Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy CNC 5 trục

BCT
VMVDCCN
VMVDCCN
BCT
BCT
VMVDCCN

Bộ công thơng
Viện máy và dụng cụ công nghiệp
46 Láng hạ đống đa hà nội




Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật đề tài

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cnc 5 trục
(Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị gia công dầm thép kết cấu)

M số: kc 03.02/06-10


Pgs. TS. Vũ hoài ân




7521

22/11/2009


Hà Nội, 11 2008
Bản quyền 2008 thuộc VMVDCCN
Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Tổng Giám
đốc VMVDCCN trừ trờng hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu.



Bộ công thơng
Viện máy và dụng cụ công nghiệp
46 Láng hạ đống đa hà nội




Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật đề tài


Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cnc 5 trục
(Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị gia công dầm thép kết cấu)

M số: kc 03.02/06-10

Pgs. ts. Vũ hoài ân







Hà Nội, 11 2008
Bản thảo viết xong 11 2008
Tài liệu này đợc viết trên cơ sở kết quả thực hiện đề tài:
Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ tự động hóa.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy CNC 5 trục
(Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị gia công dầm thép kết cấu)
1


Danh sách những ngời thực hiện

Họ và tên Chức danh Học vị Tham gia vào mục
Chủ nhiệm đề tài
PGS .TS. Vũ Hoài Ân Chủ nhiệm đề tài
Pgs.ts I, II, III
Cán bộ nghiên cứu
PGS TS. Trơng Hữu Chí Viện IMI
Psg.ts
II, III
TS. Trần Ngọc Hng Viện IMI
ts
III, VIII

ThS. Trần Hồng Lam Viện IMI ThS. Điện II, III
Ks. Trần Kim Quế Nghiên cứu viên Ks. cơ khí III, V, VIII
Ks. Nguyễn Thợng Chính Nghiên cứu viên Ks. cơ khí III, IV, V, VI
Ks. Hoàng Minh Đức Nghiên cứu viên Ks. cơ khí IV, V, VI
Ks. Nguyễn Tiến Hùng Nghiên cứu viên Ks. điện III, VII
Ks. Lê Điệp Anh Nghiên cứu viên Ks. điện II, VII


















2

Tóm tắt tình hình thực hiện đề tài
Sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá của Việt Nam không thể thiếu đợc việc hiện
đại hóa ngành cơ khí chế tạo máy.
Chúng ta đổi mới công nghệ không có nghĩa chỉ là đem tiền đi mua công nghệ. Việc mua

công nghệ không phải thứ nào cứ có tiền là mua đợc đặc biệt là công nghệ cao. Cụ thể hơn
nhập khẩu máy công cụ CNC trong một số trờng hợp có nhiều bất cập nh: giá đắt, bảo trì,
bảo hành phức tạp, không chủ động, không phát huy đợc kinh tế nội sinh, nhiều khi còn bị
cấm vận không nhập đợc nh một số máy CNC phục vụ quốc phòng
Ngành cơ khí chế tạo máy trong đó có ngành chế tạo máy công cụ ở Việt nam đã có
truyền thống hơn 50 năm xây dựng và phát triển. Đội ngũ cán bộ kỹ thuật đã hình thành cả
nhiều thế hệ. Tuy nhiên hầu hết các sản phẩm máy công cụ chế tạo ra đều là các máy phổ
thông vạn năng và có cấu trúc truyền thống.
Viện máy và Dụng cụ Công nghiệp là một trong các cơ sở nghiên cứu, chế tạo các loại
máy công cụ. Trong hơn 35 năm qua Viện đã cung cấp cho thị trờng nhiều sản phẩm thiết kế
trong đó có nhiều mẫu máy công cụ, kể cả máy công cụ CNC.
Trong những sản phẩm đó có thể kể đến:
Đề tài
: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy tiện T20 CNC.
Dự án
: Hoàn thiện công nghệ chế tạo máy phay hiện đại, điều khiển CNC đạt chất
lợng DMU 60T của hng DECKEL MAHO trên cơ sở hợp tác và tiếp nhận chuyển
giao công nghệ của hng DECKEL MAHO Đức.
Đề tài
: Hiện đại hóa mở rộng tính năng điều khiển tự động của máy tiện T20CNC.
Đề tài
: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy tiện CNC băng nghiêng có thay dao tự động.
Tuy nhiên vẫn chỉ dừng ở các bộ điều khiển 2 trục, 3 trục. Đây là những bớc chuẩn bị
ban đầu cho việc thiết kế chế tạo máy CNC có nhiều trục, mà khởi đầu là đề tài KC.03.02/06-
10. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy CNC 5 trục (Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị gia công
dầm thép kết cấu).
Mục tiêu tổng quát của đề tài KC 03.02 là:
* Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh 01 thiết bị gia công dầm thép kết cấu trên cơ sở
tích hợp công nghệ gia công dầm thép kết cấu với công nghệ điều khiển CNC 5 trục tọa độ.
Vì thế báo cáo này đã tổng kết, đánh giá, khẳng định những khả năng làm chủ công nghệ

