Sử dụng các phần mềm công nghiệp tính toán và thiết kế khung máy phay CNC

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

NGUYỄN ĐÌNH SƠN

SỬ DỤNG CÁC PHẦN MỀM CÔNG NGHIỆP TÍNH TOÁN VÀ
THIẾT KẾ KHUNG MÁY PHAY CNC

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN VIỆT HÙNG

Hà Nội – Năm 2012


Mẫu 2

LÝ LỊCH KHOA HỌC
(Dùng cho học viên cao học)

I. Sơ lược lý lịch:
Họ và tên: Nguyễn Đình Sơn
Giới tính: Nam
ảnh 4x6
Sinh ngày: 26 tháng 09 năm 1980
Nơi sinh(Tỉnh mới): Gia Lâm – Hà Nội

Quê quán: Gia Lâm – Hà Nội
Chức vụ: Chuyên Viên
Đơn vị công tác: Tổng cục Dạy nghề
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 51 Hàng Bún – Ba Đình – Hà Nội
Điện thoại CQ: 04.39747922 Điện thoại NR:04.3873734
Điện thoại di động: 0988693926
Fax: ................................................... E-mail :
II. Quá trình đào tạo:
1. Trung học chuyên nghiệp (hoặc cao đẳng):
- Hệ đào tạo(Chính quy, tại chức, chuyên tu) : chính quy Thời gian đào tạo: từ 10/1999 đến 04/2002.
- Trường đào tạo: cao đẳng sư phạm kỹ thuật Hưng Yên
- Ngành học: cơ khí chế tạo
Bằng tốt nghiệp đạt loại: Trung bình - khá
2. Đại học:
- Hệ đào tạo(Chính quy,tại chức, chuyên tu) : chính quy Thời gian đào tạo: từ 10 /2003 đến 04 /2008
- Trường đào tạo: Polytechnic University – Nhật Bản
- Ngành học: Cơ khí chính xác
Bằng tốt nghiệp đạt loại:
3. Thạc sĩ:
- Hệ đào tạo: Chính quy ..................................... Thời gian đào tạo: từ 10/2009 đến 10/2011
- Chuyên ngành học: Công nghệ chế tạo máy ......................................................................................
- Tên luận văn: Sử dụng các phần mềm công nghiệp tính toán và thiết kế khung máy phay CNC .
..................................................................................................................................................................
- Người hướng dẫn Khoa học: PGS.TS Nguyễn Việt Hùng................................................................
4. Trình độ ngoại ngữ (Biết ngoại ngữ gì, mức độ nào): Tiếng Nhật, Tiếng Anh Tolel 560.........
III. Quá trình công tác chuyên môn kể từ khi tốt nghiệp đại học:
Thời gian
Nơi công tác
Công việc đảm nhận
04/2008 đến 04/2009

Trường Cao đẳng nghề công Gảng viên
nghiệp Hà Nội
05/2009 đến nay
Tổng cục dạy nghề
Chuyên viên
IV. Các công trình khoa học đã công bố:
Tôi cam đoan những nội dung viết trên đây là đúng sự thật.
Ngày
tháng năm 2012
NGƯỜI KHAI KÝ TÊN


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 khác, trừ những phần tham
khảo đã được ghi rõ trong luận văn.

Tác giả

Nguyễn Đình Sơn

1


Trang phụ bìa………………………………………………………………...
Lời cam đoan ………………………………………………………………..

01

MỞ ĐẦU ……………………………………………………………...

04

1. Tính cấp thiết của đề tài……………………………………………..

04

2. Đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu………….......... 05
a. Đối tượng nghiên cứu.....................................................................

05

b.. Mục đích nghiên cứu……………………………………….........

05

c.. Nội dung nghiên cứu……………………………………… ……

05

d. Phương pháp nghiên cứu………………………………………...

05

3. Ý nghĩa của đề tài………………………………………………........

06

a. Ý nghĩa khoa học …………...........................................................

06

b. Ý nghĩa thực tiến ……..................................................................

06

Chương I:

MÁY CÔNG CỤ ĐIỀU KHIỂN SỐ

07

1. Tổng quan về điều khiển số ………………………………………..

07

1.1 Lịch sử máy công cụ điều khiển số ……………………………..

07

1.2 Những đặc trưng của máy công cụ điều khiển chương trình số….

09

2. Các khái niệm NC, CNC...……………………………………… …. 12
3. Đặc điểm về kết cấu của máy CNC…..……………………………... 15
3.1 Đặc điểm chung …………...…………………………………….. 15
3.2 Hệ thống điều khiển trục chính.………………………………….

16

3.3 Hệ thống điều khiển chạy dao…………………………… ……

17

3.4 Thiết bị gá kẹp…………………………………………………… 21
3.5 Hệ thống thay dao………………………………………… …...

22

3.6 Nguyên tắc điều khiển…………………………………………… 24
3.7 Vai trò, ứng dụng và lợi ích trong sản xuất..…………………….. 28
Chương II: c¬ së lý thuyÕt CỦA PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ

31

HỮU HẠN
1. Các phương pháp tính sức bền trong cơ học...……………. ……... 31
2. Các dạng đối tượng của tính toán sức bền...……………..………..

2

44


3. Các bước thực hiện bài toán phần tử hữu hạn…...…… …………. 46
4. Thuật giải bài toán băng phương pháp phần tử hữu hạn……...… 47
5. Giới thiệu phần mềm Ansys tính FEM…..……… ………………..

48

6. Tổng quan về mô hình cấu trúc….………………… ……………

52

7. Tạo mô hình phần tử hữu hạn……………..……………................. 68
8. Đặt tải………………………………… …………………… ………. 75
Chương III: THIẾT KẾ MÁY PHAY CNC ROUTER
1. Thông số kỹ thuật của máy dự kiến….……………… ……………

78
78

2. Mô hình thiết kế….………………………………………. ………... 78
3. Khả năng công nghệ của máy..……………………………………..

79

4. Thiết kế truyền động…...…………………………………………… 79
4.1 Chọn và tính toán công suất động cơ...………………………. 79
4.2 Thiết kế truyền động trục chính...……………………………. 85
4.3 Thiết kế truyền động bằng vít me – đai ốc bi.………… …….

