Nghiên cứu động học tạo trong hình 5 trục, ứng dụng để viết thuật toán và chương trình máy tính post processor cho máy 5 trục kiểu bàn quay lật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------CHU XUÂN TRƯỜNG

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC TẠO TRONG HÌNH 5 TRỤC, ỨNG DỤNG ĐỂ
VIẾT THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH MÁY TÍNH POST-PROCESSOR
CHO MÁY 5 TRỤC KIỂU BÀN QUAY-LẬT.
Chuyên ngành : CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH:CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. TS. TRẦN XUÂN THÁI

Hà Nội – Năm 2011


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực
và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Trừ các phần
tham khảo đã được nêu rõ trong Luận văn.

Tác giả

Chu Xuân Trường

-2-

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn TS: Trần Xuân Thái, người đã hướng dẫn và
giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình viết và
hoàn chỉnh Luận văn.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn các thầy cô trong bộ môn Gia công vật liệu và
dụng công nghiệp, viện Cơ khí trường Đại hoc Bách Khoa Hà Nội. Xin cám ơn
Ban lãnh đạo và Viện đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí của trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành bản Luận văn này..
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai
sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà
khoa học và các bạn đồng nghiệp.

Tác giả

Chu Xuân Trường

-3-


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa

1

Lời cam đoan

2

Mục lục

4

Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt

6

Danh mục các bảng, hình vẽ

8

Phần mở đầu

10

Chương I

Tổng quan về phay 5 trục

14

1.1.

Phay 5 trục

14

1.2.

Các ưu điểm của phay 5 trục

15

1.3.

Kết cấu điển hình của máy phay 5 trục

18

1.4.

Biểu diễn tọa độ và phương của dụng cụ trong không gian

21

1.5.

Đặc điểm của đường chạy dao khi phay 5 trục

22

1.6.

Các hướng nghiên cứu hiện nay liên quan đến phay 5 trục

24

Chương II

Động học tạo hình bề mặt bằng phay 5 trục

25

2.1.

Đặt vấn đề

25

2.2.

Biểu diễn sơ đồ xích động của máy

26

2.3.

Động học thuận trong tạo hình trên máy phay 5 trục kiểu bàn quay 27

lật

2.4.

2.3.1. Trường hợp trục quay là CA,CC.

28

2.3.2. Trường hợp trục quay là CB,CC.

34

2.3.3. Trường hợp trục quay là CA,CB.

36

Động học ngược trong tạo hình trên máy phay 5 trục kiểu bàn quay 40

lật
2.4.1 Trường hợp bàn quay lật trục A,C

40

2.4.2 Trường hợp bàn quay lật trục B,C

44

-4-


2.4.3 Trường hợp bàn quay lật trục A,B

48

2.5.

Động học thuận trong tạo hình trên máy phay 5 trục kiểu đầu quay

51

2.6.

Động học ngược trong tạo hình trên máy phay 5 trục kiểu đầu quay

53

Chương III Ứng dụng bài toán động học ngược viết phần mềm gia 54
công phay 5 trục
3.1.

Thiết lập cơ sở dữ liệu CAD cho bề mặt gia công

54

3.1.1 Thiết lập cơ sở dữ liệu CAD cho bề mặt gia công.

54

3.1.2. Khảo sát độ cong tại từng điểm trên bề mặt đối với mặt 56
cong tham biến
3.1.3. Cơ sở chọn góc nghiêng α của trục dao với phương pháp 59
tuyến bề mặt

3.2.

3.1.4. Chọn phương của trục dao

61

3.1.5. Tính toán đường chạydao

64

Sơ đồ thuật toán cơ bản sinh chương trình gia công bề mặt

67

3.2.1. Sơ đồ thuật toán cơ bản sinh chương trình gia công bề 67
mặt
3.3.

3.2.2: Chương trình máy tính.

