Đồ án tốt nghiệp máy CNC 3 trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
KHOA KỸ THUẬT & CÔNG NGHỆ
------  ------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
THIẾT KẾ MÁY CNC 3D MINI

Giáo viên hướng dẫn
Sinh viên thực hiện
Lớp

: ThS. LƯƠNG NGỌC THANH
: NGUYỄN VĂN TÔN

: Kỹ Thuật Điện - Điện Tử - K35B

Mã sinh viên

: 3551070051

Ngành

: Kỹ Thuật Điện - Điện Tử

Hải Phòng, 12/2016


Người biên soạn :ThS. LÊ THÁI HIỆPNgười kiểm duyệt:TS. ĐOÀN ĐỨC
LỜI CẢM
ƠNVĂN THÔNGTS. HỒ VĂN PHI

TÙNGTS. TRƯƠNG MINH TẤNThS.
THÂN

Đầu tiên em xin kính gửi các thầy cô đang dạy và làm việc tại khoa Kỹ Thuật
& Công Nghệ lời chúc sức khỏe.
Em xin kính chúc tất cả quý thầy cô luôn thành công trong sự nghiệp giáo dục
đào tạo cũng như mọi lĩnh vực trong cuộc sống.
Em xin cảm ơn đến tất cả các thầy cô đã tận tình dạy bảo em trong suốt quãng
đời sinh viên.

Bình Định, 2014

Em xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến thầy Toàn đã trực tiếp hướng dẫn, định
hướng trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án.
Em xin chân thành cảm ơn!


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ.........................................
1
1.1.
Bài
toán
chuyển
động
trong
không
gian
2D,
3D

.....................................................................................................................................
1
1.1.1.
Các
thông
số
chuyển
động
..............................................................................................................................
1
1.1.2.Khảo
sát
chuyển
động
bằng
tọa
độ
Đề
Các
..............................................................................................................................
1
1.1.2.1.
Vận
tốc
chuyển
động
của
điểm
........................................................................................................................
2

1.1.2.2.
Gia
tốc
của
điểm
........................................................................................................................
3
1.2.
Các
dạng
điều
khiển
trong
điều
khiển
máy
CNC.
..................................................................................................................................
3
1.2.1.
Hệ
thống
điều
khiển
chu
trình
hở
..............................................................................................................................
4
1.2.2.

Bộ
điều
khiển
chu
trình
nửa
kín
..............................................................................................................................
5
1.2.3.
Điều
khiển
chu
trình
kín
(closed
loop
system)
..............................................................................................................................
6
1.2.4.
Các
dạng
điều
khiển
trong
điều
khiển
số
..............................................................................................................................

6


1.2.4.1.
Điều
khiển
điểm
điểm
........................................................................................................................
6
1.2.4.2.
Điều
khiển
đoạn
hay
đường
thẳng
........................................................................................................................
7
1.2.4.3.
Điều
khiển
theo
biên
dạng
........................................................................................................................
8
1.3.
Nội
suy

trong
điều
khiển
số
máy
CNC
..................................................................................................................................
10
1.4.
Các
bộ
điều
khiển
máy
CNC
mini
ngày
nay
..................................................................................................................................
12
1.4.1.
Bộ
điều
khiển
CNC
cầm
tay
..............................................................................................................................
12
1.4.2.

Bộ
điều
khiển
MẠCH
3
..............................................................................................................................
13
1.4.3.
Bộ
điều
khiển
Arduino
GRBL
..............................................................................................................................
14
1.5.
Kết
luận
chương
1
..................................................................................................................................
14
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ VÀ ĐỘNG LỰC........................
15
2.1.
Hệ
tọa
độ
trên
máy

CNC
..................................................................................................................................
15
2.1.1.