chế tạo máy công cụ CNC ở Việt Nam. Sự ra đời của đề tài KC 03.02/06-10, quá trình thực
hiện và kết quả đạt đợc của nó đã chứng minh cho khả năng đó.
3
Để làm rõ kết quả đề tài, trong báo cáo tổng kết này sẽ trình bày đầy đủ các nội dung cơ
bản nhất, bao gồm những luận cứ về các sản phẩm, phơng pháp luận khi giải quyết các vấn đề
về công nghệ, các giải pháp kỹ thuật. Bản báo cáo này bao gồm 8 phần chính sau đây:
Phần1. Tình hình nghiên cứu liên quan đến chế tạo máy CNC trong nớc và nớc ngoài.
Trong phần này chủ yếu phân tích các giải pháp đạt đợc trong kết cấu của các cụm chi tiết cơ
bản. Các giải pháp về nâng cao độ chính xác chi tiết gia công và giải pháp điều khiển CNC
Phần 2. Đánh giá khả năng công nghệ trong nớc liên quan đến chế tạo máy CNC: Khảo
sát điều tra khả năng chế tạo các chi tiết chính xác của các nhà máy cơ khí trong nớc về cả
năng lực trang thiết bị lẫn năng lực công nghệ chế tạo.
Phần 3. Lựa chọn gam cỡ máy sau khi đã phân tích các máy mẫu, để từ đó lựa chọn máy
đợc thiết kế ra đảm bảo thuận tiện, dễ sử dụng luôn đáp ứng đợc sản xuất trong nớc.
Phần 4. Thiết kế kỹ thuật: Trong phần này chủ yếu trình bày các tính toán thiết kế liên
quan đến tính các thành phần lực theo các phơng X,Y,Z,W1,W2 Tính toán thiết kế bộ
truyền động cho các cụm truyền động đầu khoan, truyền động trục X, trục Y, trục Z, W1, W2.
Tính toán hệ thống thuỷ lực.
Phần 5. Lập quy trình công nghệ chế tạo các chi tiết điển hình: Quy trình chế tạo bệ máy,
quy trình chế tạo khung máy, quy trình chế tạo đầu khoan .
Phần 6. Hớng dẫn quy trình lắp ráp và kiểm tra.
Phần 7. Điều khiển CNC.
Phần 8. Các định hớng phát triển thị trờng và đánh giá khả năng đầu t. Đây là mục
đợc nhìn nhận từ góc độ kinh tế của đề tài.
Phần cuối. Trình bày những kết luận rút ra sau khi thực hiện xong đề tài, các kiến nghị
của các cán bộ kỹ thuật tham gia đề tài.
Phần phụ lục. Trình bày tất cả các văn bản liên quan, các biên bản kiểm tra, các
bản vẽ thiết kế cơ khí, điện, điều khiển, một số đoạn chơng trình gia công thử

4
Báo cáo tổng kết đợc trình bày luôn bám sát với thực tế trong quá trình thực hiện công
việc thiết kế và chế tạo máy. Khi thiết kế các cụm chi tiết có phân tích,cất nhắc kỹ lỡng, hội
đủ tính kinh tế kỹ thuật và khả năng công nghệ. Trong từng phần của báo cáo đều có bản vẽ,
các hình ảnh thực tế minh họa đợc trình bày trong báo cáo.

5
Mục lục
Danh sách những ngời thực hiện 1
Tóm tắt tình hình thực hiện đề tài 2
Mục lục 5
Bảng ký hiệu 9
Lời mở đầu 13
Các nội dung chính 16
I. Các nghiên cứu trong và ngoài nớc 17
I.1. Tình hình máy CNC trên thế giới 17
I.2. Các căn cứ lựa chọn cấu hình điều khiển CNC 24
I.2.1. Phân tích u nhợc điểm của từng phơng án. 24
I.2.2. Một số bộ điều khiển CNC của một vài hãng trên thế giới 29
I.2.2.1. Bộ điều khiển CNC của Mitsubishi 29
I.2.2.2. Bộ điều khiển CNC của Fanuc 30
I.2.2.3. Bộ điều khiển CNC của Heidenhain. 31
I.3. Giới thiệu tổng quan về máy CNC 5 trục 33
I.4. Nghiên cứu các loại máy CNC điều khiển 5 trục tọa độ tơng tự phục 36
I.5. Khảo sát tình hình chế tạo dầm thép trong nớc 41
II. Đánh giá khả năng công nghệ trong n

ớc. 43
II.1. Năng lực về thiết kế sản phẩm 43
II.2. Năng lực về đầu t trang thiết bị 43
II.3. Năng lực về tin học và tự động hóa. 44
III. Lựa chọn gam cỡ máy. 45
III.1. Các yêu cầu khi chọn máy mẫu 45
III.2. Thông số kỹ thuật máy mẫu 45
III.3. Các thông số lựa chọn cho máy thiết kế 46
III.4. Biện pháp thực hiện. 47
IV. Tính toán thiết kế. 50
IV.1. Sơ đồ động 51
IV.1. Xác định các thông số công nghệ khi khoan 51
IV.1.1. Xác định lực cắt và mômen cắt khi khoan. 51
IV.1.2. Số vòng quay trên trục công tác 51
IV.1.3. Công suất cắt 51
IV.2. Chọn động cơ điện của đầu khoan. 51
6
IV.2.1. Công suất động cơ điện 51
IV.2.2. Số vòng quay của động cơ điện 52
IV.3. Sơ đồ động học của bộ truyền 52
IV.3 .1 Tỷ số truyền trên hộp. 52
IV.3.2. Công suất, số vòng quay và mômen xoắn trên các trục 52
IV.3.2.1. Công suất trên các trục 52
IV.3.2.2. Số vòng quay trên các trục. 52
IV.3.2.3. Mômen xoắn trên các trục 53
IV.4. Kiểm nghiệm các bộ truyền của hộp giảm tốc 53
IV.4.1. Tính toán và kiểm nghiệm bộ truyền bánh răng. 53
IV.4.1.1. Chọn vật liệu bánh răng. 53
IV.4.1.2. Xác định ứng suất cho phép. 53
IV.4.1.3. Tính toán bộ truyền các cấp. 54

