Thiết kế và chế tạo máy phay CNC

1
LỜI NÓI ĐẦU
Trong công cuộc đổi mới đất nước, với mục tiêu chiến lược Công nghiệp
hóa - hiện đại hóa đất nước, nhằm đưa nền kinh tế phát triển với tốc độ cao nhằm
sánh vai cùng với các quốc gia phát triển trên thế giới, trong đó lĩnh vực tự động
hóa đóng vai trò rất quan trọng.
Cơ - Điện tử là ngành khoa học tổng hợp liên ngành của cơ khí chính xác,
điện tử, điều khiển và tư duy hệ thống trong thiết kế và phát triển sản phẩm. Đây
là ngành rất quan trọng và không thể thiếu trong sự phát triển của khoa học kỹ
thuật hiện đại.
Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ điều khiển kỹ thuật số và điều khiển
bằng máy tính vào trong các lĩnh vực công nghiệp đang trở nên ngày càng phổ
biến đặc biệt là việc ứng dụng các máy CNC. Điều này dẫn đến việc nghiên cứu,
thiết kế và chế tạo các máy điều khiển số là một điều tất yếu trong công cuộc
công nghệp hóa hiện đại hóa đất nước.
Theo xu hướng đó, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công máy
CNC là một việc vô cùng cấp thiết, để từ đó có thể thực hiện cải tiến các máy
công cụ truyền thống vẫn còn đang tồn tại ở một số cơ sở sản xuất trở thành máy
CNC với một giá thành chấp nhận được trong điều kiện nền công nghiệp còn non
kém như ở nước ta.
Hơn nữa, những công trình nghiên cứu như thế này còn cho phép ta nắm bắt
được những công nghệ đang được sử dụng trong những máy CNC do các tập
đoàn công nghiệp hàng đầu thế giới sản xuất; để từ đó có thể làm chủ được
những chiếc máy này một cách toàn diện hơn.
Từ những cơ sở trên, chúng em quyết định chọn mô hình máy phay CNC
(2D) làm đề tài nghiên cứu.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô và bạn bè đã rất
nhiệt tình giúp đỡ để em sớm hoàn thành đề tài này.
Nha Trang, tháng 6 năm 2011
Sinh viên thực hiện:
Trương Đình Luân

2
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 1
MỤC LỤC 2
DANH MỤC CÁC HÌNH 4
CHƯƠNG 1 8
TỔNG QUAN MÁY CNC 8
1.1.GIỚI THIỆU CHUNG 9
1.2. HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA MÁY CNC 9
1.3. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI MÁY CNC ĐANG DÙNG TRONG CÔNG
NGHIỆP HIỆN NAY 10
1.3.1. Máy khoan CNC (Drilling Machine) 10
1.3.2. Máy phay CNC (Milling Machine) 11
1.3.3. Máy tiện CNC (Turning Machine) 11
1.3.4. Máy doa CNC (Boring Machine) 12
1.3.5. Máy mài CNC (Grinding Machine) 13
CHƯƠNG 2 14
PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 14
2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 15
2.2. CÁC KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY
CNC 16
2.2.1. Các khái niệm máy CNC 16
2.2.1.1. Định nghĩa máy và trục máy 16
2.2.2.2. Cấu trúc hệ trục máy CNC 16
2.2.2.3. Tọa độ quy chiếu 18
2.2.2. Phân loại hệ thống điều khiển máy CNC 18
2.2.2.1. Phân loại theo dạng điều khiển 18
2.2.2.2. Phân loại theo cấu trúc điều khiển 20
2.2.2.3. Phân loại theo kiểu điều khiển 20
2.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 22

2.3.1. Các phương án thiết kế 22
2.3.1.1. Phương án 1: 22
2.3.1.2. Phương án 2: 23
2.3.1.3. Phương án 3: 25
2.3.1.4. Kết luận 26
2.3.2. Phân tích, lựa chọn động cơ và trục vít me 26
3
2.3.2.1. Động cơ dẫn động hai trục chính X, Y và trục Z 26
2.3.2.2. Động cơ phay 27
2.3.2.3. Bộ truyền, biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến 28
2.3.3. Thiết kế, chế tạo phần cơ khí 29
2.3.3.1. Vật liệu chế tạo máy phay CNC 29
2.3.3.2. Thiết kế, chế tạo máy phay CNC 33
2.3.3.3. Khái niệm và tính toán, thiết kế bộ truyền trục vít – đai ốc 39
2.3.4. Thiết kế, chế tạo phần điều khiển 44
2.3.4.1. Động cơ bước (stepping motor) 44
2.3.4.2. Giới thiệu về Vi điều khiển AVR 52
2.3.4.3. Truyền thông : 62
2.3.4.4. Sơ lược các linh kiện dùng trong mạch 65
2.3.4.5. Sơ đồ nguyên lý động cơ bước 67
2.3.4.6. Thiết kế mạch. 68
2.3.5. Lưu đồ giải thuật 76
CHƯƠNG 3 82
THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 82
3.1. THỰC NGHIỆM KIỂM TRA KẾT CẤU CƠ KHÍ MÁY PHAY CNC 83
3.2. THỰC NGHIỆM KIỂM TRA ĐỘNG CƠ 87
3.3. KIỂM TRA NGUỒN 87
3.4. KIỂM TRA MẠCH ĐIỀU KHIỂN, CÔNG TẮC HÀNH TRÌNH 88
3.5. THỰC NGHIỆM KIỂM TRA CHƯƠNG TRÌNH 88
3.6. THỰC NGHIỆM SẢN PHẨM: 89