69

Kết quả gia công trên máy CNC 5 trục

71

Chương IV - Kết quả và bàn luận

73

Tài liệu tham khảo

76

Phụ lục

78

-5-


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
OXYZ: Hệ trục tọa độ
A: Góc quay quanh trục OX
B: Góc quay quanh trục OY
C: Góc quay quanh trục OZ
OXwYwZw:: hệ tọa độ phôi
Tx: Phép tịnh tiến theo phương OX
Ty: Phép tịnh tiến theo phương OY
Tz: Phép tịnh tiến theo phương OZ
RA: Phép quay quanh OX 1 góc là A
RB : Phép quay quanh OY một góc là B
Cp: Gốc của hệ tọa độ lập trình
Ctr : Gốc trùng với giao nhau của đường tâm 2 trục quay
Cm: Gốc tọa độ máy
Rx ( A) : Ma trận quay quanh trục OX một góc là A
Rx (B ) : Ma trận quay quanh trục OY một góc là B

Rz (C ) : Ma trận quay quanh trục OY một góc là C

WP: Ma trận chuyển từ hệ trục toạ độ phôi về hệ toạ độ bàn quay.
a : Độ lớn của góc quay A
b : Độ lớn của góc quay B
c : Độ lớn của góc quay C
Vij : lµ c¸c ®iÓm ®iÒu khiÓn.
Su:Véc tơ tiếp tuyến với bề mặt theo hướng u
Sv: Véc tơ tiếp tuyến với bề mặt theo hướng v

N: Véc tơ pháp tuyến với bề mặt
au,bu,cu : các thành phần của vectơ Su
av,bv,cv : các thành phần của vectơ Sv
ρ: bán kính cong
Cphdg :giao tuyến pháp
-6-


R1 và R2: Các bán kính cong chính
λ:Góc nghiêng của dụng cụ
CC: Điểm gia công
CL: Điểm điều khiển

-7-


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ một kiểu máy phay 5 trục
Hình 1.2 Trục dụng cụ nghiêng trong khi gia công 5 trục
Hình 1.3 Các loại hình học dụng cụ cơ bản trong tạo hình bề mặt cong trơn
Hình 1.4 Khả năng lấy lượng dư của dao trụ và dao cầu trong phay 3D
Hình 1.5 Bán kính cong của dao tạo thành do đánh nghiêng trục dao
Hình 1.6 Phay cánh tuốc bin trên máy phay 5 trục
Hình 1.7 Gia công nhiều mặt của chi tiết một lần gá trên bàn quay lật

Hình 1.7 Ba kiểu kết cấu điển hình của máy phay 5 trục
Hình 1.8 Máy phay 5 trục có kết cấu bàn quay lật tích hợp
Hình 1.9 Nguyên lý máy động học song song
Hình 1.10 Định vị dụng cụ trong hệ tọa độ phôi
Hình 1.11 Các góc xác định phương của dụng cụ

Hình 1.12 Di chuyển dụng cụ giữa 2 điểm định vị liên tiếp.
Hình 2.1: Sơ đồ xích động máy phay 5 trục bàn quay lật.
Hình 2.2 Sơ đồ xích động máy phay 5 trục kiểu đầu quay.
Hình 2.3 Các hệ tọa độ gắn trong xích động

Hình 2.4 Các hệ tọa độ gắn trong xích động
Hình 2.5 Sơ đồ tính độ lớn các góc quay c và a
Hình 2.6 Lấy dấu các góc quay
Hình 2.7 Sơ đồ tính độ lớn các góc quay c và b
Hình 2.8 Lấy dấu các góc quay c và b
Hình 2.9 Sơ đồ tính độ lớn các góc quay b và a
Hình 2.10 Lấy dấu các góc quay b và a
Hình 2.11 Động học đầu quay
Hình 3.1: Bề mặt Hermite
Hình 3.2: Xác định bán kính cong
Hình 3.3: Mô hình gia công
Hinh3.4: Xác định góc nghiêng của dụng cụ dựa trên cơ sở độ nghiêng của bề mặt

-8-


Hình 3.5: Mô hình tính đường dụng cụ khi phay mặt hermite bằng dao cầu
Hình 3.6: Tìm điểm định vị của tâm dao
Hình 3.6: Giao diện chính
Hình 3.7: Giao diện mô đun CAD
Hình 3.8:Giao diện mô đun CAM
Hình 3.10: Mô phỏng gia công 5 trục bề mặt lồi và lõm
Hình 3.11: Ly hợp bậc
Hình 3.12: khuôn quạt 3 cánh
Hình 3.13:Phay tinh bề mặt khuôn cánh quạt (3 cánh).