IV.4.1.3.1. Bộ truyền bánh răng cấp 1 54
IV.4.1.3.1.1. Các thông số cơ bản của bộ truyền. 54
IV.4.1.3.1.2. Kiểm nghiệm bánh răng 55
IV.4.1.3.2. Bộ truyền bánh răng cấp 2 56
IV.4.1.3.3. Bộ truyền bánh răng cấp 3 57
IV.4.2. Tính toán thiết kế trục.
58
IV.4.2.1. Chọn vật liệu. 58
IV.4.2.2. Sơ đồ trục, chi tiết quay và lực từ các chi tiết quay tác dụng lên 58
IV.4.2.3. Tính toán các trục 59
IV.4.2.3.1. Tính toán trục II. 59
IV.4.2.3.2. Tính toán trục III 60
IV.4.2.3.3. Tính toán trục IV 61
IV.4.2.4 Kiểm nghiệm độ bền của trục IV 63
IV.4.2.4.1. Kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi 61
IV.4.2.4.1. Kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi 61
IV.4.3 Bôi trơn hộp giảm tốc 614
IV.4.4.Tới nguội 614
IV.5. Tính động cơ trục X, Y, Z, W1, W2 . 66
IV.5.1. Tính động cơ trục X. 66
IV.5.2. Tính động cơ trục Y. 69
IV.5.1. Tính động cơ trục Z 72
IV.5.2. Tính động cơ trục W1. 75

7
IV.6. Tính toán, thiết kế hệ thống thủy lực. 78
IV.6.1. Ưu nhợc điểm của hệ thống điều khiển bằng thuỷ lực. 78
IV.6.1.1. Ưu điểm. 78
IV.6.1.2. Nhợc điểm 78
IV.6.2. Sơ đồ thuỷ lực của máy CNC 5 trục 79

IV.6.2.1. Sơ đồ nguyên lý 79
IV.6.2.2. Nguyên lý hoạt động 79
IV.6.3.1. Tính toán cho trục W1. 80
IV.6.3.2. Tính toán cho trục W2. 84
IV.6.4. Tính toán cho bơm. 84
IV.6.5. Chọn van tràn. 84
IV.6.6. Tính kiểm tra 85
IV.6.6.1. Tính kiểm tra cho hệ thống kẹp chặt 85
IV.6.2. Tính lực kẹp cho quá trình kéo phôi 89
V. Quy trình công nghệ chế tạo một số chi tiết điển hình 92
V.1. Quy trình chế tạo đế máy. 92
V.2. Quy trình chế tạo thân máy.
94
V.3. Quy trình chế tạo đầu khoan 96
V.4. Quy trình công nghệ gia công trục chính 100
V.5. Quy trình công nghệ gia công ống trợt 102
VI. Hớng dẫn quy trình lắp ráp và kiểm tra 105
VI.1. Hớng dẫn quy trình lắp ráp các cụm chi tiết điển hình 105
VI.1.1. Quy trình lắp ráp hộp số 105
VI.1.1.1. Lắp các cụm thành máy. 105
VI.1.1.2. Mô phỏng bằng hình vẽ 3D 109
VI.1.2. Qui trình lắp ráp đế máy. 110
VI.1.3. Qui trình lắp ráp thân máy. 112
VI.1.4. Lắp ráp kẹp trái. 113
VI.1.5. Lắp ráp kẹp phải 114
VI.1.6. Lắp hệ thống dẫn phôi lên đế máy. 115
VI.1.7. Lắp hệ thống thuỷ lực 117
VI.1.8. Lắp ráp tổng thể. 118
VI.2. Quy trình kiểm tra 119
VI.2.1. Kiểm tra các thông số cơ bản của máy. 119

VI.2.2. Kiểm tra độ chính xác hình học 120
VI.2.3. Phơng pháp tiến hành đo 126
8
VI.3. Kiểm tra chạy thử không tải các cụm, bộ phận 127
VI.4. Kiểm tra có tải 128
Kiểm tra độ chính xác gia công (có biên bản kiểm tra các chi tiết) 128
VII. Điều khiển CNC 129
VII.1. Giới thiệu bộ điều khiển CNC Softservo S 140M 129
VII.2. Phần cứng 129
VII.2.1. Máy tính 129
VII.2.2. Kết nối phần cứng Versiobus 129
VII.3. Công nghệ phần mềm ServoWork CNC. 133
VII.3.1. Kiến trúc của phần mềm Servo Work 134
VII.4. Xây dựng lu đồ thuật toán 138
VII.5. Cài đặt tham số. 139
VII.5.1. Cài đặt tham số cho các trục 139
VII.5.2. Cài đặt tham số hoạt động 139
VII.5.3. Cài đặt tham số cho động cơ 140
VIII. Định hớng phát triển thị trờng 142
VIII.1. Thị trờng máy gia công dầm thép CNC 142
VIII.2. Định hớng phát triển 143
Kết luận và kiến nghị 144
Tài liệu tham khảo 148
Phụ lục 149

9
Bảng ký hiệu
a Số cặp bánh răng ăn khớp
a
w
Khoảng cách trục mm
b Số cặp ổ lăn
b
w
Chiều rộng vành răng mm
C
a
Tải trọng tĩnh N
C
oa
Tải trọng động N
d
1
, d
2
- Đờng kính chia mm
d
a1

, d
a2
- Đờng kính đỉnh răng mm
d
f1
, d
f2
- Đờng kính đáy răng mm
d
w
- Đờng
d - Số ngày làm việc trong tháng ngày
dr - Đờng kính chân ren mm
e Bớc vít me mm
E Môđun đàn hồi N.mm
2

g
0
- Hệ số kể đến ảnh hởng của sai lệch bớc răng.
H Thời gian làm việc giờ
h - Số giờ làm việc trong một ngày giờ
i Tỷ số truyền
J
p
Mômen độc cực mm
4

