Nghiên cứu hệ thống điều khiển thuỷ lợi và khí nén trong máy điều khiển số (CNC)

LỜI CAM ĐOAN
Tác giải xin cam đoan các kết quả và các số liệu nêu trong luận văn là do bản
thân tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Nguyễn Tiến Lƣỡng, Trƣờng Đại học
Bách Khoa Hà Nội. Ngoài phần tài liệu tham khảo đã liệt kê các số liệu và kết quả thu
đƣợc là trung thực và chƣa đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả

Phạm Quốc Việt

1


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
V -

Thể tích chất lỏng (m3)

p-

Áp suất (N/m2)

Q–

Lƣu lƣợng (m3/s)

N–

Công suất (W)

–

Khối lƣợng riêng chất lỏng (kg/m3)

m -

Khối lƣợng (kg)

C–

Tỷ nhiệt trung bình (J/kg.K)

T –

Nhiệt độ tính theo K

–

Ứng suất trƣợt giữa các lớp chất lỏng (N/m2)

dv/dy – Radian vận tốc
:

Độ nhớt động học m2/s=104cm2/s=106mm2/s=106cSt

E0 -

Độ nhớt Engler

p1:

Tổng tổn hao áp suất do trở thủy lực

p2:

Tổng tổn hao áp suất do trở quán tính

pd, p0: Tổng tổn hao áp suất do gây biến dạng dầu vào ống, trở biến dạng
C1, C2: Tổng dung kháng của dầu và ống dẫn
Re –

Số Reynold

α–

Hệ số tiết lƣu

ε–

Hệ số giãn nở

f :

Độ biến đổi diện tích tƣơng đối

p :

Độ chênh áp suất tƣơng đối

 :

Dịch chuyển tƣơng đối

:

Khe hở hƣớng tâm tƣơng đối

Tt, Tr: Hằng số thời gian ở chế độ chảy tầng, chảy rối
Kt, Kr: Hệ số khuếch đại ở chế độ chảy tầng, chảy rối
LHN:

Liên hệ ngƣợc

2


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Máy tiện..................................................................................................... 15
Hình 1.2: Máy phay ................................................................................................... 16
Hình 1.3: Truyền dữ liệu trong vòng kín. ................................................................... 18
Hình 1.4: Sơ đồ khối của CPU ................................................................................... 19
Hình 1.5: Hệ thống liên lạc BUS ............................................................................... 20
Hình 1.6: Vị trí của chƣơng trình CNC ...................................................................... 21
Hình 1.7: Động cơ bƣớc ............................................................................................ 22
Hình 1.8: Động cơ servo ............................................................................................ 23
Hình 1.9: Hệ thống điều khiển động cơ servo thủy lực .............................................. 25
Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát truyền dẫn thủy khí ........................................................... 27
Hình 2.2. Mạch điều khiển ........................................................................................ 28
Hình 2.3. Đồ thị biểu thị tốc độ dòng chảy trong ống................................................. 30
Hình 2.4. Sơ đồ tổng quát tính hiệu suất thể tích và hiệu suất áp suất ........................ 35
Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền dẫn bằng khí nén ....................................... 41

Hình 3.1. Ký hiệu bơm dầu........................................................................................ 43
Hình 3.2. Bơm bánh răng ăn khớp ngoài.................................................................... 43
Hình 3.3. Bơm bánh răng ăn khớp trong .................................................................... 43
Hình 3.4. Bơm trục vít ............................................................................................... 44
Hình 3.5. Bơm bánh răng điều chỉnh ......................................................................... 44
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý bơm cánh gạt đơn ............................................................ 44
Hình 3.7. Một số loại bơm cánh gạt ........................................................................... 44
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý bơm cánh gạt kép ............................................................. 45
Hình 3.9. Xilanh truyền lực ....................................................................................... 47
Hình 3.10. Một số loại xilanh .................................................................................... 47
Hình 3.11. Phƣơng pháp dẫn dầu ............................................................................... 47
Hình 3.12. Xilanh nhiều bậc ...................................................................................... 48
Hình 3.13. Xilanh truyền lực cánh gạt ....................................................................... 48
Hình 3.14. Ký hiệu van lọc ........................................................................................ 49
Hình 3.15. Ký hiệu van chỉnh áp ............................................................................... 49
Hình 3.16. Ký hiệu van tra dầu .................................................................................. 49
Hình 3.17. Cách mắc bộ lọc....................................................................................... 49
Hình 3.18. Động cơ xilanh hƣớng kính ...................................................................... 51

3


Hình 3.19. Động cơ tuabin......................................................................................... 51
Hình 3.20. Xilanh màng tác dụng 1 chiều .................................................................. 52
Hình 3.21. Nguyên lý làm việc và cấu tạo của xilanh va đập ..................................... 52
Hình 3.22. Sơ đồ van an toàn và van tràn................................................................... 53
Hình 3.23. Van tràn ................................................................................................... 53
Hình 3.24. Van an toàn .............................................................................................. 54
Hình 3.25. Van an toàn bi - piston ............................................................................. 55
Hình 3.26. Van phân áp ............................................................................................. 55

Hình 3.27. Van cản. ................................................................................................... 56
Hình 3.28. Ký hiệu van tiết lƣu .................................................................................. 57
Hình 3.29. Van tiết lƣu điều chỉnh dọc trục ............................................................... 57
Hình 3.30. Sơ đồ tính toán tiết diện chảy của van tiết lƣu .......................................... 58
Hình 3.31. Van tiết lƣu điều chỉnh quanh trục............................................................ 59
Hình 3.32. Van một chiều .......................................................................................... 60
Hình 3.33. Van 1 chiều điều khiển đƣợc hƣớng chặn ................................................. 60
Hình 3.34. Sơ đồ nâng hạ tải khi dùng van một chiều điều khiển đƣợc hƣớng chặn ... 60
Hình 3.35. Van 2/2 .................................................................................................... 61
Hình 3.36. Van 3/2 .................................................................................................... 61
Hình 3.37. Sơ đồ dùng van 4/2 .................................................................................. 62
Hình 3.38. Sơ đồ van 4/3 ........................................................................................... 62
Hình 3.39. Van 5/3 .................................................................................................... 63
Hình 3.40. Ký hiệu một số loại van 4/2...................................................................... 63
Hình 3.41. Ký hiệu một số loại van 4/3...................................................................... 63
Hình 3.42. Nắp điều chỉnh van bằng cơ khí ............................................................... 64
Hình 3.43. Nắp điều khiển bằng điện từ ..................................................................... 65
Hình 3.44. Nắp điều khiển bằng dầu ép ..................................................................... 66
Hình 3.45. Cấu tạo và ký hiệu van đảo chiều điều khiển trực tiếp .............................. 67
Hình 3.46. Cấu tạo và ký hiệu van đảo chiều điều khiển gián tiếp ............................. 67
Hình 3.47. Bộ đảo chiều cơ khí trực tiếp.................................................................... 68
Hình 3.48. Bộ đảo chiều điện – dầu ép ...................................................................... 68
Hình 3.49. Bộ đảo chiều van xoay ............................................................................. 69
Hình 3.50. Một số ký hiệu cho dòng khí nén điều khiển ............................................ 70
Hình 3.51. Van xả ..................................................................................................... 70

