Thiết kế, chế tạo máy phay CNC ba chiều gia công đồ gỗ mỹ nghệ

Luận văn thạc sỹ khoa học
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn với đề tài: “Thiết kế chế tạo máy phay ba
chiều CNC gia công đồ gỗ mỹ nghệ” do tôi tự thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn khoa
học của TS. Vũ Lê Huy. Các số liệu và kết quả hoàn toàn trung thực.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu điều đó không đúng sự thật

Học viên thực hiện

Phạm Biên Thùy

I


Luận văn thạc sỹ khoa học
MỤC LỤC
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .......................................................... 1
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. 3
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... 3
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 8
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC ........................................................... 10
1.1. Lịch sử phát triển máy CNC ...........................................................................10
1.2. Cấu trúc Máy CNC. ........................................................................................13
1.2.1. Trục tọa độ máy CNC ..............................................................................13
1.2.2. Các điểm gốc ............................................................................................16
1.2.3. Cấu trúc máy CNC ...................................................................................18
1.3. Lựa chọn phƣơng án thiết kế ..........................................................................23
1.3.1. Khảo sát máy CNC gia công đồ thủ công mỹ nghệ. ................................23
1.3.2. Lựa chọn phƣơng án thiết kế. ...................................................................26
CHƢƠNG 2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ ..................................................... 30
2.1. Tính toán chế độ cắt ........................................................................................30

2.1.1. Chế độ gia công thô ..................................................................................30
2.1.2. Chế độ gia công tinh .................................................................................31
2.1.3. Tính toán lực cắt khi gia công thô ............................................................32
2.2. Tính lực và công suất các trục X, Y, Z ...........................................................33
2.3. Tính toán, lựa chọn trục vít me. ......................................................................35
2.3.1. Tính toán trục vít me ................................................................................35
2.3.2. Kiểm nghiệm vít me .................................................................................39

II


Luận văn thạc sỹ khoa học
2.3.4. Tính toán ứng suất trên trục vít ................................................................43
2.3.5. Tính chọn ổ lăn .........................................................................................43
2.4. Tính toán trục dẫn hƣớng................................................................................48
2.5. Thiết kế và chế tạo máy CNC .........................................................................50
CHƢƠNG 3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC ............................................ 54
3.1. Vi điều khiển AVR Atmega 16 ......................................................................55
3.1.1. Cấu trúc của vi điều khiển AVR Atmega 16 ............................................55
3.1.2. Mạch điều khiển sử dụng AVR Atmega 16. ............................................56
3.2. Mạch cống suất. ..............................................................................................59
3.2.1. Mô đun TB6560 .......................................................................................60
3.2.2. Kết nối mạch công suất với mạch điều khiển và động cơ bƣớc...............62
3.3. Ghép nối máy tính ..........................................................................................63
3.3.1. Ghép nối bằng Slot- Card .........................................................................64
3.3.2. Ghép nối song song ..................................................................................65
3.3.3. Ghép nối nối tiếp ......................................................................................66
3.3.4. So sánh và lựa chọn cách ghép nối...........................................................68
3.4. Thiết lập gốc máy. ..........................................................................................68
3.5. Lập trình hệ thống điều khiển máy CNC. .......................................................70

3.5.1. Phân mềm lập trình và biên dịch chíp AVR.............................................71
3.5.2. Chƣơng trình điều khiển ...........................................................................75
CHƢƠNG 4. CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC ..... 80
4.1. Phân tích chƣơng trình NC. ............................................................................81
4.1.1. Cấu trúc chƣơng trình NC ........................................................................81

III


Luận văn thạc sỹ khoa học
4.1.2. Định địa chỉ và cơ cấu từ ..........................................................................81
4.1.3. Cơ cấu câu lệnh ........................................................................................82
4.2. Thuật toán và chƣơng trình biên dịch mã G. ..................................................83
4.2.1. Thuật toán nội suy ....................................................................................83
4.2.2. Chƣơng trình biên dịch mã G ...................................................................86
4.3. Chƣơng trình mô phỏng và điều khiển máy CNC ..........................................89
4.3.1. Chƣơng trình điều khiển máy CNC..........................................................89
4.3.2. Chƣơng trình mô phỏng hoạt động máy phay CNC 3 chiều ....................93
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ........................................................................... 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................100
PHỤ LỤC ................................................................................................................101

