Nghiên cứu chế tạo bàn xoay máy CNC 5 trục

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ……………………………………………………………………………3
DANH MỤC HÌNH ẢNH………………………………………………………………...5
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ……………………………………………………...8
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5

Đặt vấn đề …………………………………………………………………….....8
Mục đích của đề tài………………………………………………………………8
Phạm vi của đề tài…………………………………………………………..........8
Bố cục của đề tài………………………………………………………………....9
Kế hoạch và thời gian thực hiện.………………………………….……………10

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU VỀ MÁY PHAY CNC 5 TRỤC………………………....10
2.1. Khái niệm về máy CNC và máy phay CNC…………………………………….......10
2.2. Đặc điểm kết cấu máy phay CNC…………………………………………………...12
2.2.1. Các chi tiết cơ sở……………………………………………………………….12
2.2.2. Hệ truyền động tịnh tiến hay còn gọi là hệ truyền động chạy dao……………..13
2.2.3. Hệ thống phụ trợ của máy phay CNC………………………………………….14
2.2.4. Hệ thống điều khiển……………………………………………………………15
2.3. Phân loại máy CNC 5 trục …………………………………………………............16
2.4. Bàn xoay…………………………………………………………………………….18
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BÀN XOAY KIỂU XYZAC CHO MÁY PHAY
3 TRỤC EMCO MILL 50………………………………………………….......................21
3.1 Phân tích kết cấu bàn xoay thiết kế…………………………………………………..21
3.1.1 Kết cấu máy phay CNC EMCO MILL 50…………………………………..21
3.1.2 Lựa chọn kiểu bàn xoay thiết kế…………………………………………….22
3.1.3

Bố
trí
bàn
xoay…………………………………………………………….....23
3.2. Thiết kế các chi tiết của bàn xoay…………………………………………………...24
3.2.1. Tính chọn các thông số đầu vào cho bàn gá phôi………………..…………24
3.2.2. Tính toán thiết kế trục, thiết kế ổ bi và lựa chọn bộ truyền đai…………….24

Trang 1


CHƯƠNG 4. CHẾ TẠO KẾT CẤU CƠ KHÍ…………………………………………...51
4.1 Thiết kế các chi tiết…………………………………………………………………..51
4.2 Lắp ráp bàn xoay……………………………………………………………………..57
CHƯƠNG 5. LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN………………………………………………60
5.1. Phần mềm điều khiển………………………………………………………………..60
5.2. Cài đặt các thông số trong phần mềm……………………………………………….62
5.3. Board mạch điều khiển và kết nối…………………………………………………...69
KẾT LUẬN………………………………………………………………………………72
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………….........73

Trang 2


LỜI NÓI ĐẦU
Sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa của Việt Nam không thể thiếu được việc
hiện đại hóa ngành cơ khí chế tạo máy. Cùng với sự phát triển chung của nền kinh tế trong
những năm qua, ngành cơ khí nước ta đã đạt được những bước tiến đáng kể. Ngày nay có
nhiều loại máy công cụ mới được phát minh với những kỹ thuật tiên tiến phục vụ hữu ích cho
sản xuất và cuộc sống con người. Một trong số đó phải kể tới máy phay CNC

Chúng ta đổi mới công nghệ không có nghĩa chỉ là đem tiền đi mua công nghệ cao.
Việc mua công nghệ không phải thứ nào cứ có tiền là mua được đặc biệt là công nghệ cao.
Cụ thể hơn nhập khẩu máy công cụ CNC trong một số trường hợp có nhiều bất cập như giá
đắt, bảo trì, bảo hành phức tạp, không chủ động, không phát huy được kinh tế nội suy, nhiều
khi còn bị cấm vận không nhập được một số máy CNC phục vụ quốc phòng.
Hiện nay số lượng máy phay CNC ở Việt Nam rất đa dạng và phong phú, nhưng chủ
yếu là máy CNC 3 trục. Nếu gặp những chi tiết có những biên dạng phức tạp, đặc biệt là các
sản phẩm phục vụ cho ngành khuôn mẫu, công nghiệp quốc phòng vv..thì máy phay CNC 3
trục chưa đáp ứng được. Giải pháp để gia công những chi tiết phức tạp này là dùng máy phay
CNC có số trục lớn 3. Vấn đề đặt ra là tại Việt Nam hiện nay chưa sản xuất được những máy
CNC có thể thực hiện những điều này. Trong khi đó chúng ta hoàn toàn có khả năng thiết kế
chế tạo, cải tiến những máy CNC này. Vì vậy việc nghiên cứu, chế tạo ra máy phay CNC 5
trục là hết sức cần thiết.
Với những lý do trên đề tài “ Nghiên Cứu Phát Triển Cơ Cấu Cơ Khí Kiểu Bàn Quay
Chuyển Đổi Máy Phay CNC 3 Trục Thành Máy CNC 5 Trục”. Đã được nhóm lựa chọn làm
đề tài nghiên cứu khoa học.
Đề tài này tập trung nghiên cứu kết cấu máy CNC 5 trục qua đó tìm hiểu các nguyên
lý hoạt động của máy, tính toán thiết kế cho kiểu bàn xoay mà mình lựa chọn, cuối cùng là
chế tạo sản phẩm và lập trình, điều khiển cho máy CNC 5 trục. Từ đó đưa ra những đánh giá,
nhận định về kết quả hướng phát triển tiếp theo của đề tài.
Đề tài là một hướng nghiên cứu mới về thiết kế chế tạo máy CNC, nhóm đã đi vào chế
tạo mô hình và nghiên cứu về phần lập trình điều khiển cho máy. Trong quá trình làm đề tài,
mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng do khả năng, kinh nghiệm còn yếu nên không thể tránh
khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn để đề tài
hoàn thiện và phát triển hơn. Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy trong bộ
môn, các thầy ở Trung Tâm Công Nghệ, Thầy giáo Nguyễn Đức Dương, thầy giáo Lê Đình
Lộc và đặc biệt là thầy giáo Trần Đức Tăng đã tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài
này. Chúng em xin chân thành cảm ơn !.
Trang 3