J Mômen quán tính kg.m
2

J
BS
Mômen quán tính trục vít me kg.m
2

J
W
Mômen quán tính đầu khoan kg.m
2

J
RT
Mômen quán tính phần quay của động cơ kg.m
2
J
CU
Mômen quán tính của khớp nối kg.m
2
K - Độ cứng vững N/àm
K
H
- Hệ số tải trọng khi tính về tiếp xúc
K
HI

- Hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng
K
H

- Hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng cho các đôi răng đồng thời ăn khớp.
K
HV
- Hệ số kể đến tải trọng động xuất hiện trong vùng ăn khớp.
K
F
- Hệ số tải trọng khi tính về uốn.
K
F

- Hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng.
K
FV
- Hệ số kể đến tải trọng động xuất hiện trong vùng ăn khớp.
K

d2
, K

d2
- Hệ số
10
K
F

- 1 hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng cho cặp bánh răng đồng thời ăn khớp khi
tính về uốn.
K
x
- Hệ số tập trung ứng suất do trạng thái bề mặt.

K
y
- Hệ số tăng bền bề mặt trục.
K

,

K

- Hệ số tập trung ứng suất thực tế khi uốn và xoắn.
M
x
Mômen xoắn N.m
M
F
Mômen của động cơ Nm
M
S
Mômen tải trọng trên trục vít me Nm
M
G
Mômen của lực quán tính Nm
M
P
Mômen do tải trọng Nm
m Môđun mm
m
1
Khối lợng đầu khoan kg
m

2
Khối lợng đờng trợt kg
n Số vòng quay vg/ph
n
đc
Số vòng quay trục động cơ vg/ph
n
lv
Số vòng quay làm việc vg/ph
n
I
, n
II
, n
III
, n
IV
Số vòng quay trên các trục vg/ph
n
tb
Vận tốc vòng quay trung bình vg/ph
N
e
Công suất cắt kW
N
đc
Công suất động cơ kW
L
t
Tuổi thọ của bộ truyền giờ

L Chiều dài giữa gối đỡ và đai ốc mm
L
1
Chiều dài vít me mm
u
ch
Tỷ số truyền chung trên hộp
u
1
, u
2
, u
3
Tỷ số truyền trên từng cấp
p áp suất cần thiết của bơm MPa
p
k
- áp suất làm việc MPa
P
đc
Công suất trên trục động cơ kW
P
I
, P
II
, P
III
, P
IV
Công suất trên các trục kW

T
I
, T
II
, T
III
, T
IV
Mômen xoắn trên các trục N.m
F Tải trọng dọc trục cho phép N
F
max
Lực cắt lớn nhất N
F
r1
ữ F
r6
Lực tác dụng hớng tâm lên các đoạn trục N
F
t1
ữ F
t6
Lực tác dụng tiếp tuyến lên các đoạn trục N
F
ms
Lực tải trọng N
11
F
c
Lực dọc trục trung bình N

f - Hệ số ma sát.
f
w
Hệ số tải trọng
i - Tỷ số truyền.
s
H
, s
F
Hệ số an toàn khi tính về tiếp xúc.
[s] - Hệ số an toàn cho phép.
s

i
Hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất pháp tại tiết diện.
s

i
- Hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất tiếp tại tiết diện.
S Lợng chạy dao mm/vg
V Tốc độ cắt m/ph
V
min
Vận tốc cắt nhỏ nhất mm/ph
V
max
Vận tốc cắt lớn nhất mm/ph
V
nhanh
Vận tốc chạy dao nhanh mm/ph

P
0
Lực cắt N
Q Lu lợng cần thiết l/phút
Q
min
Lu lợng tối thiểu chảy qua van tiết lu l/phút

b
Giới hạn bền MPa

ch
Giới hạn chảy MPa
[
H
] ứng suất tiếp xúc cho phép MPa
[
F
] ứng suất uốn cho phép MPa
0
limH

- ứng suất tiếp xúc cho phép với chu kỳ cơ sở. MPa
0
limF

- ứng suất uốn cho phép với chu kỳ cơ sở. Mpa

-1
Giới hạn mỏi uốn MPa

-1
Giới hạn mỏi xoắn MPa

a2
,
a2
,
mi2,

m2
- Biên độ và trị số trung bình của ứng suất pháp và ứng suất tiếp tại tiết diện.
MPa


,

- Hệ số kể đến ảnh hởng của trị số ứng suất trung bình đến độ bền mỏi
[] - ứng suất xoắn cho phép MPa
Y

- Hệ số kể đến trùng khớp ngang
Y

- Hệ số kể đến độ nghiêng của răng.
Y
F1
- Hệ số răng
y - Số năm sử dụng máy năm
t Thời gian thay đổi gia tốc

12
Z Số răng
r - Hệ số sử dụng máy.
Z
M
- Hệ số kể đến cơ tính của bánh răng ăn khớp
Z
H
- Hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc
- Hệ số an toàn.
- Góc nghiêng của răng

H
- Hệ số kể đến ảnh hởng của sai số ăn khớp.


