Nghiên cứu phương pháp chế tạo và ứng dụng cơ cấu dịch chuyển nhỏ trong thiết bị đo lường chính xác

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

Ngô Minh Nhật

Nghiên cứu phương pháp chế tạo và ứng dụng cơ cấu
dịch chuyển nhỏ trong thiết bị đo lường chính xác

Chuyên ngành :

Chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chế tạo máy

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS.TS. Nguyễn Thị Ngọc Lân

Hà nội, 2011


éi hc Bỏch khoa H ni

Lun vón thc s

Lời nói đầu
Ngày nay, khoa học kỹ thuật đang phát triển rất mạnh mẽ. Nhiều thành
tựu khoa học kỹ thuật đã và đang đợc ứng dụng vào thực tiễn và đem lại
nhng lợi ích to lớn, tạo ra nhng bớc ngoặt cho nền công nghiệp.

Trong công nghiệp, ngành cơ khí là ngành có vai trò vô cùng quan
trọng nó đã đóng góp cho nền kinh tế thế giới phát triển nh vũ bão. Ngày
nay, cơ khí truyền thống đã và đang đợc thay thế bởi các hệ thống máy móoc
chính xác và linh hoạt.
Việt Nam, máy có độ chính xác ứng dụng vào sản xuất trong các nhà
máy còn hạn chế. Với mong muốn góp phần hiện đại hoá nền công nghiệp
nớc nhà, Tôi đã thực hiện đề tài: Thiết kế, chế tạo, ứng dụng cơ cấu dịch
chuyển nhỏ, các thiết bị. Sản phẩm làm ra là ứng dụng cho ngành gia công
các chi tiết nhỏ, chính xác nh ngành điện tử, khoan các bo mạch một cách
nhanh chóng và chính xác. Sản phẩm này đợc tạo ra nhờ sự kết hợp giữa
nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng thực tế trên cơ sở sản xuất.
Để thực hiện đề tài này Tôi đã đi từ Cơ khí - Điện tử -Tin học, đó là
tính chất của chuyên ngành đào tạo Cơ khí và điện tử. Thực tế máy Router đã
đợc chế tạo thành công và thiết kế đợc mạch, xây dựng phần mềm điều
khiển. Để đạt đợc kết quả đó trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp, Tôi đã
nghiên cứu và giải quyết các vấn đề sau:
- Tìm hiểu một số cơ cấu dịch chuyển nhỏ trong thiết bị đochính xác
- Xuất phát từ cơ cấu dịch chuyển nhỏ của thiết bị đo Panme, thiết kế chế tạo
cơ cấu dịch chuyển nhỏ có kết hợp với điện điều khiển
- Nghiên cứu các phần mềm thiết kế, mô phỏng, ngôn ngữ lập trình
Visual Basic, kết nối trực tiếp lên máy tính để điều khiển.
Do là sản phẩm đầu tay, nên không thể tránh khỏi những thiếu sót và

NgnhCh to mỏy1

Ngụ Minh Nht


éi hc Bỏch khoa H ni

Lun vón thc s

hạn chế. Rất mong nhận đợc sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn
để máy Router đợc hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS.Nguyễn Thị Ngọc Lân đã tận tình
hớng dẫn và giúp đỡ Tôi hoàn thành tốt đề tài này. Tôi cũng gửi lời cảm ơn
đến quý các thầy cô Viện Cơ khí, cũng nh Viện sau đại học đã giúp đỡ tạo
điều kiện tốt nhất cho Tôi có thể hoàn thành đợc đề tài.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm2011

NgnhCh to mỏy2

Ngụ Minh Nht


Ðại học Bách khoa Hà nội

Luận vãn thạc sĩ 

PHẦN MỞ ĐẦU
1.1.

Đặt vấn đề
Hiện nay trong sản xuất của các doanh nghiệp Việt Nam phụ thuộc rất nhiều

vào máy móc và công nghệ các nước dẫn đến giá thành sản phẩm cao. Để giải quyết
vấn đề khúc mắc trên, Trong khóa học thạc sĩ 2009 -2011 Tôi đã nhận đề tài khoa

học “thiết kế chế tạo ứng dụng lượng dịch chuyển nhỏ” và áp dụng lượng dịch
chuyển nhỏ đó vào trong các thiết bị để tích hợp việc dịch chuyển các tín hiệu xung
số, thành các dịch chuyển cơ khí chính xác theo các tín hiệu xung số. Như vậy để
thực hiện đề tài này tôi đã thiết kế chế tạo một cơ cấu đảm bảo lượng dịch chuyển
nhỏ.
Trong sản xuất cơ khí chính xác đòi hỏi đơn vị đo không chỉ ở mm mà còn đo
những chi tiết có kích thước rất nhỏ từ 0.5 đến 0.01, với các kích thước này người ta
đã chế tạo được các thiết bị đo như thước cặp, panme có độ chính xác 0.01. Chúng
ta nhận thấy hiện nay các thiết bị đo luôn đi trước và thực hiện được công việc đo
còn chính xác hơn rất nhiều và công nghệ nano hiện nay đang được các nước tiến
tiến trên thế giới thực hiện. Ở Việt Nam hiện nay cũng có các công ty liên doanh
nước ngoài thực hiện công nghệ nano nhưng nó chỉ có trong một vài ngành, còn
các ngành sản xuất khác vẫn đang sản xuất bằng công nghệ truyền thống. Vậy thì độ
chính xác để đạt được khi gia công 0.05 cũng là vấn đề khó, để giải quyết việc này
Tôi thực hiện đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo cơ cấu dịch chuyển nhỏ đáp ứng
được độ chính xác 0.05 – 0.001. Như vậy để đạt được các chỉ số chính xác này đòi
hỏi chế tạo máy phải hết sức chính xác

1.2.