Hà Nội, ngày tháng năm 2016
Nhóm học viên thực hiện:
Từ Ngọc Sơn
Nguyễn Đức Mạnh

Trang 4


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1. Máy phay CNC 5 trục…………………………………………………………….11
Hình 2.2. Các bộ phận chính của máy phay CNC…………………………………………..12
Hình 2.3. Bộ truyền vít me……………………………………………………………….…13
Hình 2.4. Động cơ tuyến tính………………………………………………………….……13
Hình 2.5. Ổ tích dao…………………………………………………………………...........15
Hình 2.6. Vòi phun làm mát…………………………………………………………….......15
Hình 2.7. Máy năm trục kiểu TTTRR………………………………………………………17
Hình 2.8. Máy CNC XYZAB……………………………………………………………….18
Hình 2.9. Các trục của bàn xoay và máy phay CNC………………………………………..18
Hình 2.10. Một số dạng chi tiết được gia công trên bàn xoay không nghiêng………….......19
Hình 2.11. Một số dạng chi tiết được gia công trên bàn xoay nghiêng tự động…………….19
Hình 2.12. Một số dạng chi tiết được gia công trên bàn xoay nghiêng……………………..20
Hình 3.1.Máy phay emco mill 50…………………………………………………………...21
Hình 3.2. Bàn xoay nghiêng điều khiển tự động……………………………………………22
Hình 3.3. mô hình 3D của bàn xoay………………………………………………………...23
Hình 3.4. Thông số trên tab design………………………………………………………….27
Hình 3.5. Thông số trên tab calculation……………………………………………………..28
Hình 3.6. Nhập kích thước bánh dẫn………………………………………………………..29
Hình 3.7. Nhập kích thước bánh bị dẫn……………………………………………………..29
Hình 3.8. Mô hình 3D bộ truyền đai thang………………………………………………….30

Hình 3.9. Phác thảo kết cấu trục dẫn động bàn gá phôi……………………………………..31
Hình 3.10. Tab design cho trục dẫn động bàn gá phôi………………………………………32
Hình 3.11. Tab calculator……………………………………………………………………33
Trang 5


Hình 3.12 Nhập lực cho trục……………………………………………………………......33
Hình 3.13. Biểu đồ nội lực tổng cộng………………………………………………………34
Hình 3.14 Biểu đồ nội lực mặt yz………………………………………………………......34
Hình 3.15. Biểu đồ momen uốn tổng cộng…………………………………………………35
Hình 3.16. Biểu đồ momen mặt phẳng yz………………………………………………….35
Hình 3.17. Ứng suất uốn tổng cộng………………………………………………………...36
Hình 3.18 Biểu đồ ứng suất uốn mặt phẳng yz…………………………………………......36
Hình 3.19. Biểu đồ ứng suất tổng cộng…………………………………………………......37
Hình 3.20. Thông số tab design……………………………………………………………..39
Hình 3.21. Thông số tab calculator………………………………………………………….40
Hình 3.22. Nhập thông số bánh dẫn…………………………………………………………41
Hình 3.23. Nhập thông số bánh bị dẫn………………………………………………………41
Hình 3.24 Phác thảo trục 1 sơ bộ……………………………………………………………43
Hình 3.25. Phác thảo trục 2 sơ bộ……………………………………………………….......43
Hình 3.26. Tab design……………………………………………………………………….44
Hình 3.27. Tab calculator……………………………………………………………………45
Hình 3.28. Nhập lực cho trục………………………………………………………………..45
Hình 3.29. Biểu đồ nội lực…………………………………………………………………..46
Hình 3.30. Biểu đồ momen uốn mặt phẳng yz………………………………………………46
Hình 3.31. Biểu đồ ứng suất uốn tổng cộng…………………………………………………47
Hình 3.32. Biểu đồ ứng suất xoắn……………………………………………………….......47
Hình 3.33. Biểu đồ ứng suất tổng cộng………………………………………………….......48
Hình3.34 Tab design…………………………………………………………………….......49
Hình 3.35. Tab calculator……………………………………………………………………50

Hình 3.36. Mô hình 3D của ổ bi……………………………………………...……………..50
Trang 6


Hình 4.1. Bản vẽ đáy giá bàn xoay………………………………………………………….51
Hình 4.2. Giá đứng bàn máy lớn 1………………………………………………………….52
Hình 4.3. Giá đứng lớn bàn máy 2………………………………………………………….53
Hình 4.4. Bàn gá bàn xoay………………………………………………………………….54
Hình 4.5. Giá đứng bàn máy nhỏ……………………………………………………….......54
Hình 4.6. Giá cố định động cơ bước………………………………………………………..55
Hình 4.7. Bàn gá phôi………………………………………………………………………56
Hình 4.8. Bản vẽ lắp………………………………………………………………………..57
Hình 4.9. Sản phẩm sau khi gia công 1…………………………………………………….58
Hình 4.10. Sản phẩm sau khi gia công 2……………………………………………….......58
Hình 4.11. sản phẩm sau khi gia công 3……………………………………………………59
Hình 4.12. Sản phẩm sau khi gia công 4……………………………………………….......59
Hình 5.1. Board mạch Mach 3 Motion Card……………………………………….............69
Hình 5.2. Bố trí chân của board mạch………………………………………………….......70
Hình 5.3. Kết nối Board mạch……………………………………………………………...71