CHƯƠNG 4 91
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 91
4.1. KẾT LUẬN 92
4.2. ĐỀ XUẤT 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO 93
PHỤ LỤC 94
4
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Máy khoan CNC 10
Hình 1.2. Máy phay CNC 11
Hình 1.3. Máy tiện CNC 12
Hình 1.4. Máy doa ngang CNC 13
Hình 1.5. Máy mài đứng CNC 13
Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát 15
Hình 2.2. Quy tắc bàn tay phải 16
Hình 2.3. Hệ tọa độ Descartes. 17
Hình 2.4. Ví dụ về việc xác định chiều dương cho các trục quay 17
Hình 2.5. Hai phương án chuyển động dụng cụ song song trục của hệ tọa độ 19
Hình 2.6. Phương án chuyển động dụng cụ nghiêng góc 45 19
Hình 2.7. Phương án chuyển động dụng cụ theo đường thẳng 19
Hình 2.8. Sơ đồ khối hệ điều khiển hở dùng động cơ bước 21
Hình 2.9. Sơ đồ khối hệ điều khiển kín 22
Hình 2.10. Mô hình thiết kế 1 máy phay CNC 22
Hình 2.11. Mô hình thiết kế 2 máy phay CNC 23
Hình 2.12. Cơ cấu trượt(làm bằng phôi nhựa) 24
Hình 2.13. Mô hình thiết kế 3 máy phay CNC. 25
Hình 2.14. Một số loại động cơ bước kiểu lai. 26
Hình 2.15. Một số loại động một chiều DC 26
Hình 2.16. Một số loại trục vít_đai ốc 28
Hình 2.17. Kết cấu vít me – đai ốc bi chuyên dùng cho máy CNC 28

Hình 2.18. Thép hình hộp 30
Hình 2.19. Thép ống 30
Hình 2.20. Thép V 30
Hình 2.21. que hàn 31
Hình 2.22. Các loại bulông – đai ốc 31
Hình 2.23. Kết cấu ổ lăn 32
Hình 2.24. Một số loại ổ lăn 32
Hình 2.25. Bản vẽ chế tạo của khung dưới máy phay CNC 33
Hình 2.26. Khung dưới máy phay cnc vẽ bằng solidworks 33
Hình 2.27. Bản vẽ chế tạo của khung trên máy phay CNC 34
Hình 2.28. Khung trên máy phay cnc vẽ bằng solidworks 34
Hình 2.29. Bản vẽ chế tạo của khung tịnh tiến theo trục Y máy phay CNC 35
5
Hình 2.30. Bản vẽ thép ống dẫn hướng 35
Hình 2.31. Cơ cấu trượt 35
Hình 2.32. Cơ cấu kẹp 36
Hình 2.33. Cơ cấu giữ 36
Hình 2.34. Cơ cấu trượt, kẹp, trục ống dẫn động trục chính 37
Hình 2.35. Cơ cấu cố định động cơ 37
Hình 2.36. Cơ cấu giữ ổ lăn trục vít 37
Hình 2.37. Khớp nối 38
Hình 2.38. Cơ cấu dẫn động động cơ phay tịnh tiến theo trục Z 38
Hình 2.39. Hình chiếu về trường công tác của máy phay CNC 39
Hình 2.40. Trường công tác của máy phay CNC 39
Hình 2.41. Bộ truyền trục vít_đai ốc 40
Hình 2.42. Trục vít ren hình thang 40
Hình 2.43. Trục vít ren hình chữ nhật 40
Hình 2.44. Trục vít ren hình răng cưa 41
Hình 2.45. Bộ truyền trục vít_đai ốc bi 41
Hình 2.46. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu 45