95

4.4 Tính toán chọn ổ…………..………………………………….

99

5. Thiết kế thân máy………………..………………………… ………

107

5.1 Yêu cầu thân máy…………..………………………………..

107

5.2 Kết cấu thân máy…………………………….………………. 108
5.3 Vật liệu thân máy…………………………………………….

109

5.4 Tính toán thân máy phay trên phần mềm Ansys..……………

109

a. Sơ đồ tính….………………………………………………..

109

b. Đơn vị tính….………………………………………………

109

c. Phân tích hệ thống ngoại lực tác động….…………………..

109

d. Ứng dụng phần mềm Ansys………………………………... 111

e. Kết luận chung và đề xuất hướng nghiên cứu……………… 118
Lời cảm ơn ……………………………………………………………

120

Tài liệu tham khảo……………………………………………………

121

3


Mở đầu
1. Tính cấp thiết của đề tài
Một trong những thành tựu lớn của tiến bộ khoa học kỹ thuật là tự động hoá
sản xuất. Phương thức cao của tự động sản xuất là sản xuất linh hoạt. Trong dây
truyền sản xuất linh hoạt thì máy điều khiển số CNC đóng một vai trò rất quan
trọng. Sử dụng máy CNC cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao
độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tế, đồng thời cũng rút ngắn được chu kỳ
sản xuất. Chính vì vậy hiện nay nhiều nước trên thế giới đã và đang ứng dụng
rộng

rãi

các

máy

CNC

vào

cơ

khí

chế

tạo.

Ở Việt Nam các máy CNC đang được sử dụng rông rãi để chế tạo các chi tiết
cơ khí đặc biệt là chế tạc các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết phục vụ công
nghiệp quốc phòng. Ngoài ra, các máy CNC còn được dùng trong nghiên cứu
khoa học, đào tạo đại học sau đại học, học nghề ở các trường kỹ thuật. Trên thực
tế ngành khuôn mẫu và ngành nhựa của Việt Nam đang phát triển rất mạnh.
Những khuôn mẫu đơn giản thì có thể gia công bằng máy tay hoặc máy vạn
năng, song để tạo ra các khuôn mẫu, chi tiết máy phức tạp thì bắt buộc phải gia
công trên các máy công cụ điều khiển số CNC, chính vì vậy Đảng và Nhà nước
đã có rất nhiều chính sách để đầu tư phát triển CNC.Trên thị trường Việt Nam,
các máy CNC bình thường có sai số vị trí là 0,01mm, các máy CNC do Đài Loan
và Trung Quốc sản xuất có phần điều khiển mua của các hãng nổi tiếng như
FANUC, MITSHUBISHI,... có giá bán khá phù hợp với đại đa số các doanh
nghiệp trong nước song còn yếu các khâu như đào tạo, dịch vụ sửa chữa và thay
thế sau bán hàng, chất lượng còn chưa đồng đều. Máy CNC của các nước phát
triển như Nhật, CHLB Đức,... có chất lượng tốt song giá thành đắt, rất khó bảo trì
bảo dưỡng. Giá thành cao, nhu cầu lại lớn nên ở TP Hồ Chí Minh đã hình thành
những công ty và nhóm chuyên gia chuyên lắp ráp máy CNC cũ /hỏng thành
máy mới. Ngoài ra, một số công ty cơ khí cũng bắt đầu tự nhập bộ điều khiển và
chế tạo phần cơ khí để cho ra đời những chiếc máy CNC "made in Vietnam" đầu

4


tiên. Tuy nhiên do chưa nắm vững công nghệ trong việc quản lý chất lượng cũng
như khi lắp ráp, những chiếc máy này thường có độ chính xác không cao, độ tin
cậy không lớn.Khó khăn nhất trong phần chế tạo máy CNC "made in Vietnam"
không phải ở phần điều khiển hay phần điện tử mà chính là phần cơ khí, phần kết
cấu và dẫn truyền cơ khí .
Xuất phát từ những đặc điểm và tình hình nêu tác giả đã chọn đề tài “Sử
dụng các phần mềm công nghiệp để tính toán và thiết kế khung máy phay CNC”
để ứng dụng các phần mềm công nghiệp trợ giúp trong thiết kế máy phay nói
riêng và máy công cụ nói chung.
2. Đối tượng, mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu
a, Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là tính toán thiết kế khung máy phay CNC
Router dạng mô hình với sự trợ giúp của một số phần mềm công nghiệp
Nghiên cứu tổng quan các tài liệu, lý thuyết kết hợp với thực nghiệm
b, Mục đích nghiên cứu
Xác định các thông số khi thiết kế phần cơ của máy phay, sử dụng phương
pháp phần tử hữu hạn với sự trợ giúp của phần mềm Ansys tính toán khung máy
Dùng làm tài liệu trong nghiên cứu và chế tạo
c, Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan về thiết kế máy: đặc điểm cấu trúc máy cnc, tính toán
thiết kế bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Nghiên cứu thực nghiệm: nghiên cứu sử dụng các phần mềm công nghiệp để
phân tích và tính toán thiết kế thân máy phay
d, Phương pháp nghiên cứu
Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với
thực nghiệm
- Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

5


- Phương pháp thiết kế máy công cụ
- Xây dựng mô hình máy phay CNC dạng máy CNC ROUTER
- Kiểm nghiệm thân máy phay bằng phần mềm công nghiệp
- Phân tích và đánh giá kết quả
3. Ý nghĩa của đề tài
a, Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu ứng dụng của các phần mềm công nghiệp để thiết kế máy phay
nói riêng và máy công cụ nói chung đã được các nước trên thế giới ứng dụng.
Tại Việt Nam, công nghệ thông tin cugnx đang rất phát triển và cũng dần ứng
dụng các tiện ích của công nghệ thông tin vào thiết kế nhằm thúc đẩy phát
triển việc thiết kế và chế tạo máy công cụ tại Việt Nam, do đó đề tài có ý
nghĩa khoa học và phù hợp với hướng nghiên cứu khoa học và công nghệ
b, Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu sử dụng trong thiết kế máy công cụ: giảm thời gian thiết
kế, tăng độ chính xác trong thiết kế, giảm chi phí sản xuất, tăng lợi ích kinh tế
Kết quả nghiên cứu được ứng dụng thực tế vào thiết kế và chế tạomô hình
máy công cụ để phục vụ giảng dạy tại các cơ sở giáo dục
Nội dung
Chương I: Máy công cụ điều khiển số
Chương II: Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn
Chương III: Thiết kế máy phay CNC Router

6


Chương I : Máy công cụ điều khiển số

1.