Phương

án

máy

CNC

đứng


..............................................................................................................................
16
2.1.2.
Máy
CNC
nằm
ngang
..............................................................................................................................
17
2.2.
Thiết
kế
hệ
truyền

động
..................................................................................................................................
18
2.2.1.
Động
cơ
..............................................................................................................................
18
2.2.1.1.
Động
cơ
bước
........................................................................................................................
18
2.2.1.2.
Động
cơ
sevor
........................................................................................................................
19
2.2.1.3.
Chọn
Driver
điều
khiển
động
cơ
bước
........................................................................................................................
20

2.2.2.
Bộ
truyền
động
..............................................................................................................................
21
2.2.2.1.
Bộ
truyền
vít
me
–
đai
ốc
........................................................................................................................
21
2.2.2.2.
Bộ
truyển
vít
me
–
đai
ốc
bi
........................................................................................................................
22
2.2.3. Cơ cấu dẫn hướng cho chuyển động chạy dao các trục
22
2.2.3.1.

Giới

thiệu

về

sóng

trượt


........................................................................................................................
22
2.2.3.2.
Giới
thiệu
về
sóng
lăn
........................................................................................................................
22
2.2.3.3.
Chọn
cơ
cấu
dẫn
hướng
........................................................................................................................
23

2.2.4.
Động
cơ
trục
chính
..............................................................................................................................
23
2.2.5.
Nối
giữa
trục
động
cơ
và
trục
vít
me
..............................................................................................................................
25
2.3.
Thiết
kế
tín
hiệu
đo
đếm
..................................................................................................................................
25
2.3.1.
Encoder

..............................................................................................................................
25
2.3.2.
Thước
quang
..............................................................................................................................
27
2.4.
Kết
luận
chương
2
..................................................................................................................................
28
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY CNC..............
29
3.1.
Phân
tích
và
thiết
kế
mạch
điều
khiển
..................................................................................................................................
29
3.1.1. Phân tích lựa chọn vi điều khiển sử dụng điều khiển máy CNC mini

..............................................................................................................................
29
3.1.2. Thiết kế công giao tiếp máy tính thông qua chuẩn truyển thông UART
..............................................................................................................................
32
3.1.3. Kết nối mạch điều khiển với driver động cơ bước
..............................................................................................................................
33
3.1.4.
Thiết
kế
cảm
biến
giới
hạn
hành
trình
..............................................................................................................................
35
3.1.5.
Thiết
kế
mạch
điều
khiển
động
cơ
trục
chính
..............................................................................................................................

35
3.1.5.1.
Mạch
điều
khiển
động
cơ
bằng
Relay
......................................................................................................................
36
3.1.5.2.
Mạch
điều
khiển
động
cơ
dùng
Transitor
......................................................................................................................
36
3.2.

Xây

dựng

chương

trình

Hardware

trên

vi

điều

khiển

37
3.2.1.
Phương
pháp
điều
khiển
động
cơ
bước
..............................................................................................................................
37
3.2.1.1.
Điều
khiển
trực
tiếp
......................................................................................................................
37
3.2.1.2.

Điều
khiển
bằng
driver
......................................................................................................................
39
3.2.1.3. Thuật toán điều khiển động cơ bước trên các trục


......................................................................................................................
39
3.2.2. Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ trục chính
..............................................................................................................................
40
3.2.3. Thuật toán truyền nhận dữ liệu máy tính và vi điều khiển
..............................................................................................................................
41
3.3.
Xây
dựng
Software
trên
máy
tính
..................................................................................................................................
43
3.3.1.
Cấu
trúc
chương

trình
trong
máy
CNC
..............................................................................................................................
43
3.3.2.
Nội
suy
tuyến
tính
..............................................................................................................................
45
3.3.2.1.
Thuật
toán
nội
suy
tuyến
tính
........................................................................................................................
45
3.3.2.2. Mô phỏng thuật toán nội suy tuyến tính trên nền matlab
........................................................................................................................
47
3.3.3.
Nội
suy
cung
tròn

..............................................................................................................................
49
3.3.4. Xây dựng chương trình biên dịch Gcode trên Software
..............................................................................................................................
53
3.4

Kết

luận

chương

3

56
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM.......................................
57


