Thiết kế máy gia công cam phẳng điều khiển số

LỜI CẢM ƠN
LỜI CẢM ƠN

Luận văn tốt nghiệp là bước cuối cùng đánh dấu sự trưởng thành của một sinh
viên ở giảng đường Đại học, trở thành một cử nhân hay một kỹ sư đóng góp những gì
mình đã học được cho sự phát triển đất nước.
Đầu tiên, tôi xin cảm ơn gia đình thân yêu của mình, những người đã luôn âm
thầm ủng hộ, ở bên cạnh và chia sẻ mỗi lúc tôi gặp khó khăn.
Với sự trân trọng và cảm kích, tôi xin gửi lời chân thành cảm ơn tới PGS.TS
Phạm Huy Hoàng, người Thầy trực tiếp hướng dẫn đề tài. Trong quá trình làm luận
văn, thầy đã tận tình hướng dẫn thực hiện đề tài, luôn là người cho tôi những lời
khuyên xác đáng và kịp thời khi gặp các vấn đề nảy sinh trong quá trình làm và giúp
tôi hoàn thành luận văn đúng định hướng ban đầu.
Tôi xin cảm ơn các thầy cô khoa Cơ Khí và bộ môn Thiết kế máy đã trang bị cho
tôi những kiến thức bổ ích và những đóng góp thiết thực trong suốt quá trình học nói
chung và quá trình làm, bảo vệ luận văn nói riêng.
Tôi xin cảm ơn ban giám hiệu trường Đại Học ách Khoa Hồ Chí inh đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi giúp đ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
in chân thành cảm ơn các thầy cô trong hội đồng chấm luận văn đã cho tôi những
đóng góp qu báu để luận văn thêm hoàn ch nh.
Cuối cùng xin được gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn b là những người luôn chia sẻ
những chuyện buồn vui trong cuộc sống cũng như giúp đ tôi những lúc khó khăn.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn. Chúc tất cả mọi người sức khỏe và thành
đạt.
Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2013.

Nguyễn Hữu Trí

i

TÓM TẮT LUẬN VĂN
TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này tập trung tìm hiểu phƣơng pháp gia công điều khiển bằng chƣơng
trình số và cách hình thành biên dạng cam phẳng. Từ đó đƣa ra phƣơng pháp thiết kế
mô hình thực nghiệm để đánh giá giải thuật di chuyển, khả năng áp dụng vào thực tiễn,
cũng nhƣ tối ƣu các phƣơng án lựa chọn. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm là cơ
sở cho việc thiết kế bộ điều khiển chuyển động của các cơ cấu của máy. Cuối cùng là
thiết kế một máy cắt biên dạng Cam hoàn chỉnh.
CHƢƠNG 1: Giới thiệu tổng quan các phƣơng pháp gia công Cam phẳng, lí do lựa
chọn phƣơng pháp gia công bằng chƣơng trình số.
CHƢƠNG 2: Phân tích ƣu nhƣợc điểm và lựa chọn các phƣơng án thiết kế nguyên lí
máy.
CHƢƠNG 3: Tìm hiểu lý thuyết hình thành biên dạng cam, lý thuyết điều khiển
chƣơng trình số, lựa chọn phƣơng pháp nội suy.
CHƢƠNG 4: Lựa chọn và tính toán các chi tiết tiêu chuẩn nhƣ vít me, ray trƣợt và
động cơ.
CHƢƠNG 5: Phân tích, lựa chọn và thiết kế mạch điều khiển.
CHƢƠNG 6: Trình bày các yêu cầu về an toàn và bảo quản máy.
CHƢƠNG 7: Tiến hành thực nghiệm với mô hình máy 3D điều khiển số, kiểm tra và
đánh giá kết quả.
CHƢƠNG 8: Tổng kết đề tài, hƣớng phát triển tiếp theo trong tƣơng lai.

ii


MỤC LỤC
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................. i
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................ii

MỤC LỤC ....................................................................................................................iii
DANH SÁCH HÌNH ẢNH .......................................................................................... vi
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ........................................................................................ ix
Chương 1.

Giới thiệu đề tài. .................................................................................... 1

1.1. Đặt vấn đề. ............................................................................................................ 1
1.2. Các nghiên cứu trong nƣớc................................................................................... 3
1.3. Ứng dụng gia công cam phẳng. ............................................................................ 6
1.4. Mục tiêu và phạm vi đề tài. .................................................................................. 8
Chương 2.

Thiết kế nguyên lí máy. ......................................................................... 9

2.1. Phƣơng pháp gia công. ....................................................................................... 10
2.1.1. Gia công bằng tia nƣớc. ............................................................................... 10
2.1.2. Gia công bằng tia laser. ................................................................................ 11
2.1.3. Gia công bằng tia lửa điện. .......................................................................... 12
2.1.4. Gia công bằng dao công cụ. ......................................................................... 13
2.2. Phƣơng pháp truyền động................................................................................... 14
2.2.1. Phƣơng pháp dẫn hƣớng .............................................................................. 14
2.2.2. Phƣơng pháp dẫn động................................................................................. 15
2.2.3. Phƣơng án bố trí các trục ............................................................................. 16
2.2.4. Phƣơng án truyền công suất. ........................................................................ 18
2.2.5. Chọn loại động cơ ........................................................................................ 19
Chương 3.