IV


Luận văn thạc sỹ khoa học

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu, chữ viết tắt

Ý nghĩa

ADC

Analog Digital ChangeNumerical control

NC

Numerical Control

CAM

Computer aided manufacturing

CNC

Computer numerical control

CM

Center Manufacturing

CAPP

Computer aided production planning

CAD

Computer Aided design

CAQ

Computer aided quality

FMS

Flexible manufacturing factory

GND

Cực nối đất

MUM

Method unman manufacturing

IR

Industrial Robot

IC

Integrated Circuit, vi mạch hay mạch tích hợp

I2C

Two-Wire-Serial , truyền dữ liệu song song của vi điều

PORT

khiển

SPI

Cổng tín hiệu vào ra của vi điều khiển

EEPROM

Serial Peripheral Interface, giao tiếp nối tiếp

SRAM

Bộ nhớ lƣu trữ trong ROM, có thể lập trình đƣợc

PWM

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh.

UART

Pulse Width Modulation, điều chế biên độ rộng xung

1


Luận văn thạc sỹ khoa học
Vcc

Kiểu truyền dữ liệu nối tiếp của vi điều khiển

XTAL

Cực nguồn +5V

a

Chân vi điều khiển kết nối với dao động thạch anh

dr

Gia tốc của bàn máy

f

Đƣờng kính chân ren của trục vít me bi

Lh

Hệ số ma sát

mp

Thời gian làm việc của máy

mX, mY, mZ

Khối lƣợng phôi gia công

Mx

Khối lƣợng cụm truyền động theo các trục X, Y, Z



Mô men xoắn trên trục

n

Hiệu suất động cơ

Ne

Tốc độ quay trục chính

Ndc

Công suất cần thiết

Pr

Công suất động cơ

Pz

Thành phần lực hƣớng kính của dao phay

V

Thành phần lực tiếp tuyến của dao phay
Tốc độ cắt

2


Luận văn thạc sỹ khoa học
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Lịch sử phát triển của CNC .......................................................................12
Hình 1.2. Hệ trục toạ độ của máy CNC và quy tắc bàn tay phải ..............................14
Hình 1.3. Điều khiển trục trên máy tiện và máy phay CNC .....................................14
Hình 1.4. Hệ toạ độ trên máy CNC ...........................................................................15
Hình 1.5. Hệ toạ độ của máy CNC ...........................................................................16
Hình 1.6. Điểm gốc M của máy ................................................................................17
Hình 1.7. Điểm gốc của chi tiết (W) .........................................................................17
Hình 1.8. Điểm gốc O của chƣơng trình ...................................................................18
Hình 1.9. Hệ thống điều khiển trục chính trên máy phay CNC ................................19
Hình 1.10. Máy phay CNC .......................................................................................21
Hình 1.11. Vít me – đai ốc bi ....................................................................................22
Hình 1.12. Hệ thống chạy dao trên máy CNC ..........................................................23
Hình 1.13. Một số hình ảnh sản phẩm gia công trên máy phay CNC khắc gỗ .........24
Hình 1.14. Hình ảnh máy phay CNC khắc gỗ JD – 2018 SV ..................................25
Hình 1.15. Cụm truyền động của trục Y, kết cấu bánh răng- thanh răng. ................25
Hình 1.16. Cụm truyền động trục Z, kết cấu vit me – đai ốc bi...............................26
Hình 1.17. Kết cấu ray dẫn hƣớng trên máy phay CNC JD - 2018 SV ....................26
Hình 1.18. Sơ đồ động học máy phay CNC điêu khắc gỗ .......................................28
Hình 2.1. Dao phay dùng trên máy phay gỗ CNC ba chiều......................................30
Hình 2.2. Sơ đồ tĩnh lực cắt khi phay........................................................................33
Hình 2.3. Khớp nối mềm động cơ .............................................................................41
Hình 2.4. Sơ đồ đặt lực lên đai ốc .............................................................................42

