨ 5 TRÊN
MÁY CNC 4 TRỤC, PHÁT TRIỂN HOÀN THIỆN VÀ CHẾ TẠO HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 4 TRỤC.
NHẬN X T
1. Về nội dung đề t i khối lƣợng thực hiện:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Ƣu điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
.......................................................................................................................................
5. Đánh giá loại:
.......................................................................................................................................
6.Điểm:………………. ng chữ: ............................................................................... )
Tp. Hồ Chí Minh, ng y… tháng … năm 20…
Giáo viên hƣớng dẫn
ThS. Đặng Minh Phụng

iii

do an

Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

PHIẾU NHẬN X T CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Giáo viên phản biện: PGS.TS Trƣơng Nguyễn Luân Vũ
Họ và tên sinh viên: 1. Nguyễn Lê Quang Nhật
MSSV: 12143516
2. Trần Thanh Lộc
MSSV: 12143335
3. Võ Văn Mạnh
MSSV: 12143426
Nghành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CỤM TRỤC THỨ 5 TRÊN MÁY
CNC 4 TRỤC, PHÁT TRIỂN HOÀN THIỆN VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 4 TRỤC.
NHẬN X T
1. Về nội dung đề t i khối lƣợng thực hiện:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Ƣu điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
.......................................................................................................................................

5. Đánh giá loại:
.......................................................................................................................................
6. Điểm:………………. ng chữ: ............................................................................. )
Tp. Hồ Chí Minh, ng y… tháng … năm 20…
Giáo viên phản biện

iv

do an


LỜI CAM KẾT
- Tên đề t i: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo cụm trục thứ 5 trên máy CNC 4 trục.
Phát triển hoàn thiện và chế tạo hệ thống điều khiển máy CNC 4 trục”.
- GVHD: ThS. Đặng Minh Phụng
- Họ và tên sinh viên:
1. Nguyễn Lê Quang Nhật
MSSV: 12143516
2. Trần Thanh Lộc
MSSV: 12143335
3. Võ Văn Mạnh
MSSV: 12143426

Lớp:12143CL3
Lớp:12143CL3
Lớp:12143CL3

- Địa chỉ sinh viên: KTX D2 Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Tuật TP Hồ Chí Minh
- Số điện thoại liên lạc: 01648617314
- Email:

- Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp ĐATN): 8/08/2016
- Lời cam kết: “Tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) này là cơng
trình do chính tơi nghiên cứu và thực hiện”.
Tp. Hồ Chí Minh, ng y 08 tháng 8 năm 2016
Đại diện ký tên

v

do an


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên khơng có gì hơn, các th nh viên trong nhóm xin gửi tới các thầy cơ đang
l m việc tại Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Th nh Phố Hồ Chí Minh lời chúc
súc khỏe v lời cảm ơn chân th nh nhất.
Đồ án tốt nghiệp l cột mốc quan trọng đồng thời cũng l th nh quả đánh dấu sự
trƣởng th nh của chúng em sau 4 năm học tập v rèn luyện tại trƣờng. Quãng thời
gian l m đồ án tốt nghiệp l quãng thời gian m chúng em cảm thấy bản thân trở
nên trƣởng th nh v bản lĩnh hơn rất nhiều, việc vận dụng lý thuyết song song với
thực nghiệm thực tế đã giúp chúng em hiểu sâu hơn về công việc v trách nhiệm
của một kỹ sƣ chế tạo máy, từ đó nhận ra những thiếu sót, hạn chế của bản thân để
trau dồi v rèn luyện trong tƣơng lai.
Nhìn lại suốt thời gian chúng em miệt m i l m Đồ Án Tốt Nghiệp, do non nớt về
kinh nghiệm thức tế cũng nhƣ một số thiếu sót về kiến thức chun mơn, nhóm đã
gặp phải rất nhiều khó khăn. Tuy nhiên chúng em luôn nhận đƣợc sự chỉ dẫn tận
tình của giáo viên hƣớng dẫn, của các thầy cơ khoa Đ o Tạo Chất Lƣợng Cao cũng
nhƣ khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy. Nhờ những góp ý tận tình v quý báu đó, chúng
em l lần lƣợt khắc phục các khó khăn v ho n thiện Đồ Án Tốt Nghiệp.
Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân th nh nhất đến:
Thầy Đặng Minh Phụng đã giúp đỡ, hƣớng dẫn nhóm tận tình trong q trình

thực hiện Đồ Án Tốt Nghiệp.
Thầy Trƣơng Nguyễn Luân Vũ dù rất bận rộn vẫn d nh thời gian để phản biện,
góp ý cho cho đề t i của chúng em.
Trong quá trình thực hiện Đồ Án Tố Nghiệp cịn nhiều thiếu sót, chúng em rất
mong các thầy thơng cảm v đóng góp những ý kiến q báu của mình để nhóm học
hỏi v rút kinh nghiệm trong tƣơng lai
Một lần nữa, chúng em xin chân th nh cảm ơn !
Nhóm sinh viên