4.1.
Bài
toán
thực
nghiệm
..................................................................................................................................
57
4.2.
Kết
quả

mô
phỏng
..................................................................................................................................
59
4.3.
Kết
quả
thực
nghiệm
..................................................................................................................................
63
4.4.
Tính
toán
chi
phí
..................................................................................................................................
65
4.5.
Kết
luận
chương
4
..................................................................................................................................
67
KẾT LUẬN................................................................................................................
68
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................
70

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT


STT

Viết Tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

1

CNC

Computer Numerical Control

Máy tiện cơ khí

2

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chỉnh độ rộng xung

3

DDA

Digital DifferentialAnalyzer

4

CW

Clockwise

Chiều kim đồng hồ

5

CCW

Counter clockwis

Ngược chiều kim đồng hồ

6

BLU

Basic length unit

Đơn vị phép đo CNC

7

Dk

8

X0,Y0

Điểm bắt đầu

9

Xf,Yf

Điểm kết thúc

10

Xi , Y i

Điểm nội suy thứ i

11

N

12

G00

11

ΔX, ΔY

Hình chiếu đoạn nội suy lên
trục x, trục y

14

G01

Nội suy đường thẳng với
lượng ăn dao F

15

G02

Nội suy cung tròn theo chiều
kim đồng hồ

16

G03

Nội suy cung tròn theo chiều
ngược kim đồng hồ

Đường kính nội suy

Số lần lặp
Nội suy đường thẳng

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Các thông số chính Atmega 328.................................................................
31


Bảng 3.2: Cấu hình micro Step DRV8825..................................................................
34
Bảng 3.3: Bảng quy ước trong lập trình điều khiển động cơ.......................................
40
Bảng 3.4: Mã lệnh truyền nhận dữ liệu.......................................................................
41
Bảng 3.5: Kết quả truyền nhận dữ liệu........................................................................
42
Bảng 3.6: 8 trường hợp cho đường dẫn vòng tròn.......................................................
50
Bảng 4.1: Mã ASCII giao tiếp máy tính và vi điều khiển............................................
60
Bảng 4.2: Chi phí vật tư phần cơ khí...........................................................................
65
Bảng 4.3: Chi phí vật tư phần điện..............................................................................
66
Bảng 4.4: Chi phí nhân công.......................................................................................
66
Bảng 4.5: Tổng chí phí sản xuất máy CNC.................................................................
66


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Tọa độ Đề - Các..........................................................................................

2
Hình 1.2: Hệ thống điều khiển theo chu trình hở........................................................
4
Hình 1.3: Điều khiển theo chu trình nữa kín...............................................................
5
Hình 1.4: Điều khiển theo chu trình kín......................................................................
6
Hình 1.5: Điều khiển điểm - điểm...............................................................................
7
Hình 1.6: Điều khiển đường thẳng trên máy tiện, máy phay CNC.............................
7
Hình 1.7: Điều khiển contour 2D................................................................................
8
Hình 1.8: Điều khiển 3D.............................................................................................
9
Hình 1.9: Điều khiển đường viền 4D..........................................................................
9


Hình 1.10: Điều khiển đường viền 5D........................................................................
9
Hình 1.11: Khái niệm cơ bản về nội suy.....................................................................
10
Hình 1.12: Các phương pháp nội suy trong điều khiển máy CNC..............................
11
Hình 1.13: Bộ điều khiển CNC cầm tay......................................................................
13
Hình 1.14: Board điều khiển Mach 3 CNC.................................................................
13
Hình 1.15: Board Arduino CNC mã nguồn mở...........................................................

14
Hình 2.1: Hệ trục toạ độ Đê Các Oxyz.......................................................................
15
Hình 2.2: Khi trụcZ thẳng đứng..................................................................................
16
Hình 2.3: Hình mô phỏng máy CNC đứng.................................................................
16
Hình 2.4: Khi trụcZ nằm ngang..................................................................................
17
Hình 2.5: Mô hình máy CNC nằm ngang...................................................................
18
Hình 2.6: Hình ảnh thực tế động cơ bước...................................................................
19
Hình 2.7: Các chân và sơ đồ kết nối Driver DRV8825...............................................
21
Hình 2.8: Vit me – Đai ốc – Gối đỡ bi........................................................................
22
Hình 2.9: Thanh trượt tròn – Con trượt – Gối đỡ........................................................
23


Hình 2.10 Động cơ trục chính RS775.........................................................................
24
Hình 2.11: Kẹp mũi khoan CNC.................................................................................
24
Hình 2.12: Nối trục dạng ống.....................................................................................
25
Hình 2.13: Khớp nối mềm..........................................................................................
25
Hình 2.14 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động encoder.......................................................

