cnc vẽ mạch in 0429

Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử



GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................3
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ............................................................4
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .............................................................................................5
1.1. Giới thiệu sơ lược về ý tưởng – lý do chọn đề tài : ..............................................5
1.2 Khái niệm máy CNC và giới thiệu về máy CNC vẽ mạch in................................5
1.2.1 Tổng quan về máy CNC, đặt vấn đề........................................................................... 5
1.2.2 Khái niệm máy CNC.................................................................................................... 6
1.3 Tổng quan về máy CNC trong và ngoài nước.......................................................7
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước................................................................. 7
1.3.2 Các máy móc và sản phẩm tương tự........................................................................... 8
1.3.3 Mục đích nghiên cứu.................................................................................................... 8
1.3.4 Mô tả đề tài: Thiết kế mô hình máy CNC vẽ mạch in ............................................... 8
1.3.5 Phân loại mô hình máy CNC....................................................................................... 9
1.3.6 Các đặc trưng của máy CNC vẽ mạch in.................................................................. 10
1.3.7 Ứng dụng.....................................................................................................................10
1.3.8 Hướng giải quyết ........................................................................................................ 10
1.3.9 Những yêu cầu chung của mô hình máy CNC.........................................................10
PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH MÁY THIẾT KẾ MÁY......................................................11
2.1. Yêu cầu thiết kế hệ thống ...................................................................................11
2.1 Tổng quan về kỹ thuật điều khiển số...................................................................11
2.1.1 Các định nghĩa cơ bản về điều khiển số.................................................................... 11
2.1.2 Phương pháp truyền thông tin đầu vào ..................................................................... 13
2.1.3 Ưu nhược điểm của máy điều khiển số ............................................................13
2.2.4 Phân loại theo cấu trúc điều khiển............................................................................. 13

2.2.5 Phân loại kiểu điều khiển ..........................................................................................13
2.2 Nhiệm vụ của máy thiết kế ..................................................................................15
2.3 Nguyên lý hoạt động của máy .............................................................................15
2.4 Các thành phần chính của máy...........................................................................16
2.4.1 Phần điều khiển........................................................................................................... 16
2.4.2 Phần chấp hành.......................................................................................................... 16
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH CỦA MÁY ........................................................18
3.1 Phân tích, chọn phương án, kích thước và quy mô của mô.................................18
3.1.1 Phân tích chọn phương án..........................................................................................18
SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 1


Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử



GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

3.1.2.Kích thước và quy mô của mô hình .......................................................................... 18
3.2 Tính toán thiết kế các thành phần của máy .........................................................19
3.2.1 Cơ cấu dẫn hướng....................................................................................................... 19
3.2.2 Cơ cấu truyền động..................................................................................................... 20
3.2.3 Các loại động cơ sử dụng...........................................................................................21
3.2.3. Tính toán động cơ cho cơ cấu xoay phôi. ................................................................29
3.2.4 Một số linh kiện khác cần sử dụng trong chế tạo máy cnc vẽ mạch in..................30
3.3 Bản vẽ tổng thể và mô hình thực tế .....................................................................31

THIẾT KẾ PHẦN ĐIỀU KHIỂN .................................................................................32
4.1 Yêu cầu hoạt động tự động của máy ...................................................................32
4.2 Các thành phần của hệ thống...............................................................................32
4.3 Phân tích chọn lựa phương án điều khiển ...........................................................33
4.4 Thiết kế điều khiển và kết nối máy tính ....................................................................... 34
4.5 Giới thiệu về phần điều khiển..............................................................................34
4.5.1 Giới thiệu về Arduino................................................................................................. 34
4.4.4 Module điều khiển CNC Shield V3.......................................................................... 40
4.4.5. Driver điều khiển động cơ bước A4988 .................................................................. 40
4.5 Xác định, sơ đồ nối dây ......................................................................................41
4.6 Các phần mềm cần dùng......................................................................................42
4.6.1 Phần mềm tạo file mạch in.........................................................................................42
4.6.2 Phần mềm tạo G-code................................................................................................42
4.6.3 Chương trình điều khiển máy CNC ( Universal Gcode Sender 1.0.8) ...................42
4.7 Chương trình điều khiển:.....................................................................................43
4.7.1. Đoạn chương trình điều khiển giao tiếp giữa máy vi tính và máy CNC .............. 43
4.7.2. Chương trình điều khiển chuyển động bàn xoay phôi........................................... 51