-9-


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay các máy gia công CNC đã phát triển và tăng vọt trong sản xuất cơ khí,
máy CNC đã mang lại hiệu quả kinh tế cao, giảm bớt thời gian sản xuất, sức lao
động và cho chất lượng bề mặt chi tiết cao. Tuy nhiên các tính năng và công dụng
của máy và các trung tâm CNC thì chưa hoàn toàn triệt để.
Máy điều khiển số CNC ngày càng phổ biến ở Việt Nam đặc biệt là máy
phay CNC 3 trục.Nhưng đó chỉ là phần rất nhỏ của công nghệ hiện đại. Ngày nay
với sự phát triển của khoa học công nghệ thế giới thì máy công cụ điều khiển nhiều
bậc tự do mà điển hình là trung tâm phay CNC 5 trục đã đẩy nền công nghiệp Việt
vẫn đi vào lạc hậu. Sự phát triển của máy CNC 5 trục kéo theo sự vận hành, sử dụng
và lập chương trình điều khiển số cho máy rất phức tạp. Để làm chủ được quá trình
tạo hình trên các máy công cụ thì động học tạo hình chi tiết là công việc đầu tiên
cần nghiên cứu, động học tạo hình chính là chuỗi xích động từ dụng cụ đến phôi thể
hiện các chuyển động tương đối của dụng cụ so với phôi. Để tạo hình các bề mặt
không gian cơ bản như mặt trụ tròn xoay, bề mặt bánh vít, các loại bề mặt bánh
răng…trong xích động bao gồm các chuyển động gắn liền với phần cứng của máy
và vị trí tương quan giữa dụng cụ và chi tiết được điều chỉnh một cách đơn giản
thông qua các tay gạt hay du xích. Khi tạo hình trên máy CNC 3 trục hay 5 trục,
máy chỉ đóng vai trò đáp ứng các chuyển động cho dụng cụ còn chuyển động đó
như thế nào để cắt ra được bề mặt mong muốn thì không thể điều chỉnh bằng tay
được mà phải nhờ đến phần mềm CAD/CAD để tạo ra chương trình điều khiển số.
Phần mềm CAD/CAM sẽ tính toán ra các điểm định vị dụng cụ (CL data) sau đó
qua quá trình hậu xử lý (Post-proccessor) để có được chương trình NC. Trong gia
công 3 trục tọa độ các điểm định vị dụng cụ có thể dùng luôn để làm tọa độ dẫn dao
và chương trình gia công cho một đối tượng gia công khi chạy trên các máy khác

nhau vẫn cho kết quả như nhau, còn trong gia công 5 trục điều trên không còn đúng
nữa nguyên nhân là do có thêm 2 trục quay. Như vậy các máy 5 phay trục có kết
cấu động học khác nhau thì động học tạo hình cũng khác nhau. Nghiên cứu động