Chương trình điều khiển. ................................................................... 22

3.1. Lý thuyết chƣơng trình tạo biên dạng cam. ........................................................ 23
3.1.1. Phân loại cam. .............................................................................................. 23
3.1.2. Đặc tính của cần. .......................................................................................... 23
3.1.3. Xác định biên dạng cam. .............................................................................. 26
3.2. Lý thuyết chƣơng trình điều khiển số. ................................................................ 27
3.2.1. Biên dịch ...................................................................................................... 30
iii


MỤC LỤC
3.2.2. Nội suy ......................................................................................................... 31
Chương 4.

Tính toán thiết kế máy. ....................................................................... 40

4.1. Tính toán chế độ cắt ........................................................................................... 41
4.1.1. Yêu cầu đặt ra. ............................................................................................. 41
4.1.2. Ta tiến hành tính chế độ cắt. ........................................................................ 41
4.1.3. Chọn động cơ trục chính. ............................................................................. 44
4.2. Tính toán các chi tiết tiêu chuẩn. ........................................................................ 44
4.2.2. Tính toán vít me và chọn động cơ. ............................................................... 44
4.2.3. Tính toán ray trƣợt. ...................................................................................... 50
4.3. Tính toán thiết kế các chi tiết không tiêu chuẩn. ................................................ 53
4.3.1. Thân máy...................................................................................................... 53
4.3.2. Bệ đỡ trục X và bàn máy.............................................................................. 58
4.3.2. Bàn máy. ...................................................................................................... 58
4.3.3. Đối trọng. ..................................................................................................... 59
4.4. Kiểm nghiệm các chi tiết bằng phần mềm ANSYS. .......................................... 60
4.4.1. Kiểm nghiệm tải tĩnh đế máy. ...................................................................... 60
4.4.2. Kiểm nghiệm tải tĩnh bệ đỡ trục Z. .............................................................. 62

4.4.3. Kiểm nghiệm tải tĩnh bệ mang trục chính. ................................................... 63
4.4.4. Kiểm nghiệm toàn máy. ............................................................................... 65
Chương 5.

Thiết kế hệ thống điện......................................................................... 68

5.1 Mạch Break-Out Board. ...................................................................................... 69
5.1.1. Đặt vấn đề. ................................................................................................... 69
5.1.2. Lựa chọn phƣơng án giao tiếp với máy tính. ............................................... 69
5.1.3. Chọn vi điều khiển. ...................................................................................... 72
5.1.4. Thiết kế mạch Break-Out Board. ................................................................. 74
5.1.5. Giải thuật điều khiển của mạch Break-Out Board. ...................................... 74
5.2. Mạch Driver động cơ di chuyển. ........................................................................ 75
5.2.1. Lựa chọn dạng điều khiển cho Driver. ......................................................... 75
5.2.2. Thiết kế mạch Driver. .................................................................................. 77
5.2.3. Lập trình mạch Driver. ................................................................................. 85
iv


MỤC LỤC
5.3. Mạch Driver động cơ trục chính......................................................................... 90
5.3.1. Đặt vấn đề. ................................................................................................... 90
5.3.2. Mạch điều khiển. .......................................................................................... 91
5.3.3. Mạch xác định zero-cross. ........................................................................... 92
5.3.4. Mạch driver kích mở Triac. ......................................................................... 93
Chương 6.

An toàn và bảo quản máy. .................................................................. 94

6.1. An toàn khi vận hành máy. ................................................................................. 95

6.2. Bảo quản. ............................................................................................................ 95
6.2.1. Lắp đặt máy. ................................................................................................. 95
6.2.2. Bảo dƣỡng máy ............................................................................................ 96
6.2.3. Bôi trơn máy ................................................................................................ 97
Chương 7.

Thực nghiệm. ....................................................................................... 98

7.1. Giao diện điều khiển........................................................................................... 99
7.2. Thực nghiệm. .................................................................................................... 100
7.2.1. Thực nghiệm xuất biên dạng cam. ............................................................. 100
7.2.2. Thực nghiệm gia công một biên dạng cam. ............................................... 103
7.3. Nhận xét. .......................................................................................................... 106
Chương 8.

Kết luận. ............................................................................................. 107

8.1. Đánh giá. .......................................................................................................... 107
8.2. Hƣớng phát triển. .............................................................................................. 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 108
PHỤ LỤC A ............................................................................................................... 108
PHỤ LỤC B ............................................................................................................... 115

v


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Máy CNC. ........................................................................................................ 1

Hình 1.2 Máy cắt vát mép plasma CNC có thể vát mép với biên dạng bất kỳ. .............. 2
Hình 1.3 Hệ thống nhà máy tích hợp. ............................................................................. 2
Hình 1.4 Gia công khuôn dùng máy CNC ...................................................................... 3
Hình 1.5 Máy phay CNC 5 trục của BKMech. ............................................................... 4
Hình 1.6 Máy phay CNC cao tốc của BKMech. ............................................................ 4
Hình 1.7 Robot tự động hàn mạch in của công ty CNC-VINA. ..................................... 5
Hình 1.8 Máy CNC khắc gỗ. .......................................................................................... 5
Hình 1.9 Trục cam .......................................................................................................... 6
Hình 1.10 Cam điều khiển đóng mở valve hút và xả của động cơ ................................. 7
Hình 1.11 Cam dùng trong máy may .............................................................................. 7
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý gia công bằng tia nƣớc. ....................................................... 10
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý họat động của chùm tia laser. ............................................. 11
Hình 2.3 Nguyên lý gia công tia lửa điện. .................................................................... 12
Hình 2.4 Kết cấu ray trƣợt chữ V ................................................................................. 15
Hình 2.5 Phƣơng án bố trí trục XY chữ thập, trục Z cố định. ...................................... 16
Hình 2.6 Bàn máy cố định, trục Y di chuyển ............................................................... 17
Hình 2.7 Bàn máy di chuyển theo trục X, .................................................................... 18
Hình 2.8 Sơ đồ động các trục động cơ và trục chính thƣờng dùng. ............................. 19
Hình 3.1 Các dạng chuyển động của cần. ..................................................................... 23
Hình 3.2 Các loại cần. ................................................................................................... 23
Hình 3.3 Ví dụ về một đặc tính của cần........................................................................ 26
Hình 3.4 Cấu trúc bộ điều khiển bằng phần cứng và phần mềm. ................................. 28
Hình 3.5 Đặc tính bên trong của hệ thống điều khiển máy........................................... 29
Hình 3.6 Mẫu một chƣơng trình và các phần cấu trúc của nó. ..................................... 31
Hình 3.7 Đặc tính của giải thuật nội suy bậc thang. ..................................................... 32
Hình 3.8 Sơ đồ giải thuật nội suy bậc thang. ................................................................ 34
Hình 3.9 Kết quả nội suy bậc thang. ............................................................................. 36
vi

DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 3.10 Sơ đồ giải thuật nội suy “Direct Search”. .................................................... 37
Hình 3.11 Kết quả nội suy Direct Seach. ...................................................................... 39
Hình 4.1 Sơ đồ chịu lực của ray trƣợt. .......................................................................... 51
Hình 4.2 Kết cấu đế máy. ............................................................................................. 56
Hình 4.3 Kết cấu bệ đỡ trục Z....................................................................................... 57
Hình 4.4 Kết cấu đầu mang trục chính. ........................................................................ 57
Hình 4.5 Kết cấu bệ đỡ trục X và bàn máy. .................................................................. 58
Hình 4.6 Kết cấu bàn máy. ........................................................................................... 59
Hình 4.7 Kết cấu đối trọng............................................................................................ 59
Hình 4.8 Chia lƣới đế máy. ........................................................................................... 61
Hình 4.9 Đặt lực lên đế máy. ........................................................................................ 61
Hình 4.10 Kiểm nghiệm biến dạng tĩnh lớn nhất của đế máy. ..................................... 61
Hình 4.11 Kiểm nghiệm ứng suất lớn nhất của đế máy. ............................................... 62
Hình 4.12 Chia lƣới và đặt lực cho bệ đỡ trục Z. ......................................................... 63
Hình 4.13 Kiểm tra biến dạng và ứng suất lớn nhất. .................................................... 63
Hình 4.14 Chia lƣới bệ mang trục chính. ...................................................................... 64
Hình 4.15 Đặt lực lên bệ mang trục chính. ................................................................... 64
Hình 4.16 Kiểm tra biến dạng tĩnh lớn nhất của bệ mang trục chính. .......................... 65
Hình 4.17 Kiểm tra ứng suất lớn nhất của bệ mang trục chính. ................................... 65
Hình 4.18 Chia lƣới và đặt lực tác dụng lên máy. ........................................................ 66
Hình 4.19 Kiểm tra biến dạng và ứng suất của máy. .................................................... 66
Hình 4.20 Thiết kế kết cấu cơ khí của máy. ................................................................. 67
Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển. ............................................................................ 68
Hình 5.2 Các loại zack USB. ........................................................................................ 69
Hình 5.3 Các loại cổng song song ................................................................................ 70
Hình 5.4 Cổng Internet. ................................................................................................ 71
Hình 5.5 Sơ đồ mạch Break-Out Board. ....................................................................... 74
Hình 5.6 Sơ đồ giải thuật mạch Break-Out Board. ....................................................... 75
Hình 5.7 Driver không có vi điều khiển. ...................................................................... 76

Hình 5.8 Driver có vi điều khiển. ................................................................................. 76
vii


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 5.9 Mạch nguồn 5V cho driver. ........................................................................... 79
Hình 5.10 Mạch vi điều khiển cho driver. .................................................................... 80
Hình 5.11 Sơ đồ cấu tạo và chân của một opto. ........................................................... 81
Hình 5.12 Mạch nhận tín hiệu xung từ Break-Out Board............................................. 82
Hình 5.13 Mạch đọc tín hiệu Encoder. ......................................................................... 82
Hình 5.14 Mạch cài đặt thông số PID. .......................................................................... 84
Hình 5.15 Giao diện cài đặt thông số PID. ................................................................... 84
Hình 5.16 Mạch công suất cho driver. .......................................................................... 85
Hình 5.17 Sơ đồ giải thuật cho mạch Driver. ............................................................... 88
Hình 5.18 Xung của kênh A, B của Encoder. ............................................................... 89
Hình 5.19 Mạch STM8S. .............................................................................................. 92
Hình 5.20 Mạch xác định zero-cross. ........................................................................... 92
Hình 5.21 Mạch điều khiển động cơ C bằng Triac .................................................... 93
Hình 7.1 Giao diện xuất biên dạng cam........................................................................ 99
Hình 7.2 Giao diện gia công CNC. ............................................................................. 100
Hình 7.3 Thực nghiệm v miền tâm cam. ................................................................... 101
Hình 7.4 Giao diện v biên dạng cam. ........................................................................ 101
Hình 7.5 Giao diện v đồ thị hành trình. .................................................................... 102
Hình 7.6 Giao diện v phôi và cam. ........................................................................... 103
Hình 7.7 Giao diện xuất G-code. ................................................................................ 103
Hình 7.8 Cài đặt gốc tọa độ. ....................................................................................... 104
Hình 7.9 Quá trình gia công........................................................................................ 104
Hình 7.10 Hoàn thành quá trình cắt. ........................................................................... 105
Hình 7.11 Biên dạng cam mong muốn và biên dạng cam sau khi cắt. ....................... 105
Hình 7.12 Kết quả áp biên dạng cam sau khi cắt vào biên dạng mong muốn. ........... 106