4


Hình 3.52. Kết cấu van 3/2 đơn giản .......................................................................... 70

Hình 3.53. Van 3/2 điều khiển điều khiển điện từ - khí nén ....................................... 71
Hình 3.54. Van đảo chiều 4/2 .................................................................................... 71
Hình 3.55. Van đảo chiều 5/2 .................................................................................... 71
Hình 3.56. Van điều chỉnh áp suất ............................................................................. 72
Hình 3.57. Van tiết lƣu một chiều điều khiển bằng tay .............................................. 72
Hình 3.58. Điều chỉnh tốc độ cả hai chiều bằng tiết lƣu trên đƣờng khí ra ................. 73
Hình 3.59. Rơle thời gian đóng chậm ........................................................................ 73
Hình 3.60. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đảo chiều bằng rơle thời gian đóng chậm ...... 73
Hình 3.61. Van logic OR ........................................................................................... 73
Hình 3.62. Sơ đồ nguyên lý điều khiển hai vị trí ........................................................ 73
Hình 3.63. Van logic AND ........................................................................................ 74
Hình 3.64. Kết cấu và ký hiệu van xả khí nhanh ........................................................ 74
Hình 3.65. Ứng dụng của van xả khí nhanh ............................................................... 74
Hình 3.66. Van chân không ....................................................................................... 74
Hình 3.67. Truyền dẫn servo chuyển động thẳng liên hệ ngƣợc cơ khí theo vị trí ...... 75
Hình 3.68. Liên hệ ngƣợc cơ khí – thủy lực theo vị trí ............................................... 75
Hình 3.69. Truyền dẫn servo chuyển động thẳng LHN điện thủy lực theo vị trí ......... 76
Hình 3.70. Truyền dẫn servo chuyển động thẳng với van servo điện - thủy lực liên hệ
ngƣợc điện theo tốc độ .............................................................................................. 76
Hình 3.71. Sơ đồ nguyên lý truyền dẫn servo chuyển động quay với van servo điện thủy lực liên hệ ngƣợc điện theo tốc độ ..................................................................... 76
Hình 3.72. Điều chỉnh tốc độ động cơ với liên hệ ngƣợc điện - thủy lực .................... 77
Hình 3.73. Sơ đồ truyền dẫn chuyển động quay liên hệ ngƣợc điện thủy lực liên hệ
ngƣợc theo tốc độ với điều chỉnh lƣu lƣợng bơm ....................................................... 77
Hình 3.74. Truyền dẫn servo chuyển động thẳng liên hệ ngƣợc theo tải trọng ........... 78
Hình 3.75. Truyền dẫn servo chuyển động thẳng với van servo điện thủy lực có liên hệ
ngƣợc theo áp suất và vận tốc .................................................................................... 78
Hình 3.76. Nguồn áp suất với bơm không điều chỉnh ................................................ 78
Hình 3.77. Nguồn điều chỉnh áp suất và lƣu lƣợng không đổi .................................... 79
Hình 3.78. Sơ đồ điều chỉnh áp suất bơm không đổi .................................................. 79
Hình 3.79. Ký hiệu sơ đồ điều khiển bơm để lƣu lƣợng không đổi ............................ 80

Hình 3.80. Điều chỉnh thủy lực để công suất bơm không đổi ..................................... 80
Hình 3.81. Đồng bộ liên hệ cơ khí ............................................................................. 80

5


Hình 3.82. Đồng bộ bằng phối hợp 2 bơm ................................................................. 81
Hình 3.83. Dùng 2 van tiết lƣu điều chỉnh lƣu lƣợng vào 2 xilanh lực ....................... 81
Hình 3.84: Sơ đồ đồng bộ làm việc cả hai chiều của hai xilanh lực bằng van tiết lƣu lắp
trên đƣờng ra ............................................................................................................. 82
Hình 3.85. Đồng bộ làm việc bằng liên hệ ngƣợc cơ khí theo vị trí ............................ 82
Hình 3.86. Đồng bộ làm việc bằng liên hệ ngƣợc điện theo vị trí hoặc tốc độ ............ 83
Hình 3.87. Đồng bộ làm việc nối tiếp của xilanh lực ................................................. 84
Hình 3.88. Đồng bộ làm việc của 4 xilanh lực ........................................................... 84
Hình 3.89. Sơ đồ khối mạch điều khiển tự động thủy khí........................................... 85
Hình 3.90. Sơ đồ mạch điều khiển thủy lực dùng cơ khí ............................................ 85
Hình 3.91. Sơ đồ điều khiển dùng tiếp điểm tự duy trì và công tắc hành trình ........... 86
Hình 3.92. Sơ đồ điều khiển dùng tiếp điểm tự duy trì và cảm biến ........................... 86
Hình 3.93. Điều khiển hai chiều chuyển động của một xilanh .................................... 87
Hình 3.94. Sơ đồ hệ thống khí nén trong máy CNC SL-153 ...................................... 88
Hình 3.95. Sơ đồ hệ thống thủy lực trong máy tiện CNC SL-153............................ 89
Hình 3.96. Sơ đồ hệ thống thủy lực trong máy phay CNC GV - 503.......................... 90
Hình 3.97. Sơ đồ hệ thống thủy lực trong máy DECKEL MAHO .............................. 91
Hình 3.98. Sơ đồ hệ thống khí nén trong máy DECKEL MAHO ............................... 92
Hình 3.99. Sơ đồ hệ thống khí nén trong máy DECKEL MAHO ............................... 93
Hình 3.100. Sơ đồ hệ thống khí nén trong máy DECKEL MAHO ............................. 93
Hình 3.101. Sơ đồ hệ thống khí nén trong máy DECKEL MAHO ............................. 94
Hình 4.1: Sơ đồ thí nghiệm của Raynol ..................................................................... 96
Hình 4.2: Sơ đồ van trƣợt bốn mép điều khiển không có LHN .................................. 98
Hình 4.3. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa ( f , p ) ................................................... 101