- 10 -


học tạo hình 5 trục phải gắn liền với một kết cấu máy cụ thể và kết quả sẽ cho phép
tạo ra bộ hậu xử lý cho việc sinh chương trình NC cho chính máy đó. Chuyên đề
này sẽ nghiên cứu động học trong tạo hình 5 trục trên hai kiểu máy phay CNC có
kết cấu bàn quay lật và khớp quay. Các kết quả gia công kiểm chứng được thực hiện
trên máy V30 do hãng LEADWELL - Đài Loan sản xuất (kiểu bàn quay lật) hiện
đang có tại Bộ môn GCVL&DCCN, khoa Cơ khí trường ĐHBK Hà nội.
Về mặt kinh tế: Chính sách bản quyền ngày càng chặt chẽ nên khả năng sử
dụng các phần mềm Crack bị hạn chế nên hàng năm các doanh nghiệp của Việt nam
phải bỏ ra hàng trăm nghìn USD để nhập khẩu một phần mềm CAD/CAM như:
Pro-Engineer và Uni-Graphics, Del-CAM (của Anh), CIMATRON (Israel), MasterCAM (của Mỹ), hay một modul tích hợp của IMS. Tùy theo quy mô của doanh
nghiệp mà số phần mềm họ phải mua có thể là 1 hay nhiều bản - đây là một chi phí
không hề nhỏ. Trong khi đó đến thời điểm hiện nay chúng ta chưa sản suất “đóng
gói” được bất kỳ phần mềm CAD/CAM nào để đưa vào sử dụng trong thực tế sản
xuất.
Qua phân tích trên cho thấy việc nghiên cứu lý thuyết, thuật toán và viết phần
mềm tạo hình bề mặt không gian là cần thiết và cấp bách.
2. Lịch sử nghiên cứu.
Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này điển hình cho những
nghiên cứu của họ là những công ty chuyên phát triển phần mềm như IMS. Những
phần mềm họ viết ra giúp người sử dụng có thêm công cụ bổ trợ cho những phần
mềm mà họ đang sử dụng như CATIA, CIMATRON…
ở nước ta cũng đã có một số đề tài nghiên cứu nhưng chưa phổ biến và chưa
phát triển thành hệ thống để giúp ích được đông đảo người sử dụng

- 11 -


3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu nghiên cứu lý thuyết động học máy phay
CNC 5 trục để tìm ra các thuật toán phù hợp, từ đó viết phần mềm CAM tạo đường
dụng cụ gia công tinh bề mặt
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn ở các bước gia công tinh bề mặt không gian
có hình dạng phức tạp mà gia công trên máy 3 trục không thể đáp ứng được khả
năng tạo hình và độ chính xác của sản phẩm. Cơ sở dữ liệu cho bài toán tạo hình là
mô hình khối rắn, chương trình máy tính (phần mềm CAM) được viết bằng ngôn
ngữ C++, dịch ra chương trình chạy trong phần mềm AutoCAD. Máy gia công thử
là trung tâm gia công đứng CNC-V30 của hãng LeadWell - Đài Loan tại xưởng C8
trường ĐHBK Hà nội.
4. Nội dung của luận văn.
Luận văn gồm 4 chương, nội dung chính của từng chương được tóm tắt như
sau:
Phần mở đầu: Đã nêu bật lên lý do chọn lựa đề tài, lịch sử nghiên cứu, xác định nôi
dung nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, những luận điểm cơ bản và đóng góp
của tác giả và phương pháp nghiên cứu.

Chương 1. Trình bày tổng quan về máy phay 5 trục bao gồm kết cấu động
học chung, gới thiệu một số kết cấu điển hình ưu điểm của pahy 5 trục.Giới thiệu
tổng quạ về cách biểu diễn tọa độ & phương của dụng cụ trong không gian
Chương 2. Biểu diễn chuỗi xích động qua đó nghiên cứu về động học tao
hình cho máy 5 trục qua đó lập phương trình động học thuận và động học ngược
cho hai loại kết cấu máy 5 trục điển hình là máy phay 5 trục kiểu bàn quay lật và
kiểu đầu quay.
Chương 3. Trên cơ sở nghiên cứu động học ngược cho máy phay 5 trục ứng

dụng viết bộ postprocessor cho máy 5 trục kiểu bàn quay lật V30 hãng leadwell tại
xưởng C8 ĐHBKHN.
Chương 4. Các kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

- 12 -


5. phương pháp nghiên cứu.
Bài toán tạo hình được kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết động học máy
CNC, phương pháp tạo hình bề mặt và thực nghiệm từ đó viết ra phần mềm máy
tính để gia công thử nghiệm.

