PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CNC 2D DẪN ĐỘNG BẰNG ĐAI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ
HỆ THỐNG CNC 2D DẪN ĐỘNG BẰNG ĐAI

SVTH : Lê Đình Trường Sơn
MSSV : 20902267
GVHD : TS. Phạm Công Bằng

TP.HCM, 2013


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn quý Thầy/Cô hiện đang công tác và giảng
dạy tại trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, những người luôn tận tụy cống hiến sức
lực và trí tuệ để truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình
học tập của chúng em.
Em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy Phạm Công Bằng, người đã cho chúng
em hiểu thế nào là Cơ điện tử, người đã tận tình chỉ dạy và truyền đạt cho chúng em
những kiến thức quý báu không chỉ riêng trong học tập mà còn trong cuộc sống, và là
người đã hướng dẫn, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho chúng em trong quá trình thực hiện
luận văn. Những kiến thức quý báu có từ thầy sẽ là hành trang quan trọng cho chúng em
bước vào cuộc sống.
Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy/Cô phản biện và quý Thầy/Cô trong Hội đồng
đã dành thời gian để đánh giá, góp ý và chấm Luận văn tốt nghiệp. Những nhận xét của
Thầy/Cô có ý nghĩa rất lớn đối với em, nhằm hoàn thiện đề tài và cũng là nhằm hoàn
thiện bản thân em.

Mình xin cảm ơn tập thể các bạn trong lớp CK09KSCD và các bạn trong nhóm
thầy Phạm Công Bằng hướng dẫn đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ mình trong quá trình học
tập ở trường và quá trình làm luận văn.
Sau cùng, con bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ba, Mẹ, Em trai, những người đã
luôn dõi theo con trong những năm tháng con học đại học và bên con những khi con gặp
khó khăn, mọi người chính là động lực cho con nỗ lực trong học tập và vững bước trên
đường đời sau này.

i


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay máy CNC đã không còn là một khái niệm xa lạ trong ngành cơ khí. Một
trong những loại máy CNC được sử dụng tương đối phổ biến hiện này là máy CNC 2
trục hay còn gọi là máy CNC 2D. Máy CNC 2D là loại máy CNC có bộ phận công tác
chuyển động trong một mặt phẳng. Máy CNC 2D được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
khác nhau như cắt laser, khắc họa tiết trang trí, tạo mẫu nhanh… Luận văn tập trung vào
phân tích, thiết kế máy CNC 2D truyền động bằng đai, đồng thời nghiên cứu giải thuật
và viết chương trình điều khiển bộ phận công tác di chuyển theo biên dạng của các đối
tượng trong ảnh.

ii


MỤC LỤC
Lời cảm ơn………………………………………………………………………….. i
Tóm tắt luận văn……………………………………………………………………. ii
Mục lục……………………………………………………………………………... iii
Danh sách hình vẽ…………………………………………………………………... vi
Danh sách bảng biểu………………………………………………………………... ix

Chương 1: Tổng quan…………………………………………………………….. 1
1.1 Tổng quan…………………………………………………………………... 1
1.1.1 Tổng quan về máy CNC hai trục…………………………………….. 1
1.1.2 Khả năng công nghệ…………………………………………………. 2
1.1.3 Phân loại máy CNC hai trục…………………………………………. 5
1.2 Mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi đề tài………………………………………… 9
1.3 Tổ chức luận văn…………………………………………………………… 10
Chương 2: Tính toán, thiết kế mô hình cơ khí…………………………………... 11
2.1 Sơ đồ nguyên lí bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai………………….. 11
2.2 Phân tích, thiết kế các cụm chi tiết…………………………………………. 12
2.2.1 Cụm khung…………………………………………………………… 12
2.2.2 Cụm động cơ…………………………………………………………. 13
2.2.3 Cụm pulley bị động………………………………………………….. 14
2.2.4 Cụm pulley dẫn hướng………………………………………………. 15
2.2.5 Cụm cơ cấu chấp hành………………………………………………. 15
2.2.6 Cụm thanh trượt-con trượt…………………………………………… 16
2.3 Tính toán, lựa chọn, kiểm bền một số chi tiết……………………………… 17
2.3.1 Chọn động cơ………………………………………………………… 17
2.3.2 Chọn pulley răng…………………………………………………….. 19
2.3.3 Chọn và kiểm bền trục của pulley bị động…………………………... 21
2.4 Kết luận…………………………………………………………………….. 21
Chương 3: Xây dựng hệ thống điện……………………………………………… 22
3.1 Lựa chọn phương án điều khiển……………………………………………. 22
3.1.1 Điều khiển động cơ AC servo bằng vi điều khiển…………………… 22
3.1.2 Điều khiển động cơ AC servo bằng PLC……………………………. 23
iii


