Thiết kế và chế tạo hệ thống chấp hành mô hình máy phay CNC

i

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Họ tên: Trần Văn Châu Lớp: 50CKCD
Chuyên ngành: Công nghệ Cơ Điện Tử Mã ngành:
Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo hệ thống chấp hành mô hình máy phay CNC”
Số trang: 102 Số chương: 4 Tài liệu tham khảo: 12
Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02CD, 01 mô hình

Nhận xét











Kết luận:

Nha Trang, ngày… tháng … năm…
Cán bộ hướng dẫn
(Kí và ghi rõ họ tên)
ii

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
Họ tên: Trần Văn Châu Lớp: 50CKCD
Chuyên ngành: Công nghệ Cơ Điện Tử Mã ngành:
Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo hệ thống chấp hành mô hình máy phay CNC”
Số trang: 102 Số chương: 4 Tài liệu tham khảo: 12
Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02CD, 01 mô hình

Nhận xét




Kết luận:










Điểm phản biện

Nha Trang, ngày… tháng … năm…
Cán bộ phản biện
(Kí và ghi rõ họ tên)
Nha Trang, ngày … tháng … năm …
Chủ tịch hội đồng
(Kí và ghi rõ họ tên)
Điểm chung
Bằng số Bằng chữ



iii

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 đề tài “Thiết kế và chế tạo hệ
thống chấp hành mô hình máy phay CNC” làm đề tài nghiên cứu.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Văn Hùng và các thầy trong bộ môn Cơ
điện tử đã giúp đỡ trong suốt thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp. Cuối cùng em xin
chân thành cảm ơn, và kính chúc Quý thầy dồi dào sức khỏe.
Nha Trang, tháng 6 năm 2012
Sinh viên thực hiện

TRẦN VĂN CHÂU
iv

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU iii
MỤC LỤC iv
DANH MỤC HÌNH vii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1
1.1.GIỚI THIỆU CHUNG 2
1.1.1. Giới thiệu sơ lược về CAD 2
1.1.1.1. Khái niệm về CAD. 2
1.1.1.2. Công cụ của hệ thống CAD 2
1.1.1.3. Lợi ích của CAD. 2
1.1.1.4. Tương lai của CAD. 3
1.1.2.Tổng quan về máy CNC 3
1.1.2.1.Sự ra đời và phát triển của máy CNC 3
1.1.2.2.Máy CNC ngày nay 5
1.1.2.3. Hiệu quả kinh tế của máy CNC 6

1.2. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI MÁY CNC ĐANG DÙNG TRONG CÔNG
NGHIỆP HIỆN NAY 7
1.2.1. Máy khoan CNC (Drilling Machine). 7
1.2.2. Máy phay CNC (Milling Machine) 7
1.2.3. Máy tiện CNC (Turning Machine) 8
1.2.4. Máy doa CNC (Boring Machine) 9
1.2.5. Máy mài CNC (Grinding Machine) 10
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 11
2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12
2.2. CÁC KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 13
2.2.1. Các khái niệm máy CNC 13
2.2.1.1. Định nghĩa máy và trục máy 13
2.2.2.2. Cấu trúc hệ trục máy CNC 13
2.2.2.3. Tọa độ quy chiếu 15
2.2.2. Phân loại hệ thống điều khiển máy CNC 16
2.2.2.1. Phân loại theo dạng điều khiển 16
2.2.2.2. Phân loại theo cấu trúc điều khiển 17
v

2.2.2.3. Phân loại theo kiểu điều khiển 18
2.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 20
2.3.1. Các phương án thiết kế 20
2.3.1.1. Phương án 1 20
2.3.1.2. Phương án 2 21
2.3.1.3. Phương án 3 22
2.3.1.4. Kết luận 23
2.3.2. Phân tích, lựa chọn động cơ và trục vít me 23
2.3.2.1. Động cơ dẫn động hai trục chính X, Y và trục Z 23
2.3.2.3. Bộ truyền, biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến 26
2.3.2.2. Động cơ phay 27