Trang 7


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1

Đặt vấn đề

Hiện nay rất nhiều loại máy phay sử dụng công nghệ CNC. Ưu điểm của máy phay
CNC là tốc độ cắt nhanh với độ chính xác cao, giúp tiết kiệm thời gian gia công, thích hợp

cho việc gia công các sản phẩm phức tạp như các chi tiết có chiều sâu lớn, sản phẩm có thành
mỏng… Với những ưu điểm nổi bật này, máy phay CNC sẽ là xu hướng hàng đầu trong lĩnh
vực cơ khí, kỹ thuật, với nhu cầu chế tạo các sản phẩm có kết cấu và hình dáng hình học ngày
càng gia tăng, đặc biệt trong các ngành: Hàng không vũ trụ, chế tạo vũ khí, sản xuất ô tô, tàu
thủy… Để gia công các chi tiết phức tạp này, các tổ hợp CNC nhiều trục luôn là lựa chọn
hiệu quả nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm và tăng năng suất gia công.
Cho đến nay ngành công nghiệp chế tạo máy công cụ đã cho ra đời nhiều loại máy
CNC. Nếu phân loại theo số trục thì gồm các loại máy: máy CNC 2 trục, 3 trục, 4 trục, 5 trục
và nhiều hơn nữa..
Máy CNC 5 trục là loại máy công cụ điều khiển số có thể nội suy đồng thời 5 trục chuyển
động. Vì vậy, nó có thể gia công được các bề mặt phức tạp, giảm sai số và sai lệch hình dáng
hình học, tăng chất lượng bề mặt, giảm thời gian gá. Về mặt công nghệ, gia công trên trung
tâm CNC 5 trục là công nghệ có tính tập trung nguyên công rất cao, linh hoạt, hiệu suất khai
thác máy lớn và năng suất sản phẩm vượt trội.
Qua đó, nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế nhóm đã tìm hiểu, nghiên cứu và thiết kế cụm
cơ khí chuyển đổi máy phay CNC 3 trục thông thường thành máy phay CNC 5 trục với khả
năng linh hoạt trong gia công mà giá thành lại phù hợp.
Mục đích của đề tài
Đề tài nghiên cứu: “Nghiên Cứu Phát Triển Cơ Cấu Cơ Khí Kiểu Bàn Quay Chuyển Đổi
Máy Phay CNC 3 Trục Thành Máy CNC 5 Trục”. nhẳm mục đích:
Thứ nhất: Có cái nhìn bao quát hơn về máy công cụ.
Thứ hai : Lựa chọn kết cấu qua đó tính toán thiết kế chi tiết máy
Thứ ba : Hiện thực hóa chế tạo và lắp ráp sản phẩm cơ khí
Và cuối cùng là : Tìm hiểu phần điều khiển, lập trình cho máy qua đó gia công thử sản phẩm
trên đề tài thực hiện.
1.3 Phạm vi của đề tài
1.2

- Nghiên cứu các vấn đề về máy công cụ đối với đời sống hiện nay, tìm hiểu các kết cấu
máy CNC phân tích những ưu nhược điểm của các loại cấu hình máy.

- Nghiên cứu và lựa chọn bàn xoay cho đề tài qua đó tính toán, thiết kế, chế tạo mẫu bàn
xoay.
Trang 8


- Nghiên cứu phần mềm điều khiển tích hợp cho đề tài, lựa chọn hướng phát triển cho đề
tài .
1.4

Bố cục của đề tài
Với nhiệm vụ của đề tài đã nêu trên, nội dung của đề tài được bố cục như sau:

Chương 1: Giới thiệu đề tài
Chương 2: Nghiên cứu về máy phay CNC 5 trục
-

Khái niệm về máy CNC và máy phay CNC
Đặc điểm kết cấu máy phay CNC, máy 5 trục
Phân loại máy CNC 5 trục

Chương 3: Tính toán, thiết kế bàn xoay kiểu XYZAC cho máy phay 3 trục EMCO MILL 50.
-

Kết cấu máy phay CNC EMCO MILL 50
Phân tích lựa chọn kết cấu bàn xoay
Tính toán thiết kế các bộ phận của bàn xoay

Chương 4: Chế tạo kết cấu cơ khí
-

Mô hình 3D của máy và bàn xoay
Bản vẽ chi tiết của các thành phần bàn xoay
Sản phẩm

Chương 5: Điện điều khiển
-

1.5

Phần mềm gia công, điều khiển
Khai báo thông số trong phần mềm.
Kết nối board mạch điều khiển.