Mục đích nghiên cứu của đề tài – phạm vi ứng dụng
Mục đích nghiên cứu của đề tài nhằm khẳng định được trình độ thiết kế chế tạo

cơ khí của chúng ta về lượng dịch chuyển nhỏ đáp ứng được nhu cầu phát triển của
xã hội

Hiện nay các cơ cấu lượng dịch chuyển nhỏ có thể được ứng dụng vào rất

nhiều các lĩnh vực trong sản xuất: Trong ngành điện tử, gia công mỹ nghệ gia công

Ngành Chế tạo máy                                        3

Ngô Minh Nhật


Ðại học Bách khoa Hà nội

Luận vãn thạc sĩ 

cơ khí và lĩnh vực quảng cáo. Qua nhu cầu thực tế hiện nay của sản xuất Việt Nam
đòi hỏi sản phẩm đạt độ chính xác cao do đó tôi đã thiết kế chế tạo cơ cấu lượng
dịch chuyển nhỏ áp dụng cho các thiết bị chính xác

1.3.

Những luận điểm cơ bản của luận văn

- T×m hiÓu mét sè c¬ cÊu dÞch chuyÓn nhá trong thiÕt bÞ ®o chÝnh x¸c
- XuÊt ph¸t từ c¬ cÊu dÞch chuyÓn nhá cña thiÕt bÞ ®o Panme, thiÕt kÕ chÕ t¹o c¬
cÊu dÞch chuyÓn nhá cã kÕt hîp víi ®iÖn ®iÒu khiÓn
-

Thiết kế chế tạo cơ cấu dịch chuyển nhỏ nằm trong khoảng 0.5 - 0.001mm

-

Đánh giá được năng lực thiết kế chế tạo các thiết bị có độ chính xác cao.

1.4.

Phương pháp nghiên cứu

Từ thực tiễn sản xuất chúng ta thấy để kiểm tra và đánh giá được một sản phẩm
cơ khí về độ chính xác trước tiên ta phải có thiết bị đo có độ chính xác cao hơn hẳn
một cấp chính xác, do vậy để gia công được các chi tiết có độ chính xác càng cao
thì việc máy móoc thiết bị để chế tạo phải rất chính xác và để đạt được độ chính
xác như dụng cụ đo hiện nay thước cặp, panme và cò cao hơn có thể đo được 0.05 –
0.002mm là rất khó. Để làm được việc đó chỉ có cách ta thiết kế chế tạo được cơ
cấu dịch chuyển nhỏ trên cơ sở của cấu tạo, nguyên lý panme do vậy ta đi tìm hiểu
nghiên cứu các cơ cấu dịch chuyển nhỏ.

Ngành Chế tạo máy                                        4

Ngô Minh Nhật


Ðại học Bách khoa Hà nội

Luận vãn thạc sĩ 

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN LƯỢNG DỊCH CHUYỂN NHỎ
1.1.

Cơ cấu dịch chuyển nhỏ
Chúng ta đã biết cơ cấu dịch chuyển nhỏ là cơ cấu có vai trò rất quan trọng

trong các thiết bị cơ khí. Nó là cơ cấu mà chúng ta đã sử dụng để chế tạo các bộ
phận dịch chuyển chính xác của thiết bị đo cũng như các thiết bị vi tinh chỉnh khác
trong các máy gia công chính xác. Các cơ cấu dịch chuyển nhỏ được sử dụng bao

gồm:
-

Cơ cấu cam hướng kính

-

Cơ cấu cam mặt đầu

-

Cơ cấu vít đai ốc

-

Cơ cấu bánh răng kết hợp đòn bẩy

-

Cơ cấu ci sai

-

Cơ cấu đòn – bản lề

-

Tinh thể pháp điện

-

Giãn nở nhiệt

1.2.
-

Cơ cấu cam hướng kính:
Nuyên tắc làm việc của cơ cấu: Bề mặt đầu dịch chuyển được tì vào
bề mặt cam,

khi cam quay quanh tâm, bề mặt đầu chuyển động tì lên mặt cam và tịnh tiến lên
xuống theo biên dạng mặt cam. Do biên dạng cam là liên tục nên cơ cấu này tạo
dịch chuyển rất nhỏ cỡ micromet.
Để tạo ra dịch chuyển nhỏ cho đầu dịch chuyển thì cam quay góc nhỏ điều
này phụ thuộc vào biên dạng của cam.
-