viii


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 So sánh các động cơ Servo. ........................................................................... 20
Bảng 3.1 Tám trƣờng hợp nội suy cho dao. .................................................................. 33
Bảng 3.2 Các bƣớc nội suy bậc thang. .......................................................................... 35
Bảng 3.3 Các bƣớc quá trình nội suy Direct Search”. .................................................. 38
Bảng 5.1 Các chức năng và yêu cầu của mạch Break-Out Board. ............................... 72

ix


Chƣơng 1: Giới thiệu đề tài.
Chương 1. Giới thiệu đề tài.
1.1. Đặt vấn đề.
Một trong những thành tựu quan trọng nhất của tiến bộ khoa học kỹ thuật là tự
động hóa sản xuất với phƣơng thức cao nhất là sản xuất linh hoạt. Trong dây chuyển
sản xuất linh hoạt thì máy điều khiển số CNC (Computer Numerical Control) đóng
một vai trò rất quan trọng. Sử dụng máy công cụ điều khiển số cho phép giảm khối
lƣợng gia công một chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công cũng nhƣ hiệu quả về kinh
tế, đồng thời rút ngắn đƣợc chu kỳ sản xuất . Chính vì vậy hiện nay nhiều nƣớc trên
thế giới đã và đang ứng dụng rộng rãi các máy điều khiển số vào lĩnh vực cơ khí chế
tạo.
Trong hệ thống CNC, máy công cụ và hệ điều khiển số hợp thành một máy gia
công có khả năng lập trình trực tiếp đƣợc. Thay cho việc điều khiển các rơ le thông
qua các mạch logic ghép cứng, ngƣời ta dùng hệ điều khiển vi điện tử, có thể lập trình

nạp và sửa code tự do, trong đó, máy công cụ thực hiện các nhiệm vụ nhất định thông
qua một chƣơng trình điều khiển đƣợc thiết lập sẵn từ trƣớc (hình 1.1).Việc lập trình
trực tiếp trên máy thông qua một giao diện, kết hợp ngƣời và hệ điều khiển số làm cho
máy CNC trở nên rất hữu dụng và tiết kiệm đƣợc thời gian rất lớn ngay cả với những
công ty, xí nghiệp có quy mô trung bình và nhỏ (hình 1.2).

Hình 1.1 Máy CNC.
1


Chƣơng 1: Giới thiệu đề tài.

Hình 1.2 Máy cắt vát mép plasma CNC có thể vát mép với biên dạng bất kỳ.

Hơn nữa, tất cả thông tin cần thiết để máy công cụ CNC thực hiện từ một công
đoạn công nghệ riêng lẻ cho đến các quy trình công nghệ tổng thể đều đƣợc đƣa vào
hệ điều khiển dƣới dạng mã số, từ đó cho phép vận hành cả một nhà máy thông qua
các hệ thống quản lí dữ liệu (hình 1.3). Đây là một lợi thế không hề nhỏ để nâng cao
trình độ quản lý của các nhà máy công nghiệp hiện đại nhờ vào các ứng dụng của các
mạng cục bộ LAN ( Local Area Network).

Hình 1.3 Hệ thống nhà máy tích hợp.
2


Chƣơng 1: Giới thiệu đề tài.
1.2. Các nghiên cứu trong nƣớc.
Hiện nay các máy điều khiển số CNC đã bắt đầu đƣợc sử dụng rộng rãi ở
nƣớc ta. Một số chi tiết máy và đa số các khuôn mẫu đã chuyển dần từ gia công
trên các máy công cụ vạn năng truyền thống sang gia công trên máy điều khiển số

CNC (hình 1.4). Đặc điểm gia công trên máy CNC cho năng suất cao, chế tạo các
khuôn mẫu chính xác, rút ngắn đƣợc chu kỳ sản xuất và có tính năng linh hoạt cao.

Hình 1.4 Gia công khuôn dùng máy CNC
Việc chế tạo các chi tiết của sản phẩm có thể gia công trên máy vạn năng, nhƣng
độ chính xác không cao. Vì ngoài yếu tố của máy móc nó còn phụ thuộc vào trình độ
tay nghề của ngƣời thợ. Vì vậy, đối với những chi tiết có biên dạng gia công phức tạp,
yêu cầu độ chính xác cao, thì các máy vạn năng gia công khó đảm bảo. Do đó bắt buộc
chúng ta phải nghiên cứu, phát triển gia công trên máy CNC.
Với sự đòi hỏi của nền kỹ thuật thế giới, kỹ thuật trong nƣớc cũng ngày càng
đƣợc nâng cao. Đặc biệt là ở các xƣởng, các xí nghiệp trung bình và nhỏ hoặc là
những nhóm nghiên cứu, những nơi luôn mong muốn tạo ra các sản phẩm với nguồn
kinh phí nhỏ nhất, linh động và đáp ứng đầy đủ những yêu cầu do chính họ đặt ra. Từ
đó, các máy điều khiển số chuyên dụng made in Viet Nam đã ra đời. Chẳng hạn nhƣ
máy phay CNC 5 trục của BKMech, sản phẩm của đề tài nghiên cứu “Thiết kế chế tạo
máy phay CNC năm trục" của TS Hoàng Vĩnh Sinh(ĐH Bách khoa Hà Nội). Trên thị
trƣờng Việt Nam, các máy CNC bình thƣờng có sai số vị trí là 0,01mm. Máy CNC do
chúng tôi chế tạo sau 3 serie đã đạt đƣợc sai số vị trí 0,005mm”. Hiện giá máy của
3


Chƣơng 1: Giới thiệu đề tài.
nhóm nghiên cứu chỉ bằng 85%-90% giá máy nhập ngoại cùng cấu hình và độ chính
xác của Đài Loan (hình 1.5). Ngoài ra còn có máy tự động hàn mạch in của công ty
CNC-VINA có khả năng lắp ráp có độ chính xác cao, ổn định, giảm thiểu thao tác của
công nhân (hình 1.7).