Kế hoạch và thời gian thực hiện
TT

Nội dung

Thời gian
Trang 9


1
2
3
4

Hoàn thiện tính toán thiết kế cơ cấu cơ khí
kiểu bàn quay cho máy phay CNC 3 trục
15/9/2015 – 31/10/2015

EMCO MILL 50
Kiểm tra mô phỏng hoạt động trên phần mềm 01/11/2015 –31/12/2015
AUTODESK INVENTOR
Chế tạo cơ cấu cơ khí
01/1/2016 – 30/2/2016
Lập trình điều khiển
01/3/2016 – 31/3/2016
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU VỀ MÁY PHAY CNC 5 TRỤC

2.1. Khái niệm về máy CNC và máy phay CNC
Máy CNC (Computer Numerical Controlled) là những công cụ gia công kim loại tinh
tế có thể tạo ra những chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệ hiện đại. Phát triển nhanh
chóng với những tiến bộ trong máy tính, ta có thể bắt gặp CNC dưới dạng máy tiện, máy
phay, máy cắt laze, máy cắt tia nước có hạt mài, máy đột rập .... Thuật ngữ CNC liên quan
đến một nhóm máy móc lớn sử dụng logic máy tính để điều khiển các chuyển động và thực
hiện quá trình gia công kim loại. Hai loại máy phổ biến nhất trên thị trường hiện nay là máy
tiện và máy phay.
Máy phay CNC là máy công cụ điều khiển số máy tính hóa có ít nhất 3 trục X,Y,Z.
Máy sẽ linh hoạt hơn nếu có thêm trục thứ tư là trục quay(A,B hoặc C) hoặc phân độ.Tính
linh hoạt còn cao hơn nữa ở máy phay CNC 5 trục có thể gia công bất kì các bề mặt phẳng
hay cong không gian,lồi lõm,định hình,phức tạp.
Một xu hướng mới trong sản xuất là sử dụng máy phay CNC 5 trục.Nhờ thêm các bậc
tự do mà máy CNC 5 trục đem lại nhiều ưu điểm như sau.

Trang 10


Hình 2.1. Máy phay CNC 5 trục
•
•

•

Giảm thời gian gia công.
Các nguyên công khó và phức tạp có thể gia công trong một lần gá.
Các bề mặt được tăng cường nên các nguyên công xử lý sau gia công là
không cần thiết .

Nhưng bên cạnh đó nó cũng có những nhược diểm sau:
•
•
•
•
•

Giá đắt tiền,yêu cầu về dụng cụ,vật tư,bảo dưỡng rất tốn kém
Điều kiện bảo quản và làm việc rất khắt khe
Đòi hỏi đội ngũ cán bộ kỹ thuật được đào tạo chuyên sâu
Máy CNC có cấu hình cứng,chỉ nhà sản xuất mới thay đổi được,nhiều máy đắt tiền mà
thừa chức năng,lãng phí lớn
Máy CNC là điều khiển cứng,phẩn lớn thời gian máy làm việc dưới khả năng,lãng phí
năng suất lớn.

Trang 11


2.2 Đặc điểm kết cấu máy phay CNC
Độ chính xác gia công cao trên máy CNC đạt được nhờ cải tiến cấu trúc máy giảm thiểu
phần cơ khí từ động cơ đến các cơ cấu chấp hành, giảm khe hở trong các cơ cấu truyền của
bộ phận dẫn động, giảm ma sát trong các bộ phận dẫn hướng và các cơ cấu khác, nâng cao độ
ổn định rung, giảm biến dạng đàn hồi, sử dụng các cảm biến phản hồi, như cảm biến ví trí,

vận tốc của các cơ cấu chấp hành, cảm biến nhiệt độ, trên cơ sở đó đưa ra tín hiệu hiệu chỉnh.

Hình 2.2. Các bộ phận chính của máy phay CNC
2.2.1 Các chi tiết cơ sở
Các chi tiết cơ sở của máy công cụ dùng để bố trí không gian cần thiết cho các bộ phận
mang dao cụ và phôi, và đảm bảo độ chính xác sự phân bố tương quan giữa chúng khi có tải
trọng. Tập hợp các chi tiết cơ sở giữa dao cắt và phôi tạo thành hệ chịu lực của máy công
cụ.Các chi tiết cơ sở bao gồm: bệ máy, thân máy, giá trượt, bàn làm việc, ụ trục chính, bàn
dao, vv...

Trang 12


2.2.2 Hệ truyền động tịnh tiến hay còn gọi là hệ truyền động chạy dao
Hệ truyền động chạy dao sử dụng các loại động cơ điện khác nhau, như động cơ dòng
xoay chiều (đồng bộ, không đồng bộ), động cơ dòng một chiều, động cơ bước.
Chuyển động quay của rotor của động cơ được biến đổi vào chuyển động tịnh tiến của các
cơ cấu làm việc của máy thông qua bộ truyền vitme đai ốc bi

Hình 2.3. Bộ truyền vít me
Vị trí hiện tại của các cơ cấu làm việc được xác định với sự trợ giúp của cảm biến vòng trên
hệ dẫn động hoặc cảm biến tuyến tính gắn trên bộ phận dẫn hướng.
Còn với lượng tiến dao 10000 đến 40000mm/phút thì cơ cấu vít me-đai ốc lăn không
đáp ứng được vì chúng tạo ra tốc độ tiến dao quá chậm, vì vậy người ta đã phát triển động cơ
tuyến tính (Linear Motors ) để làm nhiệm vụ này. Hình dưới đây cho sơ đồ nguyên lý của
động cơ tuyến tính.