Ưu điểm nhỏ gọn dễ chế tạo…

-

Nhược điểm: dễ trượt khỏi điểm điều chỉnh khi khóa điều chỉnh tế vi
kém, với cơ

Ngành Chế tạo máy                                        5

Ngô Minh Nhật


Ðại học Bách khoa Hà nội

Luận vãn thạc sĩ 

cấu này ta chỉ dịch chuyển được lượng dịch chuyển là 0.1 mm nên không linh
hoạt trong quá trình điều chỉnh. Nếu biên dạng cam dịch chuyển được lượng
1micromet góc quay của cam là α =

90
= 0.90 đây là góc nhỏ rất khó để
( 0.1∗100 )

thực hiện chính xác. Nên cơ cấu này ta không chọn.
1.3.
-

Cơ cấu cam mặt đầu
Nguyên lý của cơ cấu cam mặt đầu là trên một cam có hình nêm với

góc nêm nhỏ được di chuyển trong một sống trượt thông qua một vít được gắn
trực tiếp trên cam theo phương ngang với bước nhỏ khi đó ta vặn vít thì cam tiến.
khí vít tiến một góc thì cam tiến một lượng 1micromet Φ =
-

1.360
= 3.60 .
100

Ưu điểm: Lượng dịch chuyển nhỏ có thể đạt mức tế vi mong muốn
một cách dễ

dàng nhờ thay đổi góc nghiêng cũng như tỷ số truyền của trục vít và bánh vít, hơn
nữa dùng cam mặt đầu rất ổn định, có khả năng tự hãm tốt.
-

Nhược điểm: Cũng giống cơ cấu cam hướng tâm cơ cấu cam mặt
đầu có khoảng

dịch chuyển nhỏ và chỉ làm việc một nửa hành trình. Thông thường muốn tăng tỷ
số truyền ta phải tăng thêm cấp truyền điều này làm cho cơ cấu cồng kềnh phức
tạp không phù hợp.
1.4.
-

Cơ cấu ren bước nhỏ:
Nguyên lý làm việc của ren và đai ốc là: Quay một vòng trục vít thì
đai ốc tiến

được một lượng chính là bước của ren. Vậy bước ren càng nhỏ thì lượng dịch của
đai ốc càng nhỏ.
-

Ưu điểm: hiệu suất cao, độ bền cao dùng để điều chỉnh chính xác hệ
thống của

dụng cụ, có độ chính xác dẫn động cao kết cấu êm, hành trình lớn có tính tự hãm
cao, cơ cấu này được dùng rộng rãi

Ngành Chế tạo máy                                        6

Ngô Minh Nhật

Ðại học Bách khoa Hà nội

-

Luận vãn thạc sĩ 

Nhược điểm: Ren có khe hở dẫn đến có sai số. không thể chế tạo
được bước ren

nhỏ đến micromet. Muốn dịch chuyển được lượng micromet thì phải chế tạo các cơ
cấu vạch làm sao có thể điều chỉnh được lượng dịch chuyển rất nhỏ đó.
Còn rất nhiều các cơ cấu khác có các ưu nhược điểm khác nhau được áp dụng vào
từng vị trí nhằm khai thác các tính năng ưu điểm của các cơ cấu này. Nhưng với nội
dung nghiên cứu của Tôi là đi sâu tìm hiểu và thiết kế cơ cấu dịch chuyển nhỏ bằng
vít me đai ốc bắt nguồn từ nguyên lý cấu tạo của dụng cụ đo Panme.

Ngành Chế tạo máy                                        7

Ngô Minh Nhật


Ðại học Bách khoa Hà nội

Luận vãn thạc sĩ 

CHƯƠNG 2
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ REN VÍT
2.1. Cơ sở nghiên cứu

Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan trên về các cơ cấu dịch chuyển nhỏ trong đó có
cơ cấu dịch chuyển nhỏ bằng vít me và đai ốc là một trong những cơ cấu được ứng
dụng nhiều, có nhiều ưu điểm, các nhược điểm ta có thể hạn chế được. Trước tiên ta
bắt đầu nghiên cứu khai thác công nghệ chế tạo dụng cụ thước panme :
Panme là một dụng cụ đo đường kính : đo ngoài , đo lỗ
Với các số đo giới hạn khác nhau: Panme 0-25; 25 - 50; 50 – 75; …
Có độ chính xác tùy nhà thiết kế có loại chính xác 0.01 hoặc có loại chính xác 0.001
Nguyên lý của Panme như sau:
Trên thân thước di động người ta gia công một loại ren có bước ren nhỏ có S =
0.5 . với bước ren này chúng ta thấy khi ta quay một vòng của của trục ren thì trục
tiến được một lượng là 0.5. Nhưng để có thể đo được lượng dịch nhỏ hơn 0.5 thì ta
phải chia chu vi đường tròn của thân thước ra làm nhiều phần cụ thể ở thước Panme
có độ chính xác 0.01 thì chia chu vi đường tròn ra làm 50 phần bằng nhau và như
vậy khi ta đo trên thân thước sẽ đọc được các phần thập phân trên bằng cách quan
sát vạch nào của vạch chia trùng với đường chuẩn thì vạch đó có giá trị thập phân.

