Cải Tiến Máy Phay Cnc 5 Trục Head - Head Kết Cấu H-Frame.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH 1*+,Ç1&Ӭ8.+2$+Ӑ&&Ӫ$6,1+9,Ç1

&Ҧ,7,ӂ10È<3+$<&1&75Ө&+($'+($'
.ӂ7&Ҩ8+)5$0(

MÃSỐ: 69

SKC 0 0 7 3 5 2

Tp. Hồ Chí Minh, tháng


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN
CẢI TIẾN MÁY PHAY CNC 5 TRỤC HEAD-HEAD
KẾT CẤU H - FRAME
SV2020 - 66

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Trí Hiểu

TP Hồ Chí Minh, tháng 10, năm 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

CẢI TIẾN MÁY PHAY CNC 5 TRỤC HEAD-HEAD
KẾT CẤU H - FRAME
SV2020 - 66

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ Thuật

SV thực hiện: Nguyễn Trí Hiểu

Nam, Nữ: Nam

Dân tộc: Kinh
Lớp, khoa: 16143CL2, Khoa Đào tạo Chất Lượng Cao
Năm thứ: 4/ Số năm đào tạo: 8
Ngành học: Công nghệ Chế tạo máy
Người hướng dẫn: PGS. TS Phạm Huy Tuân

TP Hồ Chí Minh, tháng 10, năm 2020


MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1
1. TỔNG QUAN VỀ LÃNH VỰC NGHIÊN CỨU ........................................................... 1
1.1. Ngoài nước. .................................................................................................................. 1
1.2. Trong nước ................................................................................................................... 2

2. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI .................................................................................................... 2
3. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ........................................................................................................ 3
4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ................................................................ 3
4.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................... 3
4.2. Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................................... 3
5. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................. 3
5.1. Cách tiếp cận ................................................................................................................ 3
5.2. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................. 4
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT ...................................................................................... 5
1.1. ĐIỀU KHIỂN SỐ, LÝ THUYẾT MÁY VÀ CÁC CÔNG CỤ CNC .......................... 5
1.1.1. Giới thiệu. .................................................................................................................. 5
1.1.2. Hệ thống dẫn động CNC. .......................................................................................... 5
1.1.3. Vòng điều khiển CNC (CNC Control Loop)............................................................. 7
1.1.4. Các thành phần của hệ thống CNC............................................................................ 8
1.2. THIẾT KẾ KẾT CẤU 3 TRỤC ĐƠN GIẢN............................................................... 9
1.2.1. Cơ sở tính tốn thiết kế. ............................................................................................. 9
1.3. THIẾT KẾ CỤM TRỤC XOAY B-C ........................................................................ 25
1.3.1. Hộp số Harmonic. .................................................................................................... 25
1.3.2. Hộp số hành tinh (Planetary Gearbox) .................................................................... 26
CHƯƠNG II. THIẾT KẾ MÁY ......................................................................................... 31
2.1. XÂY DỰNG CÁC MƠ HÌNH ĐIỆN TỬ TRÊN MÁY TÍNH (CAD). .................... 31
2.1.1. Cơ sở thiết kế và xây dựng ...................................................................................... 31
2.1.2. Kế thừa mơ hình thiết kế ban đầu ............................................................................ 31
2.1.3. Thiết kế mơ hình CAD trục xoay C......................................................................... 35
2.1.4. Thiết kế mơ hình CAD trục xoay B......................................................................... 36


2.1.5. Thiết kế mơ hình CAD cụm lắp Z-B-C. .................................................................. 38
2.1.6. Mơ hình máy hồn thiện. ......................................................................................... 39
2.1.7. Bản vẽ kĩ thuật. ........................................................................................................ 40