3.1.3 Điều khiển động cơ AC servo bằng card điều khiển………………… 23
3.2 Giới thiệu về động cơ AC servo……………………………………………. 25

3.2.1 Sơ lược về động cơ AC servo………………………………………... 25
3.2.2 Sơ lược về encoder…………………………………………………... 26
3.2.3 Giới thiệu động cơ SMH 60S-0040-30AAK-3LKH………………… 27
3.3 Giới thiệu driver……………………………………………………………. 28
3.4 Giới thiệu về card điều khiển………………………………………………. 30
3.5 Sơ đồ nguyên lí kết nối giữa các thiết bị…………………………………… 32
3.5.1 Sơ đồ nguyên lí mạch xuất tín hiệu điều khiển driver……………….. 33
3.5.2 Sơ đồ nguyên lí các mạch nhận tín hiệu……………………………... 34
3.5.3 Sơ đồ đấu dây tổng thể của hệ thống điện…………………………… 36
3.6 Kết luận…………………………………………………………………….. 37
Chương 4: Phân tích và xây dựng giải thuật điều khiển bàn máy……………... 38
4.1 Phân tích động học bàn máy……………………………………………….. 38
4.1.1 Xét sự phụ thuộc tọa độ y của cơ cấu chấp hành theo các góc quay…
của động cơ………………………………………………………………… 39
4.1.2 Xét sự phụ thuộc tọa độ x của cơ cấu chấp hành theo các góc quay…
của động cơ………………………………………………………………… 40
4.1.3 Phân tích động học thuận……………………………………………. 40
4.1.4 Phân tích động học ngược…………………………………………… 41
4.2 Giải thuật điều khiển bàn máy CNC 2D…………………………………… 41
4.2.1 Giải thuật di chuyển từ điểm đến điểm………………………………. 42
4.2.2 Một số hàm nội suy cơ bản…………………………………………... 44
4.2.3 Trình tự thiết lập các hàm chức năng………………………………... 45
4.3 Phần mềm điều khiển bàn máy CNC 2D…………………………………... 46
4.3.1 Cửa số Main Control ………………………………………………... 46
4.2.2 Cửa sổ Typical Applications ………………………………………. 47
4.4 Thực nghiệm……………………………………………………………….. 48
4.4.1 Thực nghiệm các chuyển động cơ bản………………………………. 48
4.4.2 Xác định độ chính xác hoạt động của bàn máy……………………… 48
4.5 Kết luận…………………………………………………………………….. 50

iv


Chương 5: Chương trình ứng dụng vẽ biên……………………………………... 52
5.1 Nhu cầu thực tế…………………………………………………………….. 52
5.2 Giới thiệu định dạng file Bitmap…………………………………………… 53
5.3 Một số phép toán được dùng trong xử lí ảnh………………………………. 53
5.3.1 Phép toán dilation……………………………………………………. 53
5.3.2 Phép toán erosion…………………………………………………….. 54
5.4 Các giải thuật xử lí ảnh…………………………………………………….. 55
5.4.1 Trình tự điều khiển tổng thể…………………………………………. 55
5.4.2 Giải thuật tách biên…………………………………………………... 56
5.4.3 Giải thuật lấy tọa độ các điểm nằm trên biên đối tượng……………... 58
5.5 Chương trình điều khiển……………………………………………………. 59
5.6 Kết quả thực nghiệm……………………………………………………….. 61
5.7 Kết luận…………………………………………………………………….. 62
Chương 6: Tổng kết và định hướng phát triển đề tài…………………………… 63
6.1 Tổng kết……………………………………………………………………..63
6.2 Định hướng phát triển đề tài………………………………………………... 64

v


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Máy CNC - Router - 1212……………………………………………….. 1
Hình 1.2: Máy cắt plasma Otago Sheetmetal………………………………………. 2
Hình 1.3: Máy cắt tia nước NC 3520S 5-a…………………………………………. 2
Hình 1.4: Máy cắt laser HZE-M300………………………………………………... 3
Hình 1.5: Họa tiết được tạo bởi máy cắt laser hai trục……………………………... 3
Hình 1.6: Một số loại vật liệu thường được gia công bởi máy CNC hai trục………. 4