Hình 1.5 Máy phay CNC 5 trục của BKMech.

Hình 1.6 Máy phay CNC cao tốc của BKMech.

4


Chƣơng 1: Giới thiệu đề tài.

Hình 1.7 Robot tự động hàn mạch in của công ty CNC-VINA.

Hình 1.8 Máy CNC khắc gỗ.
Mặc dù các sản phẩm đó đã thể hiện đƣợc phần nào khả năng sáng tạo cũng
nhƣ kiến thức kỹ thuật ngày càng cao của ngƣời Việt, tuy nhiên, ngoài máy CNC
cao tốc từ kết quả của đề tài khoa học cấp thành phố “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo
máy phay CNC cao tốc” đã đƣợc các thƣơng hiệu nƣớc ngoài chứng nhận, chúng
5


Chƣơng 1: Giới thiệu đề tài.
ta không thể phủ nhận rằng thì những máy móc khác thƣờng chỉ mang tính tự phát,
đáp ứng đƣợc một yêu cầu nhỏ nào đó và chƣa thể vƣơn tầm để trở thành một nền
công nghiệp.
1.3. Ứng dụng gia công cam phẳng.
Cơ cấu cam là cơ cấu điều khiển cơ xuất hiện từ lâu và đƣợc sử dụng trong
các thiết bị tự động hóa (hình 1.9). Hiện nay, cơ cấu này vẫn đƣợc sử dụng rộng
rãi trong các thiết bị công nghiệp, do các ƣu điểm nổi bật nhƣ kết cấu nhỏ gọn,độ
tin cậy cao, làm việc tin cậy trong môi trƣờng nhiệt độ cao, độ bền và tính chịu tải
lớn. Các loại cam truyền động nói chung, cam phẳng nói riêng đã đƣợc sử dụng
rộng rãi trong các thiết bị công nghiệp các loại nhƣ máy chiết rót chai, máy ghép
nắp lon đồ hộp, động cơ xăng (hình 1.10), Máy dệt, máy may (hình 1.11) … trong
các nhà máy, các xí nghiệp, các xƣởng. Nên việc chế tạo cam phẳng trên máy
CNC phục vụ cho phụ tùng thay thế, sửa chữa ở các nhà máy là rất cần thiết.

Hình 1.9 Trục cam

6


Chƣơng 1: Giới thiệu đề tài.

Hình 1.10 Cam điều khiển đóng mở valve hút và xả của động cơ

Hình 1.11 Cam dùng trong máy may
Trong nƣớc, số đề tài nghiên cứu về vấn đề này là khá nhiều. Nhƣ nghiên
cứu về gia công cam thùng trên máy CNC của Trịnh Hùng [6]. Đề tài đã nghiên
cứu, tính toán xác định tọa độ một biên dạng cam, từ đó lập công nghệ gia công
trên máy CNC, tuy nhiên, vẫn còn nhiều giới hạn nhƣ chƣa xây dựng đƣợc phƣơng
trình chung cho nhiều biên dạng, chƣa xây dựng đƣợc biên dạng cam có quỹ đạo là
tham số.

7


Chƣơng 1: Giới thiệu đề tài.
Một đề tài khác có liên quan đó là đề tài thạc sĩ “Nghiên cứu chế tạo cam
mẫu trên máy CNC” của Đào Quốc Khánh [7], đề tài đã tập trung nghiên cứu về
phƣơng pháp dựng hình biên dạng cam cho trục cam phân phối khí của cụm động
cơ đốt trong và một phần nào đó về ứng dụng khả năng công nghệ điều khiển số
CNC để gia công biên dạng cam mẫu cho trục cam phân phối khí. Nhƣng kết quả
thật sự vẫn chƣa thật sự tốt, vẫn mang nặng tính lý thuyết, chƣa có mô hình tính
toán phân tích động hoặc và cũng chƣa xây dựng đƣợc các phƣơng trình tham số
cho các biên dạng cam phức tạp.

Hay đề tài nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cam của trục cam DS60 động cơ
Diesel bằng phƣơng pháp bao hình của Ngô Ngọc Vũ [8], đã nghiên cứu ứng
dụng đƣợc công nghệ tái tạo ngƣợc, qua đó tạo đƣợc các đƣờng con trơn cho phép
nâng cao chất lƣợng bề mặt một cam cụ thể, nhƣng cũng chỉ đƣa ra một phƣơng án
để cải thiện phƣơng án gia công cam cũ, chƣa ứng dụng đƣợc các thành tựu của kỹ
thuật hiện đại.
Một nhƣợc điểm nữa của các đề tài trên đó là việc nghiên cứu gia công lại
thƣờng chỉ tập trung dùng máy công cụ vạn năng hoặc máy CNC đa chức năng và việc
gia công cam dùng các loại máy này đòi hỏi thời gian hoặc là chi phí rất cao.
Từ những phân tích đó, đề tài “THIẾT KẾ MÁY GIA CÔNG CAM PHẲNG
ĐIỀU KHIỂN BẰNG CHƢƠNG TRÌNH SỐ” đã đƣợc chọn làm đề tài luận văn, với
hi vọng s cải thiện các nhƣợc điểm của các đề tài cũ, hiểu biết sâu hơn, có đƣợc cái
nhìn cụ thể, sâu sắc và đặt nền móng ban đầu để có thể thiết kế máy gia công tất cả các
loại cam phục vụ nhu cầu trong nƣớc nói riêng và thế giới nói chung.
1.4. Mục tiêu và phạm vi đề tài.
Các mục tiêu nghiên cứu cụ thể của đề tài :
 Thiết kế nguyên lí máy.
 Thiết kế kết cấu máy và các bộ phận truyền động.
 Thiết kế bộ điều khiển.
 Lập trình thiết kế cam cần lắc và cần đẩy đáy nhọn.
 Lập trình điều khiển máy.
8