Tổng quan về điều khiển số

1.1 Lịch sử máy công cụ điều khiển số
Điều khiển số (Numerical Control) ra đời với mục đích điều khiển các quá
trình công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ. Về thực chất, đay là một
quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như phay, tiện, robot, băng
tải …..) trên cơ sở các dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao
gồm các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số kỹ tự đặc biệt tạo nên chưng
trình làm việc của thiết bị hay hệ thống
Trước đây, cũng đã có các quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theo
chương trình bằng các kỹ thuật như: chép hình theo mẫu, chép hình bằng hệ
thống thủy lực, hoặc điều khiển bằng mạch logic…Ngày nay, với việc ứng dụng
các thành quả tiến bộ của khoa học công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển
số và công nghệ thông tin đã cho phép nghiên cứu chế tạo đưa vào máy công cụ
các hệ thống điều khiển cho phép thực hiện các quá trình gia công một các linh
hoạt hơn thích ứng với nền sản xuất công nghiệp hóa hiện đại hóa và mang lại
hiệu quả kinh tế cao hơn.
Về mặt khoa học, trong điều kiện hiện nay, nhờ các tiến bộ vượt bậc của
khoa học công nghệ đã cho phép chúng ta giải quyết các bài toán phức tạp hơn
với độ chính xác cao hơn trước đây hoặc chưa đủ điều kiện hoặc quá phức tạp
khiến chúng ta phải bỏ qua một số yếu tố và dẫn đến kết quả gần đúng. Chính vì
vậy đã cho phép các nhà chế tạo máy thiết kế và chế tạo các máy công cụ với các
cơ cấu có hiệu suất cao, độ chính xác truyền động cao cũng như những khả năng
chuyển động tạo hình phức tạp và chính xác hơn.
Lịch sử phát triển của NC bắt nguồn từ các mục đích quan sự và hàng
không vũ trụ khi mà các yêu cầu các chỉ tiêu về chất lượng là cao nhất (có độ
chính xác và độ tin cậy cao nhất, có độ bền và tính hiệu quả cao nhất khi sử
dụng…). Ngày nay, lịch sử phát triển NC đã trải qua các quá trình phát triển

7


không ngừng cùng với sự phát triển trong lĩnh vực vi xử lý cho phép thế hệ sau
cao hơn thế hệ trước và mạnh hơn về khả năng xử lý cugnx như lưu trữ dữ liệu.
NC được sớm ra đời trong cách mạng công nghiệp, vào năm 1725, khi các
máy dệt ở Anh sử dụng các tấm bìa đục lỗ để tạo các văn hoa trên quần áo. Thậm
chí sớm hơn nữa là những máy đánh chuông tự động được sử dụng ở các nhà thờ
lớn tại Châu Âu và Hoa Kỳ. Nguyên lý sản xuất hàng loạt được phát triển bởi Eli
Whiney, đã chuyển đổi nhiều công đoạn và chức năng thông thường phải dựa
trên kỹ năng của thợ thủ công nay được làm trên máy. Khi nhiều máy có độ
chính xác hơn ra đời, hệ thống sản xuất hàng loạt nhanh chóng được nền công
nghiệp chấp nhận và đưa vào sản xuất với số lượng lớn các chi tiết giống hệt
nhau. Ở nửa sau thế kỷ 19, một lượng lớn các máy công cụ ra đời dùng trong
hoạt động gia công kim loại như máy cắt, máy khoan, máy cán, máy mài. Cùng
với nó, các công nghệ điều khiển bằng thủy lực, khí nén cũng được phát triển,
điều khiển chuyển động đòi hỏi sự chính xác trở nên dễ dàng hơn.
Năm 1947, Không lực Hoa Kỳ cho rằng sự phức tạp trong thiết kế và hình
dạng của các chi tiết máy bay như: 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 hạn. Khi đó. John Parsons, Parsons Corporation, thanh phố Traverse,
bang Michigan đã bắt đầu nghiên cứu với ý tưởng 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
phương phapstawng tốc trong sản xuất Parsons sau đó đã chuyển thầu lại cho
phòng thí nghiệm Servomechanism – đại học Massachusettl Istitute of
Technology (MIT). Năm 1952 họ đã thành công với chiếc máy có đầu cắt
chuyển động 3 chiều. Rất nhanh sau đó, 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 được trưng bày. Hầu hết các máy này đều giống nhau ở nguyên
tắcđiều khiển vị trí điểm – điểm. Nguyên lý cảu máy NC được thiết lập một cách
vững chãi

8


CNC (Cho tới năm 1976, những máy NC điều khiển hoàn toàn tự động
theo chương trình mà các thông tin viết dưới dạng số đã được sử dụng rộng rãi.
Cũng vào năm đó, người ta cũng đưa 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 được gọi là máy CNC (Computer Numerical Control) là các máy công cụ tự
động dựa trên tập lệnh được mã hóa bởi các con số, các chữ cái, các ký tự mà bộ
xử lý trung tâm có thể hiểu được. Những lệnh này được 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 của máy có thể hiểu và thao tác
trên phôi.
Vào năm 1965, hệ thống thay dao tự động được đưa vào sử dụng, năm
1975 thì hệ thống CAD-CAM-CNC ra đời. Năm 1984 thì đồ họa máy tính phát
triển và được ứng dụng để mô phỏng quá trình gia công trên máy điều khiển số.
Năm 1994, Hệ NURBS (Not uniforme rational B-Spline) giao diện phần
mềm CAD cho phép mô phỏng được bề mặt nội suy phức tạo trên màn hình,
đồng thời nó cho phép tính toán và đưa ra các phương tình toán học mô phỏng
các bề mặt phức tạp, từ đó tính toán chính xác đường nội suy với độ min, độ sắc
nét cao.
Cho đến ngày nay, người ta còn ứng dụng công nghệ nano vào hệ thống điều
khiển cho máy CNC mở ra 1 trang mới trong việc chế tạo máy công cụ.
1.2 Những đặc trưng của máy công cụ điều khiển chương trình số
- Tự động cao.