2.2. THIẾT KẾ CƠ KHÍ.................................................................................................... 41
2.2.1. Thiết kế kết cấu 03 trục cơ bản................................................................................ 41
2.2.2. Thiết kế thân đỡ trục chính ...................................................................................... 43
2.2.3. Lựa chọn Vít-me bi.................................................................................................. 46
2.3. MÔ PHỎNG BỀN KẾT CẤU MÁY (CAE).............................................................. 48
2.3.1. Giới thiệu ................................................................................................................. 48
2.3.2. Tiêu chuẩn kết cấu tĩnh của cụm trục Z-B-C. ......................................................... 49
CHƯƠNG III: CHẾ TẠO MÁY VÀ LẮP RÁP ................................................................ 67
3.1. KHỞI TẠO QUI TRÌNH GIA CƠNG CÁC CHI TIẾT MÁY .................................. 67
3.2. TIẾN HÀNH GIA CÔNG .......................................................................................... 69
3.3. KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG ...................................................................................... 69
CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỀU KHIỂN....................................... 72
4.1. THIẾT BỊ ĐIỆN ......................................................................................................... 72
4.1.1. Mạch Mach3 LPT .................................................................................................... 72
4.1.2. Stepper Driver LeadShine DMA860H .................................................................... 72
4.1.3. Động cơ bước .......................................................................................................... 73
4.1.4. Biến tần. ................................................................................................................... 74
4.1.5. Củ đục vi tính. ......................................................................................................... 74
4.2. PHẦN MỀM CHƯƠNG TRÌNH MACH3MILL ...................................................... 75
4.2.1. Giới thiệu. ................................................................................................................ 75
4.2.2. Nguồn gốc và chức năng. ........................................................................................ 75
4.2.3. Những vấn đề khi sử dụng Mach3. ......................................................................... 76
4.3. HỆ THỐNG ĐIỆN ..................................................................................................... 76
4.4. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ POST-PROCESSOR .............................................. 87
4.4.1. Định nghĩa. .............................................................................................................. 87
4.4.2. Qui trình hoạt động của Post-processor .................................................................. 88
4.4.3. Định nghĩa khoảng cách Pivot. ................................................................................ 88
4.4.4. Định nghĩa máy trong Mastercam ........................................................................... 90
CHƯƠNG V: SẢN PHẨM GIA CÔNG CỦA MÁY ........................................................ 92

5.1. SẢN PHẨM GIA CÔNG 2D TRÊN 3 TRỤC X, Y VÀ Z. ....................................... 92
5.2. SẢN PHẨM GIA CÔNG 3D TRÊN 3 TRỤC X, Y VÀ Z. ....................................... 92
5.3. SẢN PHẨM GỖ GIA CÔNG 3 + 2 TRÊN 5 TRỤC ................................................. 93
5.4. SẢN PHẨM GIA CÔNG 5 TRỤC ĐỒNG THỜI. .................................................... 93
CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................... 95
6.1. KẾT LUẬN. ............................................................................................................... 95
6.2. KIẾN NGHỊ. ............................................................................................................... 95
CHƯƠNG VII: HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI ..................................... 97
7.1. Cấu trúc...................................................................................................................... 97
7.2. Mơ phỏng .................................................................................................................. 97
7.2.1. Các tiêu chí để mơ phỏng tĩnh. ............................................................................... 97
7.2.2. Phản ứng về động học. ........................................................................................... 97
7.2.3. Mô phỏng tĩnh. ........................................................................................................ 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 102


MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Thông số phay mặt và phay ngón ...................................................................... 41
Bảng 2.2. Thơng số phay đổ xuống. ................................................................................... 42
Bảng 2.3. Thống số thiết kế thân đỡ ................................................................................... 43
Bảng 2.4. Lực cắt dọc trục Y .............................................................................................. 44
Bảng 2.5. Lực cắt tác dọc trục X ........................................................................................ 45
Bảng 2.6. Các trường hợp lực dọc trục có thể xảy ra. ........................................................ 46
Bảng 2.7. Thơng số của vít-me bi đã chọn. ........................................................................ 48
Bảng 2.8. Tốn tốn bền ..................................................................................................... 48
Bảng 2.9. Bảng thơng số vật liệu. ....................................................................................... 49
Bảng 2.10. Ảnh hưởng của lực cắt lên cụm spindle. .......................................................... 51
Bảng 2.11. Thông số của phiên bản 1 khi chịu tác dụng của lực cắt ................................. 52
Bảng 2.12. Thông số của phiên bản 2 khi chịu tác dụng của lực cắt ................................. 54

Bảng 2.13. Thông số của phiên bản 2 khi chịu tác dụng của lực cắt ................................. 56
Bảng 2.14. Thông số của phiên bản 2 khi chịu tác dụng của lực cắt ................................. 58
Bảng 2.15. Bảng tổng kết thông số của các phiên bản ....................................................... 60
Bảng 2.16. Tần số dao động tự nhiên và các vị trí xảy ra dao động theo phần mềm Ansys
............................................................................................................................................ 64
Bảng 2.17. Mối quan hệ giữa chuyển vị, tần số dao động riêng và số vòng trên phút. ..... 66
Bảng 7.1. Thông số của phiên bản mới khi chịu tác dụng của lực cắt ............................... 98
Bảng 7.2. Thông số của phiên bản 4 và phiên bản tương lai ............................................. 99
Bảng 7.3. Tần số dao động riêng và biên độ dao động .................................................... 101


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CNC : Computer Numerical Control
NC : numerical control
EDM: Electrical Discharge Machining
FA: Flexible AutomationFMS : Flexible Manufacturing Systems
AGV: Autonomous Guided Vehicles
CMM : Coordinate Measurement Machines
CAI: Computer Aided Inspection
CAD: Computer Aided DesignCAPP : Computer Aided Process Planning
CAM : Computer Aided Manufacturing
LSI: Large-scale integrated
PMSMs: Permanent Magnet Synchronous Motors
LM : Linear Movement
MMI: Man Machine Interface
NCK: Numerical Control Kernel
PLC : Programmable Logic Control
PID: Proportional Integral Derivative
FIFO : First In, First Out
CPU: Central Processing Unit