Chƣơng 2: Thiết kế nguyên lí máy.
Chương 2. Thiết kế nguyên lí máy.
Một máy bất kì thƣờng gồm một hay nhiều chi tiết và cơ cấu máy, từ đó biến đổi
hoặc sử dụng năng lƣợng để nâng cao năng suất và thay thế sức lao động cho con
ngƣời. Máy đƣợc phân loại thành:
 Máy năng lƣợng : sử dụng vào mục đích biến đổi một dạng năng lƣợng bất kì

thành cơ năng hoặc ngƣợc lại. Một số ví dụ từ biến đổi năng lƣợng bất kì thành
cơ năng nhƣ động cơ điện, máy lạnh,... Ngƣợc lại ta có máy phát điện, tua bin..
 Máy công tác : sử dụng để biến đổi vật liệu. Máy công tác bao gồm máy vận
chuyển và máy công nghệ.
 Máy tự động : là máy có khả năng tự động, để thay thế một phần hoặc toàn bộ
hoạt động của con ngƣời. Nhiều máy tự động thực hiện một quy trình công
nghệ cho trƣớc đƣợc gọi là dây chuyền tự động.
Thƣờng máy đƣợc chia ra thành ba thành phần chính:
 Động cơ cung cấp năng lƣợng.
 Hệ thống truyền động, sử dụng để truyền công suất và chuyển động từ động cơ
sang bộ phận công tác, bao gồm truyền động cơ khí, thủy lực, khí nén,...
 Bộ phận công tác: là bộ phận tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm, hay trực tiếp tác
động vào quá trình hình thành sản phẩm nhƣ dao, bàn máy, ...
Mỗi thành phần đều có một vai trò quan trọng nhất định, việc lựa chọn đúng cơ
cấu và phƣơng án không chỉ tăng năng suất, độ chính xác khi hoạt động, mà đồng thời
còn giảm giá thành, đảm bảo đầy đủ các yêu cầu đã đƣợc đặt ra. Vì vậy khi thiết kế
một máy, việc lựa chọn thiết kế nguyên lí máy phải luôn đƣợc ƣu tiên đầu tiên.
Chƣơng này bao gồm các phân tích, lựa chọn các phƣơng án phù hợp với mục
tiêu của đề tài để đảm bảo các yêu cầu về độ chính xác, độ cứng vững, năng suất, độ
bền,... nhƣ phƣơng pháp gia công, phƣơng pháp truyền động, cách bố trí các trục,...

9


Chƣơng 2: Thiết kế nguyên lí máy.
2.1. Phƣơng pháp gia công.
Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, thì càng ngày càng có nhiều phƣơng
pháp gia công khác nhau ra đời. Tuy nhiên, mỗi phƣơng pháp đều có một số ƣu nhƣợc
điểm, tùy vào yêu cầu mà chọn phƣơng pháp này hay phƣơng pháp kia.
2.1.1. Gia công bằng tia nƣớc.

Gia công bằng tia nƣớc là quá trình sử dụng tia nƣớc ở áp suất cao (từ 2.108 Pa 4.108 Pa ). Vết cắt hoặc rãnh có độ rộng xấp xỉ 1mm. Đƣờng kính lỗ nhỏ nhất có thể
cắt đƣợc là 1.5mm. Phƣơng pháp này còn có tên gọi khác là thủy động lực học.
Bộ tích trữ

Điều khiển

Vòi phun
Van tiết lƣu

Chi tiết gia
công

Bộ phận tăng áp
Máng hứng
nƣớc
Thùng cấp nƣớc

Bộ trộn và lọc

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý gia công bằng tia nƣớc.

Ƣu điểm của phƣơng pháp này là :
 Cắt với một phạm vi bề dầy lớn với dung sai hợp lý, không sinh nhiệt, vùng gia
công không chịu tác động nhiệt.
 Gia công bằng tia nƣớc cho phép gia công những bề mặt khó khăn và phức tạp.
 Gia công bằng tia nƣớc có thể gia công các vật liệu tổng hợp, nhựa mà không
gặp phải dung sai do nhiệt, hoặc do sự xuống cấp của các chi tiết cơ khí.
 Chất lƣợng vết cắt rất cao. Vết cắt có thể bắt đầu ở bất kì chỗ nào mà không cần
khoan mồi trƣớc và có thể cắt đƣợc các vật liệu cán mỏng.