3

Luận văn thạc sỹ khoa học
Hình 2.5. Sơ đồ lực tác dụng trên trục vít me Y .......................................................44
Hình 2.6. Sơ đồ lực tác dụng lên gối ổ trục Y ..........................................................45
Hình 2.7. Sơ đồ lực tác dụng lên trục X ....................................................................48
Hình 2.8. Mô hình thiết kế máy CNC ba chiều bằng phần mềm Solidwork ............50
Hình 2.9. Cụm trục X của máy phay CNC ba chiều .................................................51
Hình 2.10. Cụm trục Z của máy phay CNC ba chiều ...............................................52
Hình 2.11. Bàn máy phay CNC ba chiều ..................................................................52
Hình 2.12. Máy phay CNC ba chiều đã đƣợc chế tạo...............................................53
Hình 3.1. Sơ đồ ghép nối hệ thống điều khiển ..........................................................54
Hình 3.2. Chíp AVR Atmega 16 ...............................................................................55
Hình 3.3. Cách nối chân Vref ...................................................................................56
Hình 3.4. Khối nguồn ................................................................................................56
Hình 3.5. Sơ đồ mạch điểu khiển sử dụng chip AVR Atmega 16 ............................58
Hinh 3.6. Mạch điều khiển sử dụng Atmega 16 .......................................................58
Hình 3.7. Cổng và chân cắm kết nối mạch điều khiển và mạch công suất ...............59
Hình 3.8. Sơ đồ kết nối mạch công suất ...................................................................59
Hình 3.9. Sơ đồ mạch công suất sử dụng chip TB6560 ............................................60
Hình 3.10. Sơ đồ kết nối module TB6560 với mạch điều khiển, động cơ bƣớc ......62
Hình 3.11. Sơ đồ dây điều khiển động cơ bƣớc ........................................................63
Hình 3.12. Mạch công suất sử dụng chíp TB6560....................................................63
Hình 3.13. Hai loại phích cắm cổng Com .................................................................67
Hình 3.14. Cấu tạo và sơ đồ nối tín hiệu điều khiển của công tắc hành trình ..........69
Hình 3.15. Vị trí gốc máy CNC ba chiều ..................................................................70

4

Luận văn thạc sỹ khoa học
Hình 3.16. Giao diện của phần mềm codevision ......................................................71
Hình 3.17. Tạo project mới trên codevision .............................................................71
Hình 3.18.Các thẻ trong giao diện ............................................................................72
Hình 3.19. Thẻ thiết lập thông số về loại chip tần số hoạt động ...............................73
Hình 3.20. Cài đặt các PORT và Timer ....................................................................73
Hình 3.21. Thiết lập USART ....................................................................................74
Hình 3.22. Chế độ xem trƣớc ....................................................................................74
Hình 3.23. Sơ đồ hoạt động của ngắt tràn .................................................................76
Hình 3.24. Lƣu đồ thuật toán chƣơng trình điều khiển .............................................78
Hình 4.1. Đồ thị mô tả nội suy (a) đƣờng thẳng và (b) cung tròn trên quỹ đạo
chuyển động của dụng cụ cắt ....................................................................................84
Hình 4.2. Lƣu đồ tổng quát quá trình nội suy và điều khiển ....................................87
Hình 4.3. Lƣu đồ thuật toán biên dịch mã G ............................................................88
Hình 4.4. Lƣu đồ thuật toán chƣơng trình................................................................89
Hình 4.5. Tạo mẫu gia công trên phần mềm JDpaint ...............................................91
Hình 4.6. Kết quả tạo file gia công từ file ảnh ..........................................................91
Hình 4.7. Lựa chọn chế độ gia công trong phần mềm JDpaint.................................92
Hình 4.8. Xuất file mã G trong phần mềm JDpaint ..................................................93
Hình 4.9. Giao diện điều khiển và mô phỏng máy phay gia công gỗ 3 chiều ..........93
Hình 4.10. Thanh menu điều khiển máy phay ba chiều ............................................94
Hình 4.11. Menu thiết lập thống số hình học của phôi .............................................94
Hình 4.12. Giao diện lựa chọn dụng cụ gia công ......................................................95
Hình 4.13. Menu lựa chọn hƣớng quan sát quá trình mô phỏng máy phay ..............95

5


Luận văn thạc sỹ khoa học
Hình 4.14. Chức năng hiển thị tọa độ dụng cụ gia công ...........................................96

Hình 4.15. Chức năng điều khiển các trục chính, thiết lập cổng liên kết máy tính ..96
Hình 4.16. Giao diện lựa chọn thiết lập tốc độ chạy dao ..........................................97
Hình 4.17. Một số sản phẩm đã gia công trên máy phay CNC ba chiều ..................97