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 2


Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử



GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển, vì vậy việc ứng dụng các kỹ
thuật tiên tiến vào sản xuất nhằm tạo ra những sản phẩm có năng suất, chất lượng cao,
mà giá thành chấp nhận được ngày càng trở nên cần thiết, đặc biệt đối với những nước
đang phát triển như Việt nam. Đóng góp vào sự phát triển nhanh chóng của khoa học
công nghệ trong thời gian gần đây, tự động hoá sản xuất có vai trò rất quan trọng.
Nhận thức được điều này, trong chiến lược công nghiệp hoá và hiện đại hoá nền kinh
tế, công nghệ tự động được ưu tiên đầu tư phát triển.
Ở các nước có nền công nghiệp phát triển, tự động hoá các ngành kinh tế kỹ thuật
trong đó có cơ-điện tử đã được thực hiện từ những năm trước đây. Một trong những
vấn đề quyết định của tự động hoá ngành cơ khí chế tạo là kĩ thuật điều khiển số và
công nghệ trên các máy điều khiển số.
Các máy công cụ điều khiển số được dùng phổ biến ở nước phát triển như NC và
CNC trong những năm gần đây đã được nhập vào Việt nam và được sử dụng rộng rãi
tại các viện nghiên cứu và các công ty liên doanh. Máy công cụ điều khiển số hiện đại
(máy CNC) là các thiết bị điển hình cho sản xuất tự động, đặc trưng cho ngành cơ khí
tự động.Vậy để làm chủ được công nghê cần làm chủ được các thiết bị quan trọng và
điển hình.
Trong đề tài đồ án tổng hợp Cơ Điện Tử, mục tiêu trước tiên mà em hướng tới là chế
tạo được mô hình máy CNC vẽ mạch in PCB hoạt động ổn định với sai số nhỏ, sau đó
chúng em hướng tới khắc phục dao động, sai số và nâng cao tính tự động của máy như
khả năng thay dao tự động, hệ thống cấp phôi tự động... Tuy nhiên do kinh nghiệm còn
hạn chế và thời gian thực hiện có hạn, nên đồ án của em còn những thiếu xót, và mục
tiêu ổn định dao động và thiết kế modun thay dao tự động và hệ thống cấp phôi tự
động chúng em chưa thể hoàn thiện.Chúng em mong nhận được những ý kiến đóng
góp của các thầy cô để hoàn thiện hơn để tài.
Chúng em xin chân thành cảm ơn! Đặc biệt, cảm ơn thầy Nguyễn Thế Tranh đã tận
tình hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành đồ án này!

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 3


Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử



GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
Đà Nẵng , ngày

tháng

năm 2018

Giáo viên hướng dẫn

Thầy Nguyễn Thế Tranh

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 4


Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử



GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Giới thiệu sơ lược về ý tưởng – lý do chọn đề tài :

Với thời đại phát triển ngày nay , đứng trước thời kì công nghiệp hóa , hiện đại
hóa đang diễn ra khắp mọi nơi trên thế giới , từ châu lục nay sang chậu lục kia , từ
nước kém phát triển cho đến nước phát triển , hiện đại .
Với sự phát triển tốc độ đó , thì máy móc ngày càng được sử dụng nhiều trong
sản xuất , đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa , đang diễn ra với tốc độ mạnh mẽ , cùng
với đó là sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công
nghiệp.
Với máy CNC thì các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng,
các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác do
con người thực hiện được giảm thiểu.
Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự
phát triển đáng kể về chính xác và chất lượng. Kỹ thuật tự động của CNC giảm thiểu
các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các công việc khác. Ngoài ra còn
cho phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy
móc để sản xuất các linh kiện khác.
Trong môi trường sản xuất, một loạt các máy CNC kết hợp thành một tổ hợp,
gọi là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận. Máy CNC ngày nay được
điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM, vì thế một bộ phận hay lắp ráp
có thể trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần các bản vẽ in của từng chi tiết.
Có thể nói CNC là các phân đoạn của các hệ thống robot công nghiệp, tức là chúng
được thiết kế để thực hiện nhiều thao tác sản xuất (trong tầm giới hạn).