Hình 2.4. Động cơ tuyến tính
Trang 13

Động cơ tuyến tính là một dạng đặc biệt của động cơ, động cơ này có rotor và stator phân bố
dọc theo bộ phận dẫn hướng, và vị trí hiện tại được xác định bằng cảm biến tuyến tính (thước
định vị). Hệ dẫn động tuyến tính có độ chính xác cao, bởi vì loại bỏ phần cơ khí từ động cơ
đến cơ cấu chấp hành (loại bỏ bộ truyền vime đai ốc bi). Đây là bộ phận tạo sai số, đặc biệt
khi thay đổi hướng chuyển động, song động cơ tuyến tính rất đắt và khó gia công.
2.2.3 Các hệ thống phụ trợ của máy phay CNC
Các hệ thống phụ trợ không tham gia trực tiếp vào chuyển động tạo hình nhưng có các
nhiệm vụ quan trọng : gá dao và phôi, thay dao, cấp phôi, lấy chi tiết, tưới dung dịch trơn
nguội, bôi trơn hệ thống, tải phoi, đo kích thước dao, kiểm tra tích cực chất lượng gia công,
giám sát trạng thái làm việc của hệ thống và cảnh báo nguy hiểm, thống kê thời gian gia
công, đếm chi tiết ghép nối máy công cụ với các thiết bị ngoại vi và với hệ thống sản xuất
chung… Hệ thống này góp phần đảm bảo điều kiện làm việc cho các hệ thống chính; đảm
bảo cho quá trình gia công được năng suất, độ chính xác và chất lượng bề mặt theo tính năng
thết kế; đảm bảo an toàn cho thiết bị và người vận hành, đảm bảo vệ sinh môi trường,…
Sau đây là một số các thiết bị phụ trợ trong hệ thống phụ trợ của máy CNC. Các thiết bị
thay dao tự động (bao gồm: ổ tích dao, đầu quay, hệ điều khiển) cần phải đảm bảo thời gian
thay dao là nhỏ nhất, độ tin cậy cao trong làm việc, tính ổn định vị trí dao.
Ổ tích dao có nhiêu loại, nhưng phổ biến hơn cả có 2 kiểu: kiểu “cái ô” (hình 1.4 a) – dao
cụ được phân bố theo hướng thẳng đứng. Mỗi một dao được đánh số và được đặt cố định
trong ổ. Kiểu ổ tích dao này không đắt, nhưng làm việc chậm (thời gian thay dao 8-15s). Kiểu
thứ 2 là kiểu “bàn tay” (hình 1.4 b) dao cụ được phân bố theo chiều dọc. Robot đặt dao vào ô
gần nhất.Có khả năng lựa chọn trước dao, khi ổ tích dao quay đồng thời với sự làm việc của
máy.Chính vì vậy đối với ổ tích dao kiểu “bàn tay” thời gian thay dao 2-5s.

Trang 14


a) Ổ tích dao kiểu cái ô.

b) Ổ tích dao kiểu cánh tay.

Hình 2.5. Ổ tích dao
Bộ phận tưới dung dịch trơn nguội

Hình 2.6. Vòi phun làm mát
2.2.4 Hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ điều khiển máy hoạt động theo trình tự và chế độ công
nghệ yêu cầu; bảo đảm ghép nối máy công cụ với các thiết bị liên quan; đảm bảo giao diện
người vận hành … trình độ tự động hóa ngày càng cao nên vai trò của hệ thống điều khiển
càng quan trọng. Trên các máy vạn năng, hệ thống điều khiển gồm các tay vô lăng, tay gạt,
bàn đạp, núm vặn,… Hệ điều khiển các máy tự động analog sử dụng các bộ điều khiển tự
động. Trên máy và trung tâm gia công CNC , hệ thống điều khiển gồm máy tính số và các
thiết bị ngoại vi, đảm nhiệm việc giám sát và điều khiển toàn bộ quá trình gia công, hạn chế
tối đa sự can thiệp trực tiếp của con người, chúng ta cùng tìm hiểu Bộ Điều Khiển CNC Có
Nhiều Chức Năng.
Bộ điều khiển CNC có nhiều chức năng:
Nhờ sự phát triển đồng bộ của ngành công nghiệp điện tử và công nghệ thông tin kết hợp với
đòi hỏi thực tế của công nghệ chế tạo máy. Hiện nay, các bộ điều khiển CNC ngày càng tin
Trang 15


cậy hơn, hiện đại hơn, các chức năng điều khiển ngày càng sát với công nghệ gia công chi tiết
và luôn bám sát với tốc độ của ngành chế tạo dụng cụ cắt gọt.
Có thể thấy rõ các chức năng cơ bản của các bộ điều khiển: Dễ sử dụng bộ vi xử lý 32
bit, có khả năng thực hiện 1000block/s. thích ứng với mã G-code chuẩn ISO, bộ nhớ chương
trình 256kb, thư viện dao cụ tới 200 dao, 26 tọa độ làm việc, nội suy đường xoắn helical
Dễ dàng nối ghép với máy tính và trung tâm điều khiển thông qua cổng RS232/Dnclink,
có trang thông báo và lựa chọn ngôn ngữ, tự chuẩn đoán các lỗi nội tại.
Có thể lập trình hình ảnh đối xứng, có chu trình con cho: tiện, phay, khoan, chạy mô

phỏng đồ họa, điều khiển contour một cách chính xác…
Ví dụ một số các bộ điều khiển CNC: Siemens có Sinumerik 802 – C, 802D, 810T,
840D… Heidenhain có TNC – 310, TNC – 426, TNC – 30… Fanuc có 16i, 18i, 21i… các bộ
điều khiển kể trên có thể điều khiển 5 trục như SIEMENS Sinumerik 810, 840;
HEIDENHAIN TNC426, 430; FANUC 18i, 21i.