6


Luận văn thạc sỹ khoa học
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Thông số của động cơ dẫn động 3 trục .....................................................34
Bảng 2.2. Chế độ làm việc của trục X ......................................................................35
Bảng 2.3. Chế độ làm việc của trục Y ......................................................................36
Bảng 2.4. Chế độ làm việc của trục Z .......................................................................36
Bảng 2.5. Thông số Vít me 3 trục .............................................................................39
Bảng 2.6. Tính chọn ổ lăn .........................................................................................43
Bảng 3.1. Điều chỉnh chế độ bƣớc của động cơ bƣớc (EXCT MODE) ...................61
Bảng 3.2. Điều chỉnh cƣờng độ dòng điện của tải bằng công tắc (Torque) .............61
Bảng 3.3. Điều chỉnh cƣờng độ dòng điện dùng công tắc Decay .............................62
Bảng 3.4. Sơ đồ kết nối chân của hai loại cổng COM ..............................................67
Bảng 3.5. Bảng so sánh các dạng truyền thông điều khiển ghép nối máy tính.........68
Bảng 4.1: Cơ cấu chƣơng trình NC ...........................................................................81

7


Luận văn thạc sỹ khoa học
MỞ ĐẦU
Hiện nay, tại các làng nghề đồ gỗ mỹ nghệ vẫn sử dụng phƣơng pháp gia công
đồ gỗ truyền thống nên chất lƣợng sản phẩm phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của
ngƣời thợ. Quá trình chuyển sang sử dụng các máy công cụ điều khiển số CNC

(Computer Numerical Control) đã bắt đầu đƣợc ứng dụng, tuy nhiên giá thành của
các máy này còn quá cao so với khả năng đầu tƣ của các cơ sở sản xuất đồ gỗ mỹ
nghệ. Mặt khác các máy gia công đồ gỗ CNC này đƣợc điều khiển bởi các phần
mềm bằng tiếng nƣớc ngoài nên gây khó khăn rất lớn cho ngƣời thợ.
Trƣớc thực tiễn này tại các làng nghề, và trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ
khoa học với đề tài “Thiết kế chế tạo máy phay ba chiều CNC gia công đồ gỗ mỹ
nghệ ”. Đề tài này đi vào thiết kế chế tạo máy phay ba chiều CNC gia công đồ gỗ
mỹ nghệ phục vụ cho các làng nghề đồ gỗ truyền thống. Sản phẩm của đề tài sẽ
đƣợc ứng dụng thử nghiệm cụ thể tại làng nghề đồ gỗ Vạn Điểm, Thƣờng Tín, Hà
Nội.
Dƣới sự hƣớng dẫn tận tình của TS. Vũ Lê Huy – Bộ môn Cơ sở Thiết kế
máy và Robot, cùng với sự giúp đỡ các sinh viên K55, K56 ngành Cơ điện tử - Đại
học Bách Khoa Hà Nội và nỗ lực của bản thân, tôi đã hoàn thành luận văn thạc sỹ
khoa học với đề tài “Thiết kế chế tạo máy phay ba chiều CNC gia công đồ gỗ mỹ
nghệ ”. Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu khó tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất
mong đƣợc các đóng góp ý kiến để luận văn hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Vũ Lê Huy, các đồng nghiệp, bạn bè, các em
sinh viên K55, K56 chuyên ngành Cơ điện tử - Đại học Bách Khoa Hà Nội và gia
đình đã hƣớng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.
Hà Nội, ngày 06 tháng 08 năm 2015
Học viên

8


Luận văn thạc sỹ khoa học
Phạm Biên Thuy

9

Luận văn thạc sỹ khoa học
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC
1.1. Lịch sử phát triển máy CNC
Ý tƣởng điều khiển một dụng cụ thông qua một chuỗi lệnh kế tiếp liên tục, mà
chúng đƣợc ứng dụng trong các máy điều khiển NC ngày nay, thực ra trƣớc đó
đƣợc phát kiến từ thế kỷ 14, bắt đầu từ những cụm chuông đƣợc điều khiển bởi các
trục đục lỗ và nó đƣợc phát triển và hoàn thiện dần cho đến ngày nay. [2]
Năm 1808, Toseph M.Jacquard đã dùng những tấm bìa đục lỗ để điều khiển
tự động các máy dệt. Những “vật mang tin thay đổi đƣợc” đã ra đời .
Năm 1863, M.Fourneaux đăng ký bằng phát minh “đàn dƣơng cầm tự động”,
nổi tiếng thế giới với tên gọi Pianola, trong đó dùng một băng giấy có chiều rộng
khoảng 30 cm đục các lỗ theo vị trí tƣơng thích để điều khiển luồng khí nén tác
động vào các phím bấm cơ khí. Băng giấy đục lỗ dùng làm vật mang tin đó đƣợc
phát kiến.
Năm 1938, Claude Shannon bảo vệ luận án tiến sỹ ở Viện công nghệ MIT với
nội dung tính toán chuyển giao dữ liệu dạng nhị phân là cơ sở khoa học cho các
máy tính hiện nay.
Năm 1946, tiến sỹ John W Mauchly đã cung cấp máy tính số điện tử đầu tiên
có tên ENIAC cho quân đội Mỹ chế tạo máy công cụ với 4 luận điểm:
- Lƣu trữ các vị trí đã tính toán ở bìa đục lỗ.
- Các bìa đục lỗ đọc tự động trên máy.
- Các vị trí đọc phải thông báo liên tục và các giá trị trung gian bổ xung phải
đƣợc tính toán.
- Sử dụng động cơ SERVO điều khiển chuyển động của các trục.
Năm 1954, Bendix đã mua bản quyền của Pasons và chế tạo ra bộ điều khiển
NC hoàn chỉnh đầu tiên có sử dụng các bóng điện tử và cũng vào thời điểm này sự
phát triển của ngôn ngữ biểu trƣng đƣợc gọi là ngôn ngữ lập trình tự động APT.