10


Chƣơng 2: Thiết kế nguyên lí máy.
 Có thể đƣợc dùng để cắt hoặc tạo hình các bộ phận bằng thép, nhôm, thủy tinh,
cao su, vật liệu tổng hợp và các loại vật liệu khác.
 Có khả năng tự động hóa và ngƣời máy hóa rất cao.
Nhƣợc điểm của phƣơng pháp gia công bằng tia nƣớc.
 Khó kiểm soát độ chính xác về kích thƣớc gia công.
 Giá thành thiết bị cao
 Công nghệ gia công bằng tia nƣớc áp lực cao trong lĩnh vực chế tạo máy vẫn
còn mới mà nhiều vấn đề lý thuyết và thực tiễn chƣa giải quyết đƣợc hoặc giải
quyết chƣa triệt để.
 Bộ tạo chuyển động cắt phức tạp
2.1.2. Gia công bằng tia laser.
Gia công bằng chùm tia laser là quá trình xử lí nhiệt trong đó tia laser đƣợc dùng
làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu. Nguyên lí hoạt động của chùm tia laser nhƣ sau:
4

1

3

5

2
1. Môi trƣờng hoạt tính.
2. Nguồn ánh sáng kích thích.
3. Buồng cộng hƣởng quang học
4. Gƣơng phản xạ toàn phần (phản xạ 100%).

5. Gƣơng phản xạ bán phần trong suốt (phản xạ ánh sáng 50%)

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý họat động của chùm tia laser.

Ƣu điểm của phƣơng pháp này là:
 Có khả năng làm việc trong môi trƣờng không khí, khí trở, chân không, hoặc
ngay cả trong chất lỏng hay chất rắn truyền quang.
11


Chƣơng 2: Thiết kế nguyên lí máy.
 Có thể gia công tất cả vật liệu.
 Không có sự tác dụng lực trực tiếp giữa dụng cụ và phôi.
 Phù hợp với các công việc cắt vật liệu ceramic và các vật liệu bị phá hủy nhanh
do nhiệt độ.
 Sự chính xác và khả năng gia công các lỗ nhỏ và đƣờng cắt chuẩn xác với biên
dạng xung quanh vùng gia công ít.
 Thời gian tồn tại của xung gia công ngắn nên năng suất cao.
 Có khả năng tạo các rãnh hẹp
 Chế độ gia công êm hơn các phƣơng pháp khác.
Nhƣợc điểm :
 Hiệu suất thấp.
 Khó điều chỉnh công suất ra.
 Khả năng điều chỉnh độ lệch tia kém hơn tia điện tử.
 Kỹ thuật cao, đầu tƣ lớn, giá thành cao.
 Cần xác định chính xác điểm gia công.
2.1.3. Gia công bằng tia lửa điện.
Gia công tia lửa điện dùng nguyên tắc bắn phá chi tiết để tách vật liệu bằng
nguồn năng lƣợng nhiệt rất lớn đƣợc sinh ra khi cho hai điện cực tiến gần nhau.Trong
hai điện cực này, một đóng vai trò là dao và một đóng vai trò là phôi trong quá trình

gia công.
R

V

A

C

Vật cần gia công

Hình 2.3 Nguyên lý gia công tia lửa điện.
12


Chƣơng 2: Thiết kế nguyên lí máy.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là:
 Tác dụng giảm phế thải chủ yếu của EDM do không để xảy ra gãy dụng cụ.
 EDM giúp loại bỏ đƣợc khâu xử lý nhiệt đối với các sản phẩm và chi tiết kim
loại và tránh đƣợc sự biến dạng do xử lý nhiệt. Phù hợp với các chi tiết phức
tạp, có hốc, lỗ,..
 EDM cũng rất hiệu quả để ứng dụng trong trƣờng hợp vật liệu rất mỏng. Ví dụ,
EDM có thể dùng gia công các lỗ tròn nhỏ, hoặc có hình dạng không bình
thƣờng.
Nhƣợc điểm:
 Giá thành đắt nên ít đƣợc sử dụng đại trà. Chỉ để sử dụng để gia công các chi
tiết cần độ chính xác và khó gia công bằng các phƣơng pháp cổ truyền.
 Thời gian gia công lâu .
 Sử dụng chất dung môi bất tiện.
 Độ chính xác thấp

 Độ bóng bề mặt không cao.
2.1.4. Gia công bằng dao công cụ.
Đây là phƣơng pháp truyền thống, nguyên lý của nó đơn giản là dùng sự sắc
nhọn của một kim loại cứng hơn để cắt kim loại mềm hơn.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này:
 Bộ tạo chuyển động cắt đơn giản.
 Có thể cắt đƣợc các vật liệu cứng, rất cứng và dày.
 Dễ dàng thay đổi chế độ cắt.
 Chi phí rẻ hơn so với các phƣơng án gia công đặc biệt vừa nêu
Nhƣợc điểm :
 Dao kim loại sau một thời gian cắt s mòn dao dẫn tới cùn dao .
 Dùng dao kim loại thì rất khó cắt dọc theo đƣờng cong, đặc biệt là đƣờng cong
lõm.
 Trong vùng cắt tỏa nhiệt,có thể làm biến dạng phôi.
Từ những phân tích lựa chọn trên, cùng với mục đích đề tài là gia công cam
phẳng, không cần thiết phải cắt những lõm, hóc, máy gia công là 2,5 trục. Vậy quyết
13


Chƣơng 2: Thiết kế nguyên lí máy.
định chọn phƣơng pháp gia công bằng dao công cụ do ƣu điểm về giá cả, bộ tạo
chuyển động cắt đơn giản, gọn, khả năng gia công cao.
2.2. Phƣơng pháp truyền động
2.2.1. Phƣơng pháp dẫn hƣớng
 Rãnh chữ V
Ƣu điểm : Loại rãnh này có kết cầu vững chắc, phù hợp với máy gia công bằng
tay.
Nhƣợc điểm : Rãnh chữ V yêu cầu phải chế tạo chính xác, do nó là một khối đặc
nên rất nặng, do đó chi phí cho động cơ và phần điều khiển s lớn hơn. Mặt khác nó
không linh động bằng các phƣơng pháp trình bày phía sau.