do an

vi


TÓM TẮT
“Nghiên cứu thiết kế và chế tạo cụm trục thứ 5 trên máy CNC 4 trục. Phát triển
hoàn thiện và chế tạo hệ thống điều khiển máy CNC 4 trục ”
Ng y nay, khoa học kỹ thuật ng y c ng phát triển thì máy móc hiện đại cũng ra
đời ng y c ng nhiều. Chỉ xét riêng lĩnh vực gia cơng cơ khí, h ng loạt máy CNC ra
đời nhƣ máy CNC 3 trục, 4 trục, 5 trục, máy CNC cao tốc... nhờ đó m năng suất
sản xuất cũng nhƣ chất lƣợng sản phẩm ng y c ng đƣợc nâng cao. Chính vì sự kì
diệu của máy CNC nhƣ gia cơng đƣợc những hình dạng phức tạp một cách nhanh
chóng, tự động hóa sản xuất chỉ với một tập tin mã lệnh nhập cho máy), một bộ
phận trí thức đã nghĩ đến việc chế tạo mơ hình mơ phỏng những hoạt động của máy
CNC hiện đại, với kích thƣớc nhỏ gọn v giá th nh thấp hơn rất nhiều lần nhƣng
vẫn đảm bảo hoạt động hiệu quả, đáp ứng đƣợc nhu cầu học tập, giải trí cũng nhƣ
sản xuất tại nh . Đó cũng chính l lý do m đề t i n y đƣợc triển khai nghiên cứu.
Đề t i đƣợc triển khai một cách khoa học qua nhiều bƣớc nghiên cứu về máy
CNC 4 trục đã có, tìm kiếm cơ sở dữ liệu, phát triển ý tƣởng,giải pháp, triển khai
thiết kế, tối ƣu hóa mơ hình, tính tốn v mơ phỏng tính bền vững của hệ thống,

thực hiện gia công các chi tiết cần thiết v lắp ráp th nh một cụm máy thứ 5 hoàn
chỉnh. ên cạnh đó nhóm cũng nghiên cứu về các thiết bị điều khiển cũng nhƣ lắp
rắp th nh công hệ thống điều khiển cho máy CNC 5 trục.
Giai đoạn cuối cùng của dự án l tiến h nh chạy thử nghiệm, kiểm tra v hiệu
chỉnh cụm 5 để đảm bảo đúng yêu cầu của đề t i. Cụm sau khi chế tạo có kích
thƣớc 812x225x211, có khả năng gia cơng các hình dạng phức tạp chủ yếu trên vật
liệu nhơm, kim loại m u với độ chính xác cao về hình dạng v sai số kích thƣớc đạt
mức 0.02 mm.
Tuy nhiên, cụm 5 vẫn cịn một số hạn chế đó l chƣa có cover che chắn bộ truyền
đai, hộp số v động cơ. Ngo i ra việc set up cụm 5 vẫn mang tính thủ cơng, quy tình
phức tạp v tốn nhiều thời gian. Đồ gá kẹp chặt của máy hiện tại chỉ sử dụng đƣợc
mâm cặp trong khi các thiết kế cơng nghiệp có thể thay thế các loại đồ gá khác nhau
một cách linh hoạt v nhanh chóng. Nhóm hi vọng trong tƣơng lai những thế hệ
sinh viên mới sẽ khắc phục những nhƣợc điểm cịn có của cụm 5 cũng nhƣ cải tiến,
phát triển cụm 5 nói riêng v máy CNC 5 trục nói chung.

do an

vii


MỤC LỤC
Trang phụ bìa ............................................................................................................ i
Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp ....................................................................................... ii
Phiếu nhận xét giáo viên hƣớng dẫn ........................................................................ iii
Phiếu nhận xét giáo viên phản biện ......................................................................... iv
Lời cam kết ................................................................................................................v
Lời cảm ơn ............................................................................................................... vi
Tóm tắt .................................................................................................................... vii
Mục lục ............................................................................................................... viii,ix

Danh mục các từ viết tắt ........................................................................................... xi
Danh mục các bảng biểu ......................................................................................... xii
Danh mục các hình ảnh, biểu đồ ............................................................................ xiii

MỤC LỤC ............................................................................................................... viii
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................1
1.1.Tính cấp thiết của đề tài. ...................................................................................1
1.2.Ý nghĩa khoa học v ý nghĩa thực tiễn. .............................................................2
1.3.Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. ........................................................................2
1.4.Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. ....................................................................2
1.4.1.Đối tƣợng nghiên cứu. ...............................................................................2
1.4.2.Phạm vi nghiên cứu. ...................................................................................2
1.4.1.Cơ sở phƣơng pháp luận. ...........................................................................3
1.4.2.Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể. .........................................................3
1.5.Các nghiên cứu trong v ngo i nƣớc ................................................................4
1.5.1.Giới thiệu........................................................................................................4
1.5.2.Nghiên cứu liên quan đến đề tài. ....................................................................4
1.5.2.1. Nghiên cứu ngo i nƣớc. .........................................................................4
1.5.2.2.Nghiên cứu ở Việt Nam. .........................................................................5
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...........................................................................8
2.1.Khái quát về máy CNC [20]..............................................................................8
2.1.1.V i nét sơ lƣợc về máy CNC. ....................................................................8

do an

viii


2.1.2.Cấu tạo chung v quy ƣớc máy CNC. ......................................................10
2.1.3.Các kiểu hệ thống điều khiển. ..................................................................14