10

Luận văn thạc sỹ khoa học
Năm 1957, không quân Mỹ đã trang bị những máy NC đầu tiên ở xƣởng.
Năm 1960, kỹ thuật bán dẫn thay thế cho hệ thống điều khiển xung rơle, đèn
điện tử.
Năm 1965, giải pháp thay dụng cụ tự động ATC (Automatic Tool Changer)
đƣợc phát minh.
Năm 1968, kỹ thuật mạch tích hợp IC ra đời có độ tin cậy cao hơn.
Năm 1972, hệ điều khiển NC đầu tiên có lắp đặt máy tính nhỏ.
Năm 1979, hình thành khớp nối liên hoàn CAD/CAM – CNC.
Năm 1980, trong khi phát triển các công cụ trợ giúp lập trình tích hợp CNC,
xuất hiện một “cuộc chiến lòng tin” ủng hộ hay chống đối giải pháp điều khiển qua
cấp lệnh bằng tay.
Năm 1984, hệ điều khiển CNC có công năng mạnh mẽ, đƣợc trang bị các công
cụ trợ giúp lập trình đồ họa tiến thêm một bƣớc phát triển mới “lập trình tại phân
xƣởng”.
Năm 1986-1987, các giao diện tiêu chuẩn hoá ( Inteface) mở ra con đƣờng tiến
tới các xí nghiệp tự động trên cơ sở một hệ thống trao đổi thông tin liên thông: CIM
(Computer Integrated Manufacturing)
Năm 1990, các giao diện số giữa điều khiển NC và hệ truyền động cải thiện độ
chính xác và đặc tính điều chỉnh của các trục điều khiển NC và trục chính của máy.
Năm 1992, các hệ thống CNC hở (Open – ended Control) tạo khả năng và
biến đổi thích ứng theo yêu cầu sử dụng.
Năm 1993, sử dụng theo tiêu chuẩn các hệ thống khởi động cơ tuyến tính ở
các trung tâm gia công MC ( Manufacturing centers ).
Năm 1994, khép kín chuỗi quá trình CAD/CAM/CNC bằng cách sử dụng hệ
NURBS (Not Uniformed Rationale B – Splines) làm phƣơng pháp nội suy
(interpolation method ) trong các hệ CNC. NURBS là phƣơng pháp dùng để diễn tả

11


Luận văn thạc sỹ khoa học
toán học đối với các bề mặt thông thƣờng và các bề mặt đặc biệt bằng các điểm và
các thông số (parameters) tạo thành mô hình lƣới gồm nhiều nút để diễn tả bề mặt
đạt độ mịn và độ sắc nét cao. Những hệ thống CAD/CAM mới xử lý trực tiếp
NURBS, đƣợc truy cập trực tiếp từ hệ CAD. Trong hệ CNC, giải pháp này giảm
đƣợc khối lƣợng dữ liệu, nâng cao độ chính xác và tốc độ xử lý tạo ra chuyển động
đều đặn của máy, tăng tuổi thọ của máy và dụng cụ.
Ngày nay các máy công cụ CNC đã hoàn thiện hơn với tính năng vƣợt trội có
thể gia công hoàn chỉnh chi tiết trên một máy gia công, với số lần gá đặt ít nhất. Đặc
biệt chúng có thể gia công các chi tiết có bề mặt phức tạp. Cùng với sự phát triển
của điện tử, công nghệ thông tin các chức năng tính toán trong hệ thống CNC ngày
càng hoàn thiện và đạt tốc độ xử lý cao nhờ ứng dụng những thành tựu phát triển
của vi xử lý. Các hệ thống CNC đƣợc chế tạo hàng loạt lớn theo phƣơng thức xử lý
đa chức năng dùng cho nhiều mục đích điều khiển khác nhau.