Hình 4.4: Biểu diễn các thông số dùng trong tính toán. ............................................ 102
Hình 4.5: Đồ thị phụ thuộc của p theo d . ........................................................... 103
Hình 4.6. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ nhạy lớn nhất vào  ....................... 104
Hình 4.7: Sơ đồ cấu tạo con trƣợt hai mép điều khiển không có LHN...................... 109
Hình 4.8 : Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc của Δp vào Δf ......................................... 111
Hình 4.9 : Sơ đồ tiết lƣu điều khiển dạng vòi phun – lá chắn. .................................. 114
Hình 4.10: Con trƣợt một mép điều khiển với liên hệ ngƣợc. ................................... 126
Hình 4.11. Đƣờng cong biểu diễn quan hệ p với  . ......................................... 129
Hình 4.12: Sơ đồ cấu tạo van trƣợt bốn mép điều khiển. .......................................... 137

6


Hình 4.13: Sơ đồ cấu tạo van trƣợt hai mép điều khiển. ........................................... 138
Hình 4.14. Sơ đồ khối cấu trúc bộ khuyếch đại thủy lực theo liên hệ ngƣợc. ........... 139
Hình 4.15. Phần so sánh bộ tăng áp liên hệ ngƣợc và lƣu lƣợng kế .......................... 140
Hình 5.1. Mô hình toán học tổng quát...................................................................... 145
Hình 5.2: Sơ đồ khối phần tử (hệ thống) điều khiển ................................................. 146
Hình 5.3. Sơ đồ khối phần tử phụ thuộc tuyến tính theo thời gian ........................... 148
Hình 5.4. Sơ đồ khối biểu diễn hàm truyền .............................................................. 150
Hình 5.5. Sơ đồ điều khiển điện – khí – thủy lực ..................................................... 151
Hình 5.6. Mô hình toán học cho truyền dẫn Servo điện – thủy lực ........................... 152
Hình 5.7. Sơ đồ khối truyền dẫn Servo điện thuy lực ............................................... 154
Hình 5.8. Sơ đồ Servo thủy lực ................................................................................ 157
Hình 5.9. Sơ đồ khối tƣơng đƣơng ........................................................................... 157
Hình 5.10. Đồ thị biểu diễn quan hệ PM/PS và QM/QS............................................... 161
Hình 5.11. Đồ thị quan hệ áp suất và độ dịch chuyển của một số con trƣợt .............. 163
Hình 5.12. Sơ đồ mạch cầu của con trƣợt lý tƣởng .................................................. 164
Hình 5.13. Sơ đồ khối cho (5.53) ............................................................................. 166
Hình 5.14. Biểu diễn sơ đồ khối (5.56) .................................................................... 166

Hình 5.15. Biểu diễn sơ đồ khối (5.57) .................................................................... 167
Hình 5.16. Sơ đồ khối thiết lập theo các ma trận chuyển với con trƣợt lý tƣởng ...... 167
Hình 5.17. Sơ đồ cấu tạo môtơ chuyển động quay với cơ cấu Servo thủy lực .......... 168
Hình 5.18. Sơ đồ cấu tạo và các thông số của môtơ thủy lực ................................... 172
Hình 5.19. Sơ đồ khối biểu diễn hàm truyền khớp nối cứng của tải trọng bên ngoài 176
Hình 5.20. Sơ đồ cấu tạo tải trọng nối mềm với mô tơ ............................................. 178
Hình 5.21. Sơ đồ biểu diễn hàm truyền với khớp nối mềm ở chế độ có tải ............... 179
Hình 5.22. Đồ thị biểu diễn trị số logarit biên độ và tần số trong trƣờng hợp nối cứng
không tải trọng ........................................................................................................ 184
Hình 5.23. Đồ thị biểu diễn trị số logarit biên độ và tần số trong trƣờng hợp nối cứng
có tải trọng .............................................................................................................. 188
Hình 5.24. Đồ thị logarit biên độ và tần số của hàm FZ(s) ........................................ 192
Hình 5.25. Đồ thị logarit biên độ và tần số của hàm FM(s) ....................................... 195

7


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Phạm vi ứng dụng thích hợp của các hệ thống điều khiển khác nhau ......... 38
Bảng 2.2. Chiều dài tƣơng đƣơng của các phụ tùng nối ............................................. 39
Bảng 3.1. Ký hiệu cửa nối van ................................................................................... 61
Bảng 3.2. Ký hiệu phƣơng tiện điều khiển van .......................................................... 61
Bảng 4.1: Biểu diễn quan hệ giữa p và f ........................................................... 128
Bảng 5.1 : Các thông số của Servo điện thủy lực của một số hãng ........................... 171
Bảng 5.2. Môtơ thủy lực .......................................................................................... 175
Bảng 5.3. Thông số logarit biên độ trong trƣờng hợp nối cứng không tải trọng ....... 183
Bảng 5.4: Thông số logarit biên độ tần số trong trƣờng hợp nối cứng có tải trọng .. 187
Bảng 5.5: Trị số biên độ pha của hàm FZ(s) ............................................................. 191
Bảng 5.6. Trị số đặc tính biên độ pha của hàm FM(s) ............................................... 194

8


LỜI NÓI ĐẦU
Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Tiến Lưỡng Viện Cơ khí, Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội là ngƣời đã hƣớng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hƣớng
đến quá trình thực hiện hoàn chỉnh luận văn này.
Tác giả bày lòng cảm ơn tất cả các thầy, cô giáo đã giảng dạy trong Trƣờng Đại
Học Bách Khoa Hà Nội, các thầy cô giáo Viện Cơ Khí, đã tạo điều kiện cho tác giả
làm tốt luận văn.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn không tránh khỏi khiếm
khuyết tác giả rất mong nhận đƣợc sự đóng góp của các thầy giáo, cô giáo, các nhà
khoa học, các bạn đồng nghiệp để đề tài đƣợc tốt hơn.