- Tốc độ dịch chuyển, tốc độ quay lớn (> 103 vòng/phút).
- Chính xác cao (Sai lệch kích thước gia công đạt tới m )
- Năng suất gia công cao (gấp 3 lần máy thường).
- Tính linh hoạt cao (thích nghi nhanh với đối tượng gia công thay đổi,
thích hợp với sản xuất loại nhỏ).

9


- Tập trung nguyên công cao (gia công nhiều bề mặt chi tiết trong nhiều
bề mặt chi tiết trong một lần gá phôi)
- Chuẩn bị công nghệ để gia công chi tiết có khác với máy thường ở chỗ là
phải lập chương trình NC để điều khiển máy theo ngôn ngữ mà hãng chế tạo máu
đã cài đặt cho hệ điều khiển NC và CNC.
- Máy gia công CNC có giá trị kinh tế rất lớn nhưng đắt tiền.
- Mỗi máy công cụ có đặc điểm là được chế tạo từ một tổ hợp nhiều trục
thẳng và quay (Linear and rotate axises). Để có thể điều khiển các trục này bằng
số phải có hai tiền đề sau cho mỗi trục:
- Mỗi trục cần có một hệ thống đo về dịch chuyển điện tử.
- Mỗi trục cần có một bộ phát động điều chỉnh và điều khiển được.
- Hệ thống đo về dịch chuyển và bộ phát động được nối ăn khớp trực tiếp
với hệ điều khiển số.
Nhiệm vụ của hệ NC là so sánh các giá trị cần đạt về vị trí đã định trước
với các giá trị thực tế về vị trí đo hệ đo về dịch chuyển thông báo và khi có sai
lệch giữa hai giá trị này sẽ phát sinh ra một tín hiệu điều chỉnh truyền đạt tới các
bộ phát động của các trục để cân bằng các giá trị đó.
Điều khiển theo quỹ đạo liên tục thông báo các giá trị vị trí mới mà các
trục điều khiển phải đạt tới, nhờ đó có thể đạt tới những chuyển động liên tục
theo quỹ đạo.
Trên máy tiện, trục chính của máy cũng được xá lập là trục NC nếu những

dụng cụ được phát động để khoan hoặc phay.
Phần lớn các trung tâm gia công được trang bị bàn tròn quay điều khiển
NC. Bàn tròn quay theo nhịp, ví dụ nhịp quay 4 x 900 hoặc 12 x 300 , không tính
vào các trục điều khiển NC.

10


Cấu trúc điện tử của các hệ điều khiển CNC ngày nay được thiết lập trên
cơ sở sử dụng các bộ vi sử lý (Microprocessors) 16 và 32 bit và các mạng tích
hợp IC (Integrated Circuit).
Máy CNC là máy có khả năng lập trình tự do, nghĩa là các chuyển động
theo từng trục được định trước thông qua một chương trình.
Những hệ điều khiển số ngày nay được thiết lập trên cơ sở sử dụng máy vi tính,
còn gọi là hệ thống điều khiển CNC tức là điều khiển số bằng vi tính.
Để nạp và xuất dữ liệu tự động, các hệ điều khiển CNC được trang bị những giao
diện khác nhau và mạch hữu hiệu.
Hệ điều khiển NC và CNC đều dựa trên nguyên lý chung nên có thể coi
như các khái niệm NC và CNC là đồng nghĩa với nhau.
CNC là hệ điều khiển số mà mọi chức năng điều khiển được thực hiện bằng một
hoặc nhiều máy vi tính tích hợp và một phần mềm phù hợp.
Những đặc điểm của máy CNC so với NC:
- Có một hoặc nhiều màn hình, một hoặc nhiều màu sắc.
- Phần lớn với đồ hoạ nhiều màu để lập trình và thử nghiệm chương trình.
- Có khả năng hiệu chỉnh trong các chương trình được lưu trữ.
- Các lượng hiệu chỉnh dụng cụ (lượng bù dao) về chiều dài, đường kính
tuổi bền, có thể được lưu trữ.
- Có nhiều nhất 5 tới 10 phím mềm với các chức năng thay đổi.
- Có thể cắm một hệ phím bấm ASC II tích hợp hoặc tuỳ chọn.
- Không có công tắc thập phân và cũng thường không có công tắc xoay.

- Thể tích nhỏ hơn và ít phát sinh nhiệt hơn.
- Có phạm vi chức năng rộng hơn.
- Có phạm vi tuỳ chọn thích ứng theo nhu cầu sử dụng của khách hàng có
phạm vi dành để mở rộng.
- Có các chu trình gia công và đo kiểm có khả năng lưu trữ.