MUM
ROBOT
CIM
FMS
CM

CAPP
CAM

CNC
NC

1945-1950 1960-1965

CAQ

IR

CAD

2000

Hình 1.1. Lịch sử phát triển của CNC
Vật mang tin từ băng đục lỗ, băng từ đĩa từ, tới đĩa compact (CD) có dung
lƣợng nhớ lớn, độ tin cậy ngày càng cao. Việc cài đặt các cụm vi xử lý trực tiếp vào
hệ NC để trở thành hệ CNC đó tạo điều kiện ứng dụng máy công cụ CNC ngay cả
trong xí nghiệp nhỏ không có phòng lập trình riêng, ngƣời lập trình có thể lập trình
ngay trên máy. Dữ liệu nạp vào, nội dung lƣu trữ, thông báo về đều đƣợc hiển thị

12


Luận văn thạc sỹ khoa học
trên màn hình. Màn hình ban đầu là đen trắng nay đã dùng màn hình màu đồ hoạ,
biên dạng của chi tiết gia công, chuyển động của dao cụ đều đƣợc hiển thị.
1.2. Cấu trúc Máy CNC.
1.2.1. Trục tọa độ máy CNC
Để có thể xác định tƣơng quan hình học trong vùng làm việc của máy, trong
phạm vi chi tiết gia công, ngƣời ta đƣa vào các hệ toạ độ và các điểm gốc chuẩn,
các chiều chuyển động chính của máy công cụ CNC đƣợc xác đinh bởi hệ toạ độ
vuông góc (quy tắc bàn tay phải) [2, 7]. Hệ toạ độ này luôn gắn trên chi tiết gia
công. Khi lập trình chi tiết đƣợc coi là đứng yên, dụng cụ cắt chuyển động.

Các trục quay tƣơng ứng với X,Y, Z đƣợc kí hiệu là A, B, C chiều quay
dƣơng (positive) ứng với chiều quay thuận của kim đồng hồ khi nhìn dọc theo chiều
dƣơng của trục tịnh tiến .
Để bố trí thứ tự các trục toạ độ hợp với các điểm chuyển động của máy, tiêu
chuẩn DIN 66217 quy định nhƣ sau.
* Trục Z:
Hầu hết ở tất cả các máy CNC trục Z luôn song song với trục chính của máy.
Nếu máy có trục chính cố định, không xoay nghiêng đƣợc, thì trục Z nằm
song song với trục chính công tác hoặc chính là đƣờng tâm trục đó.
Nếu trục chính xoay nghiêng đƣợc và chỉ có một vị trí xoay nghiêng song
song với một trục toạ độ nào đó, thì chính trục toạ độ đó là trục Z.
Nếu trục chính xoay nghiêng đƣợc song song với nhiều trục toạ độ khác
nhau thì trục Z là trục vuông góc với bàn kẹp chi tiết chính của máy.
Nếu trục chính xoay nghiêng đƣợc theo một hƣớng nghiêng với chính nó thì
trục này ký hiệu là W.
Máy có nhiều trục chính công tác, ta sẽ chọn một trong số đó là trục chính
theo cách ƣu tiên, trục nào có đƣờng tâm vuông góc với bàn kẹp chi tiết.

13


Luận văn thạc sỹ khoa học
+ Máy tiện: trục Z song song với trục chính của máy và có chiều dƣơng
chạy từ trái sang phải.

Hình 1.2. Hệ trục toạ độ của máy CNC và quy tắc bàn tay phải
Máy phay đứng, máy khoan đứng: trục Z song song với các trục chính và có
chiều dƣơng hƣớng từ phía bàn máy lên phía trục chính.
Máy bào, máy xung điện: trục Z vuông góc với bàn máy và có chiều dƣơng
hƣớng từ phía bàn máy lên trên.

Các máy phay có nhiều trục chính: trục Z song song với đƣờng tâm trục
chính vuông góc với bàn máy (chọn trục chính có đƣờng tâm vuông góc với bàn
máy làm trục Z). Chiều dƣơng trục Z hƣớng từ bàn máy tới trục chính .