,

- Hệ số kích thớc kể đến ảnh hởng của kích thớc tiết diện trục đến giới hạn mỏi.

br
Hiệu suất của cặp bánh răng ăn khớp.

ol
Hiệu suất của cặp ổ lăn trên trục
- Góc nâng của trục vít me.
- ứng suất riêng N/mm
2

13


lời mở đầu
Đây là đề tài thuộc chơng trình khoa học công nghệ trọng điểm cấp nhà nớc KC03/ 06-
10. Thông qua đấu thầu khoa học công nghệ năm 2006, kinh phí sử dụng nguồn vốn ngân sách
Nhà nớc và nguồn vốn đối ứng từ đơn vị thực hiện đề tài là Viện IMI.
Các thông tin chính liên quan đến đề tài nh sau:
1. Tên đề tài. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy CNC 5 trục

(Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị gia công dầm thép kết cấu)
2. M số: KC03.02/06-10
3. Thời gian thực hiện
(Từ tháng 04/2007 đến 04/2009)
4. Cấp quản lý
NN

, Bộ

, CS

, Tỉnh


5. Kinh phí
Tổng số: 1785 triệu đồng
Trong đó, từ ngân sách SNKH: 1100 triệu đồng
6. Thuộc Chơng trình: Công nghệ tự động hoá
7. Chủ nhiệm đề tài
Họ và tên: Vũ Hoài Ân
Học hàm/học vị: Phó giáo s / Tiến sỹ
Chức danh khoa học:
Điện thoại: 38344186(CQ)/ 37843512 (NR) Fax: 38344975
Mobile: 0906183334
E-mail:
Địa chỉ cơ quan: 46 Láng Hạ-Đống Đa-Hà Nội
Địa chỉ nhà riêng: 33 K121 Trung Kính-Cầu Giấy-Hà Nội.
8. Cơ quan chủ trì đề tài
Tên tổ chức KH&CN: Viện máy và Dụng cụ Công nghiệp
Điện thoại:3 8351009/8351010 Fax: 38344975

E-mail:
Địa chỉ: 46 Láng Hạ-Đống Đa-Hà Nội
14
Căn cứ theo hợp đồng số 02/2006/HĐ-ĐTCT-KC.03/ 06-10 giữa bên A là ban Chủ nhiệm
chơng trình KC. 03/ 06-10 và bên B là Viện máy và Dụng cụ Công nghiệp. Theo nội dung của
hợp đồng thì bên B sẽ phải hoàn thành các sản phẩm khoa học công nghệ sau:
Thiết bị máy móc: Hoàn thành việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một máy khoan dầm
CNC 5 trục đạt đợc các thông số:
Thông số kỹ thuật Kích thớc Ghi chú
Kích thớc phôi gia công trên máy Dài đến 24 m
Rộng 900 mm
Cao 500 mm

Hành trình máy
Trục X
Trục W1, W2
Z
Trục Y
900 (mm)
500 (mm)
300 (mm)
1000x n =12000(mm)





Hành trình trục
Trục W1, W2
Trục Z

150 (mm)
300 (mm)

Động cơ trục chính 3 pha
Số động cơ
Công suất
Số vòng quay (của trục chính )

3 cái
4,5 kW
600 v/ phút



Động cơ điều khiển trục: Động cơ Servo
Trục X
Trục W1, W2, Z
Trục Y



5,4 Nm
12 Nm
24 Nm


Cơ cấu truyền động Đai ốc vít me bi
Độ chính xác.
Trục Y

Trục X, W1, W2, Z

0,3 mm/12m
0,05 mm

Bộ điều khiển: Heidenhain hoặc tơng đơng Điều khiển 5 trục
Kích thớc máy WxDxH 2350x3050x2500 mm Không tính hệ
thống dẫn phôi

15



Tài liệu:
Hoàn thành đầy đủ toàn bộ các bản vẽ thiết kế kỹ thuật máy CNC 5 trục.
Bộ bản vẽ về quy trình công nghệ chế tạo các chi tiết máy điển hình nh thân, bệ máy,đầu
khoan.
Quy trình công nghệ lắp ráp các cụm chi tiết và qui trình lắp ráp tổng thành.
Chơng trình cài đặt và điều khiển CNC.
Lý lịch máy, hớng dẫn sử dụng máy, hớng dẫn lập trình CAD/CAM
Báo cáo định kỳ, báo cáo tóm tắt, báo cáo tổng kết đề tài.
Toàn bộ báo cáo tổng kết này sẽ lần lợt trình bày chi tiết các nội dung đã thực hiện đợc
trong quá trình hoàn thành đề tài. Nhóm đề tài luôn mong có sự đóng góp của Ban chủ nhiệm
chơng trình các nhà khoa học, các nhà quản lý, các bạn đồng nghiệp sau khi đọc bản tổng kết
này.

16














C¸c néi dung chÝnh

17
I. Các nghiên cứu trong và ngoài nớc.
I.1. Tình hình máy CNC trên thế giới.
Máy công cụ điều khiển CNC và những xu hớng phát triển máy công cụ CNC trên
thế giới.
Máy công cụ CNC hiện nay liên tục đợc cải tiến và hoàn thiện, đáp ứng ngày càng sát
với những đòi hỏi khắt khe của công nghệ gia công chi tiết máy. Việc nghiên cứu, tìm hiểu
các công nghệ chế tạo máy CNC, các bộ điều khiển CNC, các loại máy công cụ CNC của các
hãng nổi tiếng trên thế giới, tạo ra những cơ sở vững chắc, và những kinh nghiệm quý báu khi
nghiên cứu những vấn đề tơng tự.
Để có đợc các kinh nghiệm cần thiết phục vụ cho đề tài, cần phải nghiên cứu những xu
thế chung của các nhà nghiên cứu, các nhà điều khiển, các lập trình viên, các hãng chế tạo máy
CNC ngoài nớc đã tập trung giải quyết tốt các vấn đề xoay quanh nh.
a. Độ chính xác gia công của máy ngày càng đợc nâng cao: Nhờ sự phát triển đồng bộ
giữa các thiết bị đo điện tử, thiết bị dẫn động cơ khí nh vít me đai ốc bi kết hợp với tốc độ tính
toán nhanh của CPU cùng SENSOR cảm ứng và thớc quang học, cùng với độ tin cậy rất cao
của các bộ điều khiển CNC từ Nhật Bản và Đức. Vì vậy độ chính xác, phơng pháp đo và xử lý
khi đo trong máy CNC không còn là vấn đề khó đối với các hãng chế tạo máy CNC trên thế