9


PHẦN MỞ ĐẦU
Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ đã nâng cao
mức độ tự động hóa quá trình sản xuất cũng nhƣ các máy móc, thiết bị lên mức đáng
kể. Sự kết hợp các phƣơng tiện truyền động nhƣ điện, điện tử, cơ khí, thủy lực, khí nén
ngày càng có hiệu quả. Đặc biệt là trong máy công cụ CNC. Loại máy này đã có sự
phát triển vƣợt bậc cả về chủng loại, số lƣợng, tính năng, hiệu quả sử dụng. Nhờ tính
năng ƣu việt riêng của mình, hệ thống thủy lực khí nén đã góp phần đáng kể trong tự
động hóa và có mặt trong hầu hết các máy CNC hiện nay.
Tính ƣu việt của hệ thống thủy lực khí nén nhƣ truyền dẫn vô cấp về tốc độ, vô
cấp về tải trọng, làm việc trong môi trƣờng khắc nghiệt … đã góp phần đáng kể trong
tự động hóa ở các máy CNC.
Máy CNC nói riêng hay các máy công cụ nói chung đều phải đảm bảo các yêu
cầu cần thiết, đảm bảo độ tin cậy, tuổi thọ, an toàn đối với ngƣời và các thiết bị xung

quang, giảm giá thành chế tạo, bảo trì. Mỗi bộ phận hay phần tử cấu thành hệ thống
truyền dẫn, điều khiển đều phải thể hiện nhiệm vụ nhất định. Dù đơn giản hay phức
tạp thì trong nó luôn tồn tại hai dòng năng lƣợng cho mạch động lực và mạch điều
khiển. Để điều khiển hoạt động của hệ thống thủy lực, khí nén theo mục đích định
trƣớc thì có rất nhiều phƣơng án, phƣơng án đƣợc sử dụng rộng rãi nhất là sử dụng các
phần tử tham gia điều khiển điều chỉnh: cơ cấu điều chỉnh áp suất, cơ cấu điều chỉnh
lƣu lƣợng và cơ cấu điều chỉnh hƣớng. Chính việc hiểu rõ tính năng, công dụng, ƣu
nhƣợc điểm của các cơ cấu điều chỉnh này giúp cho ngƣời thiết kế, vận hành, sửa chữa
các máy móc trang thiết bị sẽ hoạt động chính xác hơn, tin cậy hơn và năng suất hơn.
Trong các mạch điều khiển nói chung hay mạch điều khiển thủy lực khí nén nói
riêng bao giờ cũng có những thông số tác động để tạo nên sự điều khiển đó là các
thông số đầu vào, và các đối tƣợng chịu tác động điều khiển đó là đầu ra. Từ đó,
nghiên cứu các phần tử thủy lực khí nén một cách tổng hợp để có thể miêu tả hệ thống
điều khiển dƣới dạng toán học. Nhằm xây dựng phƣơng án tối ƣu cho hệ thống điều
khiển thủy lực khí nén.
Từ những lý do trên tác giả đã lựa chọn: “Nghiên cứu hệ thống thủy lực và khí
nén cho máy điều khiển số (CNC)” làm đề tài luận văn tốt nghiệp cao học của mình.

10


Mục đích nghiên cứu:
- Tầm quan trọng của hệ thống điều khiển thủy lực khí nén trong máy CNC.
- Tìm hiểu cơ sở truyền dẫn thủy lực khí nén, cấu trúc tổng quát về mạch điều
khiển dùng thủy lực khí nén, các phần tử chức năng trong hệ thống điều khiển thủy –
khí: cơ cấu biến đổi năng lƣợng, cơ cấu chỉnh áp, chỉnh lƣu, chỉnh hƣớng.
- Nghiên cứu một số sơ đồ về liên hệ ngƣợc trong điều khiển nhƣ: liên hệ ngƣợc
theo vị trí, theo tốc độ, theo tải trọng, theo công suất, các vấn đề về tự động điều chỉnh
bơm đảm bảo áp suất lƣu lƣợng không đổi và đồng bộ hóa làm việc của nhiều cơ cấu
chấp hành nhƣ: đồng bộ liên hệ ngƣợc cơ khí, liên hệ ngƣợc điện, đồng bộ bằng tiết

lƣu…
- Nghiên cứu về động học và tĩnh học của van trƣợt điều khiển, bản chất là
nghiên cứu sự ảnh hƣởng của các thông số chế tạo nhƣ khe hở hƣớng tâm, chuyển
động dọc trục, đƣờng kính của con trƣợt điều khiển… đến độ nhạy điều khiển, hằng số
thời gian, hệ số khuếch đại điều khiển trong trƣờng hợp chảy tầng và chảy rối.
- Xây dựng mô hình toán học hệ điều khiển thủy lực – khí nén
Đối tượng nghiên cứu:
- Cơ cấu biến đổi năng lƣợng trong hệ thống điều khiển thủy lực khí nén.
- Phần tử chức năng điều khiển trong hệ thống điều khiển thủy lực khí nén.
Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu các phần tử, cơ cấu trong hệ thống thủy lực khí nén
- Khảo sát đặc trƣng động học và tĩnh học của bộ khuếch đại thủy lực có và
không có liên hệ ngƣợc trong trƣờng hợp chảy tần và chảy rối
- Xây dựng mô hình toán học hệ điều khiển thủy lực – khí nén
Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với xây dựng khảo sát
trên mô hình toán.
Với đề tài: “Nghiên cứu hệ thống thủy lực và khí nén cho máy điều khiển số
(CNC)”. Tác giả đã hoàn thành đƣợc đề tài và đạt đƣợc kết quả sau:
- Các cơ cấu biến đổi năng lƣợng, các phần tử chức năng điều khiển trong hệ
thống thủy lực khí nén
- Xây dựng mô hình tính toán đặc trƣng động học và tĩnh học của bộ khuếch đại

11


thủy lực có và không có liên hệ ngƣợc trong trƣờng hợp chảy tần và chảy rối
- Xây dựng mô hình toán học hệ điều khiển thủy lực – khí nén. Một vài bài toán
cụ thể nhƣ: giải bài toán khuếch đại điện – vòi phun – lá chắn đến phân phối servo
thủy lực, mô hình toán học khảo sát con trƣợt điều khiển, mô hình toán học khảo sát
khớp nối có tải và không tải.

Tuy nhiên, do còn nhiều hạn chế về năng lực cũng nhƣ thời gian thực hiện nên đề
tài không tránh khỏi những sai sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô giáo, các
nhà khoa học, bạn bè đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.