Hình 2.47. Sơ đồ cấu trúc động cơ bước nam châm vĩnh cửu 2 pha 46
Hình 2.48. Động cơ bước biến từ trở ba pha, bốn cặp cực 46
Hình 2.49. Cấu trúc trong động cơ lai 48
Hình 2.50. Cách quấn dây trong động cơ lai. 48
Hình 2.51. Kết cấu thực tế của động cơ lai 49
Hình 2.52. Đồ thị quan hệ giữa momen – tần số bước 50
Hình 2.53. Giản đồ thời gian – điều khiển động cơ bước. 52
Hình 2.54: Cấu trúc bộ nhớ của AVR 53
Hình 2.55: Thanh ghi 8 bit
53
Hình 2.56: Register file 54
Hình 2.57. Cấu trúc bên trong của AVR 55
Hình 2.58: Cấu trúc chân trong PORT của Vi điều khiển AVR 56
Hình 2.59: Thanh ghi DDRA 56
Hình 2.60: Thanh ghi PORTA 57
Hình 2.61: Thanh ghi PINA 57
Hình 2.62: Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 8bit 57
Hình 2.63: Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 16 bit 58
Hình 2.64: Thanh ghi TCCR0 58
Hình 2.65: Thanh ghi TCNT0 59
6
Hình 2.66: Thanh ghi 0CR0 59
Hình 2.67: Thanh ghi mặt nạ ngắt 59
Hình 2.68: Thanh ghi cờ ngắt 60
Hình 2.69: Sơ đồ thời gian của chế độ so sánh 60
Hình 2.70: Sơ đồ chân của ATMEGA 32 61
Hình 2.71: Hình dạng bên ngoài của ATMEGA32 62
Hình 2.72. Tín hiệu tương đương của UART và RS232 62
Hình 2.73. Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp 63
Hinh 2.74. Cấu tạo và hình dáng của Diode bán dẫn 65

Hình 2.75. Ký hiệu của Transistor 66
Hình 2. 76. Transistor 66
Hình 2.77. Linh kiện Opto 66
Hình 2.78: Linh kiện IRF540 67
Hình 2.79. Rơle 8 chân 67
Hình 2.80. Sơ đồ nối dây trong động cơ bước đơn cực 2 pha 67
Hình 2.81. Nguồn máy tính 68
Hình 2.82. Nguồn nối giữa nguồn máy tính với vi điều khiển 69
Hình 2.83. Nguồn nối giữa nguồn máy tính với mạch công suất 69
Hình 2.84. Sơ đồ mạch vi điều khiển và các header kết nối 70
Hình 2.85. Sơ đồ mạch Max232 71
Hình 2.86. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước 1(trục X) 71
Hình 2.87. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước 2(trục Y) 72
Hình 2.88. Sơ đồ mạch điều khiển động theo trục Z 73
Hình 2.89. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ phay 73
Hình 2.90. Mạch kết nối công tắc hành trình 74
Hình 2.91. Sơ đồ mạch layout 74
Hình 2.92. Mạch điều khiển 75
Hình 2.93. Khối nguồn và mạch điều khiển 75
Hình 2.94. Lưu đồ giải thuật điều khiển động cơ bước 76
Hình 2.95. Lưu đồ giải thuật vẽ đường thẳng 77
Hình 2.96. Lưu đồ giải thuật vẽ đường tròn 78
Hình 2.97. Cách vẽ hình tròn 79
Hình 2.98. Lưu đồ giải thuật chương trình VB 80
Hình 2.99. Lưu đồ giải thuật vi điều khiển atmega32 81
Hình 3.1. Hình ảnh máy phay CNC 83
Hình 3.2. Cơ cấu trượt 83
7
Hình 3.3. Cơ cấu trục vít – đai ốc 84
Hình 3.4. Ổ lăn của trục vít 84

Hình 3.5. Khớp nối động cơ 85
Hình 3.6. Cơ cấu giữ. 85
Hình 3.7. Cơ cấu cố định động cơ 86
Hình 3.8. Động cơ phay 86
Hình 3.9. Kiểm tra nguồn cho vi điều khiển 87
Hình 3.10. Giao diện VB 88
Hình 3.11. Hình cần gia công sản phẩm 89
Hình 3.12. Sản phẩm sau khi gia công 90
8
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN MÁY CNC
9
1.1.GIỚI THIỆU CHUNG
Máy CNC – (CNC) là từ viết tắt cho Computer Numerical Control (điều
khiển bằng máy tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc
khác với mục đích sản xuất (có tính lập lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu
khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng kí hiệu chuyên biệt
theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G. CNC được phát triển vào
khoảng đầu những năm 1950 ở phòng thí nghiệm Servomechanism của Học viện
kĩ thuật Massachusetts Institute of Technology gọi tắt là M.I.T học viện
nghiên cứu và giáo dục ở thành phố Cambridge, Massachusetts Hoa Kỳ và đã
nhanh chóng ứng dụng vào việc chế tạo máy móc.
Máy CNC xuất hiện đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp. Việc
tiến hành tiện các đường cong, hình phức tạp được thực hiện dễ dàng như đường
thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn
các thao tác do con người thực hiện được giảm thiểu.
Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự
phát triển đáng kể về chính xác và chất lượng. Kĩ thuật tự động của máy tiện
CNC giảm thiểu tối đa các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các
công việc khác. Ngoài ra còn cho phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và

thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác.
Trong môi trường sản xuất các máy CNC có thể kết hợp thành một tổ hợp gọi
là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận. Máy CNC ngày nay được
điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM (computer - aided design).
Có thể nói máy CNC gần giống nhất với hệ thống robot công nghiệp, tức là
chúng được thiết kế để thực hiện nhiều thao tác sản xuất.
1.2. HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA MÁY CNC
Hiệu quả kinh tế do máy CNC đem lại có thể chỉ ra ở các khía cạnh dưới đây:
 Tự động hóa sản xuất:
Máy CNC không chỉ quan trọng trong ngành cơ khí mà còn trong nhiều
ngành khác như may mặc, giày dép, điện tử v.v. Bất cứ máy CNC nào cũng cải
thiện trình độ tự động hóa của doanh nghiệp: người vận hành ít, thậm chí không
còn phải can thiệp vào hoạt động của máy. Sau khi nạp chương trình gia công,
nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, và như vậy giải
phóng nhân lực cho công việc khác. Thứ nữa, ít xảy ra hỏng hóc do lỗi vận hành,
thời gian gia công được dự báo chính xác, người vận hành không đòi hỏi phải có
kỹ năng thao tác (chân tay) cao như điều khiển máy công cụ truyền thống.
10
 Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm:
Các máy CNC thế hệ mới cho phép gia công các sản phẩm có độ chính xác
và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được. Một khi
chương trình gia công đã được kiểm tra và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo cho
“ra lò” hàng loạt sản phẩm phẩm với chất lượng đồng nhất. Đây là yếu tố vô
cùng quan trọng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn.
 Linh hoạt:
Chế tạo một chi tiết mới trên máy CNC đồng nghĩa với nạp cho máy một
chương trình gia công mới. Được kết nối với các phần mềm CAD/CAM, công
nghệ CNC trở nên vô cùng linh hoạt giúp các doanh nghiệp thích ứng với các
thay đổi nhanh chóng và liên tục về mẫu mã và chủng loại sản phẩm của khách
hàng.

1.3. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI MÁY CNC ĐANG DÙNG TRONG
CÔNG NGHIỆP HIỆN NAY
1.3.1. Máy khoan CNC (Drilling Machine).
Đặc điểm chính của máy khoan CNC là hệ tọa độ máy hình thành trên cơ sở
hệ tọa độ Descartes vuông góc theo quy tắc bàn tay phải với ba trục vuông góc
nhau đôi một.
Hình 1.1. Máy khoan CNC
11
1.3.2. Máy phay CNC (Milling Machine)
Đặc điểm chính của máy phay CNC là hệ tọa độ máy cũng được hình thành
trên cơ sở hệ tọa độ Descartes vuông góc theo quy tắc bàn tay phải với ba trục
vuông góc nhau đôi một như máy khoan CNC. Máy phay CNC có thể có nhiều
trục máy (trục chuyển động), số trục ít nhất của máy phay CNC là 2
2
1
D. Máy
phay CNC được trang bị hệ thống lưu trữ dụng cụ, thiết bị thay dụng cụ, cơ cấu
kẹp, tháo phôi và thay phôi tự động. Máy phay CNC có cấu trúc trục chính bố trí
thẳng đứng được gọi là máy phay đứng. Máy phay CNC có cấu trúc trục chính
bố trí nằm ngang được gọi là máy phay nằm ngang.
Hình 1.2. Máy phay CNC
1.3.3. Máy tiện CNC (Turning Machine)
Cấu trúc cơ bản của máy tiện CNC là trục chính thường được bố trí nằm
ngang hoặc thẳng đứng, bàn máy có thể bố trí trên mặt phẳng ngang hoặc trên
mặt phẳng nghiêng. Phôi được kẹp bằng mâm cặp hoặc được đặt trên hai đầu
chống tâm mà một trong hai đầu có khía nhám để truyền momen xoắn.
12
Máy tiện CNC có thể có nhiều trục chính, nhiều bàn xe dao và đầu revonver;
nó có khả năng công nghệ rất rộng như: tiện trơn, tiện ren, khoan, khoét, doa,
khoan tâm, cắt đứt, tiện mặt đầu, phay…