- 13 -


CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ PHAY 5 TRỤC
1.1 Phay 5 trục.
Phay 5 trục là một phương pháp tạo hình bề mặt mà dụng cụ cắt sẽ thực hiện
5 chuyển động tạo hình so với bề mặt chi tiết đó là 3 chuyển động thẳng và 2
chuyển động quay. Các chuyển động thẳng gắn liền với 3 trục tọa độ X,Y và Z của
máy, 2 chuyển động quay gắn với 2 trục quay của máy được ký hiệu là các chữ cái
A nếu trục quay song song với trục tọa độ X và B nếu trục quay song song với trục
tọa độ Y. Một số máy thay cho A hoặc B người ta định nghĩa trục quay C do trục
quay này song song với trục Z của máy. Như vậy 2 chuyển động quay trong tạo
hình 5 trục sẽ là 2 trong số 3 chuyển động quay quanh các trục quay A, B, C. Các
chuyển động tịnh tiến xác định bởi sự di chuyển của điểm định vị dụng cụ (điểm
tâm ở mũi dụng cụ), còn các chuyển động quay được xác định bởi phương của trục
dụng cụ trong không gian gia công (là vùng không gian đề OXYZ các mà dụng cụ

có thể với tới).

Hình 1.1 Sơ đồ một kiểu máy phay 5 trục

- 14 -


Hình 1.2 Trục dụng cụ nghiêng trong khi gia công 5 trục
1.2 Các ưu điểm của phay 5 trục.
Các loại dao phay ngón đầu cầu, đầu phẳng, và đầu có bán kính góc lượn
(dao xuyến) là dụng cụ sử dụng trong tạo hình bề mặt không gian. Đứng trên
phương diện cắt gọt thì dao đầu phẳng là tốt nhất, khi dao đầu phẳng không đáp ứng
được yêu cầu tạo hình thì phải dùng dao xuyến hay dao đầu cầu.

Hình 1.3 Các loại hình học dụng cụ cơ bản trong tạo hình bề mặt cong trơn
Trong gia công 3 trục phương của trục dao cố định nên dao phay đầu cầu sẽ
được sử dụng khi cắt tinh các bề mặt cong trơn, nó cho phép lấy hết lượng dư khi
cắt qua các vùng lõm của bề mặt với một điều kiện bán kính dao nhỏ hơn bán kính
cong của bề mặt (hình vẽ). Nhưng gia công bằng dao đầu cầu sẽ mắc phải những
nhược điểm sau: Nó để lại một chiều cao nhấp nhô lớn trên bề mặt đặc biệt là tại
các vùng bề mặt phẳng và lồi, nếu muốn giảm các chiều cao nhấp nhô này thì phải
- 15 -


giảm bước tiến ngang, điều này làm cho số lần chuyển dao tăng và thời gian gia
công tăng lên. Nếu bước tiến ngang không đổi trong toàn vùng gia công thì chiều
cao nhấp nhô sẽ khác nhau dẫn đến lượng dư không đều trên bề mặt. Về mặt chế độ
cắt thì dao đầu cầu có vận tốc cắt biến đổi từ giá trị lớn nhất là 10 −3.π .d.n (m/ph) cho
đến 0 tại mũi dao làm cho vùng kim loại lân cận mũi dao bị pha hủy là do biến dạng
dẻo chứ không phải do cắt gọt, nếu điểm tạo hình nằm trong vùng này thì chất

lượng bề mặt sẽ không cao, độ chính xác kém.

Hình 1.4 Khả năng lấy lượng dư của dao trụ và dao cầu trong phay 3D

Phay 5 trục do có thêm 2 chuyển động quay nên dao phay đầu bằng sẽ được
sử dụng trong đa số các trường hợp gia công kể cả khi cắt tinh bề mặt cong phức
tạp. Lượng dư tại các vùng bề mặt lõm vẫn được lấy đi hết do trục dao có thể đánh
nghiêng nên lúc đó tại điểm tạo hình trên dụng cụ sẽ có một bán kính cong được tạo
ra (hình 1.5), không những giải quyết được hiện tượng trên mà việc điều chỉnh độ
lớn góc nghiêng thích hợp theo bán kính cong của bề mặt gia công sẽ cho phép
lượng dư được lấy đi lớn nhất có thể trên mỗi vết chạy dao đồng thời mang lại chất
lượng bề mặt cao nhất (khi bán kính cong của dao bằng bán kính cong tại điểm gia
công của bề mặt).