Ngành Chế tạo máy                                        8

Ngô Minh Nhật


Ðại học Bách khoa Hà nội

Luận vãn thạc sĩ 

Để khai thác được các tính năng của nguyên lý Panme này ta cần khắc phục được
các nhược điểm của cơ cấu vít me – đai ốc
-

Có độ rơ của đai ốc và vít me. Để hạn chế được độ rơ của ren đai ốc và vít ở cơ

cấu panme người ta dùng đai ốc đàn hồi điều chỉnh khe hở của ren tạo lên chuyển
động có độ chính xác cao, hạn chế sai số lũy tiến.
-

Khi ta muốn có lượng dịch chuyển nhỏ thì bước ren của vít phải nhỏ cho nên ta

khó chế tạo được các chi tiết có bước ren nhỏ như vậy.
-

Vòng tròn chia các phần để đọc các phần thập phân nhỏ cho nên không chia
được

vòng tròn đó ra thành các phần nhỏ hơn nếu muốn chia vòng tròn đó thành nhiều
phần hơn thì ta phải sử dụng một vòng chia có kích thước lớn hơn, chia được nhiều
phần hơn đảm bảo độ chính xác nhưng nó lại cho ta một kích thước tương đối cồng
kềnh
Công thức để tính lượng dịch chuyển của thân thước là:
S = 0.5mm

Ngành Chế tạo máy                                        9

Ngô Minh Nhật


Ðại học Bách khoa Hà nội

Luận vãn thạc sĩ 

Chia vòng tròn thân thước thành 50 phần

Một vòng quay của thân thước thì thân thước tiến được một lượng 0.5
Do vậy một phần của thân thước được chia là x:

x=

0.5
= 0.01mm
50

Trên thực tế để chế tạo và ứng dụng được điều này thật là khó vì:
-

Trước tiên chúng ta phải chế tạo được một trục ren có bước ren nhỏ có S =

0.5mm.
-

Có đai ốc điều chỉnh khe hở, bên cạnh đó còn có bộ phận cóc áp lực để ckhi

vặn với bước ren nhỏ vừa đủ lực.
- Ta phải thiết kế bộ phận vi tinh chỉnh của thước bằng các chia đường tròn của
đai ốc thành nhiều phần bằng nhau, càng nhiều phần thì thiết bị càng chính xác.
Nếu ta chia đường tròn đó thành:
- 50 vạch thì ta được lượng dịch của trục vít là x =

0.5
= 0.01mm
50

- 100 vạch thì ta được lượng dịch của trục vít là x =

0.5
= 0.005mm
100

- 200 vạch thì ta được lượng dịch của trục vít là x =

0.5
= 0.0025mm
200

- 500 vạch thì ta được lượng dịch của trục vít là x =

0.5
= 0.001mm
500

Nhìn vào con số này chúng ta thấy để thực hiện được việc chia vạch trên thì thật là
khó và nó có kích thước thật là lớn so với vít me. Các bộ phận đó cồng kềnh khi
thao tác dịch chuyển nó đã không thể chính xác được như ý. Do vậy ta có thể thay
thế bộ phận đó bằng một bộ phận khác có thể nhỏ gọn hơn đơn giản hơn và có ảnh
hưởng ít hơn tơi thao tác đo . Ta thay bộ phận đó bằng thiết bị điện tử, nhờ thiết bị
điều khiển nó có thể chia đường tròn thay cho chúng ta một cách chính xác:
Động cơ bước có thể thực hiện quay một vòng tròn 3600 nhờ các tín hiệu xung
nhận được thông qua mạch điều khiển, Với động cơ bước có các loại 0.720 , 1.80
Tức là khi động cơ nhận được một tín hiệu xung thì động cơ quay đi một góc là

Ngành Chế tạo máy                                        10

Ngô Minh Nhật

Ðại học Bách khoa Hà nội

Luận vãn thạc sĩ 

0.720 , 1.80 do vậy để thực hiện được hết một vòng tròn vít me đi 0.5 mm cần có
200 xung hoặc 500 xung . nên ta chia đường tròn đó thành:
- 200 xung thì ta được lượng dịch của trục vít là x =

0.5
= 0.0025mm
200

- 500 xung thì ta được lượng dịch của trục vít là x =

0.5
= 0.001mm
500

Vậy ta thực hiện chế tạo cơ cấu dịch chuyển nhỏ theo nguyên lý của panme gồm
có hai phần đó là :
- Cơ cấu cơ khí ta chọn vít me- đai ốc có bước ren S = 0.5mm
- Bộ phận vi tinh chỉnh ta sư dụng bằng bộ vi điều khiển với động cơ bước có góc
quay là 0.720 .
Kết luận: Dựa vào nguyên lý trên ta có
thể khẳng định được với cơ cấu dịch
chuyển nhỏ trên ta có thể dịch chuyển
được lượng nhỏ là 0.001mm.
Nhưng trên thực tế để chế tạo được các

thiết bị trên kiểm chứng về kết quả trên tôi
đã chế tạo cơ cấu dịch chuyển nhỏ với vít
me – đai ốc bi có bước S = 5mm, động cơ
có có góc quay là 1.80 vì máy yếu tố sau:
- Điều chỉnh sai số lũy tiến của ren vít
trên thiết bị này với tốc độ quay thì không
hề đơn giản.
- Trên thị trường hiện nay để tìm kiếm được loại ren có bước ren đúng S = 0.5mm
là rất khó, giá thành đắt
- Với điều kiện bước ren S = 5mm chúng ta có thể nhận thấy các sai số khuếch đại
một cách rõ hơn.
- Với động cơ có góc quay 1.80 dễ tìm thấy trên thị trường, dễ ứng dụng cho các
thiết bị khác.