11


- Có nhiều chức năng mới thường xuyên bổ sung.
Các hệ CNC được chế tạo theo môđun có khả năng đáp ứng nhiều chức
năng. Khách hàng phải kiểm tra xem mình dùng môđun nào cho phù hợp và có
hiệu quả nhất.
Những hệ CNC có khả năng lập trình tại xưởng có những công cụ trợ giúp
đồ hoạ rất mạnh.
Các hệ CNC sử dụng nhiều bộ nhớ đa dạng và hoàn hảo về cấu tạo cho
những mục sau:
- Chương trình sản xuất của xí nghiệp.
- Các chương trình gia công chi tiết có thể nạp lại tự động.
- Các chu trình cố định và thay đổi.
- Những chỉ dẫn tích hợp cho người vận hành.
- Phần mềm chuẩn đoán và những trợ giúp tìm lỗi.
- Những dữ liệu về máy và về xí nghiệp, chỉ dẫn và hiển thị sai số với văn
bản rõ ràng.
- Quản lý dụng cụ và quản lý bệ (phiến gá).
- Các chuyển dịch điểm không, bù dao, các dữ liệu dụng cụ
- Các thông số máy
Các giao diện dữ liệu có một ý nghĩa rất lớn để nối các thiết bị ngoại vi
cần thiết.
Điểm đặc trưng quan trọng và tính nhanh nhạy của một hệ thống CNC là

tốc độ chuyển tiếp dữ liệu, thời gian thực hiện chu trình gia công, tốc độ phát
triển của bộ Servo và thời gian chu kỳ của hệ điều khiển PCL (Progamble Logic
Controller).
Máy NC là những máy gia công tự động và lập trình tự do, đặc biệt phù hợp để
tự động hoá gia công sản phẩm hàng loạt vừa và nhỏ. ưu điểm cơ bản của máy

12


NC là khả năng điều chỉnh nhanh để thích nghi với các chu trình gia công thay
đổi mà không cần phải tác động thủ công hoặc thay đổi máy
2. Các khái niệm NC, CNC
NC là gì?
NC (Numerical Cotrol - Điều khiển số) - Đây là máy được điều khiển bằng
kỹ thuật số theo một chương trình lập sẵn, mô tả về hình học và công nghệ quá
trình gia công. Các thông số về hình học và công nghệ của quá trình gia công
được mã hoá dưới dạng số và lưu trong dữ liệu của máy tính.
CNC là gì?
CNC (Conputer Numerical Control - Điều khiển số máy công cụ được tích
hợp máy tính) - Cho phép thực hiện các quá trình gia công trên cơ sở các thông
số về kích thước, hình dạng của sản phẩm chuyển sang thành quỹ đạo chuyển
động trong không gian 3 chiều. Chương trình gia công có thể thay đổi một cách
linh hoạt nhờ được tích hợp bộ vi xử lý và máy tính số.
Sự khác nhau lớn nhất của máy NC và CNC là khả năng của bộ điều
khiển.Máy NC không có khả năng phân tích, giám sát như máy CNC.
CAD/CAM
CAD: (Computer Aided Design) - Là lĩnh vực sử dụng máy tính trợ giúp
cho công tác thiết kế, tính toán kỹ thuật. Vì thiết kế sản phẩm gán liền với thử
nghiệm, mô phỏng hoạt động của chúng, xuất chương trình cho máy NC,...nên
ngày nay người ta thường dùng thuật ngữ CAE (Computer Aided Engineering).

CAM: (Conputer Aided Manufacturing) - Là lĩnh vực sử dụng máy tính
để tạo chương trình điều khiển hệ thống sản xuất, kể các trực tiếp điều khiển các
thiết bị, hệ thống đảm bảo vật tư kỹ thuật cho chúng.
CAD/CAM: Đây là lĩnh vực tích hợp các chức năng CAD, CAM.
CAP

13


CAP (Computer Aided Planning) hay CAPP (Computer Aided Process
Planning) - Là lĩnh vực sử dụng máy tính trợ giúp thiết kế quá trình công nghệ
chế tạo sản phẩm (thường gọi là chuẩn bị công nghệ).
CAQ
CAQ (Computer Aided Quality Assurance) - Là lĩnh vực sử dụng máy
tính trợ giúp toàn bộ công tác đảm bảo, quản lý chất lượng sản phẩm
CIM
CIM (Computer Integrated Manufacturing) - Tích hợp các chức năng
CAD, CAP, CAM, CAQ, PP&C thành một hệ thống.
G-code
Là một hệ mã chuẩn, dùng để viết chương trình điều khiển cho các máy NC,
CNC, để hướng dẫn cho các máy thực hiện quá trình gia công một cách tự động.
Hiện nay hệ mã chuẩn này được dùng phổ biến trên toàn thế giới, theo tiêu chuẩn
ISO 6983. Hệ mã này được gọi là G-code vì các lệnh chuyển động được thể hiện
bằng mã G.
CNC Router
Router CNC được ứng dụng nhiều trong gia công gỗ, công nghiệp khắc dấu,
đồ gỗ nội thất, trang trí, công nghiệp khuôn mẫu…
Loại vật liệu sử dụng chính trong Router CNC là tất cả các loại gỗ tự nhiên và
công nghiệp, nhựa, cao su, nhôm tấm, ACM, đá vôi, đá hoa…và các loại vật liệu
cứng như thép, đá hoa cương, đồng thau…

Router CNC là chiếc máy được điều khiển bằng máy tính, có khả năng tạo
hình với các chuyển động phức tạp 2D, 3D…với một dao cắt quay nhanh với tốc
độ cao. Router CNC bao gồm một thân máy, sống trượt, bạc lót, ổ bi đỡ, vitme
thường hay vitme bi, stepper motor hay servo motor, stepper motor hay servo
motor driver, nguồn. Thân máy là một khung để giữ tất cả các bộ phận khác của
máy với nhau. Router CNC có hai kiểu cấu trúc chính là: C và Gantry- Style.

