Thiết kế máy gia công cam phẳng điều khiển bằng chương trình 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 Bách Khoa Hồ Chí Minh đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong hội đồng chấm luận văn đã cho tôi những
đóng góp quý báu để luận văn thêm hoàn chỉnh.
Cuối cùng xin được gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè là những người luôn chia sẻ
những chuyện buồn vui trong cuộc sống cũng như giúp đỡ 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 phương pháp gia công điều khiển bằng chương
trình số và cách hình thành biên dạng cam phẳng. Từ đó đưa ra phương pháp thiết kế
mô hình thực nghiệm để đánh giá giải thuật di chuyển, khả năng áp dụng vào thực tiễn,
cũng như tối ưu các phương 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.
CHƯƠNG 1: Giới thiệu tổng quan các phương pháp gia công Cam phẳng, lí do lựa
chọn phương pháp gia công bằng chương trình số.
CHƯƠNG 2: Phân tích ưu nhược điểm và lựa chọn các phương án thiết kế nguyên lí
máy.
CHƯƠNG 3: Tìm hiểu lý thuyết hình thành biên dạng cam, lý thuyết điều khiển
chương trình số, lựa chọn phương pháp nội suy.
CHƯƠNG 4: Lựa chọn và tính toán các chi tiết tiêu chuẩn như vít me, ray trượt và
động cơ.
CHƯƠNG 5: Phân tích, lựa chọn và thiết kế mạch điều khiển.
CHƯƠNG 6: Trình bày các yêu cầu về an toàn và bảo quản máy.
CHƯƠNG 7: Tiến hành thực nghiệm với mô hình máy 3D điều khiển số, kiểm tra và
đánh giá kết quả.
CHƯƠNG 8: Tổng kết đề tài, hướng phát triển tiếp theo trong tương 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
Giới thiệu đề tài................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề. ........................................................................................................ 1
1.2. Các nghiên cứu trong nước. ............................................................................... 3
1.3. Ứng dụng gia công cam phẳng. .......................................................................... 6
1.4. Mục tiêu và phạm vi đề tài. ................................................................................ 8
Thiết kế nguyên lí máy........................................................................ 9
2.1. Phương pháp gia công. .................................................................................... 10
2.1.1. Gia công bằng tia nước. ............................................................................. 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. Phương pháp truyền động ................................................................................ 14
2.2.1. Phương pháp dẫn hướng ............................................................................ 14
2.2.2. Phương pháp dẫn động .............................................................................. 15
2.2.3. Phương án bố trí các trục ........................................................................... 16
2.2.4. Phương án truyền công suất. ...................................................................... 18
2.2.5. Chọn loại động cơ ..................................................................................... 19
Chương trình điều khiển. ................................................................. 22
3.1. Lý thuyết chương 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 chương trình điều khiển số. .............................................................. 27
3.2.1. Biên dịch ................................................................................................... 30
iii

MỤC LỤC
3.2.2. Nội suy ...................................................................................................... 31
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 trượt..................................................................................... 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
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 phương 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
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 dưỡng máy ......................................................................................... 96
6.2.3. Bôi trơn máy ............................................................................................. 97
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
Kết luận. .......................................................................................... 107
8.1. Đánh giá. ....................................................................................................... 107
8.2. Hướng 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 nước. ..................................................... 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 trượt chữ V ............................................................................... 15
Hình 2.5 Phương 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 thường 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 chương 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 trượt. ....................................................................... 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 lưới 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 lưới 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 lưới 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 lưới 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 AC 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 vẽ miền tâm cam.................................................................. 101
Hình 7.4 Giao diện vẽ biên dạng cam. ..................................................................... 101
Hình 7.5 Giao diện vẽ đồ thị hành trình. .................................................................. 102
Hình 7.6 Giao diện vẽ 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 trường hợp nội suy cho dao................................................................. 33
Bảng 3.2 Các bước nội suy bậc thang. ....................................................................... 35
Bảng 3.3 Các bước quá trình nội suy Direct Search”. ................................................. 38
Bảng 5.1 Các chức năng và yêu cầu của mạch Break-Out Board................................ 72

ix


Chương 1: Giới thiệu đề tài.
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 phương 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
lượng gia công một chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công cũng như hiệu quả về kinh

tế, đồng thời rút ngắn được chu kỳ sản xuất . Chính vì vậy hiện nay nhiều nước 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 được. Thay cho việc điều khiển các rơ le thông
qua các mạch logic ghép cứng, người 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 chương trình điều khiển được thiết lập sẵn từ trước (hình 1.1).Việc lập trình
trực tiếp trên máy thông qua một giao diện, kết hợp người và hệ điều khiển số làm cho
máy CNC trở nên rất hữu dụng và tiết kiệm được 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


Chương 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 được đưa vào
hệ điều khiển dưới 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