giới.
Ví dụ : độ chính xác của thớc quang học do một số hãng chế tạo nh: Heidenhain của
Cộng hòa Liên bang Đức, Newall của Anh quốc, Mitutoyo-Nhật bản đạt đợc 1àm, chiều
dài đo có thể lên đến 10m. Độ chính xác gia công của máy CNC không những luôn đợc cải
thiện mà còn đợc tiêu chuẩn hóa. Cụ thể đối với các loại máy tiện CNC của các nớc G7 độ
chính xác gia công theo tiêu chuẩn bắt buộc phải đạt đợc là: độ chính xác định vị: 0,01mm,
độ chính xác lặp lại: 0,025mm. Đối với máy phay và trung tâm gia công CNC tiêu chuẩn bắt
buộc ở Mỹ là: sai số lặp lại không lớn hơn ( 0.0002 inch trên dịch chuyển 24 inch) tơng
đơng 0,0051 mm trên hành trình 610 mm.
Ví dụ nh trung tâm gia công ngang (Horizontal Machine Center - HS -15AXT) 5 trục do
hãng Haas of USA chế tạo có hành trình X,Y,Z 24x 20x 22 có độ chính xác định vị
0.0001/ 24hành trình.
18

Hình 1: Vít me đai ốc bi.
b. Tốc độ cắt gọt, năng suất gia công cao: Một trong những yếu tố quan trọng tạo ra
năng suất gia công nhờ tốc độ cắt gọt. Tốc độ cắt gọt trên máy đợc giải quyết ở các khâu:
- Tốc độ trục chính: Do trục động cơ đợc kết hợp với trục chính nên đã đạt tốc độ 20.000
v/phút đối với máy tiện, 40.000 v/phút đối với máy phay mà vẫn giữ đợc mômen cắt gọt 100 ữ
250 Nm. ở tốc độ lớn, không cần dây đai, khớp Lực quán tính nhỏ, khả năng cân bằng tốt,
vì thế kết cấu máy gọn đơn giản.
- Tốc độ di chuyển của bàn trợt: Nhờ hàng loạt các biện pháp nâng cao tốc độ di chuyển
của các đờng trợt (tốc độ chạy bàn) nh: Trong kết cấu cơ khí đã thay thế dần các băng cứng
kiểu V bằng các băng trợt bi. Chúng đợc chế tạo tiêu chuẩn, nối ghép cứng vào các thân đúc,
đó là giải pháp tốt nhất giảm hẳn hiện tợng kẹt, cháy bề mặt do ma sát lớn khi có sự di trợt
nhanh.
Trong truyền động điện sử dụng các bộ điều khiển động cơ AC Servo có mômen lớn
Do vậy tốc độ chạy nhanh đối với các máy CNC thông thờng đạt từ 20 đến 35 m/phút, máy
cắt Laser 40 m/phút, đặc biệt máy phay siêu tốc 120 m/phút (máy phay MAZAK do nhà máy
chế tạo máy công cụ Yamazaki Mazak - Nhật bản chế tạo).

- Khả năng cắt gọt của các loại dụng cụ: Cùng với sự phát triển của ngành dụng cụ cắt,
phơng pháp cắt gọt với các mảnh hợp kim cứng của dao cho tốc độ tiến dao khi phay có thể
lên đến 10m/phút. Với các biện pháp gá lắp phôi tự động, sử dụng nhiều Pallet đối với máy
phay, sử dụng nhiều mâm cặp đối với máy tiện, đầu rơvonve, tool magazine chứa nhiều dao đã
tạo nên năng suất gia công rất cao.
19
c. Máy có tuổi thọ kỹ thuật và độ ổn định cao: Máy CNC theo tiêu chuẩn của các nớc
G7, châu Âu nh các hãng Haas của Mỹ, Deckel Maho của Đức, hãng Mzak, Makino,
Hitachiseiki, Yasada của Nhật, Emco của áo có tuổi bền rất cao, các loại máy CNC của các
hãng này có thể sản xuất 3 ca liên tục nhiều năm mà không có lỗi nào từ nhà sản xuất.
Các biện pháp nâng cao tuổi bền của máy đợc chú trọng ở các khâu nh chế tạo tốt các
đờng trợt bằng các loại vật liệu đặc biệt hoặc kết cấu đặc biệt nh đờng trợt bi, đờng tr-
ợt động cơ tuyến tính.
Các loại vòng bi đặc biệt (hãng SKF, NSK, TNT, FAG) tự động bôi trơn, tự động kiểm tra
tích cực quá trình làm việc tránh đợc các sự cố khi máy vận hành. Sử dụng các phần mềm
thông minh do vậy tránh đợc nhiều lỗi do ngời sử dụng gây ra vì thế mà tăng đợc tuổi bền
của máy.

Hình 2: Cơ cấu đờng trợt băng bi.
d. Máy có số lợng và chủng loại đa dạng: Từ thực tế của công việc gia công cơ khí đã
thúc đẩy ngành chế tạo máy công cụ CNC phát triển nhanh và rất đa dạng về chủng loại và gam
cỡ máy.
Ví dụ, chỉ tính riêng cho một loại máy phay CNC của hãng Haas đã có tới hàng trăm sản
phẩm có gam cỡ và kiểu dáng khác nhau: máy phay CNC của hãng này loại nhỏ nh loại
Toolroom Mill có hành trình bàn xyz: 760x300x400 mm, loại lớn nh VS - 3 hành trình bàn
xyz: 3800x1270x1270 mm, côn trục chính sử dụng loại ISO - 50, điều khiển 5 trục, có thay
dao tự động
e. Máy đợc tích hợp nhiều chức năng: Để giảm số lần gá tăng độ chính xác của chi tiết gia
công, nhiều hãng chế tạo máy CNC đã chế tạo các loại máy CNC có nhiều chức năng trên cùng
một máy.