14


C-Style là Router có phần kết cấu khung giống với chữ C, và bao gồm một
bàn ghép hai trục X-Y và một trục Z thẳng đứng.
Gantry-Style là loại Router có bàn cố định và có các trục thẳng đứng theo hệ
trục tọa độ X-Y-Z. Tất cả các Gantry Router đều có ba trục di chuyển. Với
những Router bốn trục thì có thêm một trục di chuyển thẳng. Với những Router
năm trục thì có thêm một chuyển động quay và góc quay. Các Router sáu trục
thường là các robot có khớp (articulated robot) được gắn một đầu dao cắt. Robot
chân khớp có các cánh tay với ba chuyển động quay.
CNC (computer number control), điều khiển số bằng máy tính, gồm một máy
tính điều khiển có nhiệm vụ đọc các dữ liệu từ phần mềm và điều khiển một máy
công cụ. CNC thực hiện công việc nội suy hướng chuyển động theo biên dạng
làm việc của dao cắt. Các tham số hoạt động của CNC có thể được chỉnh sửa
bằng một chương trình phần mềm. Router CNC là một phiên bản phát triển của
máy phay hoặc của máy tiện hoặc là sự tích hợp của cả hai loại máy đó. Kiều kết
cấu thường thấy của Router là Gantry-Style. Nói cách khác, Router CNC là sự
phát triển các hoạt động điều khiển bằng tay thông thường bằng các chuyển động
được điều khiển số bằng máy tính với các đặc tính như: vị trí, tốc độ…và một số
tham số máy khác.
Router CNC không phải là một kiểu máy mới xuất hiện. Nó ra đời cùng thời
điểm với các máy phay và máy tiện, nhưng nó lại không được sử dụng rộng rãi

như những máy khác. Ngày nay, Router CNC cũng đang dần phát triển dưới tác
động của ngành công nghiệp quảng cáo và trang trí. Càng phát triển thì chiếc
máy càng được quan tâm tới chất lượng, sự sáng tạo, độ chính xác, tốc độ và thời
gian gia công.
Router CNC có thể được sử dụng đồng bộ với các công cụ phần mềm đã được
phát triển như : CAD/CAM, Rapid Prototyping, Reverse Engineering, CMM,
Networking, Simulation, CAE, NC, DNC …
3. Đặc điểm về kết cấu của máy CNC

15


3.1 Đặc điểm chung
Sự thay đổi trong kết cấu chung của máy CNC chủ yếu do sự có mặt của bộ
điềukhiển. Một số đặc điểm dễ nhận thấy như sau:
Hệ truyền động cơ khí được chế tạo cứng vững, chính xác, giảm thiểu ma
sát. Các đường trượt thường được nhiệt luyện, phủ hợp kim giảm ma sát và mài
mòn hoặc dùng con lăn. Các truyền động vít me thường được dùng vít me - đai
ốc bi để giảm ma sát và triệt tiêu khe hở. Hệ thống hộ số, hộp tốc độ gần như
không còn vì các động cơ đều được điều khiển vô cấp.
Vùng làm việc của máy CNC thường được bao kín để đảm báo an toàn tối đa
cho người sử dụng. Việc thay dao, thay và kẹp phôi, tải phoi... thường được thực
hiện tự động.
Máy CNC hầu như không còn các tay quay, cần gạt cơ khí vì các chức năng
thay đổi chế độ gia công, dịch chuyển bàn máy (hoặc dao) đều được thực hiện tự
động hoặc dùng các phím điều khiển, tay quay điện tử.
Thay vì kết cấu đúc, hệ thống khung sườn của máy CNC thường có kết cấu
khung hàn, cho phép giảm khối lượng, ít bị biến dạng nhiệt mà vẫn cứng vững và
ổn định.
Các máy và các trung tâm gia công CNC thường được trang bị các hệ thống thay

dao tự động, cấp phôi tự động, tải phoi tự động. Vị trí của đài dao thường được
chuyển về phía sau máy để thuận tiện cho điều khiển và không cản trở quan sát
của công nhân. Băng máy tiện thường được đặt nghiêng để thăng độ ổn định,
giảm kích thước chiều ngang và dễ thoát phoi.
3.2 Hệ thống điều khiển trục chính
Cũng như trên các máy thông thường trục chính trên máy CNC đảm bảo
chuyển động cắt chính. Trên máy phay, đó là trục mang dao phay, còn trên máy
tiện là trục mang phôi. Trên máy mài, trục chính mang đá mài. Trục chính tiêu
tốn công suất lớn nhất trên máy. Vì vậy công suất trục chính thường được dùng
làm chỉ tiêu đánh giá công suất gia công của máy.

16


Yêu cầu cơ bản đối với trục chính là có khoảng thay đổi số vòng quay rộng,
với momen lớn, ổn định và khả năng quá tải cao. Để đảm bảo điều đó, trên
các máy thông thường người ta hay dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ
hoặc đồng bộ kèm hộp số cơ khí có cấp và vô cấp.
Trên máy CNC, tốc độ trục chính cần được điều khiển vô cấp, tự động theo
chương trình, trong phạm vi rộng. Điều đó rất cần thiết, nhất là khi thay đổi
đường kính dao phay hoặc đường kính phôi tiện mà lại cần duy trì vận tốc cắt
không đổi. Một số công việc, ví dụ gia công ren bằng đầu ta rô cứng, gia côngren
nhiều đầu mối,... còn đòi hỏi phải định vị chính xác góc trục chính. Từ các yêu
cầu trên, người ta sử dụng các loại động cơ dễ điều khiển tự động tốc độ, như
động cơ một chiều, xoay chiều đồng bộ. Gần đây, nhờ tiến bộ về kỹ thuật điều
khiển số, các động cơ không đồng bộ điều khiển bằng biến tần được sử dụng
rộng rãi. Khi cần định vị góc trục chính, người ta gẵn encoder lên trục động
cơ.So với trục chính của máy thông thường, trục chính của
máy CNC làm việc với tốc độ cao hơn (tới hàng vạn v/ph), thường xuyên có gia
tốc lớn. Vì vậy, yêu cầu cân bằng, bôi trơn đặc biệt cao hơn ở các máy CNC.