Ngành Chế tạo máy                                        11

Ngô Minh Nhật


Ðại học Bách khoa Hà nội

Luận vãn thạc sĩ 

- Một phần do thời gian cũng không có nhiều, kinh tế hạn hẹp do vậy tôi đã tận
dụng những thiết bị thuận lợi nhất để thực hiện đề tài.
Tất cả các yếu tố trên đã chi phối dẫn đến việc thiết kế chế tạo một cơ cấu dịch
chuyển nhỏ như trên.
Để ứng dụng được cơ cấu dịch chuyển nhỏ bằng vít – đai ốc trên máy ta cần giải
quyết được các khâu nhược điểm trên. Ứng dụng vào thực tế ta cần thiết kế các
phần sau đậy :

-

Vít me ta phải gia công được có độ chính xác cao, không có độ rơ lũy tiến của

đai ốc. Để có được cơ cấu vít me này ta nên chọn loại ren mà hiện nay trên thị
trường đang bán đó là vít me – đai ốc bi có độ chính xác rất cao, độ rơ rất nhỏ so
với lượng dịch chuyển nhỏ này ta coi là không có
Để chia lượng tiến của ren vít me – đai ốc bi có bước ren là S =5mm, thành độ
chính xác x = 0.025mm một vạch thì vòng tròn chia của phần chia thập phân phải
chia được 200 vạch vì:

x=

5
= 0.025mm
200

Như vậy cần độ chính xác x = 0.025mm ta cần đường kính vòng chia càng to thì tỷ
lệ thuận với độ chính xác .
Thay vì việc chúng ta đi chế tạo bộ phận chia nhỏ vòng chia thành 200 vạch thì ta
thay vào đó một động cơ bước nó có thể chia chính xác cho chúng ta vòng tròn 3600
thành 200 phần mỗi phần 1,80. Khi động cơ hoạt động trên nguyên tắc nhận các tín
hiệu xung và thực hiện các chuyển động theo các tín hiệu xung đó:
Cứ 1xung nhận được động cơ quay 1 góc là 1,80
Ta truyền vào động cơ 200 xung thì động cơ quay cho ta đúng 1 vòng 5mm
Và toàn bộ phần thực hiện chia phần thập phân được thực hiện trên phần mềm
Bởi vậy ta tính toán thiết kế cho hai phần sau:
-

Tính toán bộ truyền vít me – đai ốc

-

Tính toán bộ điều khiển điện tử

Ngành Chế tạo máy                                        12

Ngô Minh Nhật


éi hc Bỏch khoa H ni

Lun vón thc s

2.1.1. C cu bộ truyền vít me đai ốc (h 3.3.1)

Hình 3.3.1:Mô hình truyền động vít me-đai ốc

2.1.2.Tính toán kiểm nghiệm bộ truyền vít me.
Thay vì chúng ta kiểm nghiệm tất cả hai truc X,Y, ta chỉ kiểm nghiệm bền cho
trục X.Vì trục X chụi tác dung lực là lớn hơn trục Y.
2.1.3. Kiểm nghiệm bền cho trục X.
- Tải trọng riêng dọc trục đợc xác định theo công thức:
qa =

Fa
(MPa)
Z b .d b2 .

Trong đó:

Fa : Lực dọc trục. Fa = Z = 267,3(N)
Zb : Số bi trên các vòng ren làm việc.
Zb =

.Dtb .K
db

1

Với: Dtb:đờng kính vòng tròn qua các tâm chia.Dtb =10 (mm)
K: số vòng ren làm việc.K = 4.
db: đờng kính bi.db = 2(mm)

NgnhCh to mỏy13

Ngụ Minh Nht


éi hc Bỏch khoa H ni

Zb =

Lun vón thc s

3,14.10.4
1 = 62,8
2

Chọn Zb = 62( bi)
: hệ số phân bố không đều tải trọng cho các viên bi. Chọn = 0,8

qa =

267,3
= 1,34(MPa)
62.2 2.0,8

Dựa vào đồ thị (8.10) - tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí lấy ứng suất lớn nhất

max =1400(MPa).
Trị số trên phải thoả mãn điều kiện: max [ max ]
Vì trục vít me đã đợc tôi hoá bề măt nên [ max ] 5000(MPa)
max = 1400(MPa) < [ max ] = 5000( MPa)

Vậy vít me trục X an toàn.
2.1.4. Kiểm nghiện độ bền trục vít me trục Z
- Tải trọng riêng dọc trục đợc xác định theo công thức:
qa =

Fa
(MPa)
Z b .d b2 .