RAM: Random Access Memory
ST: Structured TextFBD: Function Block Diagram
SFC: Sequential Function Charts
LD: Ladder Diagram
IL: Instruction List


PHẦN MỞ ĐẦU
1. TỔNG QUAN VỀ LÃNH VỰC NGHIÊN CỨU
1.1. Ngồi nước.
Máy gia cơng 5 trục được ứng dụng rất nhiều trong các ngành sản xuất, chế tạo máy,
chủ yếu là để gia công các bộ phận của máy bay, động cơ đốt trong, và các chi tiết máy cho
ngành ơ tơ. Hơn nữa, vì khả năng có thể điều khiển đồng thời nhiều trục chuyển động linh
hoạt của máy gia công 5 trục đạt hiệu suất cao nên máy đã và đang được khám phá và phát
triển cho rất nhiều ngành sản xuất khác như thiết bị công nghiệp nặng, khn mẫu, y sinh,
dầu khí, dệt may…
Dựa theo phân tích của Technavio, thị trường trung tâm gia cơng 5 trục tồn cầu được
dự đốn sẽ tăng trưởng với tốc độ ổn định và đạt tỷ lệ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR)
gần 7% trong giai đoạn dự báo. Nhu cầu ngày càng tăng đối với các máy đa lĩnh vực trên
toàn cầu sẽ thúc đẩy triển vọng tăng trưởng cho thị trường trung tâm gia công CNC 5 trục
cho đến cuối năm 2021. Thị trường đang chứng kiến sự thay đổi lớn từ các máy truyền
thống sang các trung tâm gia công CNC 5 trục, kết hợp tất cả các chu trình như phay, khoan,
vạt mặt và tiện trong một máy duy nhất để tăng năng suất và giảm thời gian gia công. Các
phương pháp gia công tiện ren ngồi, ren, ren trong, rãnh và móc lỗ là một số các chức
năng khác mà có thể được thực hiện trên tích hợp trên cả máy phay để giảm việc gá đặt chi
tiết nhiều lần. Với tính năng tích hợp các công cụ tiện, mà một lần nữa, sẽ thúc đẩy quá
trình chuyển đổi từ các máy truyền thống trong vài năm tới.
Về mặt địa lý, Châu Á - Thái Bình Dương (APAC) chiếm đa số thị phần trong năm
2016 và sẽ tiếp tục chiếm lĩnh thị trường trong bốn năm tới. Một trong những yếu tố chính
ảnh hướng đến sự tăng trưởng của thị trường trong khu vực này là sự phát triển cơng nghiệp

nhanh chóng ở các quốc gia như Trung Quốc, Ấn Độ, Hàn Quốc, Indonesia và Đài Loan.

1


Hình 1.1. Thị trường trung tâm gia cơng 5 trục toàn cầu (2017 - 2021)
Trong bối cảnh này, khả năng của gia công 5 trục trở nên hấp dẫn hơn bao giờ hết đối
với các doanh nghiệp vừa và nhỏ. Với mục đích mở rộng cho nhiều doanh nghiệp hơn trong
số đó tham gia vào thị trường 5 trục, các hãng sản xuất và chế tạo máy công cụ lớn có thể
kể đến như DMG Mori, Mazak, Hass Automation, Okuma… đều được phát triển và đưa ra
thị trường các trung tâm gia cơng 5 trục, đi kèm với nó là các giải pháp và phần mềm
CAD/CAM-CNC cho gia công 5 trục như Mastercam, BobCAD-CAM, Hypermill,
Powermill, Vericut…
1.2. Trong nước
Q trình cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa cũng nước ta khơng thể không kể đến sự
phát triển tất yếu của lãnh vực cơ khí chế tạo máy, mà nhiệm vụ đặt ra là nghiên cứu, thiết
kế và chế tạo những máy công cụ được điều khiển ngày càng linh hoạt và tối ưu, giúp tăng
năng suất và cải thiện độ chính xác phục vụ cho quá trình sản xuất.
Tuy nhiên, ngành cơ khí chế tạo máy trong đó có mảng chế tạo máy cơng cụ vốn có
ở Việt Nam với các sản phẩm hầu hết lại là máy vạn năng phổ thơng và có cấu trúc truyền
thống. Sự đổi mới cơng nghệ khơng có nghĩa là đi mua cơng nghệ, điển hình như việc
nhập khẩu máy cơng cụ CNC cũng gây bất cập trong một số trường hợp như: giá cao, bảo
trì - bảo dưỡng phức tạp, khơng chủ động, khó phát huy kinh tế nội sinh, không nhập
được các máy phục vụ quốc phịng… Vì những lý do đó, việc phải làm chủ công nghệ và
nghiên cứu phát triển các đề tài về máy công cụ CNC 5 trục là cấp thiết.
2. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
2