- 16 -


Hình 1.5 Bán kính cong của dao tạo thành do đánh nghiêng trục dao

Khi dao đầu cầu được sử dụng trong phay 5 trục thì trục dao sẽ được đánh
nghiêng một góc so với pháp tuyến của bề mặt tại điểm tạo hình, do đó vận tốc cắt
tại điểm tạo hình luôn luôn có một giá trị nhất định làm cho chất lượng bề mặt được
cải thiện so với cắt 3 trục. Như vậy ưu điểm thứ nhất của phay 5 trục so với phay 3
trục là nâng cao được chất lượng của cả chế độ cắt và khả năng tạo hình.
Ưu điểm thứ hai của phay 5 trục là gia công được những bề mặt mà phay 3
trục không thể thực hiện được, điển hình là các chi tiết dạng cánh tuốc bin, cam
thùng không gian…

Hình 1.6 Phay cánh tuốc bin trên máy phay 5 trục

- 17 -


Ưu điểm thứ ba của phay 5 trục là cho phép gia công nhiều mặt của các chi
tiết dạng hộp tốc độ trên một lần gá, điều này giảm chi phí chế tạo đồ gá và tăng độ
chính xác của chi tiết.

Hình 1.7 Gia công nhiều mặt của chi tiết một lần gá trên bàn quay lật

1.3 Kết cấu điển hình của máy phay 5 trục.
Máy phay 5 trục cho phép cho dụng cụ có thể di chuyển 5 bậc tự do so với
phôi, việc thiết kế xích động từ dụng cụ đến phôi sẽ làm cơ sở để từ đó thiết kế kết
cấu máy. Trên quan điểm phân loại xích động theo nguyên tắc các trục mang dao và
các trục mang phôi E.L.J. Bohez [12] cho thấy về mặt lý thuyết sẽ tồn tạ 360
phương án xích động cho máy có 3 trục tịnh tiến và 2 trục quay, như vậy sẽ có
tương ứng từng ấy phương án kết cấu cho máy phay 5 trục. Nhưng thực tế rất nhiều
phương án trong 360 phương án lý thuyết đó không khả thi về mặt kết cấu (không
chế tạo được) hoặc không hiệu quả. Thực tế trong chế tạo máy công cụ các nhà sản
xuất thường mô đun hóa các cụm kết cấu để tiêu chuẩn hóa từ đó đưa ra quan điểm
kết cấu đối với máy phay 5 trục là dựa trên quan điểm các trục quay được phân bổ ở
đâu. Cũng theo E.L.J. Bohez [12] nếu phân loại theo quan điểm này thì cũng có đến
60 phương án khác nhau cho máy phay 5 trục.
Đó là về mặt lý thuyết còn thực tế theo Kiridena [17] thì chỉ có 3 kiểu kết cấu
máy phay 5 trục được sử dụng phổ biến là:

- 18 -


Bàn quay-lật gá trên
bàn máy (RRTTT)

Trục dụng cụ được gá
trên hai trục quay
(TTTRR)

Kiểu hỗn hợp: một trục quay
gá trên trên bàn và trục
chính nằm trên trục quay
thứ hai (RTTTR)

Hình 1.7 Ba kiểu kết cấu điển hình của máy phay 5 trục
Bàn quay và bàn quay lật có thể chế tạo rời sau đó đặt lên bàn máy chính,
phương án này mô đun hóa được cụm chức năng làm cho máy đa năng hơn khi sử
dụng, khi tháo bàn quay ra lại được máy phay 3 trục thông thường có không gian
làm việc lớn. Đối với các máy phay 5 trục chuyên dụng bàn quay lật được chế tạo
tích hợp với bàn máy chính và không tháo rời được.