Hình 1.7: Một số sản phẩm được tạo bởi máy CNC laser hai trục…………………. 4
Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 1………………………………. 5
Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 2………………………………. 6
Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 3……………………………... 6
Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 4……………………………... 7
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lí bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai……………….. 11
Hình 2.2: Các kích thước của cụm khung…………………………………………... 12
Hình 2.3: Sơ đồ lắp của cụm khung………………………………………………… 12
Hình 2.4: Mô hình cụm khung……………………………………………………… 13
Hình 2.5: Cụm động cơ……………………………………………………………... 13
Hình 2.6: Cụm pulley bị động……………………………………………………… 14
Hình 2.7: Cụm pulley dẫn hướng…………………………………………………... 15
Hình 2.8: Cụm cơ cấu chấp hành…………………………………………………… 16
Hình 2.9: Cụm cơ cấu chấp hành…………………………………………………… 16
Hình 2.10: Mô hình tổng thể bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai…………….. 17
Hình 2.11: Sơ đồ phân bố tải trọng bàn máy……………………………………….. 18
Hình 2.12: Sơ đồ phân tích lực……………………………………………………... 18
Hình 2.13: Pulley răng A 6A35M025DF1006………………………………………20
Hình 2.14: Lực và momen uốn tác dụng lên trục của cụm pulley bị động…………. 21
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển AC servo dùng vi điều khiển………………... 22
Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển AC servo dùng PLC…………………………. 23
Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển AC servo dùng card…………………………. 24
Hình 3.4: Sơ đồ thể hiện mối quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống………... 24
Hình 3.5: Động cơ AC servo……………………………………………………….. 25
vi


Hình 3.6: Các loại encoder…………………………………………………………. 26
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lí hoạt động của encoder………………………………….. 26
Hình 3.8: Dạng encoder tương đối được sử dụng trong thực tế………………......... 27

Hình 3.9: Động cơ AC servo SMH 60S-0040-30AAK-3LKH…………………….. 27
Hình 3.10: Đường đặc tính cơ của động cơ SMH 60S-0040-30AAK-3LKH……… 28
Hình 3.11: Driver cùng các khối chức năng………………………………………... 29
Hình 3.12: Card điều khiển PCI-8164……………………………………………… 30
Hình 3.13: Các cụm chức năng của card PCI-8164………………………………… 31
Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lí kết nối giữa các thiết bị……………………………….. 32
Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lí mạch giao tiếp giữa các chân thuộc nhóm 1 và driver... 33
Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lí mạch giao tiếp giữa các chân thuộc nhóm 2 và driver... 34
Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lí mạch giao tiếp giữa các chân thuộc nhóm 3 và driver... 34
Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lí mạch giao tiếp giữa các chân thuộc nhóm 4 và driver... 35
Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lí mạch giao tiếp giữa các chân nhóm 5 và các cảm biến.. 36
Hình 3.20: Sơ đồ đấu dây của hệ thống điện để điều khiển một động cơ………….. 36
Hình 4.1: Sơ đồ phân tích động học của bàn máy………………………………….. 38
Hình 4.2: Bàn máy CNC 2D version 1.0…………………………………………… 42
Hình 4.3: Minh họa bộ phận công tác di chuyển từ điểm A đến điểm B…………... 42
Hình 4.4: Giải thuật di chuyển từ điểm đến điểm………………………………….. 43
Hình 4.5: Trình tự thiết lập các hàm chức năng……………………………………. 45
Hình 4.6: Cửa sổ Main Control…………………………………………………….. 47
Hình 4.7: Cửa sổ Base Move……………………………………………………….. 47
Hình 4.8: Kết quả thực nghiệm nội suy đường thẳng………………………………. 48
Hình 4.9: Kết quả thực nghiệm nội suy đường tròn………………………………... 48
Hình 4.10: Các đoạn thẳng được dùng để xác định sai số………………………….. 49
Hình 4.11: Các đường tròn dùng để xác định độ lặp lại………………………......... 49
Hình 5.1: Phép toán dilation………………………………………………………... 53
Hình 5.2: Phép toán erosion………………………………………………………... 54
Hình 5.3: Trình tự điều khiển tổng thể……………………………………………... 55
Hình 5.4: Giải thuật tách biên đối tượng…………………………………………… 57
Hình 5.5: Kết quả offset trên đối tượng phức tạp………………………………....... 58

vii

Hình 5.6: Kết quả offset trên đối tượng đơn giản………………………………....... 58
Hình 5.7: Giải thuật lấy tọa độ các điểm nằm trên biên đối tượng…………………. 59
Hình 5.8: Tab Preprocessing của ứng dụng Image Drawing……………………….. 61
Hình 5.9: Tab Simulation của ứng dụng Image Drawing…………………………... 61
Hình 5.10: Kết thực nghiệm vẽ quân cờ……………………………………………. 62
Hình 5.11: Kết quả thực nghiệm vẽ bông hoa……………………………………… 62
Hình 5.12: Kết quả thực nghiệm vẽ logo Bách Khoa………………………………. 62