20
Ví dụ 1 - máy 4 trục: Hãng Mazak chế tạo trung tâm tiện - phay- khoan CNC kiểu Mazak
Slant Turn 25 - ATC máy này đợc thiết kế điều khiển 4+2 trục bao gồm X Y Z C+S, S2. Phần
tiện sử dụng mâm cặp tự định tâm kẹp nhanh bằng thủy lực ỉ250 mm, khoảng cách chống tâm
1200 mm, công suất trục S1 là 22kw, đờng kính tiện vợt bàn xe dao tới 300 mm. Chức năng
phay điều khiển 3+1 trục XZC + S2. Máy đợc sử dụng cơ cấu thay dao tự động kiểu xích với
25 ổ chứa dao.
Ví dụ 2 - máy 5 trục: Hãng Yaskada của Nhật bản chế tạo trung tâm gia công ngang
(horizontal Machining Center - H30I) máy đợc điều khiển 5 trục đồng thời X, Y, Z,A,B với hành
trình các trục (XxYxZ) 650x560x560 mm, trục A/360 độ chính xác phân độ 0,001, trục B/
( - 120 đến + 45) độ chính xác 0,001. Tốc độ trục chính 120 đến 12 000 v/ phút, tốc độ
chạy nhanh X/Y/Z: 40.000/20.000/5.000 mm/phút, trục A/B:15/10v/phút. Tự động thay dao
(Automantic tool change) số dao chứa trong ổ chứa dao 60, tốc độ thay dao 5s/1 chu trình.
g. Bộ điều khiển CNC có nhiều chức năng: Nhờ sự phát triển đồng bộ của ngành công
nghiệp điện tử và công nghệ thông tin kết hợp với đòi hỏi thực tế của công nghệ chế tạo máy.
Hiện nay, các bộ điều khiển CNC ngày càng tin cậy hơn, hiện đại hơn, các chức năng
điều khiển ngày càng sát với công nghệ gia công chi tiết và luôn bám sát với tốc độ phát triển
của ngành chế tạo dụng cụ cắt gọt.
Có thể thấy rất rõ các chức năng cơ bản (feature) của các bộ điều khiển: Dễ sử dụng bộ vi
xử lý 32 bít, có khả năng thực hiện 1000 blocks/s. Thích ứng với bộ mã G - code chuẩn ISO, bộ
nhớ chơng trình 256 kb, th viện dao cụ tới 200 dao, 26 tọa độ làm việc, nội suy đờng xoắn
Helical.
Dễ dàng nối ghép với máy tính và trung tâm điều khiển thông qua cổng RS 232/DNClink, có
trang thông báo và lựa chọn ngôn ngữ, tự chuẩn đoán các lỗi nội tại.
Có thể lập trình hình ảnh đối xứng, có chu trình con cho: tiện, phay, khoan, có chạy mô
phỏng đồ họa, điều khiển contour một cách chính xác
Ví dụ một số các bộ điều khiển CNC: Siemens có Sinumerik 802 - C, 802D, 810T,
840D Heidenhain có TNC-310, TNC - 426, TNC - 30 Fanuc có 16i, 18i, 21i các bộ điều
khiển kể trên có thể điều khiển 5 trục nh: SIEMENS Sinumerik 810, 840; HEIDENHAIN
TNC426, 430; FANUC 18i, 21i.

h. Cơ cấu thay dao tự động đa dạng: Việc bố trí các sensor theo nhiều cách tạo cho mỗi
một vị trí dao cụ đợc mã hóa bằng các bit khác nhau do vậy việc nhận biết và kiểm soát dụng
cụ trở nên đơn giản.
i. Số trục và các trục điều khiển trong máy CNC: Những quy định về trục điều khiển của
máy công cụ CNC nh sau: trục chuyển động thẳng thể hiện việc dịch chuyển của dao hoặc
phôi dọc theo 3 phơng tọa độ Đề các đợc định nghĩa là các trục: X,Y,Z.
21
Các trục chuyển động song song tơng ứng đợc định nghĩa là: U,V,W. Trục thực hiện
chuyển động quay quanh X đợc định nghĩa là trục A, tơng tự trục quay quanh Y là B, quay
quanh Z là C. Với các định nghĩa trên số trục của máy CNC thông thờng đợc thiết kế: máy
tiện có trục X, Z; X, Z, C hoặc nếu có 2 bàn dao X, Z, U, W, C. Trong máy phay và trung tâm
gia công, máy có số trục đơn giản nhất là X,Y,Z hoặc thông dụng hơn X,Y,Z,C. Để giải các bài
toán gia công trên mặt trụ, mặt cầu, các mặt cong nhiều bậc phức tạp trong thiết kế máy cần
phải thêm các trục quay phối hợp nh A, B, C.
k. Máy công cụ cắt cao tốc HSC (Hight Speed Cutting). Trong những năm cuối thế kỷ
20, các nớc công nghiệp trên thế giới có một hớng nghiên cứu phát triển máy công cụ CNC
cắt cao tốc HSC. Hớng này đã đạt đợc nhiều thành công và đã có nhiều máy HSC đợc đa
vào sản xuất để giải quyết các nhiệm vụ gia công rất đặc biệt.
Ví dụ: Hãng chế tạo ô tô Volkswagen AG đã áp dụng các máy HSC để:
- Chế tạo các điện cực Graphít và đồng cho gia công EDM.
- Gia công lòng khuôn trực tiếp từ thép đã tôi.
- Chế tạo mẫu thử bằng nhôm.
- Gia công các vật mẫu bằng chất dẻo.
CHLB Đức là một nớc công nghiệp phát triển cao nhng đã phải bỏ ra tới 60 năm để có
đợc thành công trong hớng phát triển máy công cụ HSC vào cuối thế kỷ 20. Đó là vì máy gia
công HSC không chỉ đợc hiểu là máy có tốc độ cắt cao mà ngời ta đã phải giải quyết thành
công cả 3 yếu tố sau đây đồng thời:
- Tốc độ cắt cực lớn: từ 1000 đến 5000m/phút tùy thuộc vật liệu gia công (số vòng quay
trục chính đạt 50.000 đến 160.000 vòng/phút).
- Lợng tiến dao cực lớn: từ 10.000 đến 40.000 mm/phút.