Các sản phẩm công nghệ và cuộc sống hằng ngày đang ngày càng phong phú và đa

dạng, những yêu cầu về vật liệu, độ phức tạp cũng như độ chính xác và thẩm mỹ ngày càng
được cải thiện. Để thõa mãn những nhu cầu trên, yêu cầu phải nghiên cứu, thiết kế, chế tạo
một loại máy cơng cụ có chuyển động phức tạp giữa các trục cần ra đời.
Những máy công cụ phổ biến hiện nay chủ yếu hoạt động dựa trên sự nội suy của 3
trục x, y và z. Điều đó làm giới hạn khả năng gia cơng đối với những chi tiết phức tạp. Để
giải quyết vấn đề đó, việc đầu tư cho máy cơng cụ 5 trục là cần thiết. Tuy nhiên, giá thành
cao là vướng ngại lớn nhất cho các doanh nghiệp. Vì những lí do đó, nhóm tác giả đã nghiên
cứu, thiết kế và chế tạo thành cơng mơ hình máy phay CNC 5 trục đầu - đầu kết cấu khung
H. Sản phẩm này được cải tiến từ mơ hình máy 3 trục cũ.
3. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
 Hồn thiện một mơ hình máy phay CNC 5 trục.
 Máy có giá thành hợp lí.
 Công nghệ gia công 5 trục đồng thời.
4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
4.1. Đối tượng nghiên cứu
 5-axis machining options through CAD / CAM-CNC technology.
 Công nghệ gia công 5 trục thông máy CAD/CAM-CNC
 Optimization of the toolpath creates 3D surfaces.
 Tối ưu hóa đường chạy dao để tạo bề mặt 3D
4.2. Phạm vi nghiên cứu
 Chế tạo thành cơng mơ hình và kiểm tra chất lượng sản phẩm để đánh giá mục tiêu
ba đầu.
 Mơ hình được phát triển thông qua việc kế thừa phiên bản máy 3 trục x,y,z và phát
triển thêm 2 cụm trục xoay B-C.

.

5. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
5.1. Cách tiếp cận
 Một mơ hình máy được xây dựng dựa trên cơ sở kế thừa thiết kế máy phay gỗ CNC

5 trục, mơ hình thực tế 3 trục và cải tiến các khuyết điểm trong thiết kế đã được công
bố.
3


 Tối ưu hóa thiết kế mơ hình đã được xây dựng theo hàm mục tiêu đề ra.

Hình 1.2. Mơ hình máy thực tế ban đầu
5.2. Phương pháp nghiên cứu
 Phương pháp nghiên cứu, tham khảo lý thuyết
 Phương pháp kế thừa các cơng trình nghiên cứu đã thực hiện.
 Phương pháp kiểm tra, đánh giá.
 Phương pháp thực nghiệm.
 Tính tốn, thiết kế máy trên các phần mềm CAD/CAE.
 Lập trình, mơ phỏng gia cơng trên các phần mềm CAD/CAM/CNC/CAE

4


CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT
1.1. ĐIỀU KHIỂN SỐ, LÝ THUYẾT MÁY VÀ CÁC CÔNG CỤ CNC
1.1.1. Giới thiệu.
Máy điều khiển số (NC machine), một sản phẩm điển hình của ngành cơ điện tử, là
sự kết hợp của ngành cơ khí là một máy cơng cụ và ngành điện là hệ thống điều khiển số.
Máy cơng cụ có thể hiểu là một máy có khả năng chế tạo ra các máy khác. Sự cải
tiến công nghệ từ máy công cụ thủ cơng sang máy cơng cụ NC, độ chính xác và tốc độ gia
công đã được cải thiện rõ rệt.
Khi tiến hành phát triển máy NC, mục đích của nó là để gia cơng các chi tiết có biên
dạng phức tạp một cách chính xác. Vì thế, bộ điều khiển số được dùng chủ yếu cho máy
phay và máy doa. Tuy nhiên, việc ứng dụng NC đã dần trở nên phổ biến để làm tăng năng