27
Hình 2.15: Thước quang hồng ngoại..........................................................................
28
Hình 3.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển máy CNC...........................................................
30
Hình 3.2: Sơ đồ chân Atmega 238..............................................................................
31
Hình 3.3: Sơ đồ mạch chuyển tín hiệu USB to COM.................................................
32
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển...............................................................
33
Hình 3.5: Mạch điều khiển máy CNC 3D mini...........................................................
33
Hình 3.6: Sơ đồ kết nối công tắt hành trình................................................................
35
Hình 3.7: Mạch điều khiển động cơ trục chính bằng relay.........................................
35
Hình 3.8: Mạch điều khiển động cơ bằng Mosfet.......................................................
36
Hình 3.9: Mô tả hoạt động của động cơ bước.............................................................
37


Hình 3.10: Điều khiển động cơ ½ bước......................................................................
38
Hình 3.11: Thuật toán điều khiển động cơ bước.........................................................
40
Hình 3.12: Thuật toán truyền nhận dữ liệu trên vi điều khiển.....................................
42
Hình 3.13: Phân tích nội suy tuyến tính từ tham chiếu..........................................................

45
Hình 3.14: Thuật toán nội suy tuyến tính từ tham chiếu.............................................
47
Hình 3.15: Quỹ đạo nội suy tuyến tính từ tham chiếu...........................................................
48
Hình 3.16: Xung ra các trục sau khi nội suy...............................................................
48
Hình 3.17: Khối hiện thị số lượng xung cho mỗi trục trên Software..........................
49
Hình 3.18: Nội suy đường tròn xấp xỉ bậc thang........................................................
49
Hình 3.19: Thuật toán xấp xỉ bậc thang hai trục.........................................................
51
Hình 3.20: Kết quả nội suy cung tròn.........................................................................
52
Hình 3.21: Xung ra trên các trục trong thuật toán xấp xỉ bậc thang............................
52
Hình 3.22: Thuật toán biên dịch Gcode......................................................................
54
Hình 3.23: Khối biên dịch Gcode trên Software.........................................................
55
Hình 3.24: Giao diện Software điều khiển máy CNC.................................................
55


Hình 4.1: Máy CNC 3D mini......................................................................................
57
Hình 4.2: Cài đặt thông số máy..................................................................................
58
Hình 4.3: Các dạng dữ liệu trong máy CNC...............................................................

59
Hình 4.4 Mô phỏng Software bằng công cụ Realterm................................................
60
Hình 4.5: Mô phỏng Hardware bằng công cụ Realterm..............................................
61
Hình 4.6: Mô phỏng phát xung trên phần mềm proteus..............................................
62
Hình 4.7: Xung điều khiển động cơ trục chính...........................................................
62
Hình 4.8: Hình mẫu chạy thử nghiệm.........................................................................
63
Hình 4.9: Sản phẩm gia công bằng máy CNC............................................................
64


MỞ ĐẦU
Đất nước Việt Nam trong công cuộc công nghiệp hoá - hiện đại hoá, nền kinh
tế đang trên đà phát triển, việc sử dụng các thiết bị điện, khí cụ điện vào trong xây
lắp các khu công nghiệp, khu chế xuất – liên doanh ngày càng được chú trọng. Mục
tiêu nền công nghiệp nước nhà đến năm 2020 là một nước công nghiệp theo hướng
hiện đại thì việc làm chủ công nghệ mới là nhiệm vụ các kỹ sư tương lai, tạo ra sản
phẩm công nghệ cao là bước đi lâu dài, vững chắc cho nền kinh tế nước nhà.
Trong những năm gần đây các máy NC và CNC đã được nhập vào Việt Nam
và hiện nay đang hoạt động trong một số nhà máy, viện nghiên cứu và các công ty
liên doanh. Cũng chính vì thế nên việc nghiên cứu, chế tạo máy CNC đã được nhiều
nhà kỹ thuật, kỹ sư Việt Nam đang theo đuổi.
Bộ điều khiển số cho máy công cụ ngày càng đa dạng có độ chính xác rất cao.
Chúng sử dụng thuật toán nội suy trong các chuyển động gia công, từ điểm bắt đầu
đến điểm kết thúc của các trục servo. CNC được ứng dụng rất phổ biến và mang lại
hiệu quả rất lớn về năng xuất và sản lượng, trong lĩnh vực gia công chính xác.