2.3.3. Thiết kế, chế tạo phần cơ khí 28
2.3.3.1. Vật liệu chế tạo máy phay CNC 28
2.3.3.2. Thiết kế, chế tạo máy phay CNC 32
2.3.3. Giới thiệu về bộ truyền trục vít me – bi 35
2.3.4. Thiết kế, chế tạo phần điều khiển 39
2.3.4.1. Động cơ bước (stepping motor) 39
2.3.4.2. SƠ LƯỢC VỀ NGÔN NGỮ AUTOLISP 49
2.3.4.3. Giới thiệu về Vi điều khiển AVR 51
2.3.4.4. Truyền thông 62
2.3.4.5. Sơ lược các linh kiện dùng trong mạch 65
2.3.4.5. Sơ đồ nguyên lý động cơ bước 68
2.3.4.6. Thiết kế mạch. 68
2.3.5. Sơ đồ giải thuật 74
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 82
3.1.CHUẨN BỊ 83
3.1.1.Phần khung 83
3.1.2. Bộ phận dẫn động, dẫn hướng 83
3.1.3.Phần động cơ và bộ phận truyền động 83
3.1.4.Dây điện, tấm phíp đồng, mũi phay… 83
3.2.THI CÔNG VÀ LẮP RÁP 83
3.2.1. Thi công mạch 83
3.2.1.1. Vẽ mạch in 84
vi

3.2.1.2.In mạch lên bảng đồng 84
3.2.1.3.Hàn linh kiện và kiểm tra mạch 85
3.2.1.4.Lắp mạch vào hộp 85
3.3. SẢN PHẨM THỰC TẾ 86
3.3.1.Hình ảnh các mạch 86
3.3.2.Các chi tiết cơ khí 86

3.3.3.Hệ thống mô hình 89
3.4.CHO CHẠY THỬ VÀ KIỂM NGHIỆM ĐỘ ỔN ĐỊNH 92
3.4.1.Kiểm tra trước khi đưa vào hoạt động 92
3.4.1.1.Kiểm tra nguồn 92
3.4.1.2.Kiểm tra mạch điều khiển 92
3.4.1.3.Kiểm tra phần cơ khí 93
3.4.1.4.Kiểm tra động cơ 95
3.4.2.Cấp dữ liệu cho vi điều khiển 95
3.4.3.Mô hình lúc hoạt động 96
3.4.3.1.Mô hình lúc reset về vị trí 0 96
3.4.3.2.Mô hình lúc phay đường thẳng 97
3.4.3.3.Mô hình lúc phay hình tròn 98
3.4.3.4.Mô hình lúc phay đường cong bất kỳ 98
3.4.3.5.Sản phẩm hoàn chỉnh 99
3.5.BẢNG THÔNG SỐ SAU KHI CHẠY THỬ HỆ THỐNG 100
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 101
4.1. KẾT LUẬN 102
4.2. ĐỀ XUẤT 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC



vii

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Máy khoan CNC 7
Hình 1.2. Máy phay CNC 8
Hình 1.3. Máy tiện CNC 9
Hình 1.4. Máy doa ngang CNC 10