CHƢƠNG 3: THAM KHẢO VÀ LÊN PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ .........................15
3.1.Một số thiết kế thông dụng của máy CNC 5 trục [9] ......................................15
3.3.Lựa chọn kiểu điều khiển. ...............................................................................20
3.4.Lựa chọn loại động cơ cho trục A và trục C ...................................................21
3.5.Lựa chọn kết cấu truyền động .........................................................................22
3.5.1.Phƣơng án truyền động trục A .....................................................................22
3.5.2.Phƣơng án truyền động trục C .....................................................................24
3.5.3.Lựa chọn hộp số truyền động cho 2 trục A & C ..........................................26
CHƢƠNG 4: PHÁT TRIỂN HOÀN THIỆN VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN MÁY CNC 4 TRỤC ....................................................................................28
4.1.Phân tích hệ thống điều khiển của máy CNC 4 trục cũ ..............................28
4.2.Một số thiết bị điện v cách đấu nối dây.....................................................29
4.3.Hoàn thiện hệ thống điện cho máy CNC 4 trục ..........................................34
4.4.Điều khiển máy CNC ..................................................................................37
4.5.Sơ đồ đấu dây tủ điện ..................................................................................38
4.6.Lựa chọn phần mềm điều khiển Mach3. .....................................................39
CHƢƠNG 5: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ CỤM 5......................................................46
5.1.Tính tốn lực cắt ..............................................................................................46
5.1.1.Xác định chế độ cắt. .................................................................................46
5.1.2.Xác định lực tác dụng khi gia công. .........................................................47
5.1.3.Phƣơng pháp nguyên lý cắt. .....................................................................48
5.1.4.Xác định momen xoắn trên trục chính [2] ...............................................49
5.2.Tính tốn, lựa chọn mâm cặp kẹp chặt. ..........................................................49
5.3.Tính tốn, thiết kế cụm 5 (Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor 2015)......51
5.3.1.Quy trình thiết kế .....................................................................................51
5.3.2.Thiết kế cơ khí..........................................................................................55
5.3.3.Lựa chọn phƣơng pháp tạo phơi Thân cụm và Bàn quay ........................62
5.3.4.Tính tốn lựa chọn bộ truyền trục C ........................................................63
5.3.5.Tính tốn lựa chọn động cơ......................................................................65
5.3.6.Tính tốn lựa chọn ổ lăn Trang 210 [6])................................................74

5.4.Kiểm tra bền ( Kiểm tra trên phần mềm Autodesk Inventor 2015). ...............77

do an

ix


5.4.1.Kiểm bền phần đỡ trục A của thân cụm. ..................................................78
5.4.2.Kiểm bền phần trục của Bích bàn quay 2 ................................................79
5.4.3.Kiểm bền 4 Lục giác M8 liên kết cụm Động cơ – Hộp số Trục A ..........80
CHƢƠNG 6: GIA CÔNG .........................................................................................82
6.1.Các chi tiết cần gia cơng .................................................................................82
6.2.Hình ảnh gia cơng, lắp ráp trong thực tế .........................................................85
CHƢƠNG 7: THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ .........................................................91
7.1.Gia công sản phẩm v đánh giá.......................................................................91
CHƢƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .........................................92
8.1. Kết luận: .........................................................................................................92
8.2. Hƣớng phát triển: ...........................................................................................93
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................94

do an

x


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CNC: Computeized Numerical Control
NC: Numerical Control
CAD: Computer Aided Desgin
CAM: Computer Aided Manufacturing

CIM: Computer Intergraded Manufacturing
ID: Inside Diameter
OD: Outside Diameter
LS: Limited Speed
RPM: Round Per Minute

do an

xi


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Bảng phân tích ƣu nhƣợc điểm của các dạng máy phay CNC 5 Trục ......19
Bảng 3.2 Bảng so sánh các tính năng của Động cơ ƣớc v Động cơ Servo ..........21
Bảng 3.3 Bảng phân tích ƣu nhƣợc điểm phƣơng án truyền động Trục A ..............23
Bảng 3.4 Bảng phân tích ƣu nhƣợc điểm phƣơng án truyền động Trục C ...............25
----------------------------------------------------------------------------------------------------Bảng 5.1 Bảng tra mâm cặp 3 chấu VSK [10] .........................................................50
Bảng 5.2 Bảng so sánh ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp chế tạo phôi.............62
Bảng 5.3 Bảng so sánh ƣu nhƣợc điểm của các dạng truyền động đai ....................64
Bảng 5.3 Hệ số truyền động hộp số Ball Reducer BR100 của Kamo Seiko ...........65
Bảng 5.4 Hệ số ma sát giữa các loại vật liệu ............................................................68
----------------------------------------------------------------------------------------------------Bảng 7.2 Khả năng công nghệ của máy CNC 5 trục .... Error! Bookmark not defined.

do an

xii


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ
Hình 1.2 Sản phẩm bánh răng côn xoắn của máy phay CNC 5 trục ..........................1