Hình 1.3. Điều khiển trục trên máy tiện và máy phay CNC

14


Luận văn thạc sỹ khoa học
* Trục X
Trục X là trục nằm trên mặt bàn máy và thông thƣờng nó đƣợc xác định theo
phƣơng nằm ngang. Chiều của trục X đƣợc xác định theo quy tắc bàn tay phải, ngón
tay cái chỉ chiều dƣơng của trục X.
Máy phay đứng, máy khoan đứng: nếu đứng ngoài nhìn vào thì chiều dƣơng
trục X hƣớng về phía bên phải.
Máy phay ngang: nếu đứng ngoài nhìn thẳng vào trục chính thì chiều dƣơng
của trục chính hƣớng về phía bên trái, nếu đứng ở phía trục chính để nhìn vào chi
tiết thì chiều dƣơng của X hƣớng về phía bên phải.
Máy tiện: trục X vuông góc với trục máy, chiều dƣơng hƣớng về phía bàn
kẹp dao.

a, Máy tiện

b,Máy phay ngang
Hình 1.4. Hệ toạ độ trên máy CNC

* Trục Y:
Trục Y đƣợc xác định sau khi các trục X, Z đã đƣợc xác định theo quy tắc
bàn tay phải. Ngón tay trỏ chỉ chiều dƣơng của trục Y.

15


Luận văn thạc sỹ khoa học
* Các trục phụ:
Trên các máy CNC còn có
các trục toạ độ song song trục X,
Y, Z ( các bộ phận máy khác
dịch chuyển song song với các
trục X, Y, Z). Các trục này đƣợc
ký hiệu là U, V, W gọi là các
trục thứ hai trong đó U//X, V//Y,
W//Z. Nếu có các trục khác nữa
song song với toạ độ chính X, Y,
Z thì các trục này ký hiệu là P,

Hình 1.5. Hệ toạ độ của máy CNC

Q, R còn gọi là các trục thứ ba.
Khi chi tiết gia công cùng bàn máy tham gia chuyển động thay cho dụng cụ
cắt thì các chuyển động ấy (tịnh tiến, quay quanh ba trục) đƣợc ký hiệu bằng X’, Y’,
Z’ và A’, B’, C’. Các chiều chuyển động này ngƣợc với chiều chuyển động của
dụng cụ.
1.2.2. Các điểm gốc
a. Điểm gốc O của máy (ký hiệu M)
Điểm O của máy M là điểm gốc của hệ toạ độ máy. Nó đƣợc nhà chế tạo máy
quy định theo một quan điểm có mục đích (ví dụ ở các máy tiện CNC đó là giao
điểm của trục quay (trục Z) với mặt tỳ của mâm cặp trên mặt bích trục chính.

16


Luận văn thạc sỹ khoa học

Hình 1.6. Điểm gốc M của máy
b. Điểm gốc O của chi tiết (ký hiệu W)
Điểm O của chi tiết W là điểm gốc của hệ toạ độ chi tiết. Điểm W có thể đƣợc
ngƣời lập trình lựa chọn tuỳ ý trên chi tiết.
Đôi khi việc xác định trên chi tiết nhiều hệ toạ độ khác nhau có các điểm gốc O
tƣơng ứng của chi tiết là W1, W2, W3 lại có ƣu điểm. Trên các chi tiết đối xứng nó
có thể giúp cho đơn giản hoá công việc lập trình.

Hình 1.7. Điểm gốc của chi tiết (W)
c. Điểm O của chương trình (ký hiệu P0)
Điểm O của chƣơng trình là điểm mà dụng cụ sẽ ở đó trƣớc khi gia công. Để
hợp lý, điểm O của chƣơng trình sẽ đƣợc chọn sao cho chi tiết gia công hoặc dụng
cụ có thể đƣợc thay đổi một cách dễ dàng.

17


Luận văn thạc sỹ khoa học
352
300

6

286
5

65

3

60

5°

z

1

Ø57

Ø122,5

R

Ø180

Ø100

2

Ø226

W

4

6

R

Ø220

5

8

175°

7
9

8

135°

P0

10

x
Hình 1.8. Điểm gốc O của chương trình
1.2.3. Cấu trúc máy CNC
Máy cộng cụ CNC gồm 2 cấu tử chính [8, 10]:
Máy công cụ thực hiện các nguyên công gia công phôi.
Hệ thống CNC sẽ điều khiển các nguyên công gia công phôi: điều khiển trục

chính và điều khiển chạy dao.
a. Hệ thống điều khiển trục chính
Trục chính công tác sản sinh ra:
Chuyển động quay phôi của máy tiện.
Chuyển động quay dụng cụ của máy phay, máy khoan.
Trục chính có thể quay bằng động cơ 3 pha AC hoặc bằng động cơ DC hoặc
động cơ Servo. Khi quay bằng động cơ 3 pha AC, tốc độ trục chính đƣợc lựa chọn