viii


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Bảng đánh giá các đặc điểm của một số dạng máy CNC hai trục………..7
Bảng 2.1: Một số thông số của động cơ SMH 60S-0040-30AAK-3LKH………….. 19
Bảng 3.1: Một số thông số kĩ thuật của động cơ SMH 60S-0040-30AAK-3LKH…. 27
Bảng 3.2: Một số thông số kĩ thuật của driver……………………………………… 28
Bảng 3.3: Nhiệm vụ của các cụm chức năng của driver……………………………. 29
Bảng 3.4: Một số thông số kĩ thuật của card điều khiển……………………………. 30
Bảng 3.5: Nhiệm vụ các cụm chức năng của card PCI-8164………………………. 31
Bảng 3.6: Chức năng một số chân tiêu biểu của một trục trong cụm CN2………… 32
Bảng 4.1: Các dạng nội suy được hỗ trợ trong card SMC-4DF-PCI……………….. 44
Bảng 4.2: Kết quả đo đạc các đoạn thẳng…………………………………………... 49
Bảng 4.3: Kết quả đo đạc các đường tròn…………………………………………... 50

ix


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan
1.1.1 Tổng quan về máy CNC hai trục
Ngày nay, máy CNC (Computer Numerical Control) được dùng phổ biến trong cơ
khí bởi những tính năng ưu việt so với các máy móc truyền thống. Máy CNC thường
được phân loại theo số khả năng di chuyển trong không gian, hay còn được gọi là số
trục. Máy CNC có số trục càng nhiều thì càng có khả năng thực hiện các chuyển động
phức tạp, chính xác hơn. Thông thường số trục của máy CNC từ 2 đến 5.
Máy CNC hai trục, hay còn gọi là máy CNC hai bậc tự do, tuy có kết cấu đơn giản
và khả năng thực hiện các chuyển động phức tạp trong không gian hạn chế hơn rất nhiều
so với các máy CNC có số trục nhiều hơn hai, nhưng lại được sử dụng rất phổ biến trong
thực tế. Hình 1.1 thể hiện một dạng máy CNC hai trục thường dùng trong sản xuất.

Hình 1.1: Máy CNC - Router - 1212 [1]
Máy CNC hai trục hoạt động nhờ vào sự kết hợp chuyển động của các động cơ,
nhằm tạo ra các quỹ đạo mong muốn trên mặt phẳng. Máy có thể gắn nhiều loại đầu
công tác khác nhau để thực hiện các nhiệm vụ như cắt sản phẩm, khắc họa tiết 2D, gia
công mạch in…
1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
So với những máy CNC có số trục nhiều hơn hai, máy CNC hai trục có một số ưu
điểm sau đây:
 Cấu tạo đơn giản.
 Điều khiển dễ dàng.
 Giá thành thấp.
 Các ứng dụng rất đa dạng, trên nhiều lĩnh vực.

1.1.2 Khả năng công nghệ
Máy CNC hai trục có rất nhiều ứng dụng phụ thuộc vào loại đầu công tác được
dùng. Hiện nay một số máy CNC hai trục được sử dụng phổ biến như máy cắt plasma
(hình 1.2), máy cắt tia nước (hình 1.3), máy cắt laser (hình 1.4)…

Hình 1.2: Máy cắt plasma Otago Sheetmetal [2]

Hình 1.3: Máy cắt tia nước NC 3520S 5-a [3]

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Hình 1.4: Máy cắt laser HZE-M300 [4]
Với sự trợ giúp của máy tính, máy CNC hai trục có khả năng tạo ra những chuyển
động tương đối phức tạp. Hình 1.5 thể hiện khả năng công nghệ của máy CNC hai trục
khi gia công họa tiết trên tấm kim loại.

Hình 1.5: Họa tiết được tạo bởi máy cắt laser hai trục [5, 6]
Không chỉ thể hiện khả năng cắt gọt kim loại, máy CNC hai trục còn có thể gia
công nhiều loại vật liệu như gỗ, thủy tinh, vải, da, giấy…ở dạng phẳng (hình 1.6).

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

a. Thủy tinh

b. Vải

c. Giấy

d. Da

Hình 1.6: Một số loại vật liệu thường được gia công bởi máy CNC hai trục [7, 8]
Ngoài khả năng tạo ra các sản phẩm 2D, máy CNC hai trục còn có thể ứng dụng
để tạo hình các sản phẩm 3D như hình 1.7.