Hình 1.3 Máy CNC tự chế ..........................................................................................4
Hình 1.4 Máy phay CNC 4 trục ĐHSPKT TP HCM .................................................6
Hình 1.5 Máy phay gỗ CNC 4 trục ĐH KHN ..........................................................6
Hình 1.6 Máy khắc gỗ CNC Đại Học Đơng Á ...........................................................7
Hình 1.7 Máy cắt Plasma CNC của cơng ty Sơn Vũ..................................................7
Hình 1.8 Máy dán tem CNC ĐH KHN.....................................................................7
Hình 1.9 Máy khắc nữ trang .......................................................................................7
----------------------------------------------------------------------------------------------------Hình 2.1 Mơ hình khái qt của máy CNC ..............................................................10
Hình 2.2 Hệ tọa độ máy CNC ..................................................................................11
Hình 2.3 Qui tắc bàn tay phải ...................................................................................12
Hình 2.4 Các điểm gốc v điểm chuẩn .....................................................................13
Hình 2.5 Các điểm gốc của chƣơng trình P ..............................................................13
Hình 2.6 Điểm chuẩn gá dao T v điểm gá dao N ...................................................14
Hình 2.7 Điều khiển vịng hở ...................................................................................14
Hình 2.8 Điều khiển vịng kín ..................................................................................14
----------------------------------------------------------------------------------------------------Hình 3.1 Máy phay CNC 5 trục dạng Đầu/Bàn .......................................................15
Hình 3.2 Máy phay CNC 5 trục dạng Đầu/Đầu .......................................................16
Hình 3.3 Máy phay CNC 5 trục dạng Bàn/Bàn ........................................................17
Hình 3.4 Hình ảnh về máy phay CNC 4 Trục đã có ................................................18
Hình 3.5 Động cơ bƣớc (Step Motor) ......................................................................20
Hình 3.6 Động cơ Servo Servo Motor) ...................................................................20
Hình 3.7 Trục A truyền động thẳng trên máy CNC của hãng Benson .....................23
Hình 3.8 Trục A truyền động vng góc trên máy CNC của hãng MiniTech .........23
Hình 3.9 Trục C truyền động thẳng trên máy phay nữ trang CNC ..........................24
Hình 3.10 Trục A truyền động gián tiếp với động cơ n m trên bàn quay................24
Hình 3.11 Trục C truyền động gián tiếp với động cơ n m ngồi bàn quay .............24
Hình 3.12 Hộp số ăn khớp bánh răng .......................................................................26
Hình 3.13 Nguyên lý ăn khớp dạng sóng .................................................................27
Hình 3.13 Hộp số Kaimo Seiko ................................................................................27
-----------------------------------------------------------------------------------------------------

do an

xiii


Hình 4.1 Tủ điện máy CNC 4 trục đã có ..................................................................28
Hình 4.2 Máy biến áp ...............................................................................................29
Hình 4.3 Bộ nguồn ...................................................................................................30
Hình 4.4 Biến tần Yaskawa V1000 ..........................................................................31
Hình 4.5 Sơ đồ điều khiển biến tần ..........................................................................31
Hình 4.6 Driver UDX5128 .......................................................................................32
Hình 4.7 Driver UDK5114VN .................................................................................32
Hình 4.8 Cơ bản về driver ........................................................................................33
Hình 4.9 Tủ điện máy CNC mới ..............................................................................34
Hình 4.10 Bộ lọc nguồn 1 pha ..................................................................................35
Hình 4.11 Driver UDK5114MN...............................................................................36
Hình 4.12 Nút nhấn v đèn báo ................................................................................36
Hình 4.13 Quạt gió ...................................................................................................36
Hình 4.14 CB và Contactor ......................................................................................36
Hình 4.15 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy CNC ..............................................37
Hình 4.16 Sơ đồ đấu nối tủ điện ...............................................................................38
Hình 4.17 oard mach3 điều khiển 5 trục................................................................39
Hình 4.18 Giao diện phần mềm Mach3 ...................................................................40
Hình 4.19 Chọn đơn vị trong phần mềm ..................................................................40
Hình 4.20 Chọn cổng LPT........................................................................................41
Hình 4.21 C i đặt các chân điều khiển Motor ..........................................................41
Hình 4.22 C i đặt cơng tắc hành trình ......................................................................42
Hình 4.23 Thiết lập tín hiệu ngõ vào ........................................................................42
Hình 4.24 Khai báo thơng số động cơ trục X ...........................................................43

Hình 4.25 Khai báo thơng số động cơ trục A ...........................................................44
Hình 4.26 Khai báo thơng số động cơ trục C ...........................................................45
----------------------------------------------------------------------------------------------------Hình 5.1 Lực cắt thành phần ....................................................................................47
Bảng 5.1 Bảng tra mâm cặp 3 chấu VSK [10] .........................................................50
Hình 5.2 Quy tình thiết kế Cụm 5 ............................................................................51
Hình 5.3 Một số kích thƣớc quan trọng ảnh hƣởng đến thiết kế Cụm 5 của máy
CNC 4 trục ................................................................................................................53
Hình 5.4 Chi tiết Bích bàn quay 2 ............................................................................54
Hình 5.5 Thân cụm 5 ................................................................................................55
Hình 5.6 Bàn quay ....................................................................................................56
Hình 5.7 át đỡ hộp số .............................................................................................57

do an

xiv


Hình 5.8 Bích bàn quay 2 .........................................................................................58
Hình 5.9 Bích mâm cặp ............................................................................................59
Hình 5.10 ích động cơ trục A.................................................................................60
Hình 5.11 Cử chặn ổ lăn trục C ................................................................................61
Hình 5.12 Các dạng truyền động đai thơng dụng .....................................................63
Hình 5.13 Động cơ bƣớc 5 pha PK596BE ...............................................................70
Hình 5.14 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa Momen xoắn và tộc độ vòng quay
động cơ PK596BE [11] .............................................................................................71
Hình 5.15 Động cơ bƣớc 5 pha EM569-NB ............................................................73
Hình 5.16 Mối quan hệ giữa Momen xoắn và tộc độ vịng quay của động cơ
EM569-NB ................................................................................................................73
Hình 5.17 Vị trí của ổ lăn Trục A theo thiết kế ........................................................75
Hình 5.18 Ổ bi 6303 của hãng SKF .........................................................................75