suất nên nhiều loại máy NC được phát triển như máy tiện, trung tâm gia công, máy
khoan/tarô… Đặc biệt, ứng dụng của NC được mở rộng cho các máy công cụ không
truyền thống như máy cắt dây EDM, máy cắt laser, máy in 3D… v.v.
Vì vậy, việc tự động hóa nhà máy cũng được tiến hành, công nghệ máy NC cho
phép xây dựng FA (Flexible Automation - Tự động hóa linh hoạt) hay FMS (Flexible
Manufacturing Systems - Hệ thống sản xuất linh hoạt) bằng cách kết nối các máy với thiết
bị sản xuất như robot, AGV (Autonomous Guided Vehicles - Xe tự hành), nhà kho hay
máy tính được tự động hóa. Hệ thống NC được sử dụng không chỉ cho máy công cụ mà
tất cả các máy cần chuyển động bởi hệ thống servo, như là máy cắt gọt, khí cụ vẽ, máy
gia cơng gỗ, CMM (Coordinate Measurement Machines - Máy đo tọa độ) và máy thêu
dệt, và NC là công nghệ cơ bản cho tự động hóa nhà máy
1.1.2. Hệ thống dẫn động CNC.
Hệ thống mà biến đổi các lệnh từ NC đến chuyển động của máy được thể hiện ở Hình
1.1a. Hình 1.1b mô tả cơ cấu dẫn động bằng servo bao gồm một động cơ servo và một thiết
bị truyền công suất. Servo, có từ gốc theo Latin là “servue”, là thiết bị thực hiện chính xác
với lệnh được đưa ra. Lệnh từ NC làm cho động cơ servo quay, chuyển động quay của servo
được truyền đến vít-me bi thơng qua một khớp nối, sự quay của vít-me bi được biến đổi
thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc bi, và cuối cùng bàn máy với chi tiết di chuyển tuyến
tính. Tóm lại, cơ cấu dẫn động bằng servo điều khiển vận tốc và mômen xoắn của bàn máy
thông qua thiết bị driver cho servo của từng trục dựa trên các lệnh vận tốc từ NC. Gần đây,
5


PMSMs (Permanent Magnet Synchronous Motors - Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu)
được sử dụng như là động cơ servo trong máy công cụ.

(a) Cơ cấu dẫn động bằng servo (b) Cơ cấu dẫn động bằng trục chính
Hình 1.3. Cơ cấu dẫn động của máy cơng cụ
Hình 1.3b mơ tả đơn vị trục chính bao gồm một động cơ trục chính và thiết bị truyền
cơng suất. Sự quay của động cơ trục chính được truyền đến thân trục chính thông qua một

đai và tỷ lệ vận tốc phụ thuộc vào tỷ lệ của kích cỡ puly giữa động cơ và thân trục chính.
Gần đây, động cơ cảm ứng được sử dụng rộng rãi để làm động cơ trục chính cho máy cơng
cụ, vì động cơ cảm ứng khơng có chổi than, tốt hơn động cơ DC về kích thước, trọng lượng,
quán tính, hiệu suất, tốc độ tối đa, và việc bảo trì.
Một vài máy cơng cụ sử dụng bánh răng để truyền cơng suất thay vì dùng đai. Tuy
nhiên, truyền công suất bởi bánh răng không phù hợp cho gia công cao tốc. Gần đây, một
bộ truyền trực tiếp, mà động cơ trục chính và thân trục chính (đầu máy) được kết nối trực
tiếp với một thiết bị truyền công suất, được dùng để quay tốc độ cao hơn 10.000
vịng/phút.
1.1.2.1. Phần dẫn hướng di chuyển tuyến tính (Linear Movement Guide)
Một vít-me bi được sử dụng để di chuyển vị trí dụng cụ
cắt hay bàn máy và đóng vai trị thay đổi chuyển động
quay của động cơ servo thành di chuyển tuyến tính. Một
phần dẫn hướng di chuyển tuyến tính (Linear Movement
- LM) được sử dụng để làm tăng độ chính xác và sự mượt
mà của di chuyển tuyến tính.
6


Hình 1.4. Các phần dẫn hướng di chuyển tuyến tính
1.1.2.2. Khớp nối (Coupling)
Khớp nối mềm (Flexible coupling) thường được sử
dụng trong các bộ phận máy, là một chi tiết máy kết nối
trục động cơ servo với vít-me bi. Khi vít-me bi và động
cơ servo được liên kết, các trục của chúng nên đồng tâm
nhau. Tuy nhiên, trong thực tế, điều này rất khó đạt
được. Vì lý do này, một khớp nối nên được thiết kế để
không bị ảnh hưởng bởi sự lệch tâm quay. Khớp nối
mềm được thể hiện ở Hình 1.5 đáp ứng được yêu cầu đề cập ở trên và làm cho việc kết
nối động cơ servo và vít-me bi trở nên dễ dàng.