Hình 1.7: Một số sản phẩm được tạo bởi máy CNC laser hai trục [9, 10]
Khi gia công chi tiết 3D, các máy CNC có số trục nhiều hơn hai thường tạo hình
chi tiết một cách trực tiếp và hầu như hình dạng sản phẩm giống như hình dạng chi tiết

4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
được tạo bởi máy CNC. Đối với các máy CNC hai trục thì ban đầu biên dạng 2D sẽ
được tạo ra, làm cơ sở để tạo hình sản phẩm 3D hoàn chỉnh thông qua các nguyên công
uốn, gò, hàn…, và hình dạng sản phẩm 3D so với biên dạng 2D được tạo ra bởi máy
CNC khác nhau đáng kể.
1.1.3 Phân loại máy CNC 2 trục
Căn cứ theo kết cấu truyền động mà máy CNC hai trục được chia ra làm một số
dạng sau đây.
 Máy CNC dạng trục phụ thuộc truyền động bằng vít me - đai ốc (dạng 1)
Máy CNC hai trục dạng 1 truyền động bằng cơ cấu vít me - đai ốc, có bàn trượt
ngang (5), trục trượt ngang (6), cơ cấu vít me - đai ốc (7), và động cơ (8) nằm trên bàn
đỡ (4) di chuyển bởi động cơ (1) cùng các cơ cấu truyền động của nó. Chính vì vậy việc
tính toán bền cho các chi tiết phải rất cẩn thận nhằm đảm bảo độ chính xác của bàn máy,

cũng như độ bền của các chi tiết chịu lực. Sơ đồ nguyên lí của máy CNC hai trục dạng
1 được thể hiện trên hình 1.8.
1- Động cơ truyền động dọc
1

2- Trục trượt dọc

M
2

3- Cơ cấu vít me - đai ốc
truyền động dọc

3
4

5

6

4- Bàn trượt dọc
5- Bàn trượt ngang
6- Trục trượt ngang
7- Cơ cấu vít me - đai ốc

M

truyền động ngang
8

7

8- Động cơ truyền động ngang

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 1
 Máy CNC dạng trục phụ thuộc truyền động bằng đai (dạng 2)
Trong các máy CNC dạng trục phụ thuộc, ngoài cách dùng cơ cấu vít me - đai ốc
thì đai răng (2, 7) cũng được dùng để truyền động. So với cách dùng vít me - đai ốc thì

5


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
cách dùng đai răng sẽ kém chính xác hơn, tuy nhiên giá thành sẽ rẻ hơn đáng kể. Hình
1.9 thể hiện sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 2.
1

1- Động cơ truyền động dọc
M

2

2- Bộ truyền đai răng dọc

3

3- Trục trượt dọc

4

5

6

7

4- Bàn trượt dọc
5- Bàn trượt ngang
6- Trục trượt ngang
7- Bộ truyền đai răng ngang

M

8- Động cơ truyền động ngang
8

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 2
 Máy CNC dạng trục độc lập truyền động bằng vít me - đai ốc (dạng 3)
1- Động cơ truyền động dọc

1
M

2- Trục trượt dọc

2

3- Cơ cấu vít me - đai ốc

3

4

truyền động dọc
5

6

4- Bàn gá chi tiết
5- Đầu công tác
6- Động cơ truyền động ngang

M

7- Trục trượt ngang
8

7

8- Cơ cấu vít me - đai ốc
truyền động ngang

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 3
Máy CNC hai trục dạng 3 có hai trục nằm độc lập, một trục đóng vai trò di chuyển
bàn máy, trục còn lại di chuyển bộ phận công tác theo hai hướng vuông góc với nhau.

6


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Trong hình 1.10, động cơ (1), trục trượt (2), cùng với cơ cấu vít me - đai ốc (3) di chuyển
bàn gá chi tiết (4) tạo thành chuyển động dọc của bàn máy. Động cơ (6), trục trượt (7),
cùng với cơ cấu vít me - đai ốc (8) di chuyển đầu công tác (5) tạo thành chuyển động
ngang của bàn máy máy.
 Máy CNC dạng trục độc lập truyền động bằng đai (dạng 4)
Khác với những máy CNC đã đề cập, máy CNC dạng trục độc lập truyền động
bằng đai, hay còn gọi là bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai, có vị trí của bộ phận
công tác được điều khiển kết hợp đồng thời bởi hai động cơ (6, 8) thông qua một dây
đai duy nhất (3). Sơ đồ nguyên lí của dạng máy CNC này được đề cập ở hình 1.11.
1