- 19 -


Bàn gá phôi
Bàn lật

Trục dụng cụ

Bàn quay

Hình 1.8 Máy phay 5 trục có kết cấu bàn quay lật tích hợp
Ngoài 3 kết cấu điển hình trên xuất phát từ nguyên lý của cơ cấu hexapod
người ta đã chế tạo ra máy phay 5 trục dựa trên nguyên lý này và hiện nay đã được

đưa vào sử dụng. Máy phay 5 trục hexapod còn gọi là máy động học song song.

Trục chính

Bàn gá phôi

Hình 1.9 Nguyên lý máy động học song song

- 20 -


1.4 Biểu diễn tọa độ và phương của dụng cụ trong không gian.
Dụng cụ trong phay 5 trục được xác định trong không gian bởi tọa độ và
hướng. Trong hệ tọa độ phôi dụng cụ được định vị bới các thành phần tọa độ
(Xw,Yw,Zw) và hướng xác định bởi véc tơ trục dụng cụ T có chiều từ tâm ở đáy dụng
cụ đi lên, véc tơ T có các thành phần tọa độ là (iw,jw,kw).

Trục dụng cụ

Pháp tuyến với bề mặt

Hướng bước tiến

Điểm gia công
kW
jW

Véc tơ định vị dụng cụ (Xw,Yw,Zw)
iW

Hình 1.10 Định vị dụng cụ trong hệ tọa độ phôi
Để mô tả cụ thể hơn hướng của trục dụng cụ, GS B. Lawers và GS J.P. Kruth
[23] đưa ra phương pháp định nghĩa một hệ tọa độ cục bộ XLYLZL nằm trong hệ tọa
độ phôi. Hệ tọa độ cục bộ có gốc là điểm tiếp xúc giữa dụng cụ và bề mặt chi tiết
(điểm tạo hình), trục XL có hướng trùng với hướng của véc tơ bước tiến (nếu vết
tiếp xúc là một đường cong tham số thì trục XL sẽ trùng với véc tơ tiếp tuyến của
đường cong tham số đó tại điểm tạo hình), trục ZL trùng với pháp tuyến tại điểm tạo
hình và trục YL=XLxZL. Trong hệ tọa độ cục bộ này phương của trục dụng cụ được
xác định theo 2 cách, xem hình 2.1
Cách thứ nhất: dùng góc dẫn và góc lật. Góc dẫn α là góc tạo bởi hình chiếu
của trục dụng cụ trên mặt phẳng XLZL với trục ZL, góc lật β là góc tạo bởi hình
chiếu của trục dụng cụ trên mặt phẳng YLZL với trục ZL.

- 21 -


Cách thứ hai: dùng góc nghiêng và góc xoay. Góc nghiêng θ là góc giữa
trục dụng cụ và pháp tuyến bề mặt tại điểm tạo hình, góc xoay ϕ là góc tạo bởi hình
chiếu của trục dụng cụ trên mặt phẳng XLYL với trục XL.
Hướng pháp tuyến với bề mặt

L

C
L

Hướng bước tiến

L

Hình 1.11 Các góc xác định phương của dụng cụ

1.5 Đặc điểm nổi bật của chạy dao khi phay 5 trục.
Trong gia công 3 trục dụng cụ di chuyển từ một điểm định vị dụng cụ sang
điểm kế tiếp là một di chuyển thẳng và sai số gia công mắc phải lớn nhất tại điểm
giữa của đoạn di chuyển đó. Khi gia công 5 trục việc kiểm soát sai số này phức tạp
hơn rất nhiều do dụng cụ di chuyển từ điểm định vị này sang điểm định vị kế tiếp
không phải là di chuyển thẳng mà là di chuyển thẳng kết hợp với chuyển động quay.
Sai số trong trường hợp này có thể sẽ giảm đi hoặc tăng lên so với khi gia công 3
trục.