Chương 1: Giới thiệu đề tài.
1.2. Các nghiên cứu trong nước.
Hiện nay các máy điều khiển số CNC đã bắt đầu được sử dụng rộng rãi ở
nước 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 được 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, nhưng
độ chính xác không cao. Vì ngoài yếu tố của máy móc nó còn phụ thuộc vào trình độ
tay nghề của người 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 nước cũng ngày càng
được nâng cao. Đặc biệt là ở các xưởng, 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 như
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
trường Việt Nam, các máy CNC bình thường có sai số vị trí là 0,01mm. Máy CNC do
chúng tôi chế tạo sau 3 serie đã đạt được sai số vị trí 0,005mm”. Hiện giá máy của
3


Chương 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


Chương 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 được phần nào khả năng sáng tạo cũng
như kiến thức kỹ thuật ngày càng cao của người 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 được các thương hiệu nước ngoài chứng nhận, chúng
5


Chương 1: Giới thiệu đề tài.
ta không thể phủ nhận rằng thì những máy móc khác thường chỉ mang tính tự phát,
đáp ứng được một yêu cầu nhỏ nào đó và chưa thể vươn 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 được sử dụng trong
các thiết bị tự động hóa (hình 1.9). Hiện nay, cơ cấu này vẫn được sử dụng rộng
rãi trong các thiết bị công nghiệp, do các ưu điểm nổi bật như kết cấu nhỏ gọn,độ

tin cậy cao, làm việc tin cậy trong môi trường nhiệt độ cao, độ bền và tính chịu tải
lớn. Các loại cam truyền động nói chung, cam phẳng nói riêng đã được sử dụng
rộng rãi trong các thiết bị công nghiệp các loại như 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 xưởng. 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


Chương 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 nước, số đề tài nghiên cứu về vấn đề này là khá nhiều. Như 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 như chưa xây dựng được phương
trình chung cho nhiều biên dạng, chưa xây dựng được biên dạng cam có quỹ đạo là
tham số.

7


Chương 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

phương 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. Nhưng kết quả
thật sự vẫn chưa thật sự tốt, vẫn mang nặng tính lý thuyết, chưa có mô hình tính
toán phân tích động hoặc và cũng chưa xây dựng được các phương 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 phương pháp bao hình của Ngô Ngọc Vũ [8], đã nghiên cứu ứng
dụng được công nghệ tái tạo ngược, qua đó tạo được các đường con trơn cho phép
nâng cao chất lượng bề mặt một cam cụ thể, nhưng cũng chỉ đưa ra một phương án
để cải thiện phương án gia công cam cũ, chưa ứng dụng được các thành tựu của kỹ
thuật hiện đại.
Một nhược điểm nữa của các đề tài trên đó là việc nghiên cứu gia công lại
thường 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 CHƯƠNG TRÌNH SỐ” đã được chọn làm đề tài luận văn, với
hi vọng sẽ cải thiện các nhược điểm của các đề tài cũ, hiểu biết sâu hơn, có được 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 nước 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

Chương 2: Thiết kế nguyên lí máy.
Thiết kế nguyên lí máy.
Một máy bất kì thường gồm một hay nhiều chi tiết và cơ cấu máy, từ đó biến đổi
hoặc sử dụng năng lượng để nâng cao năng suất và thay thế sức lao động cho con
người. Máy được phân loại thành:
 Máy năng lượng : sử dụng vào mục đích biến đổi một dạng năng lượng bất kì
thành cơ năng hoặc ngược lại. Một số ví dụ từ biến đổi năng lượng bất kì thành
cơ năng như động cơ điện, máy lạnh,... Ngược 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 người. Nhiều máy tự động thực hiện một quy trình công
nghệ cho trước được gọi là dây chuyền tự động.
Thường máy được chia ra thành ba thành phần chính:
 Động cơ cung cấp năng lượng.
 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 như dao, bàn máy, ...
Mỗi thành phần đều có một vai trò quan trọng nhất định, việc lựa chọn đúng cơ
cấu và phương 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 được đặt ra. Vì vậy khi thiết kế
một máy, việc lựa chọn thiết kế nguyên lí máy phải luôn được ưu tiên đầu tiên.
Chương này bao gồm các phân tích, lựa chọn các phương 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,... như phương pháp gia công, phương pháp truyền động, cách bố trí các trục,...

9

Chương 2: Thiết kế nguyên lí máy.
2.1. Phương pháp gia công.
Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, thì càng ngày càng có nhiều phương
pháp gia công khác nhau ra đời. Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có một số ưu nhược
điểm, tùy vào yêu cầu mà chọn phương pháp này hay phương pháp kia.
2.1.1. Gia công bằng tia nước.
Gia công bằng tia nước là quá trình sử dụng tia nước ở áp suất cao (từ 2.108 Pa 4.108 Pa ). Vết cắt hoặc rãnh có độ rộng xấp xỉ 1mm. Đường kính lỗ nhỏ nhất có thể
cắt được là 1.5mm. Phương pháp này còn có tên gọi khác là thủy động lực học.

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

Ưu điểm của phương 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 nước cho phép gia công những bề mặt khó khăn và phức tạp.
 Gia công bằng tia nước 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 lượng vết cắt rất cao. Vết cắt có thể bắt đầu ở bất kì chỗ nào mà không cần
khoan mồi trước và có thể cắt được các vật liệu cán mỏng.