2

3

1- Vùng làm việc
2- Đầu công tác

4

3- Đai răng
4- Cụm con trượt - thanh trượt dọc
5- Pulley răng

5

6- Động cơ 1
7- Cụm con trượt - thanh trượt ngang
8- Động cơ 2

M

M

8

7

6

Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 4
Bảng đánh giá các đặc tính làm việc của một số dạng máy CNC hai trục được thể
hiện trong bảng 1.1.
Bảng 1.1: Bảng đánh giá các đặc điểm của một số dạng máy CNC hai trục
Dạng máy CNC

Đặc điểm

Dạng 1

Dạng 2

Dạng 3

Dạng 4

1

1

2

3

Kết cấu (×2)
1- Phức tạp
2- Tương đối phức tạp
3- Đơn giản

7


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Khả năng mở rộng vùng làm việc (×2)
1- Phải thay đổi 50% các chi tiết
2- Phải thay đổi 30% các chi tiết
3- Phải thay đổi 10% các chi tiết

1

1

2

3

1

2

1

3

2

1

3

1

2

1

3

1

2

1

3

1

1

2

1

3

14

15

21

27

Giá thành (×2)
1- Đắt
2- Tương đối đắt
3- Rẻ
Độ chính xác (×1)
1- Thấp
2- Tương đối cao
3- Cao
Tải trọng (×1)
1- Nhỏ
2- Vừa
3- Lớn
Độ bền (×1)
1- Kém bền
2- Tương đối bền
3- Rất bền

Thời gian triển khai (×2)
1- Chậm
2- Tương đối nhanh
3- Nhanh
Tổng điểm

Bảng 1.1 được tạo ra chủ yếu dựa trên những đặc tính làm việc của máy CNC hai
trục mà luận văn quan tâm. Tùy theo từng trường hợp cụ thể mà các dạng bàn máy khác
nhau sẽ được sử dụng. Với mục đích tạo ra bàn máy CNC hai trục có thời gian triển khai
nhanh, vùng không gian làm việc thay đổi linh hoạt, giá thành thấp, và độ chính xác yêu
cầu không quá cao, theo đánh giá trong bảng 1.1 thì máy CNC dạng trục độc lập truyền
động bằng đai (dạng 4) là phương án tốt nhất cân bằng được các yếu tố đề ra.

8


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.2

Mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi đề tài
Máy CNC 2D truyền động bằng đai vẫn còn khá mới mẻ, trong khi các dạng máy

CNC khác đã được nghiên cứu khá toàn diện, kĩ càng. Mặt khác, như những phân tích
ở trên thì dạng máy CNC này có những điểm mạnh nhất định mà các máy CNC truyền
thống khác khó có được, đó là kết cấu đơn giản, vùng làm việc linh hoạt và có khả năng
thay đổi dễ dàng, giá thành rẻ, thời gian triển khai nhanh chóng. Nhờ đó bàn máy CNC
2D truyền động bằng đai có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực không yêu
cầu độ chính xác cao như cắt laser, cắt plasma, robot họa sĩ… Chính vì vậy, việc phân
tích, thiết kế, chế tạo bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai sẽ có ý nghĩa thực tiễn to
lớn. Đề tài có mục tiêu, nhiệm vụ, và phạm vi cụ thể như sau:



Mục tiêu đề tài:
Phân tích và thiết kế hệ thống CNC 2D dẫn động bằng đai.



Nhiệm vụ đề tài:
Để đạt được mục tiêu đã đặt ra, các công việc dưới đây cần phải được thực hiện.
 Phân tích, thiết kế, chế tạo bàn máy.
- Từ yêu cầu ban đầu, sơ đồ nguyên lí của bàn máy sẽ được tạo ra nhằm làm
cơ sở cho công việc thiết kế bàn máy.
- Với sơ đồ nguyên lí đã có, tiến hành thiết kế mô hình cơ khí của bàn máy ở
dạng bản vẽ 3D bằng phần mềm SolidWorks.
- Xây dựng hệ thống điện điều khiển bàn máy.
- Chế tạo mô hình bàn máy.
 Phân tích động học và xây dựng giải thuật điều khiển bàn máy 2D.
- Từ sơ đồ nguyên lí, quá trình phân tích động học được tiến hành nhằm tìm ra
các quy luật chuyển động của bàn máy, mà cụ thể là các phương trình động học
thuận và phương trình động học ngược. Khi có được các phương trình này, việc
điều khiển đầu công tác đến một vị trí cho trước, hoặc xác định vị trí hiện tại
của đầu công tác sẽ được thực hiện nhanh chóng.
- Xây dựng giải thuật điều khiển bàn máy.
 Xây dựng chương trình điều khiển bàn máy với giao diện đồ họa GUI (Graphical
User Interface).
9