1.1.3. Vịng điều khiển CNC (CNC Control Loop)
Hệ thống vịng hở và kín mơ tả 2 loại cơ bản của hệ thống điều khiển CNC. Vịng
kín và mở mơ tả qui trình điều khiển của hệ thống. Vòng mở thiên về hệ thống mà ở đó sự
giao tiếp giữa hệ thống điều khiển và động cơ là 1 chiều.
Khác với vịng điều khiển kín, vịng điều khiển mở khơng có khả năng hồi tiếp.
Vịng mở có thể ứng dụng trong trường hợp khi đồ chính xác điều khiển là không cao và
động cơ bước được dùng khi đó. Vì vịng điều khiển hở khơng cần bộ dò và mạch hồi tiếp
cho nên cấu trúc khá đơn giản. Thêm vào đó, độ chính xác của hệ thống dẫn động trực
tiếp tác động lên độ chính xác thơng qua động cơ bước, vít-me bi và hệ thống truyền
động.

7


Động cơ bước thì có khả năng khởi động 1 hệ thống vịng hở trong khi động cơ
servo thì khơng thể, ít nhất là trong ứng dụng CNC. Bởi vì động cơ bước không yêu cầu
phần cứng hồi tiếp, giá thành cho 1 hệ thống vòng hở cũng rẻ hơn đáng kể để xây dựng 1
máy CNC 5 trục.
1.1.4. Các thành phần của hệ thống CNC
Hệ thống CNC bao gồm ba đơn vị; đơn vị NC cung cấp giao diện người dùng và thực
hiện điều khiển vị trí, đơn vị động cơ và đơn vị driver. Theo nghĩa hẹp, chỉ có đơn vị NC
được gọi là hệ thống CNC. Phần nội dung này chỉ tập trung vào cấu tạo và chức năng của
NC và không bao gồm đơn vị động cơ và driver.

Hình 1.5. Cấu trúc của CNC
Xét về quan điểm chức năng, hệ thống CNC bao gồm bộ MMI, bộ NCK và bộ PLC,
Hình 1.12. Bộ MMI (Man Machine Interface - Giao diện người và máy) cung cấp giao
diện giữa NC và người dùng, thực thi các lệnh vận hành máy, hiển thị trạng thái máy, và
cung cấp các chức năng để chỉnh sửa chương trình gia cơng và giao tiếp. Bộ NCK
(Numerical Control Kernel - Điều khiển số Kernel), là bộ phận cốt lõi của hệ thống CNC,

biên dịch chương trình gia cơng và thực thi việc nội suy, điều khiển vị trí, và bù trừ lỗi sai
dựa trên chương trình gia cơng đã được biên dịch. Cuối cùng, bộ này điều khiển hệ thống
servo và làm cho chi tiết được gia công. PLC (Programmable Logic Control - Điều khiển
logic khả trình) điều khiển tuần tự việc thay dao, tốc độ trục chính, thay phơi, xử lý tín
hiệu vào/ra và đóng vai trị điều khiển hành vi của máy ngoại trừ điều khiển servo.

8


1.2. THIẾT KẾ KẾT CẤU 3 TRỤC ĐƠN GIẢN
1.2.1. Cơ sở tính tốn thiết kế.

Hình 1.6. Sơ đồ thiết kế 3 trục cơ bản.
1.2.1.1. Phương pháp gia công phay.
Phay là một phương pháp gia công mà vật liệu sẽ được cắt gọt bởi một dụng cụ cắt
xoay quanh trục tâm của nó, phương pháp này khác với khoan ngồi việc di chuyển tịnh
tiến dọc theo trục tâm của dao, dao phay cũng có thể di chuyển vng góc với trục tâm.

9


(a) Phay mặt

(b) Phay ngón

(c) Phay đổ xuống

Hình 1.7. Phương pháp phay cơ bản
a. Phay mặt - Phay ngón (Face milling - End milling)
 Công suất khi phay mặt - phay ngón: 𝑃𝑒 = 𝜅𝑃 . 𝐶. 𝑄. 𝑊 (kW) (1.1)

Trong đó,

𝜅𝑃 : Hằng số cơng suất cắt riêng (kW/cm3/s).

𝐶: Hệ số chạy dao ứng với hằng số công suất cắt riêng.
𝑄: Lượng cắt gọt vật liệu (cm3/s).

𝑊: Hệ số hao mòn dụng cụ cắt.

 Hiệu suất truyền: 𝐸 = 𝐸𝑏 2 (1.2)

Trong đó, 𝐸𝑏 : Hiệu suất của một cặp ổ bi.

 Công suất cần thiết để chọn động cơ trục chính: 𝑃𝑆 =
Trong đó, 𝐸: Hiệu suất truyền.

 Lực cắt tiếp tuyến: 𝐹𝑡 =

𝑃𝑒 ×60000
𝑉𝑐

Trong đó, 𝑉𝑐 : Vận tốc cắt (m/phút).