Hình 1.3. Máy tiện CNC
1.3.4. Máy doa CNC (Boring Machine)
Trục chính máy doa CNC thường được bố trí nằm ngang hoặc thẳng đứng,
tuy nhiên, khi nghiên cứu đặc trưng công nghệ thực hiện trên máy doa, người ta
nhận thấy cấu trúc máy doa hợp lý nhất là trục chính nằm ngang.
Đặc điểm của công nghệ doa đòi hỏi máy doa CNC phải có độ chính xác vị
trí cao. Ngoài ra hệ điều khiển máy còn phải có khả năng tự động lựa chọn chế
độ gia công phù hợp với vật liệu dao và vật liệu phôi, phải có khả năng tự động
xác định lượng mòn dụng cụ để thực hiện hiệu chỉnh ngay trong lúc đang gia
công và máy còn phải được trang bị phần mềm đồ họa đủ mạnh để mô phỏng quá
trình gia công chi tiết trên máy.
13
Hình 1.4. Máy doa ngang CNC
1.3.5. Máy mài CNC (Grinding Machine)
Dựa trên cơ sở công nghệ, máy mài CNC được phân chia thành các loại khác
nhau như: máy mài phẳng, máy mài tròn ngoài, máy mài tròn trong, máy mài
răng, máy mài định hình…. Công nghệ mài đòi hỏi độ chính xác, độ bóng bề mặt
rất cao vì vậy độ chính xác của máy mài CNC luôn cao hơn các loại máy CNC
khác. Để đạt đúng điều kiện gia công, hệ thống điều khiển của máy mài CNC
phải đảm bảo được: bàn máy dịch chuyển êm, lượng dịch chuyển nhỏ và chính
xác hơn nhiều so với các máy khác. Để đạt được độ bóng cao thì tốc độ cắt của
máy mài phải cao nên tốc độ trục chính có thể đạt đến vài chục nghìn vòng/phút,
tốc độ tiến dao thường vào khoảng 0,002 mm/phút đến 6 mm/phút.
Hình 1.5. Máy mài đứng CNC
14
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI
DUNG NGHIÊN CỨU
15
2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát
Phương pháp nghiên cứu và chế tạo máy phay CNC dựa những mô hình đã có
sẵn trong thực tế và dựa vào tính toán và thiết kế, thực nghiệm. Cụ thể như sau:
Phân tích các yếu tố chuyển động của máy phay CNC, các yếu tố gồm có: ma
sát, chuyển động, cơ cấu trượt, tính ổn định, độ cứng vững…từ đó thiết kế và chế
tạo máy phay CNC.
Phân tích và đưa ra những phương án thiết kế, chế tạo hệ thống cơ khí, thiết
kế mạch điều khiển cho phù hợp với hệ thống cơ khí. Nêu cụ thể ưu, nhược điểm
của từng phương án thiết kế từ đó tổng hợp lại và lựa chọn phương án thiết kế tối
ưu nhất. Sau khi lựa chọn được phương án thiết kế, sẽ tiến hành thiết kế kỹ thuật
bao gồm: lựa chọn loại trục vít – đai ốc, ổ lăn, thép, bulông – đai ốc, động cơ
truyền động, tính toán độ bền, lựa chọn phương pháp điều khiển, tiến hành làm
mạch điều khiển và viết chương trình điều khiển cho hệ thống máy phay CNC.
Thực nghiệm, kiểm tra và hoàn thiện hệ thống máy phay CNC. Phần cơ khí
phải hoạt động ổn định, êm, độ cứng vững cao, đảm bảo độ chính xác cao, linh
hoạt trong quá trình sửa chữa lắp ráp khi hư hỏng, mạch điều khiển phải hoạt
động ổn định và đồng nhất với phần cơ khí.
Máy tính
Vi điều khiển
( atmega32 )
Khối công suất
( opto, irf540N )
Cơ cấu truyền
động ( Trục vít,
trục dẫn động,
ổ lăn,….)
Truyền
thông
Công tắc
hành trình

Động cơ
bước và động
cơ DC
16
2.2. CÁC KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY
CNC
2.2.1. Các khái niệm máy CNC
2.2.1.1. Định nghĩa máy và trục máy
a. Định nghĩa trục.
Đoạn thẳng dùng để định hướng một không gian hoặc một đối tượng hình
học gọi là trục.
Trục được xem như là đường chuẩn dùng để xác định đối tượng nào đó trong
không gian theo kích thước dài và kích thước góc.
Ba trục bố trí vuông góc nhau từng đôi một hình thành hệ tọa độ Descartes
vuông góc.
Hệ tọa độ Descartes vuông góc có hai cách thiết lập: hệ tọa độ tuân theo quy
tắc bàn tay phải và hệ tọa độ tuân theo quy tắc bàn tay trái.
b. Định nghĩa trục máy
Trục máy hay trục chuyển động là chuyển động tịnh tiến hoặc quay của dụng
cụ cắt hay của chi tiết so với trục tọa độ trong hệ tọa độ Descartes vuông góc gắn
với máy. Số lượng trục trong một máy thể hiện khả năng công nghệ của máy.
2.2.2.2. Cấu trúc hệ trục máy CNC
a. Ba trục thẳng: X, Y và Z
Hệ tọa độ Descartes vuông góc được gắn vào máy theo nguyên tắc sau:
– Trục Z được bố trí trùng với trục chính của máy.
– Trục X được xác định dựa vào hành trình của bàn máy; hành trình nào lớn
hơn thì trục X được gắn vào đó.
– Trục Y được xác định theo nguyên tắc bàn tay phải (nguyên tắc bàn tay trái
ít dùng) như sau:
+ Xòe 3 ngón tay trỏ, giữa và ngón cái sao cho chúng vuông góc nhau đôi