12


CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC
1.1. Lịch sử phát triển
CNC (Computer Numerical Control) có tiền thân là máy NC (Numerical Control)
là các máy công cụ tự động dựa trên tập lệnh đƣợc mã hoá bởi các con số, các chữ cái,
các ký tự mà bộ xử lý trung tâm có thể hiểu đƣợc. Những lệnh này đƣợc điều chế
thành các xung áp hay dòng, theo đó điều khiển các motor hoặc các cơ cấu chấp hành,
tạo thành các thao tác của máy. Những con số, chữ cái, ký tự trong tập lệnh dùng để
biểu thị khoảng cách, vị trí, chức năng hay trạng thái để máy có thể hiểu và thao tác
trên phôi.
NC đƣợc sớm sử dụng trong cách mạng công nghiệp, vào năm 1725, khi các máy
dệt ở Anh sử dụng các tấm bìa đục lỗ để tạo các hoa văn trên quần áo. Năm 1863, máy
chơi piano đầu tiên ra đời. Nó dùng các cuộn giấy đục lỗ sẵn, dựa vào các lỗ thủng đó
để tự động điều khiển các phím ấn. Nguyên lý của sản xuất hàng loạt, đƣợc phát triển
bởi Eli Whitney, đã chuyển đổi nhiều công đoạn và chức năng thông thƣờng phải dựa
trên kĩ năng của thợ thủ công nay đƣợc làm trên máy. Khi nhiều máy chính xác hơn ra
đời, hệ thống sản xuất hàng loạt nhanh chóng đƣợc nền công nghiệp chấp nhận và đƣa
vào để sản xuất một số lƣợng lớn các chi tiết giống hệt nhau. Ở nửa sau thế kỉ 19, một
lƣợng lớn các máy công cụ ra đời dùng trong hoạt động gia công kim loại nhƣ máy
cắt, máy khoan, máy cán, máy mài. Cùng với nó, các công nghệ điều khiển bằng thuỷ
lực, khí nén, bằng điện cũng đƣợc phát triển, điều khiển chuyển động đòi hỏi sự chính
xác trở nên dễ dàng hơn. Năm 1947, không lực Hoa Kỳ thấy rằng sự phức tạp trong
thiết kế và hình dạng của các chi tiết máy bay, nhƣ cánh quạt của trực thăng hay các
chi tiết của đầu phóng tên lửa chính là nguyên nhân khiến cho các nhà sản xuất không

giao hàng đúng hẹn. Khi đó, John Parsons, Parsons Corporation, ở thành phố Traverse,
bang Michigan đã bắt đầu nghiên cứu với ý tƣởng về một chiếc máy công cụ có thể
thao tác ở mọi góc độ, sử dụng dữ liệu số để điều khiển chuyển động của máy. Năm
1949, USAMC giao cho Parsons một hợp đồng phát triển NC và phƣơng pháp tăng tốc
trong sản xuất. Parsons sau đó đã chuyển thầu lại cho phòng thí nghiệm
Servomechanism – đại học Massachusetts Institute of Technology (MIT). Năm 1952,
họ đã thành công với chiếc máy có đầu cắt chuyển động 3 chiều. Rất nhanh sau đó,

13


hầu hết các nhà sản xuất máy công cụ đều cho ra các máy NC. Năm 1960, tại triển lãm
máy công cụ ở Chicago, hơn 100 máy NC đã đƣợc trƣng bày. Hầu hết các máy này
đều giống nhau ở nguyên tắc điều khiển vị trí điểm - điểm. Nguyên lý của máy NC
đƣợc thiết lập một cách vững chãi. Từ đây, NC đƣợc cải tiến nhanh chóng trong công
nghiệp điện tử để phát triển các sản phẩm mới. Các bộ điều khiển trở nên nhỏ hơn,
đáng tin cậy hơn và rẻ hơn. Sự phát triển của các máy công cụ, các bộ điều khiển
khiến cho chúng đƣợc sử dụng nhiều hơn. Cho tới năm 1976, những máy NC điều
khiển hoàn toàn tự động theo chƣơng trình mà các thông tin viết dƣới dạng số đã đƣợc
sử dụng rộng rãi. Cũng vào năm đó, ngƣời ta đã đƣa một máy tính nhỏ vào hệ thống
điều khiển máy NC nhằm mở rộng đặc tính điều khiển và mở rộng bộ nhớ của máy,
các máy này đƣợc gọi là các máy CNC (Computer Numerical Control). Và sau đó, các
chức năng trợ giúp cho quá trình gia công ngày càng phát triển. Vào năm 1965, hệ
thống thay dao tự động đƣợc đƣa vào sử dụng, năm 1975 thì hệ thống CAD – CAM –
CNC ra đời. Năm 1984 thì đồ họa máy tính phát triển, đƣợc ứng dụng để mô phỏng
quá trình gia công trên máy công cụ điều khiển số. Năm 1994, Hệ NURBS (Not
uniforme rational B-Spline) giao diện phần mềm CAD cho phép mô phỏng đƣợc xác
bề mặt nội suy phức tạp trên màn hình, đồng thời nó cho phép tính toán và đƣa ra các
phƣơng trình toán học mô phỏng các bề mặt phức tạp, từ đó tính toán chính xác đƣờng
nội suy với độ mịn, độ sắc nét cao. Cho đến ngày nay, ngƣời ta còn ứng dụng công

nghệ nano vào hệ thống điều khiển máy CNC. Năm 2001 hãng FANUC đã chế tạo hệ
điều khiển nano cho máy CNC, mở ra một trang mới về công nghệ chế tạo máy công
cụ.
1.2. Phân loại và công dụng
Với những chiếc máy công cụ trƣớc đây, luôn phải có ngƣời đứng bên máy để
điều khiển các hoạt động của máy. Những loại này đã mất dần ƣu thế khi máy NC ra
đời, khi thêm phần điều khiển điện tử thì thời gian gia công đã tăng lên 80%, thậm chí
cao hơn. Trƣớc đây, các máy công cụ đƣợc sản xuất sao cho càng đơn giản càng tốt để
giảm giá thành. Cũng bởi giá nhân công tăng lên, những chiếc máy tốt hơn với các bo
điều khiển điện tử ra đời, khiến cho nền công nghiệp có thể cho ra những sản phẩm có
hình dạng chính xác hơn, phức tạp hơn, thời gian gia công nhanh hơn, với giá cả phải

14


chăng. NC đƣợc sử dụng trên tất cả các máy công cụ, từ đơn giản nhất đến phức tạp
nhất. Những chiếc máy thông dụng nhất là máy khoan thẳng đơn trục, máy tiện, máy
phay, trung tâm tiện, trung tâm cơ khí đa năng.
1.2.1. Máy khoan thẳng đơn trục
Một trong những máy NC đơn giản nhất là máy khoan đơn trục. Hầu hết các máy
khoan đều đƣợc lập trình trên 3 trục
a) Trục X điều khiển bàn máy di chuyển ngang.
b) Trục Y điều khiển bàn máy di chuyển dọc.
c) Trục Z điều khiển mũi khoan di chuyển lên xuống.
1.2.2. Máy tiện
Là một trong những máy có hiệu quả nhất, đặc biệt khi gia công các khối tròn
xoay. Máy tiện đƣợc lập trình trên 2 trục:
a)Trục X điều khiển chuyển động dọc của bàn dao.
b)Trục Z điều khiển chuyển động ngang của bàn dao.