Tương lai máy CNC sẽ là một công cụ hỗ trợ đắc lực cho con người và giúp con
người vươn đến những tầm cao mới.


Việc nghiên cứu tìm hiểu nguyên lý hoạt động và thiết kế các máy công cụ là
vấn đề quan trọng cấp thiết cho sinh viên trong thời kỳ hội nhập kịp thời nắm bắt
các tiến bộ kỹ thuật về công nghệ điều khiển vị trí. Vì lý do đó, em đã chọn đề tài:
“THIẾT KẾ MÁY CNC 3D MINI”. Để trang bị những kiến thức về công nghệ điều
khiển tọa độ nói chung cũng như các máy CNC nói riêng.
Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Mục tiêu ban đầu: Kết nối thành công giữa software và hardware, điều khiển
máy CNC chạy theo các biên dạng đường thẳng và cung tròn.
Mục tiêu lâu dài: Phát triển ứng dụng hệ thống trung tâm điều khiển trong
công nghiệp có giám sát, tối ưu nhiều thiết bị trong hệ thống. Nâng cao chất lượng
điều khiển, tăng số lượng sản phẩm, logic hóa giữa các thiết bị và thương mại hóa
sản phẩm.
Đối tướng nghiên cứu:
+ Cơ khí truyền động của một máy CNC
+ Hệ thống điều khiển máy CNC
Phạm vi nghiên cứu:
+ Nghiên cứu về chip lập trình
+ Nghiên cứu bài toán chuyển động 2D, 3D.
+ Từ lý thuyết cơ bản, xây dựng các thuật toán, xây dựng các giao diện, kết
nối hardwware và thực hiện cấu hình trên phần cứng
+ Đánh giá kiểm tra kết quả bằng mô phỏng và thực nghiệm
Phương pháp nghiên cứu:
+ Thu thập tài liệu trong nước và thế giới liên quan đến đề tài.
+ Nghiên cứu và phát triển lý thuyết phục vụ đề tài
+ Khảo sát, nghiên cứu một số hệ điều khiển tọa độ (CNC)
+ Nghiên cứu giao thức truyền dữ liệu các hệ điều khiển thông dụng

+ Thực hiện kết nối và điều khiển
+ Triển khai các kế hoạch ứng dụng kết quả nghiên cứu
Từ đó để giải quyết vấn đề đặt ra em sẽ từng bước làm rõ trong 4 chương của
đề tài:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRI
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHI VÀ ĐỘNG LỰC


CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY CNC
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
Nhờ sự giúp đỡ tận tình của thầy Đỗ Văn Cần, sau khi nghiên cứu đề tài “
Thiết kế máy CNC 3D mini”. Em đã hiểu sâu hơn về các máy công cụ tự động,
cũng như học được nhiều điều về lập trình máy tính, lập trình vi điều khiển…
Do thời gian tìm hiểu ngắn, kiến thức còn hạn hẹp, thu thập tài liệu không
nhiều nên không thể tránh những khuyết điểm, sai sót. Em rất mong được sự chỉ
dẫn đóng góp ý kiến của qúy thầy để em rút ra được những kinh nghiệm quý báu.
Em xin chân thành cảm ơn!
Bình Định, tháng 12 năm 2016
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Văn Linh