một.
+ Xoay bàn tay sao cho ngón giữa trùng với trục Z, ngón cái trùng với trục
X; lúc đó ngón trỏ là phương trục Y. Chiều của các trục được xác định theo
nguyên tắc: chiều dương là chiều làm cho khoảng cách giữa chi tiết và dụng cụ
cắt tăng lên, ngược lại là chiều âm.
Hình 2.2. Quy tắc bàn tay phải.
17
b. Ba trục quay: A, B và C
Chuyển động quay quanh trục X được ký hiệu là A.
Chuyển động quay quanh trục Y được ký hiệu là B.
Chuyển động quay quanh trục Z được ký hiệu là C.
Hình 2.3. Hệ tọa độ Descartes.
Chiều dương của chuyển động quay được xác định theo nguyên tắc các ngón tay
của bàn tay phải:
+ Đưa ngón cái sao cho chiều từ lòng bàn tay đến đầu ngón tay cái trùng với
chiều dương của trục thẳng.
+ Chiều co vào của các ngón tay còn lại là chiều dương của trục quay (xem
hình 1.9).
+ Ví dụ:
Hình 2.4. Ví dụ về việc xác định chiều dương cho các trục quay
18
2.2.2.3. Tọa độ quy chiếu
Trong máy công cụ điều khiển số thì điểm được sử dụng cho 2 mục đích:
– Point: Để tính toán các điểm khác nhau trên chi tiết.
– Reference point: Điểm tham chiếu để xác định vị trí của máy.
Điểm tham chiếu trong máy công cụ điều khiển số thường được chia thành các
loại sau:
a. Điểm gốc máy (Machine Reference point) – Ký hiệu: M
Đây là điểm gốc hệ tọa độ máy, nó được đặt cố định trên máy. Nhiệm vụ của
điểm gốc máy là để tổ chức lại máy sau mỗi lần mất điện và nó cũng là điểm để

xác định vị trí thay dao.
b. Điểm gốc chương trình (Program Reference point) – Ký hiệu:P
Trong nhiều trường hợp, tọa độ điểm gia công xác định theo điểm M không
thuận lợi mà xác định theo một điểm khác sẽ thuận lợi hơn; điểm này được gọi là
điểm gốc chương trình.
c. Điểm gốc chi tiết (Workpiece Reference point) – Ký hiệu: W
Điểm này có thể được chọn từ một điểm bất kỳ trên bàn máy. Trong nhiều
trường hợp, người ta dùng một điểm W để gia công nhiều chi tiết cùng một
chương trình con giống nhau trong một lần gia công.
d. Điểm quay về (Reference point return) – Ký hiệu: R
Đây cũng là một điểm cố định trên máy. Nó được xác định nhờ các công tắc
hành trình (tiếp xúc hoặc không tiếp xúc). Điểm R được sử dụng trong 2 mục
đích: được xem là một điểm gốc để xác định vị trí các điểm khác và làm vị trí để
thay dao.
Hệ điều khiển máy CNC thừa nhận điểm R như là một điểm gốc để tính toán
các điểm khác trên máy.
2.2.2. Phân loại hệ thống điều khiển máy CNC
2.2.2.1. Phân loại theo dạng điều khiển
a. Điều khiển theo vị trí
Hệ điều khiển theo vị trí hay còn gọi là hệ điểu khiển điểm – điểm (point to
point). Chức năng chính của hệ điều khiển theo vị trí là chuyển động nhanh dụng
cụ từ điểm này đến điểm khác đã được định trước để gia công với độ chính xác vị
trí cao. Quá trình gia công không xảy ra khi máy thực hiện việc dịch chuyển từ
điểm này đến điểm khác. Hệ điều khiển kiểu này thường dùng trong các máy
khoan, doa, đục lỗ…
Để thực hiện chuyển động dụng cụ từ điểm này đến điểm khác tiếp theo, ta
có thể có các cách như sau:
19
Chuyn ng dng c song song vi trc ca h ta
Y