 Tốc độ quay trục chính: 𝑛 =

𝑃𝑒
𝐸

(kW) (1.3)

(N) (1.4)

𝑉𝑐 ×1000
𝜋×𝐷

(vịng/phút) (1.5)

10


 Lượng chạy dao / Bước tiến của bàn máy: 𝑣𝑓 = 𝑓𝑧 × 𝑧 × 𝑛 (mm/phút) (1.6)
Trong đó,

𝑓𝑧 : Lượng chạy dao răng (mm/răng).

𝑧: Số răng cắt của dụng cụ cắt.

 Lượng cắt gọt vật liệu: 𝑄 =
Trong đó,

𝑎𝑒 ×𝑎𝑝 ×𝑣𝑓
60×1000

(cm3 /s) (1.7)

𝑎𝑒 : Chiều sâu cắt hướng kính (mm).

𝑎𝑝 : Chiều sâu cắt hướng trục (mm).

b. Phay đổ xuống (Plunge milling)



Lực ép xuống: 𝐹𝑡ℎ = 0,05𝐾𝑑 . 𝐹𝑓 . 𝐹𝑇 . 𝐵. 𝑊 + 0,007𝐾𝑑 . 𝐷 2 . 𝐽. 𝑊 (N) (1.8)

Trong đó,

𝐾𝑑 : Hệ số vật liệu chi tiết.

𝐹𝑓 : Hệ số chạy dao.

𝐹𝑇 : Hệ số lực ép xuống ứng với đường kính mũi khoan.

𝐵: Hệ số lưỡi cắt ngang ứng với lực ép xuống.

𝑊: Hệ số hao mịn dụng cụ cắt.
𝐷: Đường kính mũi khoan (m).

𝐽: Hệ số lưỡi cắt ngang ứng với lực ép xuống.

 Mơmen xoắn: 𝑀 =
Trong đó,

𝐾𝑑 .𝐹𝑓 .𝐹𝑀 .𝐴.𝑊
40000

(N. m) (1.9)

𝐹𝑀 : Hệ số mômen xoắn ứng với đường kính mũi khoan.

𝐴: Hệ số lưỡi cắt ngang ứng với mômen xoắn.

11


 Cơng suất khi phay đổ xuống: 𝑃𝑝 =
Trong đó,

𝑀.𝑛

9950

(kW) (1.10)

𝑀: Mơmen xoắn (N.m).

𝑛: Tốc độ quay trục chính (vịng/phút).

 Cơng suất cần thiết để chọn động cơ trục chính: 𝑃𝑆 =

1.2.1.2. Lựa chọn động cơ trục chính (Spindle).

𝑃𝑝
𝐸

(kW) (1.11)

Dựa trên các điểm cần xem xét khi lựa chọn động cơ trục chính cho máy:
 Động cơ nên có tốc độ quay cao để cắt vật liệu dễ bể vụn như nhơm, gỗ…
 Nên được làm mát bằng khí thay vì bằng nước để tránh các hiện tượng hóa học xảy
ra khi gia công.
 Chiều sâu cắt và bề rộng phay nên được xác định.

 Lượng chạy dao.
 Đường kính của dụng cụ cắt.
Việc lựa chọn công suất của trục chính được dựa trên phương trình của lực tiếp tuyến
và dọc trục tác dụng lên chi tiết cần thiết để gia công. Trong phương pháp phay đứng, hai
loại lực tiếp tuyến và dọc trục xảy ra do nguyên công phay đơn giản và phay đổ xuống
tương ứng.
1.2.1.3. Thiết kế thân đỡ trục chính.
Thân đỡ được yêu cầu để giữ trục chính mà khi tất cả các lực cắt đang thực thi. Vì vậy
những điều sau đây được yêu cầu chọn lựa và thiết kế:
 Vật liệu của tấm đỡ.
 Số bulơng cần thiết để giữ thân đỡ và trục chính.
 Bước ren của bulông và tai bulông so với cường độ chịu lực (xé) (bề dày của tấm
đỡ).
 Đường kính của bulông.
 Vật liệu của bulông và đai ốc.

12


Tiêu chí thiết kế dựa trên nhiều loại lực tác dụng lên trục chính như được nghiên cứu
ở tài liệu [3] dành cho thiết kế bulơng mà được giải thích như sau:
Trường hợp 1: Khi cắt dọc trục Y (Tải tác động song song với trục bulơng)

Hình 1.8. Sơ đồ lực khi cắt dọc trục Y
 Lực quán tính: Fiy = masm1 . ay (N) (1.12)

 Hợp lực: Wy = Fiy + Py (N) (1.13)

Trong đó, masm1 : Khối lượng của Spindle và Bracket (kg).
ay : Gia tốc của động cơ trục Y (m/s2).

 Lực kéo trên mỗi Bu-long:

Fy ′ =

Trong đó, Nb : Số lượng bu-long

Wy
(N) (1.14)
Nb

 Khoảng cách từ hàng Bu-long thứ i đến cạnh lật: Lyi (m).