Trong đó:
Fa : Lực dọc trục. Fa = Z = 1497(N)
Zb : Số bi trên các vòng ren làm việc.
Zb =

.Dtb .K
db

1

Với: Dtb:đờng kính vòng tròn qua các tâm chia.Dtb =8 (mm)
K: số vòng ren làm việc.K = 3.
db: đờng kính bi.db = 2(mm)
Zb =

3,14.8.3
1 = 36.68
2

Chọn Zb = 36( bi)
: hệ số phân bố không đều tải trọng cho các viên bi. Chọn = 0,8
qa =

1497
= 12,9(MPa)
36.2 2.0,8

NgnhCh to mỏy14

Ngụ Minh Nht


éi hc Bỏch khoa H ni

Lun vón thc s

Dựa vào đồ thị (8.10) Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí.
Lấy ứng suất lớn nhất max =2900(MPa).

Trị số trên phải thoả mãn điều kiện: max [ max ]
Vì trục vít me đã đợc tôi hoá bề măt nên [ max ] 5000(MPa)
max = 2900(MPa) < [ max ] = 5000(MPa) .

Vậy vít me trục Z an toàn.

2.2. Tớnh toỏn b iu khin in t
Thit k mch iu khin trung tõm MCU PIC 18F4550
Yờu cu thit k
Thit k c mch MCU cú u ra iu khin 3 Stepping Motor, 1
Relay úng ct ng c. Cú h thng nỳt bm Panel - iu khin bng tay mỏy
CNC. Thc hin c vic giao tip mỏy tớnh qua cng USB
2.2.1 S khi mch MCU

Hin th LCD20x4
PC
RS232

Key board

MMC

Motor

MCU
dsPIC33FJ64M
C710
POWER

Motor X,Y,Z

Step Motor
(DRV8811)

Hỡnh 4.8 S khi mch MCU
Khi PC: Giao tip mỏy tớnh qua RS232, Phn mm iu khin trờn mỏy.

NgnhCh to mỏy15

Ngụ Minh Nht


Ðại học Bách khoa Hà nội

Luận vãn thạc sĩ 

Khối Keyboard: Điều khiển bằng tay di chuyển tọa độ, khởi động – dừng.
Khối hiển thị: Hiển thị trên LCD20x4.
Khoan trục chính: Động cơ DC – sử dụng IC Driver DRV8842 or DRV8829.
Di chuyển X,Y,Z: Di chuyển các trục sử dụng động cơ bước, dùng IC Driver
DRV8811(Step Motor Driver) hoặc IC DRV8832 (Step Motor Driver) và MSP430
(Step Control Driver).
Power: Nguồn DC24V (8-10A), 5V (1A).
Tính toán các đầu vào ra cho MCU
CNC Router gồm có 3 Stepping Motor và 1 DC trục chính.
Mỗi Stepping Motor được điều khiển bằng 3 tín hiệu : Clk, Dir, Ena.
Tín hiệu Clk tạo ra xung điều khiển cho Stepping Motor. Tại mỗi sườn lên của tín
hiệu Clk thì sẽ là cho động cơ quay 1 góc.
Tín hiệu Dir để chọn chiều quay cho động cơ
Tín hiệu Ena để cho phép động cơ hoạt động hay không.
Như vậy sẽ cần 9 đầu ra cho cả 3 Stepping Motor.

Động cơ cắt trục chính được điều khiển qua một Relay đóng cắt được điều
khiển bằng một tín hiệu từ MCU

Hình 4.9 Jump kết nối tới Stepping Motor

Ngành Chế tạo máy                                        16

Ngô Minh Nhật


Ðại học Bách khoa Hà nội

Luận vãn thạc sĩ 

Hình 4.10 Sơ đồ mạch giao tiếp USB
Cần lưu ý khi đi dây mạch truyền thông USB, hai dây tín hiệu điều khiển
D+và D- cần nằm trên một lớp của mạch. Vì tốc độ truyền thông qua cổng USB rất
nhanh nên trong quá trình truyền rất có khả năng xẩy ra nhiễu.

Ngành Chế tạo máy                                        17

Ngô Minh Nhật


Ðại học Bách khoa Hà nội

Luận vãn thạc sĩ 

2.2.2 Thuật toán điều khiển

Start
Input (X1,Y1)
Input (X2,Y2)
Input (R)

PulseX= |X1-X2|*100
PulseY= |Y1-Y2|*100

Check (gãc phÇn tu)
Gãc I : i = 1;j = 1
Gãc II : i = -1 ; j = 1
Gãc III : i = -1 ; j = -1
Gãc IV : i = 1 ; j = -1

Xi=X1+i
Yi=Y1+j
D=Xi² + Yj² - R²

YES

NO

D>=0

OutPulse (X)
Count X ++

NO

OutPulse (Y)