 Ray trƣợt chữ V
Ƣu điểm : Di chuyển linh hoạt, độ chính xác cao, lắp ráp và điều chỉnh dễ dàng,
có bán nguyên bộ sẵn với giá cả phù hợp.
Nhƣợc điểm : Đắt tiền, thông số bộ truyền phụ thuộc vào nhà sản xuất.
 Ray trƣợt dạng tròn.
Ƣu điểm : Di chuyển linh hoạt, rẻ tiền hơn so với phƣơng pháp ray trƣợt chữ V ,
độ chính xác vừa phải, phù hợp với các máy gia công gỗ hoặc vật liệu mềm.
Nhƣợc điểm : Độ chính xác không cao do độ rơ của ổ bi.
 Một số kết cấu khác dùng ổ bi.
Ƣu điểm : Rẻ tiền, độ chính xác vừa phải, phù hợp với các máy gia công gỗ hoặc
vật liệu mềm.
Nhƣợc điểm : Độ cứng vững không cao, yêu cầu gia công lắp ráp bộ truyền này
phải chính xác.
Chọn kết cấu dạng ray trƣợt bi do những ƣu điểm của nó về độ chính xác,dễ
dàng chế tạo và lắp ráp.Hơn nữa nó có khả năng chịu tải cũng nhƣ sự linh động cao.

14


Chƣơng 2: Thiết kế nguyên lí máy.

Hình 2.4 Kết cấu ray trƣợt chữ V
2.2.2. Phƣơng pháp dẫn động
Có rất nhiều phƣơng pháp dẫn động cho các trục X,Y,Z. Một số phƣơng pháp cụ
thể để áp dụng nhất nhƣ :
 Dẫn động bằng bánh răng thanh răng.
Ƣu điểm : Khả năng tải lớn, hiệu suất làm việc cao, làm việc với tốc độ lớn và
tuổi thọ cao.
Nhƣợc điểm : Tiếng ồn lớn khi hoạt động ở tốc độ cao, chế tạo lắp ráp đòi hỏi độ
chính xác cao, hành trình dài s làm tăng kích thƣớc bộ truyền.

 Dẫn động bằng vít me – đai ốc bi.
Ƣu điểm: Có thể chịu đƣợc tải lớn. Độ tin cậy cao. Làm việc êm không ồn. Mất
mát do ma sát nhỏ,hiệu suất bộ truyền xấp xỉ 0.9. Lực ma sát không phụ thuộc vào vận
tốc do đó đảm bảo sự ổn định trong khi điều khiển chuyển động. Có thể loại trừ khe hở
và tạo sức căng ban đầu đảo bảo độ cứng vững dọc trục cao. Đảm bảo độ chính xác
làm việc lâu dài. Nhờ một cặp đai ốc ghép căng theo chiều trục có thể khử đƣợc khe
hở giữa trục vít me và bản thân đai ốc mà không cho phép làm tăng ma sát giữa chúng.
Nhƣợc điểm : Đắt tiền, hiệu suất thấp, độ giảm chấn thấp.
 Dẫn động bằng đai
Ƣu điểm : Có thể truyền động giữa các trục xa nhau. Làm việc êm không ồn nhờ
vào độ dẻo dai của đai. Đề phòng sự quá tải của động cơ nhờ vào sự trƣợt trơn. Kết
cấu và vận hành đơn giản. Giá thành thì rẻ.
Nhƣợc điểm : Kích thƣớc bộ truyền lớn, khó bố trí trong máy. Tỷ số truyền thay
đổi do hiện tƣợng trƣợt đàn hồi,dẫn tới điều khiển vị trí không chính xác. Tuổi thọ
thấp.
15


Chƣơng 2: Thiết kế nguyên lí máy.
Chọn dẫn động bằng vít me – đai ốc bi do máy gia công phôi Cam là kim loại, có
hành trình di chuyển không lớn đến mức cần phải dùng bánh răng thanh răng, yêu cầu
độ chính xác cao, khả năng tải lớn, bộ truyền phải nhỏ gọn, làm việc theo cả hai chiều
linh hoạt,dễ bố trí lắp động cơ, và trên hết là khả năng thích ứng số vòng quay của
động cơ và mô men quay.
2.2.3. Phƣơng án bố trí các trục
 Trục XY chữ thập,trục Z cố định.
Đây là cách bố trí truyền thống. Có ƣu điểm về độ cứng vững cao,tuy nhiên do
trục chính và trục Z cùng di chuyển lên xuống nên phƣơng Z cần một bộ truyền có tải
lớn, có khả năng tự giữ hoặc có cơ cấu để tránh trƣờng hợp mất điện nhƣ tải trọng
động, dùng bộ trục vít, bánh vít, ....

Hình 2.5 Phƣơng án bố trí trục XY chữ thập, trục Z cố định.
 Bàn máy cố định, trục Y di chuyển theo trục X, trục Z trƣợt theo trục Y.
Đây là cách bố trí phổ biến hiện nay, nó rất phù hợp cho việc gia công diện tích
lớn, gia công gỗ hoặc các vật liệu mềm, không quá cứng. Ƣu điểm của cách bố trí này
là hành trình di chuyển lớn hơn, thẩm mỹ. Tuy nhiên nếu bố trí theo phƣơng án này độ
cứng vững không cao, khó gia công các vật liệu cứng, hoặc cắt với độ sâu lớn.

16