Hình 1.5. Máy mài đứng CNC 10
Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát 12
Hình 2.2. Quy tắc bàn tay phải. 14
Hình 2.3. Hệ tọa độ Descartes. 14
Hình 2.4. Ví dụ về việc xác định chiều dương cho các trục quay 15
Hình 2.5. Hai phương án chuyển động dụng cụ song song trục của hệ tọa độ 16
Hình 2.6. Phương án chuyển động dụng cụ nghiêng góc 45° 16
Hình 2.7. Phương án chuyển động dụng cụ theo đường thẳng 17
Hình 2.8. Sơ đồ khối hệ điều khiển hở dùng động cơ bước 18
Hình 2.9. Sơ đồ khối hệ điều khiển kín 19
Hình 2.10. Mô hình thiết kế 1 máy CNC. 20
Hình 2.11. Mô hình thiết kế 2 máy CNC. 21
Hình 2.12 Cơ cấu trượt 21
Hình 2.13. Mô hình thiết kế 3 máy CNC. 22
Hình 2.14.Cơ cấu trượt bằng ổ trượt bi 22
Hình 2.15 .Động cơ bước 24
Hình 2.16. .Động cơ Servo 24
Hình 2.17 động cơ điều khiển trục Z 25
Hình 2.18. Kết cấu vít me –bi chuyên dùng cho máy CNC 26
Hình 2.19. Động cơ phay 27
Hình 2.20. Thép hình hộp 28
Hình 2.21. Thép ống 29
Hình 2.22. Que hàn 29
Hình 2.23. Các loại bulông – đai ốc 30
Hình 2.24. Kết cấu ổ lăn 31
Hình 2.25. Một số loại ổ lăn 31
Hình 2.26. Một số loại thanh trượt, ổ trượt trên thị trường. 31
viii

Hình 2.27. Khung dưới của máy 32

Hình 2.28. Khung dưới của máy 32
Hình 2.29. Trục Z 33
Hình 2.30. Trục dẫn hướng 33
Hình 2.31. Cơ cấu trượt 33
Hình 2.32. Cơ cấu giữ 34
Hình 2.33. Cơ cấu cố định động cơ 34
Hình 2.34. Khớp nối 34
Hình 2.35. Cơ cấu dẫn động động cơ phay tịnh tiến theo trục Z 35
Hình 2.36. Quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me đai ốc thường và vít me
đai ốc bi 36
Hình 2.37. Profin ren nửa tròn 37
Hình 2.38. Rãnh hồi bi kiểu ống 38
Hình 2.39. Rãnh hồi bi theo lỗ khoan trong đai ốc Rãnh hồi bi nối giữa hai vòng
ren kê tiếp nhau được bô trí trên máng lót đặc biệt 38
Hình 2.40. Rãnh hồi bi theo lỗ khoan trong đai ốc. 39
Hình 2.41. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu 41
Hình 2.42. Sơ đồ cấu trúc động cơ bước nam châm vĩnh cửu 2 pha. 42
Hình 2.43. Động cơ bước biến từ trở ba pha, bốn cặp cực 43
Hình 2.44. Cấu trúc trong động cơ lai. 44
Hình 2.45. Cách quấn dây trong động cơ lai 45
Hình 2.46. Kết cấu thực tế của động cơ lai. 45
Hình 2.47. Đồ thị quan hệ giữa momen – tần số bước 47
Hình 2.48. Giản đồ thời gian – điều khiển động cơ bước. 48
Hình 2.49. Cấu trúc bộ nhớ của AVR 52
Hình 2.50. Thanh ghi 8 bit 53
Hình 2.51. Register file 53
Hình 2.52. Cấu trúc bên trong của AVR 55
Hình 2.53. Cấu trúc chân trong PORT của Vi điều khiển AVR 55
Hình 2.54. Thanh ghi DDRA 56
Hình 2.55. Thanh ghi PORTA 56

Hình 2.56. Thanh ghi PINA 56
Hình 2.57. Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 8bit 57
ix