Ngoài ra, do nhu cầu thay dao nhanh, thay dao tự động, kết cấu kẹp dao trên máy
phay CNC khác so với máy thông thường. Cơ cấu kẹp dao, phôi trên các máy
CNC thường được điều khiển tự động bằng khí nén hoặc thuỷ lực
3.3 Hệ thống điều khiển chạy dao
Hệ thống chạy dao đảm bảo chuyển động tạo hình, nên nó quyết định khả
năng công nghệ (tức là kích thước, hình dạng, độ chính xác của bề mặt gia công)
của máy. Trên thực tế, chuyển động tạo hình có thể do dao hoặc phôi thực hiện,
nhưng người ta quy ước trong mọi trường hợp coi bàn máy đứng yên, còn dao
chuyển động.
So với các hệ thống khác, hệ thống chạy dao của máy CNC có nhiều thay đổi
nhất sovới máy thông thường.
Sự thay đổi rõ nhất là mỗi trục chạy dao được điều khiển bằng một động cơ

17


riờng. S phi hp gia cỏc chuyn ng to hỡnh theo cỏc phng l do b iu
khin m nhim. H thng truyn ng c khớ liờn kt ng hc gia cỏc trc,
kể cả các tay quay là không cần thiết. Trên máy phay, thường có 3 trục được điều
khiển là X,Y,Z. Tuy nhiên, số trục điều khiển có thể nhiều hơn (4, 5, 6 trục hoặc
hơn) để tạo ra các bề mặt phức tạp hoặc để cải thiện chất lượng gia công. Trên
máy tiện, số trục điều khiển thường

V trớ ca c cu vớt me - ai c bi

Trc to trờn mỏy CNC

Cỏc mỏy hin i v cỏc trung tõm gia cụng thng cú ti 4, 5, 6 trc iu
khin hoc hn. Chỳng cú th l trc quay hoc tnh tin. Theo tiờu chun quc
t, ngi ta t tờn 3 trc quay quanh cỏc trc X, Y, Z l A, B, C. Nu cú cỏc trc

18


tịnh tiến song song với X, Y, Z thì người ta gọi chúng là U, V, W .
Để đảm bảo độ chính xác và êm dịu chuyển động, trong các xích truyền
động cơ khí của máy CNC đều dùng cơ cấu vít me - đai ốc bi (H3.4).

Một đầu của trục vít me có lắp động cơ truyền động 1. Động cơ thường được
lắp trực tiếp hoặc qua bộ truyền đai răng, có khả năng truyền động êm và chống
trượt. Một đầu của trục có thể (nếu không dùng thước thẳng) được gắn thiết bị đo
vị trí, encoder quay 3. Bàn máy 2 được gắn trên đai ốc 5.Với mục đích khử khe
hở, đảm bảo độ êm dịu chuyển động khi đảo chiều và tăng độ cứng vững của hệ
thống, người ta thường tạo sức căng giữa vít me và đai ốc nhờ lực kẹp giữa 2 nửa
của đai ốc bi 1. Lực căng và khe hở được hiệu chỉnh nhờ thay đổi chiều dày của
vòng cách 2.
Kể cả sau khi đã áp dụng các biện pháp trên thì vẫn còn sai số chế tạo cơ khí,
ví dụ sai số bước vít me, hoặc sai số do biến dạng cơ và biến dạng nhiệt khi gia
công. Phần lớn các bộ điều khiển hiện đại đều có khả năng bù khe hở và sai số cơ
khí nói trên. Tuy nhiên xác định giá trị các sai số và quy luật thay đổi của chúng
là việc làm phải rất tỷ mỷ và tốn công.
Chuyển động của các trục được điều khiển tự động từ chương trình. Trên các
máy không đòi hỏi độ chính xác cao thường dùng động cơ bước. Hệ điều khiển
dùng động cơ bước được gọi là hệ điều khiển hở, vì không có mạch phản hồi vị
trí. Góc quay của động cơ phụ thuộc số xung và tần số phát xung của bộ điều
khiển. Ưu điểm của hệ điều khiển dùng động cơ bước là đơn giản và rẻ tiền.

19

Nhược điểm chính của nó là độ chính xác thấp và công suất nhỏ. Công suất
truyền động có thể tăng nếu dùng động cơ bước kết hợp với hệ thống thuỷ lực,
nhưng độ chính xác thì không thể tăng được. Trên các máy CNC công nghiệp
thường dùng hệ thống điều khiển kín, nghĩa là phải có hệ thống đo và phản hồi vị
trí.
Có 2 phương pháp đo, là đo trực tiếp và đo gián tiếp. Hình 1.8 là sơ đồ đo
trực tiếp dịch chuyển của bàn máy. Thước quang 2 được gắn trực tiếp lên bàn
máy và chuyển động theo bàn máy. Khi bàn máy chuyển động, thước thường
xhận tín hiệu và chuyển về bộ điều khiển để so sánh với giá trịg. Đầu thu 1 tiếp
nn sẽ đưa ra lệnh điều khiển cơ cấu chạy dao theo xu hướng giảm sai lệch giữa
giá trị thực và giá trị đặt, cho đến khi giá trị sai lệch nằm trong giới hạn c vào. Bộ
điềuk hiểuyên phát ra tín hiệu về toạ độ thực của bàn máy dưới dạng xun ho
phép. Phương pháp đo trực tiếp đạt độ chính xác cao vì khử được sai số của xích
truyền động cơ khí.

Hệ thống đo lường trực tiếp

Hệ thống đo gián tiếp

Nếu thiết bị đo không gắn trực tiếp lên đối tượng đo mà qua một khâu truyền
động trung gian nào đó thì chúng ta có hệ thống đo gián tiếp. Ví dụ, cùng để đo
dịch chuyểncủa bàn máy có thể dùng một encoder quay gắn lên đầu trục vít me.
Chuyển động tịnh tiến của bàn máy 1 được biến thành chuyển động quay của
trục vít me 3 (và của đĩa quang 2) qua bộ truyền vít me - đai ốc. Góc quay của
đĩa 2, đại diện cho chuyển động của bàn máy, được dùng làm tín hiệu phản hồi.
Phép đo gián tiếp nói trên phạm phải sai số trên khâu trung gian là vít me - đai
ốc.