Hình 5.19 Vị trí của ổ lăn Trục C theo thiết kế ........................................................76
Hình 5.20 Ổ đũa cơn 32004 X/Q của hãng SKF ......................................................76
Hình 5.21 Thiết kế 3D hồn chỉnh của cụm 5 ..........................................................77
Hình 5.23 Ứng suất trên Bích bàn quay 2 ................................................................79
Hình 5.24 Ứng suất trên Lục giác M8 ......................................................................80
Hình 5.25 Thiết kế 3D Máy CNC 5 Trục .................................................................81
----------------------------------------------------------------------------------------------------Hình 6.1 Phay mặt bát đỡ .........................................................................................85
Hình 6.2 Tiện Bích bàn quay 2 .................................................................................85
Hình 6.3 Tiện Bích bàn quay 1 .................................................................................86
Hình 6.4 Mài bóng chi tiết ........................................................................................86
Hình 6.5 Mặt bên thân cụm 1 ...................................................................................87
Hình 6.6 Mặt bên thân cụm 2 ...................................................................................87
Hình 6.7 Ráp cụm bàn quay .....................................................................................87
Hình 6.8 Ráp sơ bộ cụm 5 ........................................................................................88
Hình 6.9 Sơn cụm 5 ..................................................................................................88
Hình 6.10 Lắp cụm 5 lên bàn máy của máy CNC 4 trục .........................................89
Hình 6.11 Đấu nối hệ thống điện..............................................................................89
Hình 6.12 Căn chuẩn trục A b ng đồng hồ so..........................................................90
Hình 6.13 Căn chuẩn tâm phơi b ng đồng hồ so......................................................90
Hình 6.14 Sản phẩm 5 trục với biên dạng côn xoắn ............................................... 91

do an

xv


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.Tính cấp thiết của đề tài.
Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, lĩnh vực gia cơng cơ khí
chính xác đạt đƣợc nhiều thành tựu với sự ra đời nhiều loại máy CNC hiện đại có

khả năng gia cơng đƣợc các chi tiết phức tạp, chính xác cao, nâng cao năng suất sản
xuất.

Hình 1.1 Máy CNC 5 trục VF-5TR

Hình 1.2 Sản phẩm bánh răng côn xoắn của máy phay CNC 5 trục

1

do an


Tại Việt Nam, nhu cầu về nhân lực có trình độ trong lĩnh vực vận hành máy CNC
là rất lớn, tuy nhiên không phải cơ sở n o cũng đủ tiềm lực để có đƣợc các máy
CNC nhiều trục phục vụ đ o tạo, nhất l các trƣờng trung cấp v đ o tạo nghề.
Ngoài ra tại một số trƣờng đại học lớn của nƣớc ta hiện nay đã có nhiều giảng viên
cũng nhƣ sinh viên chế tạo đƣợc các máy CNC cỡ nhỏ nhƣng đầy đủ các tính năng
của một máy CNC cơng nghiệp.Vì thế, đề t i: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạp
cụm trục thứ 5 trên máy CNC 4 trục. Phát triển hoàn thiện và chế tạo hệ thống
điều khiển máy CNC 4 trục” l cần thiết và cấp thiết.
1.2.Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn.
Việc nghiên cứu, chế tạo cụm 5 của máy CNC trong sinh viên sẽ gợi mở ra nhiều
giải pháp mới, phƣơng hƣớng phát triển mới.
Nghiên cứu, chế tạo cụm 5 máy CNC địi hỏi sinh viên phải có kiến thức tổng
hợp về cơ khí, điện tử, tin học. Đây cũng l cơ hội cho họ tìm tịi, kiểm nghiệm,
hiểu sâu rộng hơn về những máy CNC hiện đại để từ đó chế tạo ra cụm 5 dành cho
máy CNC phù hợp với khả năng v nhu cầu sử dụng.
Đề tài chế tạo cụm 5 từ máy CNC 4 trục m nhóm đang thực hiện sẽ giúp nhóm
củng cố kiến thức và kỹ năng về mọi mặt. Sản phẩm sau khi hồn thành có thể phục
vụ cho dạy học hoặc gia công nhôm và kim loại m u dùng trong trang trí, đồ lƣu