Hình 2.58. Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 16 bit 57
Hình 2.59. Thanh ghi TCCR0 58
Hình 2.60. Thanh ghi TCNT0 59
Hình 2.61. Thanh ghi 0CR0 59
Hình 2.62. Thanh ghi mặt nạ ngắt 59
Hình 2.63. Thanh ghi cờ ngắt 59
Hình 2.64. Sơ đồ thời gian của chế độ so sánh 60
Hình 2.65. Sơ đồ chân của ATMEGA 32 61
Hình 2.66. Hình dạng bên ngoài của ATMEGA32 62
Hình 2.67. Tín hiệu tương đương của UART và RS232 62
Hình 2.68. Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp. 63
Hình 2.69. Cấu tạo và hình dáng của Diode bán dẫn. 66
Hình 2.70. Ký hiệu của Transistor 66
Hình 2.71. Transistor 66
Hình 2.72. Linh kiện Opto 67
Hình 2.73. Linh kiện IRF540 67
Hình 2.74. Rơle 8 chân 67
Hình 2.75. Sơ đồ nối dây trong động cơ bước đơn cực 2 pha 68
Hình 2.76. Nguồn máy tính 68
Hình 2.77. Nguồn nối giữa nguồn máy tính với vi điều khiển 69
Hình 2.78. Nguồn nối giữa nguồn máy tính với mạch công suất 69
Hình 2.79. Sơ đồ mạch vi điều khiển và các header kết nối 70
Hình 2.80. Sơ đồ mạch Max232 70
Hình 2.81. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước 1(trục X) 71
Hình 2.82. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước 2(trục Y) 71
Hình 2.83. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước 3(trục Z) 72

Hình 2.84. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ phay 73
Hình 2.85. Mạch kết nối công tắc hành trình 73
Hình 2.86. Sơ đồ mạch layout 74
Hình 2.87. Minh họa thuật toán Bresenham 74
Hình 2.88. Lưu đồ giải thuật toán Bresenham 76
Hình 2.89 Lưu đồ giải thuật toán Bresenham vẽ đường cong bất kỳ 77
Hình 2.90. Lưu đồ giải thuật toán trên CAD 78
x

Hình 2.91. Lưu đồ giải thuật tách đoạn bằng autolisp 79
Hình 2.92 Lưu đồ giải thuật trên VB 80
Hình 2.93. Lưu đồ giải thuật trên VDK 81
Hình 3.1. Vẽ mạch in trên Layout plus 84
Hình 3.2.In mạch lên bảng đồng 84
Hình 3.3. Hàn linh kiện 85
Hình 3.4. Kiểm tra mạch 85
Hình 3.5. Lắp mạch vào hộp 85
Hình 3.6. Hình ảnh máy phay CNC 86
Hình 3.7. Mạch điều khiển chính 86
Hình 3.8. Bu lông 86
Hình 3.9. Ổ trượt 87
Hình 3.10. Trục dẫn hướng 87
Hình 3.11. Vitme bi 88
Hình 3.12. Khớp nối mềm 88
Hình 3.13. Hệ thống trục Y 89
Hình 3.14. Hệ thống trục X 90
Hình 3.15. Hệ thống trục Z 91
Hình 3.16. Toàn bộ hệ thống 91
Hình 3.17. Kiểm tra nguồn 92
Hình 3.18. Kiểm tra mạch điều khiển 93

Hình 3.19. Kiểm tra công tắc hành trình 93
Hình 3.20. Canh chỉnh trục Y 94
Hình 3.21. Kiểm tra và vệ sinh vitme 94
Hình 3.22. Kiểm tra động cơ phay 95
Hình 3.23. Thiết kế hình cần gia công trên Auto CAD 96
Hình 3.24. Giao diện VB khi load dữ liệu xong 96
Hình 3.25. Mô hình ở vị trí 0 97
Hình 3.26. Mô hình đang phay đường thẳng 97
Hình 3.28. Mô hình đang phay đường cong bất kỳ 98
Hình 3.29. Sản phẩm sau khi gia công 99
1









CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI





2

1.1.GIỚI THIỆU CHUNG

1.1.1. Giới thiệu sơ lược về CAD
1.1.1.1.Khái niệm về CAD.
CAD là chữ viết tắt (Computer Aided Design) chính là việc sử dụng hệ thống
máy tính để tạo ra các bản vẽ thiết kế, khả năng sửa chữa và phân tích nhờ tính năng
đồ họa và các chương trình phần mềm của máy tính.
Hệ thống máy tính gồm phần cứng và phần mềm để thiết kế tùy theo yêu cầu sử dụng.
- Phần cứng: bao gồm máy tính, thiết bị trình bày đồ họa và thiết bị ngoại vi.
- Phần mềm: là các chương trình đồ họa và các chương trình tính toán.
1.1.1.2. Công cụ của hệ thống CAD.
Là phần giao của ba tập hợp sau:
- Khái niệm đồ họa máy tính
- Các công cụ thiết kế
- Mô hình hóa hình học
Công cụ CAD đòi hỏi nhanh chóng và đáng tin để có thể thiết kế chi tiết một
cách có hiệu quả mặt khác còn phải có nhiều tiện ích để quá trình thiết kế đạt hiệu quả cao.
1.1.1.3. Lợi ích của CAD.
Có rất nhiều lợi ích từ CAD: chất lượng công việc tốt hơn, có nhiều thông tin
bổ ích hơn, điều kiện điều khiển tốt hơn. Sau đây là những lợi ích mà hệ thống CAD
có thể mang lại.
- Năng suất thiết kế tăng
- Thời gian thiết kế giảm
- Giảm được số người thiết kế
- Dễ đáp ứng nhu cầu khách hàng
- Đáp ứng nhu cầu nhanh hơn
- Ít có lỗi hơn trong quá trình làm việc
- Chính xác hơn
- Dễ nhận ra sự đụng nhau giữa các bộ phận
- Phân tích tốt hơn, giảm được thử mẫu
- Giúp chuẩn bị sơ đồ
- Thiết kế hợp tiêu chuẩn hơn

- Tiết kiện được vật liệu và thời gian nhờ quá trình thiết kế tối ưu
- Đảm bảo kết quả làm việc
3

- Quản lý đội ngủ thiết kế dự án hiệu quả hơn
- Giúp kiển tra các chi tiết phức tạp
- Giúp cho kỹ sư công nghệ, thiết kế, vẽ, quản lý và các nhóm khác tạo
thành một ê kip làm việc hiệu quả và hiểu biết nhau nhiều hơn.
1.1.1.4. Tương lai của CAD.
Xu thế phát triển chung của các ngành công nghiệp chế tạo theo ông nghệ tiên
tiến là liên kết các thành phần của quy trình sản xuất trong một hệ thống tích hợp điều
khiển bởi máy tính điện tử
Các thành phần của hệ thống tích hợp điều khiển bởi máy tính được quản lý và
điều hành dựa trên cơ sỡ dữ liệu trung tâm mà thành phần quan trọng là các dữ liệu từ
quá trình CAD không chỉ là cơ sở dữ liệu để thực hiện phân tích kỹ thuật, lập qui trình
chế tạo, gia công điều khiển số mà nó chính là dữ liệu điều khiển thiết bị sản xuất điều
khiển số, như các loại máy công cụ, máy gia công , người máy và các thiết bị phụ trợ
khác.
Rộng hơn, dữ liệu từ quá trình CAD là cơ sở để hoạch định sản xuất và điều
khiển quá trình kiểm soát chất lượng sản phẩm.
1.1.2.Tổng quan về máy CNC
1.1.2.1.Sự ra đời và phát triển của máy CNC.
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.
Cùng với việc phát triển máy tính, khoàng cuối năm 50 máy CNC ra đời.
Ở máy cắt kim loại thông thường, việc điều khiển các chuyển động cũng như thay đổi
vận tốc của các bộ phận máy đều thực hiện bằng tay. Với cách điều khiển này thời

gian phụ khá lớn, nên không thể tăng năng suất lao động cũng như đảm bảo độ chính
xác của vật gia công.
Do đó để giảm thời gian phụ ta cần thiết tiến hành tự động hóa quá trình điều
khiển. trong sản xuất hàng loạt, từ lâu người ta dùng phương pháp gia công tự động
với việc tự động bằng các dấu tì, bằng cam trên trục phân phối …Đặc điển của loại
máy tự động này là rút ngắn đựoc thời gian phụ, nhưng thời gian chuẩn bị sản xuất
dài(thời gian thiết kế và chế tạo cam, thời gian điều chỉnh máy…) Nhược điểm này
4