Count Y ++

Count X == Pulse X
YES

NO

Count Y == Pulse Y

YES

End

Hình 4.11 Thuật toán nội suy đường tròn bằng phương pháp SA

Ngành Chế tạo máy                                        18

Ngô Minh Nhật


Ðại học Bách khoa Hà nội

Luận vãn thạc sĩ 

2.2.3 Phân tích thuật toán nội suy đường tròn bằng phương pháp SA
Trong quá trình hoạt động của mình, MCU sẽ đọc lần lượt từng câu lệnh được
truyền xuống qua cổng USB.Sau khi đã nhận xong toàn bộ dữ liệu cần thiết, MCU
sẽ chờ để nhận lệnh gia công : nội suy đường thẳng hay đường cong. Thuật toán nội
suy đường cong sẽ được thực hiện theo trình tự sau:
Bước 1: Giá trị tọa độ các điểm đầu, điểm cuối và bán kính của cung tròn sẽ

được nhập vào cho chương trình nội suy
xs = xf; ys = yf;
xf = X; yf = Y;
Giá trị tọa độ điểm đầu mới (xs,ys) sẽ được gán với giá trị tọa độ điểm cuối cũ
(xf,yf). Giá trị tọa độ điểm cuối mới sẽ được gán với giá trị của tọa độ điểm mới
nhập vào (X,Y).
Bước 2 : Trên lí thuyết, quá trình nội suy sẽ được dừng lại khi tọa độ của biến
trung gian (xi,yj) trùng với tọa độ điểm cuối (xf,yf) .Tuy nhiên trên thực tế thì độ
chính xác của mã lệnh G-code là tương đối lớn (chính xác tới ‰) nên khi thực hiện
thuật toán nội suy có thể sẽ dẫn đến vòng lặp vô tận. Để giải quyết vấn đề này,
chúng ta chọn phương pháp : chỉ cho động cơ chạy giới hạn trong một số xung nhất
định được tính toán trước.
pulse_x=abs(xf-xs)*const_vitme_x;
pulse_y=abs(yf-ys)*const_vitme_y;
Giá trị cấp xung cho mỗi động cơ được tính bằng hiệu giá trị điểm đầu với
điểm cuối và nhân với hệ số của trục vitme
Trên thực tế với máy CNC Router, bước vitme của trục X và Y là 4mm.
Stepping Motor 1,8º được điều khiển theo chế độ nửa bước Î 1 vòng quay của
động cơ yêu cầu 360º/1,8º= 400 pulse. Hệ số vitme của cả hai trục này là :

Ngành Chế tạo máy                                        19

Ngô Minh Nhật


Ðại học Bách khoa Hà nội

Luận vãn thạc sĩ 

const_vitme_x = const_vitme_x = 400/4 = 100

Bước 3 : Lựa chọn góc phần tư. Tùy thuộc vào công việc nội suy đang được
thực hiện trên góc phân tư nào của đường tròn mà chiều quay của mỗi động cơ là
khác nhau. (Xem bảng 3.4 – chương 3).
Giá trị góc phần tư sẽ được xác định dựa vào tọa độ điểm đầu với điểm cuối
(cụ thể xem chương trình). Giá trị tọa độ của điểm tâm cung tròn sẽ được tính toán
đồng thời với các góc phần tư.
MCU cũng sẽ thiết lập luôn giá trị đầu ra quy định chiều của Stepping Motor.
HIGH(dir_X);LOW(dir_Y);…
Bước 4 : Vòng lặp nội suy.
while((xi != xf)||(yj != yf))
{
// đoạn chương trình nội suy cho tới vị trí điểm cuối
};
2.2.4. Module hỗ trợ giao tiếp USB của MCU với firmware
Trong công cụ lập trình MPLAB có cung cấp cho chúng ta một số các thư viện
hàm hỗ trợ cho giao tiếp cổng USB như : pic18_usb.h, usb_hid_4550.h,
usb.c…Chúng ta chỉ cần Add các thư viện hàm này vào trong chương trình main là
có thể sử dụng được các hàm hỗ trợ. Một số hàm hỗ trợ cho giao tiếp usb :
Để khởi tạo các giá trị ban đầu cho giao tiếp USB cần sử dụng hai hàm sau :
usb_init(); và usb_init_cs(); Hai hàm này sẽ định dạng toàn bộ các chức năng của
giao tiếp USB trong PIC 18F4550.
Để nhận dữ liệu từ máy tính, chúng ta sử dụng hàm : usb_get_packet()
Để truyền dữ liệu lên máy tính, chúng ta có hàm : usb_put_packet()
Một số hàm truyền hỗ trợ khác xem trong phụ lục trang

Ngành Chế tạo máy                                        20

Ngô Minh Nhật

Ðại học Bách khoa Hà nội

Luận vãn thạc sĩ 

Trong quá trình lập trình, chúng ta cần thiết phải sử dụng đến cổng RS232 để
debug chương trình giao tiếp USB
Đặc biệt với dòng PIC18F4550 có chức năng USB connection sense pin. Đoạn
code sau giúp định nghĩa chân phát hiện khi có cổng USB được kết nối. (trong
mạch, PIN_B2 được nối VBUS )
#if __USB_PIC_PERIF__ && defined(__PCH__)
#define USB_CON_SENSE_PIN PIN_B2
#endif
Thiết kế giao diện chương trình điều khiển trên VB
Yêu cầu thiết kế
Thiết kế được một giao diện điều khiển bao gồm các chức năng điều khiển
bằng tay và điều khiển tự động. Điều khiển bằng tay sử dụng để điều khiển dao cắt
về vị trí gốc 0 của chương trình, có lựa chọn được tăng giảm vị trí và dải di chuyển
cho mỗi trục. Điều khiển tự động : load một file G-code được tạo ra từ MasterCAM
hay AutoCAD, từ tự động trình dịch lấy dữ liệu trong đoạn code đó để đưa vào
thuật toán nội suy.
Yêu cầu thứ hai khi thiết kế giao diện trên VB là xây dựng được module
truyền nhận dữ liệu qua cổng USB với mạch MCU bên ngoài.