 Độ lệch tâm của lực Py: ey (m).

 Lực kéo trên mỗi Bu-long thứ i theo khuynh hướng lật của thân đỡ dưới tác dụng
của tải Py và độ lệch tâm:
13


Fyi ′′ =

Wy . ey . Lyi
(∑ Lv i )

2

 Hợp lực tác dụng lên mỗi Bu-long thứ i:

(N) (1.15)

Fyi = Fy ′ + Fyi ′′ (N) (1.16)

 Lực kéo lớn nhất Fymax được chọn từ phương trình (1.16).

 Ứng suất kéo cho phép:

[σt ] =

Trong đó,

σyt
(N/mm2 ) (1.17)
fs

σyt : Điểm tới hạn của ứng suất kéo Bu-long (N/mm2).
fs: Hệ số an tồn

 Ứng suất kéo tính tốn:
Wmtb
(N/mm2 )(1.18)
σcal = π
2
.d
4 c

Trong đó, dc : Đường kính chân ren (mm).

 Khi điều kiện σcal ≤ [σt ] thõa mãn, Đường kính ngồi bu-lơng là:
dbolt =

dc
(mm) (1.19)
0.8

Trường hợp 2: Khi cắt dọc trục X (Tải tác động lên mặt phẳng chứa bulông)

14


Hình 1.9. Sơ đồ lực tác dụng theo phương x.
 Lực quán tính: Fix = masm1 . ax (N) (1.20)
Trong đó,

masm1 : Khối lượng của Spindle và Bracket (kg).
ax : Gia tốc của motor trục x (m/s2).

 Hợp lực: Wx = Fix + Px (N) (1.21)

 Lực cắt trên mỗi bu-lơng thứ i:

Fxi ′ =

Trong đó, Nb : Số lượng Bu-long.

Wx
(N) (1.22)
Nb

 Mô-men xoắn tạo bởi Wx và độ lệch tâm: Mex = Wx . ex (N. m) (1.23)

Trong đó, ex : Độ lệch tâm của Wx(m).

 Khoảng cách của khối tâm G đén Bu-lông thứ i: Lxi (m).
 Lực cắt thứ cấp trên mỗi bu-lông thứ i:

15


Fxi ′′ =

Mex . Lxi
(N) (1.24)
(∑ Lxi )2

 Góc giữa lực cắt sơ cấp và thứ cấp (bu-lông) 1 và 3:
α = 90° + θ (1.25)

Trong đó, θ: Góc giữa Lxi và phương ngang

 Góc giữa lực cắt sơ cấp và thứ cấp (bu-lông) 2 và 4:
β = 90° − θ (1.26)

 Hợp lực cắt (trượt) tại bu-lông 1 và 3:
2

2

Fx1,3 = √Fx1,3 ′ + Fx1,3 ′′ + 2. Fx1,3 ′ . Fx1,3 ′′ . cos α (N) (1.27)

 Hợp lực cắt (trượt) tại bu-lông 2 và 4:

2

2

Fx2,4 = √Fx2,4 ′ + Fx2,4 ′′ + 2. Fx2,4 ′ . Fx2,4 ′′ . cos β (N) (1.28)

 Lực cắt lớn nhất sẽ được chọn từ phương trình (1.27) và (1.28).

 Giới hạn bền cắt của vật liệu bu-lông:
σyt
(N/mm2 ) (1.29)
τys =
2
Trong đó, σyt : Giới hạn bền kéo của vật liệu bu-lông (N/mm2).
 Ứng suất cắt cho phép:

[τ s ] =

Trong đó, fs: Hệ số an tồn.

 Ứng suất cắt tính tốn:

τys
(N/mm2 ) (1.30)
fs

RS
(N/m2 ) (1.31)
τcal = π
2

.d
4 c

Trong đó, dc : Đường kính chân ren (mm).

 Khi điều kiênh τcal ≤ [τs ] thỏa mãn, đường kính thân bu-lơng là:
dbolt =

dc
(mm) (1.32)
0.8

Trường hợp 3. Khi cắt dọc trục Z thẳng đứng hướng xuống
16


(Tải cắt tác động vng góc với bulơng của thân đỡ)

Hình 1.10. Sơ đồ lực tác dụng theo phương Z.
 Lực quán tính: Fiz = masm1 . (az + g) (N) (1.33)
Trong đó,

masm1 : Khối lượng của cụm lắp trục Z-B-C (kg).
az : Gia tốc động cơ trục Z (m/s2).
g: Gia tốc trọng trường (m/s2).

 Hợp lực: Wz = Fiz + Pz (N) (1.34)

 Lực cắt (trượt) trực tiếp lên mỗi bu-lông:
Wds =

Wz
(N) (1.35)
Nb

 Khoảng cách từ hàng bu-lông thứ I đến cạnh lật: Lzi (m).
17