Hình 1.1: Máy tiện

1.2.3. Máy phay
Máy phay luôn là loại máy đa năng nhất đƣợc dùng trong công nghiệp. Các tính
năng nhƣ phay, vát, cắt góc, khoan, doa chỉ là một vài chức năng mà máy phay có thể
đảm nhiệm. Máy phay thƣờng đƣợc lập trình trên 3 trục:
a)Trục X điều khiển bàn máy chuyển động ngang.
b)Trục Y điêu khiển bàn máy chuyển động dọc.
c)Trục Z chuyển động thẳng đứng của đầu dao.

15


Hình 1.2: Máy phay

1.2.4. Trung tâm gia công tiện
Trung tâm gia công tiện (Turning Center) ra đời vào giữa thập niên 60 sau khi
nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng: phƣơng pháp tiện chiếm đến 40% khối lƣợng công việc
khi gia công chi tiết bằng kim loại. Chiếc máy NC này có khả năng làm việc với độ
chính xác cao hơn, hiệu suất cao hơn so với chiếc máy tiện thông thƣờng. Trung tâm
gia công tiện cơ bản chỉ thao tác trên 2 trục:
a)Trục X điều khiển chuyển động ngang của mâm cặp.
b)Trục Z điều khiển chuyển động dọc của mâm cặp.
1.2.5. Trung tâm cơ khí đa năng
Cỗ máy này cũng ra đời cũng vào thập niên 60. Đƣợc tích hợp nhiều tính năng tại
cùng một địa điểm. Nhiều thao tác gia công khác nhau trên mẫu vật có thể thực hiện
chỉ với một lần cài đặt duy nhất. Nhờ vậy mà tốc độ, năng suất máy tăng lên đáng kể
so với những máy điều khiển số thông thƣờng.
1.3. Những khái niệm cơ bản và phân loại hệ điều khiển
1.3.1. Khái niệm cơ bản.

1.3.1.1. Khái niệm CNC (Computer Numerical Control)
CNC là một dạng máy NC điều khiển tự động có sự trợ giúp của máy tính, mà
trong đó các bộ phận tự động đƣợc lập trình để hoạt động theo các sự kiện nối tiếp
nhau với một tốc độ đƣợc xác định trƣớc để có thể tạo ra đƣợc mẫu vật với hình dạng
và kích thƣớc yêu cầu.

16


1.3.1.2. Trục máy CNC
Để có thể điều khiển chuyển động dụng cụ cắt dọc theo đƣờng hình học trên bề
mặt chi tiết cần có một mối quan hệ giữa dụng cụ và chi tiết gia công. Mối quan hệ
này có thể đƣợc thiết lập thông qua việc đặt dụng cụ và chi tiết gia công trong một hệ
tọa độ. Hệ tọa độ Đề Các đƣợc sử dụng làm hệ tọa độ trong máy CNC. Khi đó, không
gian đƣợc giới hạn bởi ba kích thƣớc của hệ tọa độ Đề Các gắn với máy mà hệ điều
khiển máy có thể nhận biết đƣợc gọi là vùng gia công. Từ đây, ngƣời ta định nghĩa :
- Chuyển động thẳng của dụng cụ song song với trục hệ tọa độ gắn với máy đƣợc
gọi là trục thẳng của máy.
- Chuyển động của dụng cụ quay xung quanh trục hệ tọa độ gắn với máy đƣợc
gọi là trục quay của máy. Qua những nghiên cứu cho thấy, chỉ cần tối đa 14 trục (trục
chuyển động) để mô tả bất kỳ một máy CNC phức tạp nào. 14 trục chuyển động này
đƣợc chia thành: 5 trục quay và 9 trục thẳng
+ 9 trục thẳng bao gồm :
Ba trục thẳng thứ nhất : X,Y, Z
Ba trục thẳng thứ hai : U //X, V//Y, W//Z
Ba trục thẳng thứ ba : P//X, Q//Y, R//Z
+ 5 trục quay bao gồm :
Ba trục quay thứ nhất A,B,C. Đây là 3 trục quay xung quanh các trục thẳng
X,Y,Z.
Hai trục quay thứ hai D và E. Đặc trƣng của hai trục quay này là quay song song

với trục quay thứ nhất A hoặc B hoặc C hoặc một trục đặc biệt nào đó.
1.3.2. Hệ điều khiển của máy CNC
Về mặt tổng quát, các máy CNC trong công nghiệp đều đƣợc điều khiển theo
một nguyên tắc nhất định. Dữ liệu điều khiển đƣợc đọc vào từ các vật mang tin (băng
từ, đĩa từ, băng đục lỗ…) hoặc từ chƣơng trình có sẵn trên máy hoặc do chính ngƣời
sử dụng nhập vào từ giao tiếp bàn phím trên máy. Các dữ liệu này đƣợc giải mã và hệ
thống điều khiển xuất ra các tập lệnh để điều khiển các cơ cấu chấp hành thực hiện các
lệnh theo yêu cầu của ngƣời sử dụng. Trong khi các cơ cấu chấp hành thực hiện các
lệnh đó, kết quả về việc thực hiện đƣợc mã hóa ngƣợc lại và phản hồi về hệ điều khiển

17


máy, các kết quả này đƣợc so sánh với các tập lệnh đƣợc gửi đi. Sau đó, hệ thống điều
khiển có nhiệm vụ bù lại các sai lệch và tiếp tục gửi đến các cơ cấu chấp hành cho đến
khi thông tin về kết quả thực hiện phản hồi trở lại “khớp” với thông tin đƣợc gửi
đi. Nhƣ vậy, ta có thể nói hệ điều khiển máy CNC trong công nghiệp là một hệ điều
khiển kín (dữ liệu lƣu thông theo một vòng kín). Để tiện cho việc trình bày, hệ thống
điều khiển máy CNC có thể đƣợc chia ra là hai phần: phần cứng và phần mềm.

Hình 1.3: Truyền dữ liệu trong vòng kín.

1.3.2.1. Dữ liệu điều khiển
- Dữ liệu số đƣợc mã hoá bao gồm: Các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một
số ký tự đặc biệt.
- Các chữ số và ký tự đặc biệt biểu hiện đặc tính gia công nhƣ: kích thƣớc của chi
tiết, dụng cụ đƣợc yêu cầu, dung dịch trơn nguội, tốc độ vòng quay, tốc độ chạy dao
đƣợc tổng hợp thành câu lệnh.
Điều khiển số trong máy công cụ là một phƣơng thức của tự động hoá, trong đó
các chức năng khác nhau của máy đƣợc điều khiển bởi các chữ số và các ký hiệu.