- Tốc độ xử lý lệnh điều khiển cực nhanh tơng ứng.
Ngoài ra ngời ta còn phải phát triển đợc loại vật liệu dụng cụ cắt chịu đựng đợc chế độ
cắt kinh khủng nói trên.
Chừng nào mà cha đạt đợc đồng thời cả 3 yếu tố trên thì vẫn cha thể có thành công
của máy gia công HSC. Đó là lý do để CHLB Đức phải chờ tới 60 năm để có đợc thành quả
trong hớng nghiên cứu này.
ở các máy tiện hoặc phay HSC, do trục chính quay với tốc độ cực cao nên ngời ta đã tạo
ra một loại trục chính đặc biệt gọi là trục chính động cơ (Motorspindles), đó là động cơ AC
không đồng bộ xoay chiều có Rotor ngắn mạch đặt ngay trên trục chính và đợc làm nguội
bằng chất lỏng. Trục chính đợc quay trên các ổ thủy tĩnh và không qua bất cứ một hộp giảm
tốc nào.


22
Hãng DECKEL- MAHO (CHLB Đức) chế tạo các trục chính động cơ sau đây:
- Loại < 1kW: số vòng quay đạt 160.000 vòng/phút
- Loại > 60 kW: số vòng quay đạt 24.000 vòng/phút
Còn với lợng tiến dao 10.000 đến 40.000 mm/phút thì cơ cấu vít me- đai ốc lăn không
đáp ứng đợc vì chúng tạo ra tốc độ tiến dao quá chậm. Vì vậy ngời ta đã phát triển động cơ
tuyến tính (Linear Motors) để làm nhiệm vụ này. Động cơ tuyến tính với Rotor và Stator phẳng
sẽ tạo ra chuyển động tịnh tiến thẳng với tốc độ cao đáp ứng chuyển động tiến dao của máy
công cụ HSC Hình 3 dới đây cho sơ đồ nguyên lý của động cơ tuyến tính.

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý động cơ tuyến tính.
* Máy có động học song song PKM (Parallel Kinematic Machines).
Một xu hớng mới nữa để phát triển máy công cụ thế hệ mới là tạo ra các máy có động
học song song PKM. ở thế hệ máy này ngời ta thay hệ toạ độ đề các vuông góc với 3 trục X,
Y, Z quen thuộc bằng một hệ tọa độ mới sử dụng từ 3 đến 6 thanh thẳng có gắn động cơ để
điều khiển cho các thanh này có chuyển động tịnh tiến dọc trục của chúng, nhờ đó có thể thay
đổi vị trí tơng đối trong không gian giữa dụng cụ và phôi theo kiểu mô phỏng buồng tập lái

máy bay. Máy sử dụng 3 thanh điều khiển gọi là Tripod. Máy sử dụng 6 thanh điều khiển gọi là
HEXAPOD.
Sơ đồ nguyên lý của một máy HEXAPOD cho ở hình 4.

Hình 4: Máy HEXAPOD với 6 thanh điều khiển.
23
Đặc điểm của loại máy HEXAPOD là điều khiển đợc 5 bậc tự do của trục dụng cụ, có
thể gia công trong một lần gá cả 5 bề mặt trong không gian của phôi.
Nhợc điểm của máy HEXAPOD là tỷ lệ giữa không gian làm việc có ích và không gian
chung toàn máy tơng đối thấp.
Hình 5 là máy phay HEXAPOD model INQERSOLL của CHLB Đức với
* Các thông số kỹ thuật cơ bản sau:
Không gian gia công: 600 x 600 x 600mm
Định hớng trục chính: 15
o

Tốc độ cắt max: 50 m/s
Gia tốc max: 15m/ s
2
Công suất trục chính HSC: 27 KW
Máy đợc trang bị trục chính động cơ đảm bảo cắt cao tốc HSC.

Hình 5: Máy phay HEXAPOD Model INQERSOLL
đợc thiết kế để gia công với HSC.
ở các máy có động học song song PKM ngời ta phải phát triển một phần mềm chuyển
đổi từ hệ tọa độ dạng động học song song 6 thanh sang hệ tọa độ đề các vuông góc X, Y, Z. Có
nh vậy mới cụ thể hóa đợc việc lập trình gia công các phôi mà kích thớc của chúng đợc
cho ở dạng 3 trục tọa độ X, Y, Z vuông góc trong không gian.
Hiện nay, ở các nớc công nghiệp phát triển cao, các máy tripod và hexapod đã đợc chế
tạo và đa vào sử dụng trong công nghiệp ngày càng nhiều.