20

Tuỳ theo phương pháp khắc vạch trên đĩa quang, chúng ta phân biệt phương
pháp đo tuyệt đối và phương pháp đo theo gia số. Thước đo tuyệt đối được khắc
theo mã nhị phân. Mỗi điểm trên thước mang một mã riêng, tương ứng với
khoảng cách từ điểm đó đến gốc M. Sensor thu chỉ cần nhận được mã tại vị trí
của bàn máy là biết ngay toạ độ thực của nó.

Sơ đồ khắc vạch trên thước đo theo
gia số

Sơ đồ khắc vạch trên thước đo tuyệt
đối

Trên thước đo theo gia số chỉ khắc các vạch đơn giản, tạo thành các vùng
sáng và tối xen kẽ nhau. Khoảng dịch chuyển của bàn máy từ điểm xuất phát 2
đến điểm đích 3 được đánh giá bằng số khoảng sáng - tối trong đó. Vị trí của
điểm 2 lại được xác định bằng khoảng cách đến một điểm do nhà chế tạo máy
công cụ quy định, gọi là điểm gốc (Reference Point). Như vậy, trong trường hợp
đo tuyệt đối bộ điều khiển luôn luôn nhận được mã vị trí của bàn máy, còn khi đo
theo gia số thì nó nhận được số xung phát ra khi bàn máy dịch chuyển khỏi điểm
xuất phát. Điểm Reference đóng vai trò như cột cây số trên đường, nếu không có
nó thì bộ điều khiển không thể biết được bàn máy đang ở đâu. Chính vì vậy mà
trước khi điều khiển máy, bộ điều khiển luôn luôn nhắc người dùng chạy bàn
máy về điểm Reference. Đó cũng là động tác bắt buộc sau khi bộ điều khiển bị
tắt do mất điện hoặc dừng máy sự cố.
Trên các thước đo theo gia số hiện nay không chỉ có 1 mà nhiều điểm

21

Reference. Ví dụ, trên thước do hãng Heidenhain (Đức) sản xuất, cứ khoảng 20
mm là có một vạch Reference. Điều đó giảm được quãng đường và thời gian chờ
quy không vị trí bàn máy.
Toàn bộ những điều nói trên về thước thẳng cũng đúng cho thước quay.
3.4 Thiết bị gỏ kẹp
Về cơ bản, cơ cấu kẹp chi tiết trên máy CNC không khác với trên máy
thông thường.
Một số điểm khác có thể có do các nguyên nhân:
Máy CNC làm việc ở tốc độ cao, gia tốc góc lớn. Vì vậy độ cân bằng
động phải rất cao để giảm lực ly tâm cũng như rung động. Hệ thống ổ và bôi
trơn cũng phải có khả năng làm việc ở tốc độ cao.
Hệ thống kẹp phải có khả năng được điều khiển tự động. Ví dụ, trên các
máy CNC, hệ thống kẹp tự động dùng điện cơ, thuỷ lực, khí nén tác động nhanh
từ chương trình hoặc từ robot hay được dùng.
Thường cơ cấu kẹp phôi được nối ghép và làm việc với cơ cấu cấp phôi tự
động
3.5 Hệ thống thay dao
Nhiệm vụ của hệ thống thay dao là cất trữ được một số lượng dao cần thiết
và đưa nhanh mỗi dao vào vị trí làm việc khi có yêu cầu. Các máy CNC hiện đại
thường đượctrang bị hệ thống thay dao tự động theo chương trình (Automatic
Tool Changer - ATC).
Yêu cầu cơ bản đối với hệ thống thay dao là:độ cứng vững của dao ảnh
hưởng trực tiếp đến năng suất và chất lượng gia công.
Quản lý và thay đổi chính xác dụng cụ theo chương trình. Mỗi dụng cụ đều
có các đặc trưng hình học và cơ học riêng. Nếu hệ thống lắp nhầm dụng cụ thì
không chỉ ảnh hưởng đến năng suất, chất lượng gia công mà còn gây nguy hiểm.
Trên máy CNC, mỗi dụng cụ được đặc trưng bởi một mã riêng. Mã đó cùng với

22

các thông số bù dao được lưu trữ trong một CSDL đặc biệt. Bình thường các dao
được lắp sẵn trên đài dao, tại một vị trí xác định. Khi dao được đưa vào vị trí làm
việc thì bộ điều khiển phải tham chiếu đến dữ liệu của nó để tính toán lượng bù.
Hỡnh dưới bờn trỏi là dạng và các thông số hình học chính của dao phay.
Vị trí của dao được bộ điều khiển xác định qua toạ độ điểm B, nằm trên mặt đầu
của trục gá dao và đường tâm lỗ gá. Chiều dài dao L và bán kính dao R xác định
vị trí của các lưỡi cắt, được gọi là thông số bù dao. Tuỳ theo dao to hay nhỏ, dài
hay ngắn mà bộ điều khiển tính toán để đảm bảo kích thước gia công.

Thông số bù của dao phay

Thông số bù của dao tiện

Tương tự như vậy, kết cấu và các thông số bù dao tiện được biểu diễn trong
hỡnh bờn phải. Chúng gồm khoảng cách từ mũi dao đến điểm gốc tính theo hai
phương X, Z và bán kính mũi dao. Chi tiết về nguyên tắc bù dao sẽ được trình
bày ở chương sau.
Yêu cầu thứ hai của hệ thống thay dao là thay nhanh để giảm thời gian
chờ.Thường dao được cất giữ dưới 2 dạng: đầu quay dạng đĩa (như đài revolver)
và kho chứa(gọi là Tool Magazine).
Đài revolver có dạng đĩa hay được dùng trên máy tiện, nhưng đôi khi
cũngdùng cho máy phay. Các dao được lắp trên mặt ngoài hoặc trên mặt đầu của
đĩa quay. Đĩa có động cơ truyền động riêng, được điều khiển theo chương trình.
Khi một dao nào đó được gọi theo lệnh trong chương trình thì đài sẽ quay cho
đến khi dao đó ở vị trí chờ gia công. Thường thời gian thay dao chỉ tính bằng

23