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ
1.1. Bài toán chuyển động trong không gian 2D, 3D.
1.1.1. Các thông số chuyển động.
Chuyển động là sự thay đổi vị trí của vật trong không gian theo thời gian. Đơn
vị đo độ dài là mét và ký hiệu m, đơn vị đo thời gian là giây ký hiệu là s.
Tính chất của chuyển động phụ thuộc vào vật chọn làm mốc để so sánh, ta gọi
là hệ qui chiếu. Trong động học, hệ qui chiếu được lựa chọn tuỳ ý sao cho việc khảo

sát chuyển động của vật được thuận tiện. Để có thể tính toán người ta còn phải chọn
hệ tọa độ gắn với hệ qui chiếu. Thông thường muốn hình vẽ được đơn giản ta sử
dụng hệ tọa độ làm hệ quy chiếu.
Về nội dung, tìm cách xác định vị trí của vật và mô tả chuyển động của vật
theo thời gian so với hệ quy chiếu đã chọn. Thông số xác định vị trí của vật so với
hệ quy chiếu đã chọn là thông số định vị. Thông số định vị có thể là vectơ, là tọa độ,
là góc...
Qui luật chuyển động được biểu diễn qua các biểu thức liên hệ giữa các thông
số định vị với thời gian và được gọi là phương trình chuyển động. Trong phương
trình chuyển động thì thời gian được coi là đối số độc lập. Khi khử đối số thời gian
trong phương trình chuyển động ta được biểu thức liên hệ giữa các thông số định vị,
được gọi là phương trình quĩ đạo.
Để biểu thị tính chất của chuyển động, ta đưa ra các đại lượng vận tốc và gia
tốc. Vận tốc là đại lượng biểu thị hướng và tốc độ chuyển động của điểm hay vật.
Gia tốc là đại lượng biểu thị sự thay đổi của vận tốc theo thời gian. Gia tốc cho biết
tính chất chuyển động đều hay biến đổi. Vận tốc và gia tốc là các đại lượng phụ
thuộc vào thời gian.
1.1.2. Khảo sát chuyển động bằng tọa độ Đề - Các.
Xét động điểm M chuyển động theo đường cong trong hệ trục tọa độ đề các
oxyz. Ở đây các tọa độ x,y,z là các thông số định vị của điểm M. Khi M chuyển

1


động các tọa độ này thay đổi liên tục theo thời gian do đó ta có:
x = x(t);
y = y(t);

(1.1)

z = z(t) ;

Hình 1.1: Tọa độ Đề - Các.
Các phương trình (1.1) là phương trình chuyển động của điểm và cũng là
phương trình quĩ đạo của điểm viết dưới dạng thông số trong tọa độ Đề-các.
1.1.2.1.Vận tốc chuyển động của điểm
Nếu gọi các véc tơ đơn vị trên ba trục tọa độ là

thì véc tơ định vị và véc

tơ vận tốc có thể viết:
=x +y
=

+z

=

(1.2)
=

+

+

Biểu thức trên chứng tỏ :
=

= x’

=

= y’

(1.3)

2


=

= z’

Hình chiếu véc tơ vận tốc lên các trục tọa độ bằng đạo hàm bậc nhất theo thời
gian các tọa độ tương ứng. Dựa vào các biểu thức (1.3) dễ dàng xác định được véc
tơ vận tốc cả về độ lớn và phương chiều.
v=

=

;

;

.

1.1.2.2. Gia tốc của điểm
Tương tự như đối với vận tốc, dựa vào biểu thức (1.3) ta có thể tìm thấy :
=

=

= x’’ ;

=

=

= y’’ ;

=

=

= z’’ ;

(1.4)

Gia tốc chuyển động của điểm sẽ được xác định về độ lớn và phương chiều
theo các biểu thức sau :
w=

=
;

Khi biết

và

;

.

ta có thể xem xét được tính chất chuyển động của điểm M.