niệm và có thể gia cơng các chi tiết lắp ráp khơng u cầu độ chính xác quá cao.
1.3.Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.
 Nắm vững kiến thức về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách truyền động, lập
trình v điều khiển máy phay CNC.
 Vận dụng kiến thức để nghiên cứu phát triển và chế tạo cụm trục thứ 5 với giá
thành hợp lý, kích cỡ nhỏ gọn .
 Lập trình, điều khiển máy CNC trên để gia công ra sản phẩm v đạt độ chính
xác theo u cầu.
 Sản phẩm có đủ tính năng để phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu.
1.4.Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.
1.4.1.Đối tƣợng nghiên cứu.
 Cụm 5 của máy CNC 5 trục.
 Phần mềm điều khiển Mach3.
 Phần mềm thiết kế, tính tốn, mơ phỏng.
 Động cơ v phƣơng pháp truyền động.
1.4.2.Phạm vi nghiên cứu.
 Nghiên cứu và chế tạo cụm 5 trên máy phay CNC 4 trục.
 Đảm bảo các yêu cầu đặt ra nhƣ sau:

2

do an


+ Gia công đƣợc các biên dạng phức tạp trên nhôm và kim loại màu
+ Sai số cho phép: 0.02 mm.
 Thời gian nghiên cứu: 4 tháng.
1.4.1.Cơ sở phƣơng pháp luận.
Căn cứ vào những kiến thức đã có về máy phay CNC 4 trục, tiến hành phân
tích, tìm ra giải pháp mới và chế tạo, thực nghiệm. Sau đó, tiến hành tổng hợp,

đánh giá giải pháp để đề ra tối ƣu hay không tối ƣu, tối ƣu trong trƣờng hợp
nào.
1.4.2.Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể.
 Khảo sát thực tiễn: Tìm hiểu về máy phay CNC 5 trục.
 Nghiên cứu, phân tích ƣu nhƣợc điểm, các đặc điểm phù hợp với thực trạng trên
các thiết kế máy CNC 5 trục đã có trên thị trƣờng.
 Chế tạo Cụm 5.
 Nghiên cứu, chế tạo hệ thống điều khiển cụm 5.
 Vận hành và thực nghiệm

3

do an


1.5.Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
1.5.1.Giới thiệu.
Nghiên cứu, chế tạo mơ hình máy phay CNC 5 trục địi hỏi ngƣời thực hiện phải
có những am hiểu nhất định về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phay CNC
hiện đại. Bên cạnh đó, một nguồn tƣ liệu giá trị khác chính là máy CNC 5 trục mini
đã đƣợc chế tạo cả trong v ngo i nƣớc, b ng cách tham khảo những nghiên cứu đó
để l m cơ sở sáng tạo cho đề t i m nhóm đang thực hiện.
1.5.2.Nghiên cứu liên quan đến đề tài.
1.5.2.1. Nghiên cứu ngồi nƣớc.
Máy CNC tự chế rất đa dạng về hình dáng, kết cấu, kích thƣớc và vật liệu chế
tạo.

Hình 1.3 Máy CNC tự chế

Xuất phát từ ý tƣởng điều khiển một dụng cụ thông qua một chuỗi lệnh kế tiếp,

liên tục nhƣ các máy công cụ. Điều khiển số đƣợc thực hiện từ thế kỉ XIV. Khi ở
châu Âu ngƣời ta dùng các chốt hình trụ để điều khiển các chuyển động của các
hình trang trí trên đồng hồ lớn của nh thờ.

4

do an


Năm 1808, Joseph M. Jacquard dùng những tấm tôn đục lổ để điều khiển tự động
các máy dệt.
Năm 1863, M. Fourneaux phát minh ra đ n Piano nỗi tiếng thế giới. Với băng
giấy đục lỗ l m vật mang tin.
Năm 1938, Claud E. Shannon trong khi l m luận án tiến sĩ đã đi đến kết luận
r ng việc tính tốn v truyền tải nhanh dữ liệu có thể thực hiện b ng mã nhị phân.
Từ năm 1949 đến 1952, Jonh Parsons v Học viện kỹ thuật Massachusett
Massachusett Institute Of Technology) đã thiết kế “Một hệ thống điều khiển
dành cho máy cơng cụ, để điều khiển trực tiếp vị trí của các trục thông qua dữ
liệu đầu ra của một máy tính, làm bằng chứng cho một chức năng gia công chi
tiết” theo hợp đồng của không lực Hoa Kỳ.
Cũng trong thời gian n y, Parsons cùng với đồng nghiệp của ông đã đƣa ra 4 tiên
đề cơ bản sau:
1. Những vị trí được tính ra trên một biên dạng được ghi nhớ vào băng đục lỗ.
2. Các vị trí đục lỗ được đọc trên máy một cách tự động.
3. Những vị trí đã được đọc ra được liên tục truyền đi và được bổ sung thêm
tính tốn cho các giá trị trung gian nội tại.
4. Các động cơ servo (vơ cấp tốc độ) có thể điều khiển được chuyển động các
trục.
Năm 1952, chiếc máy phay điều khiển số đầu tiên ra đời mang tên l “Cincinnate
Hydrotel” có trục thẳng đứng do Học viện kỹ thuật Masssachusett cung cấp. Đơn vị