Y
A
O
X
B
A
Y
B
X
A
X
B
ẹửụứng chuyeồn
ủoọng duùng cuù
ẹửụứng chuyeồn
ủoọng duùng cuù
X
B
X
A
Y
B
A
B
X
O
Y
A
Y
Hỡnh 2.5. Hai phng ỏn chuyn ng dng c song song trc ca h ta

Chuyn ng dng c nghiờng gúc 45
Y
Y
A
O
X
B
A
Y
B
,
X
A
X
B
ẹ ửụ ứng chuyeồn
ủoọng duùng cuù
K
45
X
K
Y
K
Hỡnh 2.6. Phng ỏn chuyn ng dng c nghiờng gúc 45

Chuyn ng dng c theo ng thng
ẹửụứng chuyeồn
ủoọng duùng cuù
X
B

X
A
Y
B
A
B
X
O
Y
A
Y
Hỡnh 2.7. Phng ỏn chuyn ng dng c theo ng thng
20
Để có thể điều khiển cho bàn máy dịch chuyển đưa dụng cụ đi theo phương
một đường thẳng bất kỳ ta sẽ phải cần dùng đến thuật toán nội suy thẳng.
Thuật toán nội suy bao gồm nội suy thẳng và nội suy tròn; có nhiều phương pháp
để thực hiện được thuật toán này như phương pháp hàm đánh giá hay phương
pháp tích phân số…và mỗi phương pháp ta có thể thực hiện bằng cả 2 cách là
bằng phần cứng và bằng phần mềm. Ta sẽ bàn về vấn đề nội suy ở những chương
sau kỹ hơn.
b. Đường dẫn dụng cụ liên tục
Kiểu dẫn dụng cụ liên tục là kiểu mà quá trình chuyển động dụng cụ từ điểm
này đến điểm tiếp theo đồng thời với quá trình gia công. Hệ điều khiển dẫn dụng
cụ liên tục còn được gọi là hệ contour.
Với cách điều khiển đường dẫn dụng cụ liên tục, tất cả các trục đồng thời chuyển
động nhưng tốc độ khác nhau.
2.2.2.2. Phân loại theo cấu trúc điều khiển
Theo cấu trúc điều khiển ta có thể chia thành hai hệ: hệ NC và hệ CNC.
Hệ NC thực hiện các hàm chức năng cơ bản bằng các mạch điện tử, muốn thay
đổi cấu trúc điều khiển thì phải thiết kế lại mạch khác do đó hệ NC còn được gọi

là hệ điều khiển cứng. Tín hiệu điều khiển dùng trong hệ NC là xung điện áp.
Hệ CNC sử dụng một máy tính (có đầy đủ bộ nhớ ROM, RAM, thiết bị giao
tiếp, thiết bị lưu trữ…) để điều khiển máy, các hàm chức năng của máy có thể
được lập trình lại bằng những phần mềm chuyên dụng, khi cần thay đổi cấu trúc
điều khiển thì ta chỉ cần thay đổi chương trình do đó hệ CNC mang tính linh hoạt
rất cao và nó là một tế bào không thể thiếu trong FMS (Flexible Manufacturing
System – Hệ thống sản xuất tự động linh hoạt).
2.2.2.3. Phân loại theo kiểu điều khiển
a. Hệ điều khiển hở
Hệ điều khiển hở là hệ không có mạch phản hồi và kết quả hoạt động của hệ
không được kiểm soát.
Ví dụ về sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển hở sử dụng động cơ bước:
21
Hình 2.8. Sơ đồ khối hệ điều khiển hở dùng động cơ bước
Nhược điểm cơ bản của hệ điều khiển hở là nó rất nhạy với sự biến đổi của
tải trọng, bởi vì hàm điều khiển không phụ thuộc vào thời gian thực. Khi tải thay
đổi, tốc độ chuyển động cũng thay đổi theo, hệ điều khiển không có khả năng tự
điều chỉnh để phù hợp với tải trọng mới.
Ngoài ra hệ điều khiển hở còn chịu ảnh hưởng do thay đổi nhiệt độ, bôi trơn
và các yếu tố bên ngoài khác.
Ưu điểm của hệ thống điều khiển hở là việc thiết kế và chế tạo mang tính đơn
giản, giá thành thấp…
b. Hệ thống điều khiển kín
Sự khác nhau cơ bản giữa hệ thống điều khiển kín và điều khiển hở là ở chỗ
trong hệ thống điều khiển kín có mạch phản hồi. Hệ thống phản hồi dùng để đo
vị trí và tốc độ thực tế của trục và so sánh chúng với vị trí và tốc độ yêu cầu. Sự
khác nhau giữa giá trị thực và giá trị yêu cầu là sai số, sai số này tác động lên hệ
thống điều khiển làm cho hệ thống điều khiển tự động điều chỉnh lại tín hiệu điều
khiển ở ngõ ra theo hướng sao cho sai số đó giảm xuống.
Sơ đồ khối của hệ điều khiển kín được trình bày như hình dưới:

22
Tín hiệu vào
Bộ nhớ
+ Chương trình
điều khiển
+ Chương trình
phục vụ
+ Chương trình
gia công
Chương trình điều
khiển trình tự
Tín hiệu lệnh
điều khiển
Khuếch đại Khuếch đại
Điều khiển CNC
Trục Y
Trục X
CPU
Động cơ trục X
Động cơ trục Y
Cảm biến tốc độ, vò trí
Cảm biến tốc độ, vò trí
Hình 2.9. Sơ đồ khối hệ điều khiển kín
2.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.3.1. Các phương án thiết kế
2.3.1.1. Phương án 1:
Hình 2.10. Mơ hình thiết kế 1 máy phay CNC.
Hoạt động: Sử dụng 3 trục tọa X, Y, Z. Hoạt động theo ngun tắc là biến
chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của trục máy theo
các hệ trục tọa độ nhờ trục vít me – đai ốc. Tịnh tiến theo trục X là bàn máy trượt

23
trên thanh ray định vị.Tịnh tiến theo trục Y là cơ cấu trượt ổ lăn.Theo trục Z là cơ
cấu trượt ma sát.
Ưu điểm:
– Kết cấu vững chắc.
– Dễ dàng trong quá trình lắp ráp do khung trên của máy được hàn cố định
với khung dưới.
– Có thể canh, chỉnh độ đồng tâm của trục vít là nhờ vào cơ cấu dữ trục dẫn
hướng.
Nhược điểm:
– Ít có tính thẩm mỹ.
– Bàn máy di động cần phải có không gian rộng.
– Dễ bị trệch ray.
– Bàn máy cần phải thiết kế vững chắc.
– Khó điều khiển động cơ khi tải (vật liệu gia công) tăng.
2.3.1.2. Phương án 2:
Hình 2.11. Mô hình thiết kế 2 máy phay CNC.
24
Hình 2.12. Cơ cấu trượt(làm bằng phôi nhựa).
Hoạt động:
Hoạt động theo nguyên tắc biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển
động tịnh tiến của các hệ trục tọa độ nhờ trục vít me – đai ốc. Bàn máy được thiết
kế cố định với khung dưới của máy tiện lợi cho quá trình gia công sản phẩm. Cơ
cấu dẫn hướng theo trục X, Y là các trục ống

27 và các phôi nhựa, lỗ

28 để
cố định các kết cấu máy và trượt ma sát trên trục ống. Tịnh tiến theo trục Z cũng
cơ cấu trượt ma sát.

Ưu điểm:
– Kết cấu gọn nhẹ, chắc chắn.
– Dễ dàng trong quá trính chế tạo và lắp ráp
– Bàn máy cố định, dễ dàng gá đặt chi tiết cần gia công.
– Mang tính thẩm mỹ.
– Có thể canh, chỉnh độ đồng tâm của trục vít là nhờ vào cơ cấu dữ trục dẫn
hướng.
Nhược điểm:
– Cơ cấu trượt ma sát dễ bị mòn trong quá trình làm việc.
– Hiệu suất làm việc thấp.
– Đòi hỏi cần phải có động cơ có mômen lớn.
Cơ cấu
trượt
25
2.3.1.3. Phương án 3:
Hình 2.13. Mô hình thiết kế 3 máy phay CNC.
Hoạt động:
Nguyên tắc hoạt động cũng như hai phương án trên. Cơ cấu trượt trục X, Y ta
dùng cơ cấu trượt ổ lăn để giảm ma sát trong quá trình làm việc của máy. Cơ cấu
trượt, cơ cấu giữ được thiết kế bằng các bulong - đai ốc để cố định và tăng giảm
khả năng ôm sát chi tiết. Cơ cấu giữ gồm các bulong - đai ốc để dễ dàng lắp ráp,
chỉnh độ đồng tâm giữa các trục với nhau.
Ưu điểm:
– Có tính thẩm mỹ cao.
– Mô hình gọn.
– Tương đối dễ dàng trong quá trình chế tạo.
– Dễ điều khiển, linh động.
– Có thể tăng giảm độ linh động của máy nhờ cơ cấu kẹp.
– Có thể chỉnh độ đồng tâm của trục vít là nhờ vào cơ cấu giữ trục dẫn
hướng.

– Bàn máy được đặt cố định với khung dưới của máy. Dễ dàng khi kẹp chi
tiết gia công.
– Dễ dàng tháo lắp và bảo dưỡng
Nhược điểm:
– Cơ cấu lắp ghép hơi phức tạp.
– Cơ cấu trượt theo trục Z chưa được hoàn hảo.