không đáng kể nếu sản xuất với số lượng lớn. Trái lại với sản xuất nhỏ, mặt hàng phải
thay đổi thường xuyên, loại máy tự động này trở nên không kinh tế. Do đó cần phải
tìm ra phương pháp điều khiển mới, đảm bảo thời gian điều chỉnh máy để gia công tử
loại chi tiết này sang loại chi tiết khác được nhanh. Yêu cầu này được thực hiện với
việc điều khiển theo chương trình.
Điều khiển theo chương trình là một dạng điều khiển tự động mà tín hiệu điều
khiển(tín hiệu ra) thay đổi theo một quy luật đã định trước. Nói cách khác, trên máy
điều khiển theo chương trình, thứ tự giá trị của chuyển động cũng như thứ tự chuyển
động của các bộ phận của máy, đóng mở các hệ thống làm nguội, bôi trơn, thay giao…
đều đưôc thực hiện theo một trình tự đã được lập trình sẵn. Các cơ cấu mang chương
trình này được đặt vào thiết bị điều khiển và máy sẽ làm việc tự động theo chương
trình đã chọn.
Nếu các chương trình trên được ghi lại bằng các vấu tì, bằng hệ thống cam,
bằng mẫu chép hình… ta gọi hệ thống điều khiển đó là hệ thống điều khiển vi số. Nếu
các chương trình được biểu thị bằng các chữ số dưới dạng mã hiệu, ta gọi đó là
chương trình điều khiển theo dạng số.
Như vậy điều khiển theo chương trình số là một quá trình tự động cho phép đưa
một cơ cấu di động từ vị trí này đến vị trí khác bằng một lệnh. Sự dịch chuyển này có
thể là lượng di động thẳng hay góc quay theo các bậc tự do.
Trong nhiều trường hợp phương pháp điều khiển theo chương trình số được
thiết kế tự động hóa việc di chuyển một cơ cấu từ vị trí này đến vị trí khác, ta gọi là

điều khiển theo điển. nhưng ta chũng thực hiện dễ dàng khi rút ngắn vô hạn khoảng
cách giữa hai điển di động kế tiếp nhau và sẽ đạt được một quá trình điều khiển quĩ
đạo gọi là “điều khiển theo đường”.
Phương pháp điều khiển chương trình số có thể được dùng để di động bất kỳ
một cơ cấu nào được truyền động bằng cơ. Phạm vi sử dụng của nó rất rộng, nhưng
chủ ỵếu là tự động hóa máy công cụ.
Chương trình ghi bằng các chữ số được thực hiện ở ngoài máy, dưới dạng băng
xuyên lỗ, bằng từ. đĩa từ, film… Các chương trình này có thể cât giữ vào kho, khi cần
sử dụng ta chỉ cần nạp vào máy để máy thực hiện chương trình và điều khiển các
chuyển động theo yêu cầu.
Vì làm các chương trình số có thể tiến hành xa máy và máy có hệ thống đo
lường riêng, nên hệ thống này có thể thay đổi dễ dàng và nhanh chóng.
5

Hệ thống điều khiển theo chương trình số còn được gọi là hệ thống NC
(Numerical Control) và máy điều khiển theo chương trình số được gọi là máy NC.
Như thế máy NC là loại máy công cụ hoạt động tự động một phần hoặc toàn phần với
các lệnh được thể hiện bằng dạng tín hiệu số được ghi trên phiếu đục lỗ, đĩa từ, băng
từ…
Công nghệ ngày càng được phát triển cao hơn nữa, đặc biệt là CAD (Computer
Aided Design), CAM (Computer Aided Menufacturer) giúp cho công việc sản xuất
diễn ra nhanh hơn và linh hoạt hơn, từ đó máy CNC ra đời. máy CNC là máy NC
nhưng được hỗ trợ bằng máy tính.
1.1.2.2.Máy CNC ngày nay
CNC- Computer Numerical Control
Hệ thống dựa trên máy vi tính, chứa một hoặc một vài máy vi tính (bộ xử lý)
trong đó phần mềm giữ chức năng thi hành các thuật toán của việc điều khiển máy
công cụ. CNC là một loại máy điều khiển theo chương trình số, có cơ cấu vận hành tự
động thực hiện nhiều công việc khác nhau sau mỗi lần phôi được gá với sự điều khiển
của máy tính. Về cơ bản, hoạt động của may CNC do chương trình của máy tính lắp