2.3. Phân loại máy CNC 5 trục
Bắt đầu từ trục xoay(R) và trục tịnh tiến(T) bốn nhóm chính có thể phân biệt được như sau:
i
ii
iii
iv

3 trục T và 2 trục R
2 trục T và 3 trục R
1 trục T và 4 trục R
5 trục R

Gần như tất cả máy công cụ năm trục nằm trong nhóm (i).Cũng là một số lượng robot hàn và
các máy laser trung tâm rơi vào nhóm này.Chỉ giới hạn trường hợp máy công cụ năm trục ở
nhóm (ii) tồn tại cho gia công các cánh quạt tàu. Nhóm(iii) và (iv) được dùng cho thiết kế
robot thường với nhiều mức độ tự do được thêm vào.
Năm trục có thể được phân bố giữa các trục mang phôi hoặc trục mang dụng cụ cắt trong
một vài sự kết hợp.
Một sự phân loại đầu tiên có thể làm dựa vào số lượng của trục mang phôi và trục mang dao
theo và trình tự của mỗi trục trong chuỗi động học.Phân loại khác có thể dựa trên nơi mà các
trục quay được bố trí, ở phía bên phôi hoặc bên dụng cụ cắt.Năm mức độ tự do trong một
Trang 16

máy tọa độ dựa trên: 3 trục X,Y ,Z (nói chung đại diện là TTT) và 2 trục quay AB, AC, hoặc
BC ( nói chung đại diện là RR) .Sự kết hợp của 3 trục quay (RRR) và 2 trục tịnh tiến (TT) là
hiếm có.
Máy năm trục ở hình 2.7 được mô tả theo XYZAB.(TTTRR)

Hình 2.7. Máy năm trục kiểu TTTRR
Trục XYAB mang phôi và trục Z mang dụng cụ cắt . Hình 2.8 trình diễn một máy loại
XYZAB,3 trục tuyến tính mang dụng cụ cắt và 2 trục quay mang phôi

Hình 2.8. Máy CNC XYZAB
2.4. Bàn xoay
Trang 17


Nhằm mở rộng khả năng công nghệ của máy công cụ ,nhất là cho các máy CNC 2 trục
,người ta đã chế tạo một thiết bị có khả năng tăng một số trục của máy từ 2 hoặc 3 trục thành
các máy 4 hoặc 5 trục .Thiết bị đó chính là bàn xoay .Thực ra bàn xoay chẳng qua là một đồ
gá đặc biệt và chúng chủ yếu dùng trên các máy phay CNC,trung tâm gia công đứng ,trung
tâm gia công ngang và máy doa ngang..
Bàn xoay thường được lắp trên các máy phay CNC hoặc trung tâm gia công. Đối với
loại bàn xoay không nghiêng thì nó có vai trò như trục thứ 4 của máy. Đối với loại bàn xoay
nghiêng thì nó đóng vai trò như trục thứ 4 và thứ 5 của máy, các trục này lúc này có tên là A
và B như hình 2.9.

Hình 2.9. Các trục của bàn xoay và máy phay CNC

Bàn xoay của máy CNC có tác dụng làm tăng thêm tính vạn năng cho máy. Nó có phạm vi sử
dụng rất lớn, nhưng chủ yếu là dùng để gia công :
+ Mặt phẳng
+ Các bề mặt định hình (như bề mặt cam, cối dập, khuôn ép …)

+ Cắt ren vít trong và ngoài
+ Gia công bánh răng và dao cắt nhiều lưỡi có răng thẳng hoặc xoắn
+ Cắt rãnh thẳng và xoắn…
+ Có thể gia công các bề mặt nghiêng
Đối với bàn xoay nhiều trục, có thể tiến hành gia công cùng một lúc nhiều chi tiết, làm :
+ Tăng khả năng công nghệ của máy,.
+ Tăng năng suất gia công
+ Giảm thời tháo lắp và điều khiển dụng cụ
Trang 18


+ Giảm thời gian và các nguyên công cơ bản
+ Thích hợp cho việc sản xuất hàng loạt và hàng khối

Hình 2.10. Một số dạng chi tiết được gia công trên bàn xoay không nghiêng

Hình 2.11. Một số dạng chi tiết được gia công trên bàn xoay nghiêng tự động

Hình 2.12. Một số dạng chi tiết được gia công trên bàn xoay nghiêng
Kết luận
Ưu điểm của máy phay CNC 5 trục so với máy 3 trục:




Giảm số lần gá đặt và sai số gá đặt
Giảm được cắt lẹm khi gia công các chi tiết hình dáng phức tạp
Các điều kiện cắt tốt hơn,ít mòn dao hơn
Trang 19

Tăng độ chính xác gia công, năng suất gia công,gia công được các vị trí bất kỳ
Chất lượng bề mặt tốt hơn


Gia công, điêu khắc tượng, phù điêu,... chính xác
Giảm thời gian cắt khi gia công mặt cong bằng dao phay mặt phẳng.
Tuy nhiên còn 1 số nhược so với máy 3 trục như sau:



Giá máy phay CNC 5 trục rất đắt ngang với các trung tâm gia công CNC (đây cũng
là 1 trong những nguyên nhân cần phải cải tiến máy phay CNC 3 trục thành 5 trục
nhờ cơ cấu cơ khí kiểu bàn quay mà đề tài đang nghiên cứu)
 Bộ điều khiển CNC phải mạnh tương xưng với khả năng mong muốn của máy
 Gia tăng sai số vị trí do tăng số trục quay
 Lực cắt, vận tốc cắt lớn khi cùng lượng tiến dao nên cần hệ thống công nghệ đủ
cứng vững
 Khó lập trình bằng tay, cần sự hỗ trợ của các phần mềm CAD/CAM mạnh mẽ như
NX, ProE,...và lập trình viên phải thành thạo, đào tạo chuyên sâu về
CAD/CAM/CNC
 Lập trình gia công, vận hành, mô phỏng, phát hiện các lỗi, va chạm trong máy phay
CNC 5 trục vô cùng phức tạp.
Với mỗi cấu hình máy phay CNC 5 trục phù hợp với 1 dải sản phẩm nào đó vì thế nên xem
xét kỹ lưỡng trước khi mua máy hay thiết kế thêm các trục quay đề cập ở trên


CHƯƠNG 3 .TÍNH TOÁN,THIẾT KẾ BÀN XOAY KIỂU XYZAC CHO MÁY PHAY
3 TRỤC EMCO MILL 50
3.1

Phân tích kết cấu bàn xoay thiết kế.

3.1.1 Kết cấu máy phay CNC EMCO MILL 50

Trang 20


Hình 3.1.Máy phay emco mill 50
Đây là dạng máy phay CNC 3 trục tịnh tiến .Có hai mang phôi và trục mang dụng cụ
cắt.Nên đây là dạng máy phay 3 trục kiểu TTT.
Hành trình chuyển động của các trục trên máy CNC như sau
Chuyển động trục x
Chuyển động trục y
Chuyển động trục z
Đây là dạng máy phay CNC phục vụ cho đào tạo nên hành trình di chuyển cho các trục
tương đối ngắn chỉ thích hợp cho việc gia công các chi tiết có kích thước nhỏ.
Đây là máy phay CNC 3 trục nên khả năng công nghệ của máy theo không gian 3D chỉ có
thể gia công bất kì bề mặt phẳng nào tại bất kì vị trí nào trong không gian.
Nhưng có nhiều bề mặt gia công có thể là tròn xoay ,vì vậy CNC 3 trục là không đủ .Nếu
thêm một trục quay quanh bất cứ trục thẳng nào cho phép ta gia công mặt tròn xoay theo một
hướng cụ thể .
Nếu thêm trục thứ hai cho phép di chuyển dụng cụ theo cung tròn bất kỳ trong không gian
3 chiều .
Vì vậy với cấu trúc CNC 5 trục ,trong đó 3 trục thẳng và hai trục quay cho phép gia công
bất kì bề mặt nào ,cong hoặc phẳng ,tại bất cứ đâu trong không gian 3 chiều.
Tuy nhiên đây chỉ là lí thuyết bởi vì một máy CNC 5 trục trong thực tế bị hạn chế phạm vi
các trục quay .Hơn nữa một phía của phôi được sử dụng để gá và định vị.
3.1.2 Kiểu bàn xoay thiết kế
Trang 21

Dựa vào cấu trúc không gian của máy CNC ta chọn kiểu bàn xoay thiết kế là loại bàn
xoay nghiên.

Hình 3.2. Bàn xoay nghiêng điều khiển tự động
Khi ta kết hợp thêm bàn xoay vào máy CNC thì khả năng công nghệ của máy được tăng
lên.Cụ thể máy có 3 trục tính tiến khi ta thêm 2 quay thì theo lý thuyết ậý có thể gia công bất
kì mặt phẳng nào




Ưu điểm:
 Trục dao song song với trục Z của máy nên có thể khoan theo trục Z
 Các chu trình gia công theo hướng nghiêng so với phôi luôn được thực hiện
trong mặt phẳng XY của máy .Các chức năng trên thực hiện ngay trên cấu
hình 3 trục đơn giản
 Việc bù dao giống như ở máy 3 trục
 Loại này có khả năng công nghệ cao
 Có thể gia công các mặt phẳng,tròn xoay, các rãnh các gờ lồi
 Gia công các bề mặt nghiêng ở nhiều góc độ khác nhau.
Nhược điểm:
 Kích thước phôi giới hạn
 Không gian làm việc nhỏ hơn máy 3 trục
 Việc chuyển các giá trị tọa độ (X,Y,Z,I,J,K) trong tọa độ Đề các của dao sang
hệ tọa độ của máy (X,Y,Z,A,B hoặc C) phụ thuộc vào vị trí tương đối của
phôi trên bàn máy.Nghĩa là ứng với mỗi vị trí gá đặt phôi trên bàn máy,bộ
hậu xử lý buộc phải tính toán lại từ đầu để sinh ra file G-code tương ứng
 Loại bàn xoay này việc điều khiển thức tạp.Chính xác giữa các góc quay phải

đảm bảo giữa hai trục lắc là quay
Trang 22


Phạm vi ứng dụng:
 Gia công phôi chính xác rất cao
 Gia công cánh quạt, cánh tua-bin, profile cho lốp xe,...
 Phù hợp gia công phôi có hình dáng nhất định quay theo 1 chu ki góc nào
đó,cùng 1 chương trình có thể lặp lại khi quay phôi đi 1 góc tương ứng
3.1.3 Bố trí bàn xoay
Bàn xoay được thiết kế và bố trí trên trục x của máy, đây cũng là trục chứa bàn gá phôi
của máy ban đầu. thay thế bàn gá phôi ban đầu là ETO bằng bàn xoay thiết kế
Bàn xoay có kích thước tổng thể bên ngoài như sau:
Chiều dài tổng thể bàn xoay 425,50mm
Chiều rộng tổng thể bàn xoay 125mm
Chiều cao tổng thể bàn xoay 130mm