- 22 -


Hình 1.12 Di chuyển dụng cụ giữa 2 điểm định vị liên tiếp.
Do chạy dao bao gồm cả góc quay nên so với gia công 3 trục cùng một chi
tiết thì gia công 5 trục cần một không gian làm việc lớn hơn và các di chuyển tịnh
tiến cũng lớn hơn.
Lượng tiến dao trong chương trình gia công là vận tốc di chuyển của điểm
định vị dụng cụ (mũi dao) và lượng tiến dao nói chung là không thay đổi. Khi gia
công 5 trục để đảm bảo cho di chuyển dài của mũi dao là đều trên suốt đường chạy
dao thì di chuyển dài của các bộ phận khác trong hệ thống công nghệ như bàn máy
mang phôi, đầu trục chính mang dụng cụ sẽ không đều, nhiều trường hợp phôi hoặc
trục mang dụng cụ bị đổi hướng đột ngột do phải thay đổi góc nghiêng. Các lý do
trên làm phát sinh gia tốc của các chuyển động và tạo ra lực quán tính tác động lên
hệ thống (lực quán tính này sẽ rất lớn khi phay cao tốc 5 trục). Đặc điểm này yêu
cầu các máy phay 5 trục phải có độ cứng vững động lực học rất lớn thì mới có thể
đảm bảo độ chính xác gia công.

- 23 -

1.6 Các nghiên cứu hiện nay liên quan đến phay 5 trục
¾ Về phần cứng nâng cao tốc độ nội suy của bộ điều khiển để đáp ứng
cho phay cao tốc.
¾ Động lực học phay cao tốc 5 trục.
¾ Tối ưu góc nghiêng để đạt năng xuất và chất lượng bề mặt
¾ Tối ưu đường dụng cụ 5 trục cho phay cao tốc 5 trục
¾ Tối ưu phương pháp di chuyển dụng cụ giữa các điểm định vị nhằm
tránh cắt lẹm và va đập.

- 24 -


CHƯƠNG 2:

ĐỘNG HỌC TẠO HÌNH BỀ MẶT
BẰNG PHAY 5 TRỤC
2.1 Đặt vấn đề.
Ưu điểm của phay 5 trục so với phay 3 trục là do khả năng tạo góc nghiêng
của trục dụng cụ, ưu điểm này đồng thời làm cho xích động trong tạo hình phức tạp
lên rất nhiều. Để có chương trình gia công một bề mặt trước hết phải tính được tọa
độ và phương của trục dụng cụ tại từng điểm tạo hình gọi là dữ liệu định vị dụng cụ,
các dữ liệu này phải được chuyển sang hệ tọa độ máy thì mới có thể điều khiển
dụng cụ để gia công được bề mặt. Một điểm cần quan tâm đặc biệt là trong phay 5
trục là các kết quả gia công sẽ khác nhau khi chương trình gia công được chạy trên
các máy có kết kấu động học khác nhau (các máy có xích động và/hoặc kích thước
động khác nhau). Việc nghiên cứu động học tạo hình bao gồm 2 bài toán là động
học thuận và động học ngược.
Động học thuận là bài toán cho trước sự di chuyển của các khâu thành phần

từ đó đi tìm vị trí trong không gian của khâu cuối cùng (dụng cụ) trong chuỗi xích
động, bài toán này chỉ có 1 kết quả. Ví dụ trong không gian gia công của máy 5 trục
cho dụng cụ thực hiện 5 chuyển động Tx,Ty,Tz,RA,RB với các lượng di chuyển đã
biết thì vị trí của dụng cụ sau khi di chuyển hoàn toàn được xác định và chỉ có một
vị trí duy nhất.
Động học ngược là bài toán ngược lại, cho trước vị trí (tọa độ và góc) trong
không gian của khâu cuối cùng trong xích động (dụng cụ) tìm sự di chuyển của các
khâu thành phần. Đây là một bài toán khó khi số bậc tự do hay số khâu trong xích
động tăng lên và bài toán này thường có nhiều đáp số. Đối với gia công 5 trục đây là
một quá trình tính toán quan trọng cần phải giải quyết triệt để và chính xác, nếu
không sẽ làm cho sai số rất lớn hoặc thậm chí máy không di chuyển được. Đặt bài

- 25 -