trên consol của máy điều khiển.
Chương trình điều hành cơ bản được cài đặt để thực hiện các nhiệm vụ:
– Nạp dữ liệu chương trình và ghi nhớ dữ liệu
– Xử lý các dữ liệu để nhận được các chuyển động của máy và các chức
năng phụ như hệ thống đóng ngắt.
– Điều khiển các chuyển động của máy: chuyển dịch tọa độ, tính toán sai số
và hiệu chỉnh.
Ngày nay, người ta đã quen với máy CNC và không lấy làm ngạc nhiên về sự
huyền diệu của nó. Điều này làm cho giá của nhiều loại máy CNC giảm xuống, nhiều
cơ sở nhỏ và gia đình cũng đã có khả năng sử dụng nó.
Tuy nhiên máy CNC sẽ không thể phát huy được hết các ưu điểm của nó nếu
không có một phần mềm chuyên tạo các thiết kế một cách nhanh chóng và có độ chính
xác cao. Các phần mềm CAD, chẳng hạn như Autocad , sẽ giúp được chúng ta trong
việc tạo các bản vẽ đạt được những yêu cầu trên. Vậy tất cả những cái ta cần là một
máy tính, phần mềm CAD, phần mềm CNC, mạch điều khiển và phần cơ khí dùng
được tích hợp hàng loạt động cơ bước.
6

Các loại máy CNC sẽ có một tương lai bùng nổ mạnh mẽ. Một ý tưởng đang
được phát triển là một chiếc máy có trục chính được treo lên bởi sáu thanh giằng vít
me bi lồng vào nhau. Chuyển động của trục chính được điều khiển bởi một máy tính
phức tạp có khả năng thực hiện hàng triệu phép tính để đảm bảo đường mức chi tiết
chính xác. Phải mất vài triệu đô la để phát triển và sử dụng toán học độc quyền cấp độ
cao, chiếc máy này hứa hẹn khả năng thực hiện những hoạt động chưa từng nghe thấy
trong gia công kim loại. Sự tiến bộ trong máy tính và trí thông minh nhân tạo sẽ làm
cho những chiếc máy CNC tương lai nhanh hơn và dễ vận hành hơn. Tất nhiên, giá
của những chiếc máy như vậy chắc chắn sẽ không rẻ và có thể vượt quá tầm với của
nhiều công ty. Tuy nhiên, nó sẽ đưa giá của những máy CNC cơ bản thực hiện những
chuyển động 3 trục ban đầu xuống một mức độ nhất định.
1.1.2.3. 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.
 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.
7

1.2. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI MÁY CNC ĐANG DÙNG TRONG CÔNG
NGHIỆP HIỆN NAY
1.2.1. Máy khoan CNC (Drilling Machine).


Hình 1.1. Máy khoan CNC
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.
1.2.2. 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.
8


Hình 1.2. Máy phay CNC
1.2.3. 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.
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…
9


Hình 1.3. Máy tiện CNC

1.2.4. 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.
10


Hình 1.4. Máy doa ngang CNC
1.2.5. 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

11

CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI
DUNG NGHIÊN CỨU
12

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
13

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.
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.

14



Hình 2.2. Quy tắc bàn tay phải.
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 2.2).
15

+ Ví dụ:


Hình 2.4. Ví dụ về việc xác định chiều dương cho các trục quay
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.