điều khiển đƣợc lắp b ng các bóng đèn điện tử chân không, điều khiển 3 trục nhận
dữ liệu thông qua băng đục lỗ mã nhị phân.
Năm 1954, endix mua bản quyền phát minh của Parsons v chế tạo đƣợc thiết bị
điều khiển NC công nghiệp đầu tiên, nhƣng vẫn cịn dùng bóng đèn điện tử chân
khơng.
Năm 1958, “Cơng cụ lập trình tự động G Code” (Automatically Programmed
Tool) ra đời. Đánh dấu một bƣớc phát triển mới về lập trình cho máy.
1.5.2.2.Nghiên cứu ở Việt Nam.
Ở Việt Nam trƣớc năm 1990 khi nhắc đến công nghệ NC, CNC quả l rất xa lạ v
ít ngƣời biết đến nó.
ắt đầu từ năm 1991, thông qua một số dự án chuyển giao công nghệ, hợp tác với
nƣớc ngo i nhƣ: Dự án “Chuyển giao công nghệ thiết kế, phát triển và chế tạo
khn mẫu”. Lúc đó các cơng nghệ CNC nhƣ: Máy phay CNC, máy tiện CNC, đo
lƣờng CNC,... lần đầu tiên đƣợc giới thiệu v thu hút sự quan tâm của nhiều nh

5

do an


chuyên môn cũng nhƣ của các doanh nghiệp trong nƣớc v liên doanh với nƣớc
ngoài.
Hiện nay, nhiều nh máy cơ khí trong nƣớc đã v đang có những dự án đầu tƣ các
dây chuyền sản xuất với phần lớn thiết bị trong dây chuyền l các máy CNC.
Mặc dù, công nghệ CNC du nhập v o Việt Nam trong một thời gian ngắn nhƣng
có thể nói cơng nghệ n y đã có một chỗ đứng tại Việt Nam v tin chắc trong những
năm tới đây công nghệ n y sẽ đƣợc dùng nhiều trong các xí nghiệp, phân xƣởng,
nh máy ở nƣớc ta. Vì nó đem lại hiệu quả kinh tế rất cao. Đặc biệt trong điều kiện
sản xuất hiện nay ở nƣớc ta. Do vậy, việc đẩy mạnh ứng dụng công nghệ CNC l
một nhu cầu cần thiết đối với các cơ sở sản xuất nói chung v ng nh chế tạo máy

nói riêng.
Hiện nay, một số trƣờng Đại Học, Cao Đẳng đã chú trọng vào việc chế tạo mơ
hình máy CNC phục vụ cho giảng dạy nhƣ mơ hình máy phay CNC của trƣờng ĐH
Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM, máy khắc gỗ của Đại Học Bách Khoa Hà Nội….

Hình 1.4 Máy phay CNC 4 trục
ĐHSPKT HCM

Hình 1.5 Máy phay gỗ CNC 4 trục
ĐH KHN

Bên cạnh các máy CNC đƣợc chế tạo với mục đích giảng dạy trong các trƣờng
học, một bộ phận sinh viên, kỹ sƣ chế tạo các máy CNC dùng để cắt, khắc trên
mica, nhựa hoặc thép.

6

do an


Hình 1.6 Máy khắc gỗ CNC
Đại Học Đơng Á

Hình 1.8 Máy dán tem CNC
ĐH KHN

Hình 1.7 Máy cắt plsama CNC
Cơng ty Sơn Vũ

Hình 1.9 Máy khắc nữ trang

7

do an


CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.Khái quát về máy CNC [20].
2.1.1.Vài nét sơ lƣợc về máy CNC.
Điều khiển số NC Numerical Control) l phƣơng pháp tự động điều chỉnh các
máy công tác máy công cụ, robot, băng tải vận chuyển phơi liệu, chi tiết gia cơng,
sản phẩm...) trong đó các chuyển động điều khiển đƣợc sản ra trên cơ sở cung cấp
các dữ liệu ở dạng mã nhị phân. Nó đƣợc biểu diễn dƣới dạng các con số thập phân,
các chữ cái v kí hiệu đặc trƣng tạo th nh một chƣơng trình l m việc của thiết bị
hay của hệ thống.
Trƣớc đây, cũng đã có những q trình gia cơng cắt gọt đƣợc điều khiển theo
chƣơng trình b ng các kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình b ng hệ thống thuỷ
lực.... Ng y nay, với sự tiến bộ vƣợt bậc của KH - KT nhất l trong lĩnh vực điều
khiển số v tin học đã tạo điều kiện cho q trình gia cơng với sự trợ giúp của máy
tính.
Việc sử dụng các máy CNC cho phép giảm khối lƣợng gia cơng chi tiết, nâng cao
độ chính xác gia công v hiệu quả kinh tế, đồng thời cho phép rút ngắn đƣợc chu kỳ
sản xuất. Do đó, hiện nhiều nƣớc trên thế giới đã v đang ứng dụng rộng rãi công
nghệ mới n y v o lĩnh vực cơ khí chế tạo. Đặc biệt l chế tạo các khn mẫu chính
xác, các chi tiết địi hỏi độ chính xác v độ phức tạp cao.
Trong thời gian đó, ng nh cơng nghệp nói chung đã bắt đầu nhận ra những ƣu thế
tiềm t ng của kỹ thuật điều khiển số. Điều đó buộc họ phải xem xét một cách
nghiêm túc, chặt chẽ v kỹ c ng những vấn đề về ng nh chế tạo máy của chính họ.
Đồng thời, họ cũng phải suy nghĩ xem kỹ thuật công nghệ mới n y có thể giúp đỡ
họ nhƣ thế n o để cải tiến phƣơng pháp hiện có của họ. Ngƣời ta nhanh chóng nhận