1.2. Các dạng điều khiển trong điều khiển máy CNC.
Đối với hệ thống điều khiển máy công cụ CNC vấn đề cơ bản quan trọng là
làm sao từ các dữ liệu của chương trình đã lập của người dùng, bộ điều khiển tiến
3


hành sử lý, tính toán và phát lệnh đến các động cơ dẫn động bàn máy và trục chính
thực hiện các dịch chuyển cần thiết để tạo ra hình dáng hình học của chi tiết cần gia
công với độ chính xác nhất định một cách tự động hoàn toàn. Khi vận tốc thực và vị
trí thực được các sensor nhận biết và hồi tiếp ngược về mạch điều khiển, động cơ
Servo dùng trong các máy CNC liên tục được điều khiển sao cho sai số vận tốc
hoặc sai số vị trí giữa vị trí cần và vị trí thật là nhỏ nhất. Nếu phân loại dựa theo
phương pháp mà hệ điều khiển xác định và kiểm tra vị trí, người ta chia hệ thống
điều khiển thành 4 loại sau:
- Điều khiển chu trình hở (open loop)
- Điều khiển theo chu trình nửa kín (semi-closed loop)
- Điều khiển chu trình kín (closed loop)
- Điều khiển hỗn hợp (hybrid loop)
Phần lớn các máy công cụ CNC có độ chính xác cao được trang bị bộ điều
khiển chu trình đóng và nó kiểm soát vị trí dịch chuyển dụng cụ cắt chính xác hơn,
do đó chất lượng gia công chi tiết tốt hơn. Tuy nhiên điều khiển theo chu trình hở
vẫn còn sử dụng ở các máy CNC có độ chính xác vị trí thấp hoặc các máy có
momen cản sinh ra trên động cơ dẫn động bàn máy là nhỏ và giá trị ổn định (ví dụ
máy gia công tia lửa điện, điện cực dây hoặc điện cực định hình) để giảm giá thành
chế tạo.

1.2.1. Hệ thống điều khiển chu trình hở
Ở hệ thống điều khiển chu trình hở, dữ liệu chương trình gia công nhập được
đưa vào bộ điều khiển MCU (machine control unit) Hình 1.2. Nó giải mã thông tin
và lưu trữ trong bộ nhớ cho đến khi người vận hành bấm nút bắt đầu chạy chương
trình. Từng lệnh của chương trình được chuyển đổi sang các xung điện một cách
tuần tự và tự động để gửi tới bộ điều khiển, kích hoạt và điều khiển các động cơ
Servo. Lượng dịch chuyển của động cơ hay nói cách khác là bàn máy phụ thuộc vào
số xung điện (electric pulses) mà động cơ nhận được.

4


Hình 1.2: Hệ thống điều khiển theo chu trình hở.
Hệ thống này khá đơn giản vì không có mạch hồi tiếp (feedback), tuy nhiên
không có cách nào để kiểm tra xem động cơ Servo có dịch chuyển (quay) đúng theo
lệnh đã được yêu cầu hay không, tức là chúng không có mối liên hệ ngược. Do vậy
hệ thống điều khiển chu trình hở không thể áp dụng cho các máy CNC gia công cơ
có độ chính xác lớn hơn 0,02 mm hoặc có lực cắt trong quá trình gia công lớn. Đối
với loại điều khiển này động cơ Servo là các động cơ một chiều kiểu động cơ bước
(stepper motor). Độ chính xác gia công chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác chuyển
động của động cơ bước, vítme và hệ thống truyền động. Khi momen quay nhỏ và ít
thay đổi thì độ chính xác dịch chuyển khá cao, do vậy các máy gia công tia lửa điện
hiện nay vẫn sử dụng điều khiển theo chu trình hở.
1.2.2. Bộ điều khiển chu trình nửa kín.
Điều khiển chu trình nửa kín là loại hệ thống điều khiển phổ biến có cấu trúc
như Hình 1.3. Với loại này, thiết bị kiểm tra vị trí được lắp vào trục của động cơ
Servo và chúng kiểm tra góc quay. Độ chính xác cuối cùng (chuyển động của bàn
máy) phụ thuộc khá lớn và độ chính xác của trục vít me. Vì thế, trục vít me bi có độ
chính xác cao được dùng trong hệ truyền động cho bàn máy. Khi cần thiết, một số
5