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Giao diện GUI hiện nay được sử dụng phổ biến bởi rất nhiều ưu điểm, nổi

bật là khả năng tương tác cao và trực quan với người dùng, có thể tạo ra được
những ứng dụng rất phức tạp, dễ dàng nâng cấp và phát triển các ứng dụng. Do đó,
đề tài chọn GUI làm giao diện tương tác với người dùng, nhằm tận dụng những
thế mạnh của giao diện GUI. Công việc cụ thể bao gồm:
- Thiết kế giao diện đồ họa.
- Viết chương trình điều khiển bằng phần mềm Visual C#.
 Đánh giá sai số dịch chuyển của bộ phận công tác.
Trên cơ sở bàn máy đã chế tạo, tiến hành đánh giá sai số dịch chuyển của bộ
phận công tác. Phương pháp thực hiện là dùng bộ phận công tác vẽ những đường
thẳng theo các phương khác nhau trên một tờ giấy, sau đó scan hình vẽ trên giấy
giấy để thu được file ảnh trên máy tính, tiến hành đo đạc trên máy tính sẽ thu được
độ dài thực của các đoạn thẳng, từ đó suy ra sai số dịch chuyển của bộ phận công
tác.


Phạm vi đề tài:
Vì thời gian làm luận văn có hạn, do đó phạm vi đề tài được giới hạn lại như sau.
 Bộ phận công tác có khả năng chuyển động trên mặt phẳng với độ chính xác
dịch chuyển là 0,1 mm.
 Vùng không gian làm việc của bộ phận công tác khoảng 350 mm × 250 mm.

1.3

Tổ chức luận văn
Luận văn được tổ chức theo cấu trúc sau:
Chương 2 tính toán và thiết kế mô hình cơ khí bàn máy.
Chương 3 xây dựng hệ thống điện điều khiển hoạt động của bàn máy.
Chương 4 phân tích động học và xây dựng giải thuật điều khiển bàn máy.
Chương 5 xây dựng chương trình ứng dụng vẽ biên.
Chương 6 tổng kết và nêu ra hướng phát triển của đề tài.

10


CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH CƠ KHÍ
CHƯƠNG 2

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH CƠ KHÍ
Kết cấu cơ khí đóng vai trò rất quan trọng, không những ảnh hưởng trực tiếp đến
các thông số hoạt động của bàn máy mà còn là cơ sở để xây dựng hệ thống điện điều
khiển bàn máy. Công việc thiết kế cơ khí của bàn máy được thực hiện qua nhiều bước
khác nhau, bao gồm lập sơ đồ nguyên lí mô tả hoạt động bàn máy, tính toán và lựa chọn
các chi tiết cơ khí, thiết kế mô hình 3D, kiểm bền những chi tiết quan trọng. Bên cạnh
đó, các bước trên phải đảm bảo được là mô hình bàn máy phải thỏa mãn được các yêu
cầu đã đặt ra ban đầu.
2.1 Sơ đồ nguyên lí bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai
1

2

3

4

5

6
7

8

9

10

Y
X

M1

M2

1 - Con trượt ngang
2 - Cơ cấu chấp hành
3 - Vùng làm việc
4 - Thanh trượt ngang
5 - Pulley bị động
6 - Đai răng
7 - Pulley dẫn hướng
8 - Con trượt dọc
9 - Thanh trượt dọc
10 - Động cơ
11 - Pulley chủ động

11

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lí bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai
Hình 2.1 thể hiện sơ đồ nguyên lí của bàn máy. Bàn máy gồm hai động cơ (10)
điều khiển vị trí của cơ cấu chấp hành (2) thông qua hệ thống truyền động là dây đai (6),
các pulley (5, 7, 11), các thanh trượt (4, 9) và con trượt (1, 8).