- Phƣơng pháp mã hoá thông tin: Con ngƣời giao tiếp với máy thông qua một
ngôn ngữ, ngôn ngữ này phải đƣợc mã hoá để máy có thể đọc và hiểu đƣợc và thực thi
chƣơng trình đó.
+ Mã thập phân: Cơ sở của hệ (mã) thập phân là cơ số 10 ký tự.

18


+ Mã nhị phân: Cơ sở của mã nhị phân là số 2. Bất kỳ một số nào trong mã nhị
phân đều là tổng của nhiều số mà số hạng của nó là số 2 với cấp số mũ khác nhau. Các
số trong hệ nhị phân là tổ hợp của các số 1 và 0.
+ Mã ISO:
Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu để thống nhất các ngôn ngữ lập
trình. Công việc này do hội đồng tiêu chuẩn hoá quốc tế (Internation Standart
Ogranization – ISO) chỉ đạo và đƣợc gọi là ngôn ngữ ISO. Hầu hết các máy CNC hiện
nay đều dùng mã ISO.
1.3.2.2. Phần cứng hệ điều khiển máy CNC
Bộ xử lý trung tâm (CPU) là một máy tính nhỏ hoặc là thành phần chính của máy
tính nào đó (16 bit hoặc 32 bit) và mạch điện tích hợp. Cấu trúc của CPU bao gồm các
phần tử cơ bản sau: Phần tử điều khiển, phần tử logic số học, bộ nhớ truy cập nhanh.
Đồng hồ
Số liệu
vào
CP
ULogic
số học

BUS

Điều khiển

BUS

Bộ nhớ chính
B ROM - RAM

Bộ nhớ truy
cập nhanh

US

Số liệu
Hình 1.4: Sơ đồ khối của CPU
ra

Phần tử điều khiển làm nhiệm vụ điều khiển các phần tử của nó và của CPU.
Xung nhịp đồng hồ đƣa vào điều khiển thực hiện đồng bộ hoạt động của các phần tử.
Phần tử số học làm nhiệm vụ hình thành các thuật toán mong muốn trên cơ sở số
liệu đƣa vào. Kiểu thuật toán số học là cộng trừ nhân chia, cộng logic và các chức
năng khác theo yêu cầu của chƣơng trình. Khối logic số thực hiện các phép so sánh,
phân nhánh, lập, lựa chọn và phân vùng bộ nhớ.
Bộ nhớ truy nhập nhanh là bộ nhớ trong CPU dùng để lƣu trữ tạm thời các thông
tin đang đƣợc phẩn tử số học xử lý hoặc các chƣơng trình điều khiển từ ROM và RAM
gửi tới.

19


Đọc băng từ

Đọc băng đục lỗ

Máy tính

Nối ghép đọc
băng đục lỗ

Nối ghép đọc

Nối ghép với

BUS

băng từ

Đọc băng từ

máy tính

Đọc băng từ

Hình 1.5: Hệ thống liên lạc BUS

Hệ điều khiển máy công cụ, cần thiết biến đổi xung điều khiển đƣợc tạo ra từ
cụm điều khiển thành các tính hiệu cho động cơ các trục. Nhiệm vụ này đƣợc thực
hiện nhờ hai mạch: Mạch điều khiển servo và mạch phản hồi.
Trên đây là các phần cứng chủ yếu của máy CNC, ngoài ra còn có các phần cứng
cơ bản của một máy điều khiển số thông thƣờng nhƣ: điều khiển tốc độ trục chính,
điều khiển trình tự và các mạch biến vào – ra (input – output).
1.3.2.3. Phần mềm

Những bộ điều khiển CNC hiện đại giống nhƣ những chiếc máy tính chuyên
dụng dùng để điều khiển máy công cụ. Cũng nhƣ những chiếc máy tính khác, NC cần
một hệ điều hành, đôi khi đƣợc coi nhƣ là một phần mềm hệ thống. Chúng đƣợc thiết
kế riêng cho một loại máy, mục đích cuối cùng là để điều khiển, bởi vì đặc tính động
học và điều khiển của mỗi loại này là khác nhau. Phần mềm này điều khiển mọi chức
năng hệ thống, những chƣơng trình con, đồ họa giả lập hay quá trình gia công nếu có.
1.3.2.4. Chƣơng trình CNC
Chƣơng trình CNC đóng một vai trò rất quan trọng trong quá trình gia công nó là
một mắt xích của quá trình chuẩn bị sản xuất.
Vị trí của chƣơng trình CNC đƣợc thể hiện trong sơ đồ sau:

20


Thiết kế

Chuẩn bị công nghệ

Lập trình CNC

Chƣơng trình CNC

Máy công cụ CNC

Hình 1.6: Vị trí của chƣơng trình CNC

Chƣơng trình CNC bao gồm chuỗi chỉ thị di chuyển dao, đóng gắt các phụ trợ
cần thiết để điều khiển máy tự động thực hiện chƣơng trình gia công. Công việc xác
lập tiến trình di chuyển dao cùng các chỉ thị lập trình cụ thể và lƣu trữ các thông tin
này vào hệ điều khiển hay trên thiết bị mang tin dƣới dạng mã lệnh phục vụ cho quá

trình đọc dữ liệu tự động bởi hệ điều khiển gọi là lập trình CNC.
Cấu trúc của chƣơng trình CNC đã đƣợc tiêu chuẩn hoá theo tiêu chuẩn quốc tế
(ISO CODE). Hai chức năng quan trọng của mã ISO dùng trong các hệ điều khiển
CNC là chức năng dịch chuyển hình học G (Geometric Function) và chức năng phụ M
(Miscellaneous Function).
* Đặc trƣng và ƣu điểm của máy điều khiển số CNC:
- Tự động hoá cao.
- Tốc độ dịch chuyển và tốc độ quay lớn.
- Độ chính xác cao.
- Năng suất gia công cao.
- Tính linh hoạt cao (thích nghi nhanh với đối tƣợng gia công thay đổi, thích nghi
với sản xuất loạt nhỏ).
- Tập trung nguyên công cao (gia công nhiều nguyên công trong một lần gá
phôi).
- Chuẩn bị công nghệ khác với máy thƣờng là phải lập trình điều khiển máy
(chƣơng trình gia công ).
- Máy công cụ CNC có giá trị kinh tế lớn.
1.4. Các loại động cơ dùng trong máy CNC
1.4.1. Động cơ 1 chiều
- Ưu điểm
+ Mômen khởi động lớn,dễ điều khiển tốc độ và chiều, giá thành rẻ
21


- Nhược điểm
+ Dải tốc độ điều khiển hẹp.
+ Phải có mạch nguồn riêng.
1.4.2. Động cơ xoay chiều
- Ưu điểm
+ Cấp nguồn trực tiếp từ điện lƣới xoay chiều.