18


Luận văn thạc sỹ khoa học
bằng một hộp số với các tốc độ cố định khác nhau. Khi quay bằng động cơ DC, có
thể thay đổi tốc độ trục chính vô cấp.
Đầu trục chính: đây là bộ phận quan trọng của máy. Ở máy tiện, mâm cặp
hoặc chấu bóp mang phôi sẽ kẹp chặt phôi trên đầu trục chính. Ở máy phay, đầu
trục chính có một lỗ để lắp dụng cụ cắt.

Hình 1.9. Hệ thống điều khiển trục chính trên máy phay CNC
Cũng nhƣ trên các máy thông thƣờng, 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 thƣờng đƣợc dùng làm chỉ tiêu
đánh giá công suất gia công của máy.
Yêu cầu cơ bản đối với trục chính là có khoảng thay đổi số vòng quay rộng
với mô men lớn, ổn định và khả năng quá tải cao. Để đảm bảo điều đó, trên các máy
thông thƣờng ngƣời ta hay dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ hoặc đồng bộ
kèm hộp số cơ khí có cấp hoặc vô cấp.

19

Luận văn thạc sỹ khoa học
Trên máy CNC, tốc độ trục chính cần đƣợc điều khiển vô cấp, tự động theo
chƣơng trình, trong phạm vi rộng. Điều đó rất cần thiết, nhất là khi thay đổi đƣờng
kính dao phay hoặc đƣờng 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 công ren nhiều đầu
mối,... còn đòi hỏi phải định vị chính xác góc trục chính. Từ các yêu cầu trên, ngƣời
ta sử dụng các loại động cơ dễ điều khiển tự động tốc độ, nhƣ 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 đƣợc sử dụng rộng rãi. Khi cần định vị góc
trục chính, ngƣời ta dùng encoder.
So với trục chính của máy thông thƣờng, trục chính của máy CNC làm việc
với tốc độ cao hơn (tới hàng vạn vòng/ph), thƣờng 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 thƣờng. Cơ cấu kẹp dao, phôi trên các máy CNC thƣờng đƣợc điều khiển tự
động bằng khí nén hoặc thuỷ lực.
b. Hệ thống điều khiển chạy dao
Máy CNC đƣợc cung cấp một số trục chạy dao, các trục đƣợc phân biệt bởi
các chữ cái X, Y, Z.
Máy tiện có 2 trục chạy dao. Ở máy tiện, hai trục X và Z đƣợc tác động bởi
bàn trƣợt phức hợp mà trên đó có lắp đầu kẹp dao.
Máy phay có 3 trục chạy dao. Ở máy phay, hai trục (X, Y) là dịch chuyển của
bàn, còn trục thứ ba (Z) là dịch chuyển của trục chính dụng cụ.
Dùng cho các chuyển động chạy dao thƣờng là các động cơ DC mà chúng
đƣợc điều khiển điện tử từ bên ngoài, các động cơ này có thể quay và hãm trong cả
hai chiều quay.
Hệ thống chạy dao đảm bảo chuyển động tạo hình, nên nó quyết định khả
năng công nghệ (tức là kích thƣớc, 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 (nhƣ bàn máy

20


Luận văn thạc sỹ khoa học
phay) thực hiện, nhƣng ngƣời ta quy ƣớc trong mọi trƣờng 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 so với máy thông thƣờng.
Sự thay đổi rõ nhất là mỗi trục chạy dao đƣợc điều khiển bằng một động cơ
riêng. Sự phối hợp giữa các chuyển động tạo hình theo các phƣơng là do bộ điều
khiển đảm nhiệm. Hệ thống truyền động cơ khí để phối hợp các trục, kể cả các tay
quay là không cần thiết. Trên máy phay, thƣờng có 3 trục đƣợc điều khiển là X, Y,
Z (hình 1.10).

Hình 1.10. Máy phay CNC
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 lƣợng gia công. Trên máy tiện, số trục
điều khiển thƣờng là 2 trục X và Z.
Để đảm bảo độ chính xác và êm dịu chuyển động, trong các truyền động cơ
khí của máy CNC đều dùng cơ cấu vít me – đai ốc bi (hình 1.11).

21