Để dễ dàng cho việc phân tích cấu trúc, bàn máy được chia thành các cụm chi tiết
như sau:
 Cụm khung
 Cụm động cơ

11


CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH CƠ KHÍ
 Cụm pulley bị động
 Cụm pulley dẫn hướng
 Cụm cơ cấu chấp hành
 Cụm các thanh trượt
2.2 Phân tích, thiết kế các cụm chi tiết
2.2.1 Cụm khung
Cụm khung có nhiệm vụ đỡ cả bàn máy, là chỗ tựa để lắp đặt các cụm khác. Theo
yêu cầu ban đầu đặt ra thì vùng làm việc của bàn máy là 350 mm × 250 mm. Để đáp
ứng được yêu cầu đó thì các kích thước của cụm khung được thể hiện như hình 2.2.
900 mm
660 mm

560 mm

130 mm

Hình 2.2: Các kích thước của cụm khung

5

4

3

2

1

1- Thanh nhôm 30×60

4- Vít

2- Đai ốc trượt

5- Thanh nhôm 30×30

3- Ke góc 3030
Hình 2.3: Sơ đồ lắp của cụm khung

12


CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH CƠ KHÍ

Hình 2.4: Mô hình cụm khung
Cụm khung được làm bằng các thanh nhôm định hình, bao gồm hai thanh tiết diện
30 mm × 30 mm, dài 900 mm (5) và hai thanh tiết diện 30 mm × 60 mm, dài 560 mm
(1). Các thanh nhôm được ghép với nhau bởi các miếng ke góc (3) thông qua mối ghép
bu lông. Mô hình lắp ráp của cụm khung được thể hiện trên hình 2.3, mô hình hoàn
chỉnh của cụm khung được thể hiện trên hình 2.4.
2.2.2 Cụm động cơ

1

2
3
4
5

1- Động cơ

4- Ống trụ đỡ

2- Tấm đỡ trên

5- Tấm đỡ dưới

3- Pulley chủ động
Hình 2.5: Cụm động cơ

13


CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH CƠ KHÍ
Cụm động cơ tạo động lực và điều khiển bàn máy hoạt động theo ý muốn. Cụm
động cơ được gắn chặt trên cụm khung, vừa có tác dụng cố định động cơ, lại vừa tăng
cường độ cứng vững của cụm khung.
Cụm động cơ gồm có động cơ (1) nằm trên hai tấm nhôm (2, 5), giữa hai tấm nhôm
có các ống đỡ rỗng (4) nhằm thay đổi độ cao của pulley chủ động (3) so với pulley dẫn
hướng và pulley bị động. Mô hình của cụm động cơ được thể hiện trên hình 2.5.
2.2.3 Cụm pulley bị động
Cụm pulley bị động cơ nhiệm vụ truyền động đai đến bộ phận công tác, đồng thời

căng đai và điều chỉnh lực căng đai.
Cụm pulley bị động được cố định vào cụm khung, bao gồm một pulley răng (3) có
các ổ bi bên trong (1) nhằm giảm ma sát khi quay, gá đồng trục với một ống đỡ rỗng (4)
nhằm điều chỉnh độ cao của pulley so với các cụm khác (hình 2.6).

1
2

3

4

5

1- Vòng bi

4- Ống trụ lớn

2- Ống trụ nhỏ

5- Tấm đỡ dưới

3- Pulley bị động
Hình 2.6: Cụm pulley bị động

14


CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH CƠ KHÍ
2.2.4 Cụm pulley dẫn hướng

5
4
3

2

1

1- Tấm đỡ chữ T

4- Vòng bi

2- Ống trụ nhỏ

5- Trục

3- Pulley dẫn hướng
Hình 2.7: Cụm pulley dẫn hướng
Cụm pulley dẫn hướng có nhiệm vụ thay đổi hướng chuyển động của các dây đai,
nhằm tạo ra chuyển động theo trục X của con trượt ngang (hình 2.7).
Cụm pulley dẫn hướng bao gồm các pulley trơn (3) được gắn trên tấm nhôm (1).
Tấm nhôm này lại được liên kết với con trượt dọc và thanh trượt ngang. Do đó, khi con
trượt dọc di chuyển sẽ mang cả cụm pulley dẫn hướng và thanh trượt ngang di chuyển
theo. Cụm pulley dẫn hướng cũng có các ổ bi (4) bên trong nhằm giảm ma sát khi hoạt
động.
2.2.5 Cụm cơ cấu chấp hành
Cụm cơ cấu chấp hành vừa có nhiệm vụ nối hai đầu của dây đai lại để tạo thành
một vòng đai kín, vừa làm nền để gắn các đầu công tác (hình 2.8).
Cụm cơ cấu chấp hành bao gồm tấm kẹp đai (2) được ghép chặt vào đế gắn đầu
công tác (3) bằng mối ghép bu lông (1), nhằm cố định hai đầu sợi dây đai. Khối nhôm

nằm trên con trượt ngang chính vì vậy nó có khả năng di chuyển qua lại khi bàn máy
hoạt động, tạo thành chuyển động theo phương X của bàn máy. Trên bề mặt khối nhôm
có rất nhiều lỗ để lắp đặt các đầu công tác nhằm thực hiện các nhiệm vụ khác nhau.

15