Ngành Chế tạo máy                                        21

Ngô Minh Nhật


Ðại học Bách khoa Hà nội

Luận vãn thạc sĩ 

Giao diện chương trình điều khiển trên VB

Hình 4.12 Giao diện chương trình điều khiển trên VB
Giao diện chương trình Router CNC Programming 1.0.2 gồm có ba panel
chính : điều khiển bằng tay, điều khiển tự động, hiện thị vị trí.
Trong panel điều khiển bằng tay (vùng 1)gồm có các button tăng, giảm; các
nút lựa chọn chức năng chuyển động của các trục, dải di chuyển, đóng mở Roley
của động cơ cắt. Khi lựa chọn Rate Move, ấn nút tăng giảm để lựa chọn mức tiến
trong mỗi lần dịch trục;
Trong panel điều khiển tự động có các Button chức năng như : Gcode, Run,
Reset; các vùng hiển thị mã Gcode (vùng 2) và câu lệnh đang thực hiện (vùng 3).
Button Gcode dùng để lựa chọn đoạn mã Gcode cần dùng để thực hiện gia công.
Các mã Gcode có thể là đoạn văn bản .txt hoặc .NC. Sau khi đã nạp xong mã Gcode
vào cho chương trình gia công, ấn nút RUN để bắt đầu quá trình gia công. Khi

Ngành Chế tạo máy                                        22

Ngô Minh Nhật


éi hc Bỏch khoa H ni

Lun vón thc s

mun np mt mó Gcode mi vo trong chng trỡnh gia cụng, ta dựng nỳt Reset
khi to li ton b giỏ tr ca MCU cng nh ca chng trỡnh gia cụng.
Vựng 4 : hin th kt ni ca MCU ti PC v chng trỡnh iu khin
Vựng 5,6 : hin th tờn cõu lnh ang thc hin, cỏc trc lm vic, ta ca

cỏc trc X,Y,Z.
Vựng 7 : cỏc button chy chng trỡnh bng G-code
Xõy dng mt chng trỡnh iu khin trong mụi trng AutoCAD 2004 cú
kh nng scan li c cỏc ng thng v ng cong trờn bn v. Sau ú xut
thng cỏc tớn hiu iu khin ra mỏy CNC Router m khụng cn qua MasterCAM.
Thut toỏn iu khin
Mt bn v Autocad cú th c hỡnh thnh thụng qua cỏc d ỏn nhỳng c
lp trong Autocad VBA. Thut toỏn iu khin c hỡnh thnh nh sau:
Start

Nhập bản vẽ

Line

Yes

Tọa độ điểm đầu,
điểm cuối

Yes

Góc cung đầu ,
góc cung cuối

Số xung động cơ
và chiều quay

No

Circle

Chiều quay
động cơ

No
Tọa độ điểm đầu,
điểm cuối, tâm cung
tròn, bán kính

Chuyển động tới vị trí
gia công của trục Z

Còn đối tuong mới?

Số xung cấp cho
động cơ

Yes

No
End

NgnhCh to mỏy23

Ngụ Minh Nht


Ðại học Bách khoa Hà nội

Luận vãn thạc sĩ 

Hình 4.13 Lưu đồ thuật toán Scan đối tượng và xuất tín hiệu trong AutoCAD
Một bản vẽ được xuất ra trên Autocad, sau đó ta đọc các đối tượng trên bản vẽ.
Nếu đối tượng là đường thẳng, ta nhập vào tọa độ điểm đầu, điểm cuối và xuất
ra xung điều khiển để điều khiển 2 động cơ theo hai trục XY.
Nếu đối tượng là cung tròn ta cũng nhập vào tọa độ các điểm đầu, điểm cuối,
tâm và bán kính. Sau đó đưa ra các xung điều khiển cho động cơ.
Ta cần xác định xem cung tròn đó nằm ở góc phần tư thứ mấy để xác định
chiều quay cho động cơ.
Trước khi nội suy được các đối tượng Line hay Circle ta phải di chuyển trục Z
từ vị trí gốc tọa độ ban đầu đến vị trí cần gia công.
2.2.5. Giao diện điều khiển

Hình 4.14 Giao diện chương trình điều khiển nhúng trong AutoCAD
Trong cửa sổ chính của giao diện là các đoạn mã Gcode đã được scan từ

Ngành Chế tạo máy                                        24

Ngô Minh Nhật