Hình 3.3. mô hình 3D của bàn xoay

3.2. Thiết kế các chi tiết của bàn xoay
3.2.1. Tính chọn các thông số đầu vào cho bàn gá phôi
Dựa trên tài liệu tính toán và thiết kế bàn xoay của hãng DETRON, dựa theo mẫu bàn xoay
thiết kế GFS-171S ta tính toán thiết kế bàn xoay
+ Khối lượng phôi do máy phay phục vụ nghiên cứu cho sinh viên nên ta chọn mẫu phôi có
khối lượng lớn nhất là M=3kg.
Trang 23


+ Chọn tốc độ quay lớn nhất của trục gá phôi lớn nhất là nmax=22.2 vòng/phút(bằng tốc độ

của bàn xoay GFS-171S)

+ Ta có biểu thức liên hệ:

M 1 J1.ε J1
=
=
M 2 J 2 .ε J 2

Trong đó:
- M1 (N.m) là momen của bàn gá phôi GFS-171S theo trục B khi mang phôi
- M2 (N.m)là momen của bàn gá phôi mà ta thiết kế theo trục B khi mang phôi

- J1,J2 (kg.m2) (
phôi
-

ε

(

rad
s2

m.r 2
J=
2

) lần lượt là momen quán tính của bàn gá phôi theo trục B khi mang

) là gia tốc góc của bàn gá phôi theo trục B khi mang phôi

Lần lượt thay các thông số vào biểu thức trên ta có kết quả cần tìm ở dưới bảng sau:
THÔNG SỐ
Momen(N.m)
Số vòng quay(vòng/phút)
Khối lượng phôi(kg)
Đường kính bàn máy(mm)
Công suất(kW)

GFS-171S
240
22.2
50
170
0.56

BÀN GÁ PHÔI
5
22.2
3
100
0.012

3.2.2. Tính toán thiết kế trục, thiết kế ổ bi và lựa chọn bộ truyền đai
a, Lựa chọn bộ truyền cho đề tài
Đề tài lựa chọn bộ truyền đai cho hệ thống truyền động của bàn xoay, mỗi bộ truyền
đều có cho mình những ưu nhược điểm riêng, để phù hợp với đề tài với phạm vi nghiên cứu
chúng tôi lựa chọn bộ truyền đai. Bộ truyền đai có đặc điểm truyền chuyển động giữa các trục
xa nhau. Đai được mắc lên hai bánh đai với lực căng ban đầu F0 , nhờ đó có thể tạo ra lực ma

sát trên bề mặt tiếp xúc giữa đai và bánh đai nhờ lực ma sát mà tải trọng được truyền đi.
Bộ truyền đai có nhiều loại đai khác nhau:

Trang 24


+ Bộ truyền đai dẹt có độ bền mòn cao, bền , dẻo, hiệu suất cao tuy nhiên khả năng kéo lại
thấp hơn các loại đai khác và khả năng chống trượt kém
+ Bộ truyền đai thang đây là bộ truyền có tiết diện hình thang, mặt làm việc là hai mặt bên
tiếp xúc với các rãnh hình thang tương ứng trên bánh đai, nhờ đó hệ số ma sát giữa đai và
bánh đai hình thang lớn hơn so với đai dẹt và do đó khả năng kéo cũng lớn hơn tuy nhiên
hiệu suất thấp và khả năng chống trượt không cao
+ Bộ truyền đai nhiều chêm gồm các đoạn nhô hình chêm phân bố dọc theo mặt trong của
đai và tiếp xúc với các rãnh chêm của bánh đai, lớp sợi chịu tải chủ yếu. Ưu điểm của đai
nhiều chêm là chiều rộng nhỏ hơn, phối hợp được hai đặc tính tốt của đai thang và đai dẹt.
nhờ đó có thể dùng bánh đai nhỏ hơn với đường kính bé hơn tuy nhiên nó vẫn khả năng
chống trượt không cao
+ Bộ truyền đai răng là bộ truyền đai dẹt có răng ở mặt trong. Khi tiếp xúc với bánh đai, các
răng của đai sẽ ăn khớp với các răng trên bánh đai. Do truyền lực bằng ăn khớp truyền động
đai răng có những ưu điểm: không có trượt, tỉ số truyền lớn, lực tác dụng lên trục và lên ổ
nhỏ

⇒

Dựa vào các ưu nhược điểm của các loại đai, chúng tôi lựa chọn bộ truyền đai răng cho
truyền động giữa trục động cơ và trục quay của trục chứa bàn gá phôi
b, Thiết kế bộ truyền
Truyền động từ trục động cơ qua trục bàn gá phôi qua một bộ truyền đai và một cặp ổ bi ta
có hiệu suất của các loại bộ truyền
Pdc =

cơ là

Pdc
0.012
=
ηol .η d 0.98.0.96

ηol = 0.98 ηd = 0.96
,

vậy ta có công suất cần thiết cho động

kW

Chọn tỉ số truyền cho bộ truyền bằng 2 vậy ta có nđc=44.4 vòng/phút.
Vậy momen cần thiết cho động cơ là :
M dc ( N .mm )

9,55.106.Pdc 9,55.106.0, 013
=
=
= 2796( N .mm)
n
44, 4

Dựa trên các thông số trên ta lựa chọn động cơ bước phù hợp
Trang 25