ra r ng, phần lớn các b i toán cắt gọt kim loại nhƣ: Khoan lỗ, tiện, phay đƣờng
thẳng khơng nhất thiết địi hỏi tới bộ điều khiển hiện đại, sử dụng những phƣơng
máy tính hố. Thế nhƣng, việc ứng dụng ngay cả dạng cơ bản nhất của APT cho
những th nh phần hình học đơn giản cũng vừa cồng kềnh, vừa rắc rối v vừa đắt
tiền.
Do vậy, nhiều ngôn ngữ đơn giản hơn dùng cho mục đích đặc biệt đã đƣợc phát
triển. Tuy nhiên, đa số các ngôn ngữ n y điều lấy APT l m gốc.
Rồi cho đến giữa những thập niên 70, 80 với sự phát triển của cơng nghệ vi xử lí.
Lần dầu tiên nó đƣợc đƣa v o thiết bị điều khiển số có sự hỗ trợ của máy tính, tạo
một bƣớc nhảy khổng lồ trong lĩnh vực điều khiển số. Từ các máy điều khiển số NC
trở th nh những máy điều khiển số CNC (Computeized Numerical Control) tức l
những máy cơng cụ điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính. Mặc khác, cùng với

8

do an


những môđun điện tử dùng để lƣu trữ dữ liệu v tạo xung, bộ vi xử lí hình th nh
trung tâm đóng ngắt v tính tốn của tất cả mọi điều khiển số CNC hiện đại. Tốc độ
chuyển nhanh của các phần tử n y đủ để đƣa ra nhiều chức năng v nhiệm vụ tính
tốn khác nhau m khơng l m ảnh hƣởng đến nhịp độ l m việc của các máy công cụ
ghép nối với chúng. Nhƣng nếu một bộ vi xử lí n o đó tỏ ra không đủ thực hiện mọi
chức năng yêu cầu trong chu trình thời gian cực đại cho phép, thì khi đó có thể thêm
v o đơn vị xử lí thứ 2 hoặc thậm chí thứ 3 sử dụng song song hoặc luân phiên cho
những nhiệm vụ đặc biệt.
Từ thập niên 80 trở đi, với sự phát triển của công nghệ truyền số liệu, các mạng
cục bộ v liên thông đã tạo điều kiện cho các nh chế tạo thực hiện việc nối kết giữa
các máy CNC riêng lẽ CNC Machine Tools) lại với nhau tạo th nh các trung tâm
gia công DNC Directe Numerical Control) nh m khai thác một cách có hiệu quả

nhất nhƣ: cách bố trí, sắp xếp các công việc trên từng máy, tổ chức sản xuất.... V
cũng dựa trên nền công nghiệp n y, một chuỗi các loại thiết bị, phần mềm v hệ
thống đƣợc phát triển không ngừng bỡi các viện nghiên cứu v công nghệ khác
nhau trên thế giới. Nh m thoả mãn về nhu cầu thiết kế v chế tạo đặc biệt.
Đó l những phần mềm thiết kế v gia cơng tạo hình theo công nghệ CAD/CAM
Computer Aided Desgin/ Computer Aided Manufacturing) theo hệ thống sản xuất
linh hoạt FMS Flexible Manufacturing System) v cao hơn l việc chế tạo, gia
công chi tiết đƣợc thực hiện to n bộ qua máy tính ngƣời ta gọi l tổ hợp CIM
(Computer Intergraded Manufacturing).
Cho đến năm 2003 n y, lịch sử phát triển của máy công cụ điều khiển số đã đƣợc
51 tuổi. Nó đã đƣợc phát triển v ứng dụng rộng rãi ở nhiều nƣớc trên thế giới. Từ
những ứng dụng gia công đơn giản nhƣ việc di chuyển từ điểm đến điểm của máy
khoan đến những máy công cụ điều khiển 2 trục nhƣ máy tiện, điều khiển 3 trục
nhƣ máy phay...v cho đến những nhiệm vụ tự động gia công nhiều trục v độ phức
tạp cao nhƣ các khuôn rèn dập, các khuôn đúc áp lực, cánh tuabin v những chi tiết
phức tạp của máy bay, t u thuỷ.... Ngo i ra, ng y nay máy CNC còn đƣợc dùng v o
việc kiểm tra giám sát, điện báo điện tín v nhiều lĩnh vực khác đã đem lại chất
lƣợng v hiệu quả kinh tế rất đáng kể. Trong tƣơng lai, với lợi thế về sự ghép nối
các hệ thống CNC riêng lẽ với nhau để tạo th nh mạng sẽ đƣợc phát huy trong
chiến lƣợt gia cơng to n cầu. Trong đó, dịng thơng tin đƣợc thu phát, chuyển giao
b ng hệ thống vệ tinh, đảm nhiệm vụ liên kết giữa nhu cầu thị trƣờng_ đơn đặt
h ng_ nh thiết kế_ nh chế tạo_ nh cung cấp_ nh tiêu thụ.... trong mạng liên
thông to n cầu WAR World Area Netword)

9

do an