10


Chương 2: Thiết kế nguyên lí máy.
 Có thể được 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 người máy hóa rất cao.
Nhược điểm của phương pháp gia công bằng tia nước.
 Khó kiểm soát độ chính xác về kích thước gia công.
 Giá thành thiết bị cao

 Công nghệ gia công bằng tia nước áp lực cao trong lĩnh vực chế tạo máy vẫn
còn mới mà nhiều vấn đề lý thuyết và thực tiễn chưa giải quyết được hoặc giải
quyết chưa 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 được dùng
làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu. Nguyên lí hoạt động của chùm tia laser như sau:

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

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


Chương 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 đường 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 phương pháp khác.
Nhược 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 tư 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 lượng nhiệt rất lớn được 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.

Hình 2.3 Nguyên lý gia công tia lửa điện.
12


Chương 2: Thiết kế nguyên lí máy.
Ưu điểm của phương pháp này là:
 Tác dụng giảm phế thải chủ yếu của EDM do không để xảy ra gãy dụng cụ.
 EDM giúp loại bỏ được khâu xử lý nhiệt đối với các sản phẩm và chi tiết kim
loại và tránh được 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 trường hợp vật liệu rất mỏng. Ví dụ,
EDM có thể dùng gia công các lỗ tròn nhỏ, hoặc có hình dạng không bình
thường.
Nhược điểm:
 Giá thành đắt nên ít được sử dụng đại trà. Chỉ để sử dụng để gia công các chi
tiết cần độ chính xác và khó gia công bằng các phương 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 phương 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.
Ưu điểm của phương pháp này:
 Bộ tạo chuyển động cắt đơn giản.
 Có thể cắt được các vật liệu cứng, rất cứng và dày.
 Dễ dàng thay đổi chế độ cắt.
 Chi phí rẻ hơn so với các phương án gia công đặc biệt vừa nêu
Nhược điểm :
 Dao kim loại sau một thời gian cắt sẽ mòn dao dẫn tới cùn dao .
 Dùng dao kim loại thì rất khó cắt dọc theo đường cong, đặc biệt là đường 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


Chương 2: Thiết kế nguyên lí máy.
định chọn phương pháp gia công bằng dao công cụ do ưu điểm về giá cả, bộ tạo
chuyển động cắt đơn giản, gọn, khả năng gia công cao.
2.2. Phương pháp truyền động
2.2.1. Phương pháp dẫn hướng
 Rãnh chữ V
Ưu điểm : Loại rãnh này có kết cầu vững chắc, phù hợp với máy gia công bằng
tay.
Nhược 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 sẽ lớn hơn. Mặt khác nó
không linh động bằng các phương pháp trình bày phía sau.
 Ray trượt chữ V
Ưu 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.

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

14


Chương 2: Thiết kế nguyên lí máy.

Hình 2.4 Kết cấu ray trượt chữ V
2.2.2. Phương pháp dẫn động
Có rất nhiều phương pháp dẫn động cho các trục X,Y,Z. Một số phương pháp cụ
thể để áp dụng nhất như :
 Dẫn động bằng bánh răng thanh răng.
Ưu điểm : Khả năng tải lớn, hiệu suất làm việc cao, làm việc với tốc độ lớn và
tuổi thọ cao.
Nhược điểm : Tiếng ồn lớn khi hoạt động ở tốc độ cao, chế tạo lắp ráp đòi hỏi độ
chính xác cao, hành trình dài sẽ làm tăng kích thước bộ truyền.
 Dẫn động bằng vít me – đai ốc bi.
Ưu điểm: Có thể chịu được 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 được khe
hở giữa trục vít me và bản thân đai ốc mà không cho phép làm tăng ma sát giữa chúng.
Nhược điểm : Đắt tiền, hiệu suất thấp, độ giảm chấn thấp.
 Dẫn động bằng đai
Ưu 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 trượt trơn. Kết
cấu và vận hành đơn giản. Giá thành thì rẻ.
Nhược điểm : Kích thước bộ truyền lớn, khó bố trí trong máy. Tỷ số truyền thay
đổi do hiện tượng trượt đàn hồi,dẫn tới điều khiển vị trí không chính xác. Tuổi thọ
thấp.
15


Chương 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. Phương án bố trí các trục
 Trục XY chữ thập,trục Z cố định.
Đây là cách bố trí truyền thống. Có ưu điểm về độ cứng vững cao,tuy nhiên do
trục chính và trục Z cùng di chuyển lên xuống nên phương Z cần một bộ truyền có tải
lớn, có khả năng tự giữ hoặc có cơ cấu để tránh trường hợp mất điện như tải trọng
động, dùng bộ trục vít, bánh vít, ....

Hình 2.5 Phương án bố trí trục XY chữ thập, trục Z cố định.
 Bàn máy cố định, trục Y di chuyển theo trục X, trục Z trượt 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. Ưu điểm của cách bố trí này
là hành trình di chuyển lớn hơn, thẩm mỹ. Tuy nhiên nếu bố trí theo phương án này độ
cứng vững không cao, khó gia công các vật liệu cứng, hoặc cắt với độ sâu lớn.

16