+ Đa dạng và phong phú về chủng loại, giá thành rẻ
- Nhược điểm:
+ Phải có mạch cách ly giữa phần điều khiển và phần chấp hành để đảm bảo an
toàn, mômen khởi động nhỏ.
+ Mạch điều khiển tốc độ phức tạp,(biến tần).
1.4.3. Động cơ bƣớc
- Ưu điểm:
+ Điều khiển vị trí, tốc độ chính xác, không cần mạch phản hồi
+ Thƣờng đƣợc sử dụng trong các hệ thống máy CNC.
- Nhược điểm:
+ Giá thành cao, mômen xoắn nhỏ, mômen máy nhỏ.

Hình 1.7: Động cơ bƣớc

Trong đó:
S1, S2 là các khóa đóng mở để cấp từ trƣờng vào các cực của nam châm
SM là cơ cấu chấp hành biến năng lƣợng điện thành năng lƣợng cơ học đặc tính
chuyển động rời rạc (chuyển động theo bƣớc).
22


SM có thể điều khiển cả vị trí và tốc độ (0 ÷ 300 v/ph). Tần số cấp cho động cơ
là vùng tần số thấp, độ chính xác vị trí góc thƣờng dùng là: 1.80, 7.50, 150, 300, 900.
Có 3 kiểu động cơ bƣớc thƣờng gặp:
- SM N0 1: SM nam châm vĩnh cửu < PM_ Permanent Metric>
- SM N0 2: SM có từ và trở biến thiên <VR_ Viriable Reluetance>
- SM N0 3: Động cơ sai, kết hợp cả 2 loại trên < PM + VR = Hybride>
1.4.4. Động cơ servo

Hình 1.8: Động cơ servo

Động cơ servo đƣợc thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra
của động cơ đƣợc nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay vận tốc và vị trí sẽ
đƣợc hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bất kì lí do nào ngăn cản chuyển động
quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chƣa đạt đƣợc vị trí mong
muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt đƣợc điểm chính xác.
Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thƣớc, đƣợc sử dụng trong nhiều máy
khác nhau từ máy tiện điều khiển bằng máy tính đến các mô hình máy bay, xe hơi.
Ứng dụng mới nhất là sử dụng trong robot. Những ứng dụng này là tiền đề cho việc
đƣa vào quá trình sản xuất những thành tựu nhƣ điều khiển máy CNC, trung tâm gia
công.
Đối với chuyển động chất lƣợng cao ta buộc phải sử dụng động cơ servo xoay
chiều ba pha, loại là động cơ không đồng bộ Roto lồng sóc hay đồng bộ kích thích

23


vĩnh cửu.
Loại động cơ này có một số đặc điểm chung nhƣ sau:
- Có mômen quán tính nhỏ
- Đặc điểm động học tốt
- Thƣờng đƣợc tích hợp sẵn cảm biến đo tốc độ hay góc quay
- Có dải tần số công tác rộng 0 ÷400 Hz
Hiện tại trong máy CNC đang có xu hƣớng chuyển sang sử dụng động cơ tuyến
tính để tạo chuyển động tuyến tính với các ƣu điểm sau đây:
- Đơn giản hơn về kết cấu cơ khí vì giảm bớt đƣợc các phần tử truyền trung gian
nhƣ hộp số và trục vít
- Do giảm bớt đƣợc các phần tử trung gian,tổn thất tổng thể giảm đáng kể, mặt
khác đảm bảo độ chính xác cao hơn đặc biệt là các sai số do hao mòn cùng với thời
gian sẽ giảm đi đáng kể.

- Đạt đƣợc động học hệ thống với mức cao nhất, đồng thời loại đƣợc các chuyển
động xoắn tiềm ẩn trong chuyển động của trục vít.
Trong một số máy phay, trục chính (trục quay dao) đòi hỏi tốc độ quay rất cao.
Khi đấy thậm chí ta có thể sử dụng một loại động cơ chuyên việt, đƣợc tích hợp sẵn
trong trục chính và sử dụng ổ bi từ.
Loại động cơ chuyên việt này có đặc điểm sau:
- Tốc độ tối đa đạt đƣợc là 40.000 vòng/phút với công suất cắt 40 kW
- Ổ bi quay và ổ bi dọc trục có từ 2÷4 cặp nam châm
Bên việc sử dụng động cơ tuyến tính, có thể nói việc sử dụng ổ bi từ là một trong
những bƣớc tiến quan trọng của ngành cơ khí, cho phép giảm tổn hao và tăng độ chính
xác (nhờ đƣợc loại trừ mòn do ma sát ) gia công với các trục chính cao tốc. Tuy nhiên
lợi thế này buộc chúng ta phải có khả năng áp dụng, cài đặt các phƣơng pháp sử dụng
ổ bi thích hợp.
1.4.5. Động cơ servo thủy
Ưu điểm:
- Đƣợc dùng phổ biến với các máy có công suất lớn.
- Giá thành thấp

24


- Có đặc tính hệ số khuếch đại cao
- Dễ làm trơn quá trình chuyển động
- Có khả năng chống quá tải
Nhược điểm:
- Cần phải giữ môi trƣờng dầu luôn sạch, không có tạp chất
- Lực và quá trình chuyển động phụ thuộc nhiều vào độ nhớt của dầu
- Độ nhớt phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Do đó cần có hệ thống lọc dầu và làm
mát dầu
Sơ đồ khối:

Khuếch đại Servo

Tín hiệu

Thiết bị phản hồi
Van Servo

Động cơ

Bơm thủy lực

Động cơ thủy lực

Bàn máy

Thu hồi dầu
Hình 1.9: Hệ thống điều khiển động cơ servo thủy lực

Van Servo: điều khiển lƣu lƣợng và áp suất: nhận tín hiệu ngoài và lƣu lƣợng áp
suất từ bơm Thủy lực. Cung cấp 1 áp suất và lƣu lƣợng hợp lý từ động cơ Thủy lực tới
bàn máy và cuối cùng tới vị trí cần đến.
Kết cấu van Servo: mục đích để điều khiển lƣu lƣợng và áp suất, đóng mở các
van điều chỉnh, điều tiết lƣu lƣợng động cơ nhận tín hiệu ngoài 1 số vòng nào đó thông
qua đai ốc Vitme bi để tạo ra chuyển động tịnh tiến của con trƣợt để thay đổi nguồn
cung cấp ( lƣu lƣợng ).
1.5. Kết luận
Qua lịch sử phát triển của máy công cụ CNC ta đã thấy đƣợc sự phát triển mạnh
mẽ của loại máy này. Máy CNC ngày càng phức tạp hơn, gia công đƣợc nhiều loại chi

25