Dựa trên các ưu điểm của máy CNC cùng với sự phát trển của ngành công
nghiệp chế tạo, chúng em quyết định nguyên cứu thiết kế và chế tạo mô hình máy
phay CNC loại nhỏ với các chức năng cơ bản của một máy CNC dựa trên những kiến
thức đã được học và nghiên cứu tại trường.
1.2 Khái niệm máy CNC và giới thiệu về máy CNC vẽ mạch in
1.2.1 Tổng quan về máy CNC, đặt vấn đề
Tự động hóa quá trình sản xuất là một trong những yêu cầu bức xúc hiện nay
đối với các doanh nghiệp sản xuất trong và ngoài nước ở hầu hết các lĩnh vực.
Đối với lĩnh vực sản xuất cơ khí thì đây cũng là một trong những yêu cầu cấp
thiết nhằm tiến đến “tăng năng suất, nâng cao chất lượng, hạ giá thành sản
phẩm”.
Nhiều doanh nghiệp đã và đang đầu tư để đổi mới công nghệ, ứng dụng công nghệ
cao, công nghệ tiên tiến trong sản xuất. Tuy nhiên, do hạn chế về khả năng tự nghiên

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 5


Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử



GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

cứu công nghệ mới, năng lực vốn đầu tư gặp có nhiều khó khăn… dẫn đến chậm đổi
mới công nghệ.
Hiện nay nhu cầu về máy CNC phục vụ công nghiệp và các ngành sản xuất

khác là rất lớn, doanh nghiệp thiết kế máy trong nước chỉ đáp ứng một phần nhỏ. Chủ
yếu là nhập khẩu máy CNC mới từ nước ngoài về hay nhập máy cũ (seconhand) về.
Đối với quá trình khắc CNC thì việc tiếp xúc trực tiếp tại chỗ làm việc là cực kỳ
tốn thời gian mất an toàn và ảnh hưởng tới sức khỏe: môi trường bị ô nhiễm nặng (bột
gỗ, …) nguy hiểm cho mắt, da, phổi…Tai nạn lao động nhiều, tốn thời gian rất nhiều
để hoàn thành xong một sản phẩm …Nên điều khiển gián tiếp là biện pháp hiệu quả
nhất. Máy sẽ được đặt trong môi trường kín sẽ đảm bảo an toàn lao động cho công
nhân.
Trong tình hình hội nhập với nền kinh tế thế giới cùng với sự cạnh tranh gắt gao
từ các nhà sản xuất nước ngoài. Điều này đòi hỏi các nhà sản xuất trong nước cần phải
nâng cao năng lực cạnh tranh của sản phẩm hơn nữa bằng cách cải tiến và đầu tư máy
móc, trang thiết bị an toàn, bảo vệ sức khỏe công nhân để phục vụ sản xuất. Đặc biệt là
trong tình hình lao động hiện nay, nguồn lao động có tay nghề trong ngành cơ khí
đang thiếu hụt trầm trọng. Chính vì điều này mà hiện nay vấn đề đặt ra là: để phát triển
ngành sản suất cơ khí trong nước thì việc trang bị các máy móc tự động phục vụ một
phần cho công việc trong quá trình sản xuất là vô cùng quan trọng.
Ngoài các lý do như trên thì việc thiết kế, chế tạo và sử dụng thiết bị CNC còn
là tiền đề cho việc phát triển lĩnh vức cơ khí tự động hóa trong sản xuất. Hưởng ứng
phong trào thiết kế máy CNC phục vụ trong nước của nước ta.
1.2.2 Khái niệm máy CNC
CNC (Computer Numerical Control) xuất hiện vào khoảng đầu thập niên 1970
khi máy tính bắt đầu được dùng ở các hệ điều khiển máy công cụ thay cho NC,
Numerical Control (Điều khiển số ). CNC đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính
các máy móc với mục đích sản xuất( có tính lặp lại) các bộ phận kim khí( hay các vật
liệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt
theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi mã G. CNC được phát triển cuối thập niên
1940 đầu thập niên 1950 ở trong phòng thí nghiệm Servomechanism của trường MIT.
Trước khoảng thời gian này, các chương trình NC thường phải được mã hoá và xử lý
trên các băng đục lỗ, hệ điều khiển các trục máy chuyển động. Cách này đã cho thâý
nhiều bất tiện, chẳng hạn khi sửa chữa, hiệu chỉnh chương trình, băng chóng mòn, khó

lưu trữ, truyền tải, dung lượng bé...Hệ điều khiển CNC khắc phục các nhược điểm trên
nhờ khả năng điều khiển máy bằng cách đọc hàng loạt ngàn bit thông tin được lưu trữ
trong bộ nhớ, cho phép giao tiếp, truyền tải và xử lý, điều khiển các quá trình một cách
nhanh chóng, chính xác.

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 6


Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử



GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

Hình 1.1 Máy CNC dùng trong công nghiệp
Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công
nghiệp. Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức
tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác do con người thực
hiện được giảm thiểu. Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy
CNC tạo nên sự phát triển đáng kể về chính xác và chất lượng. Kĩ thuật tự động của
CNC giảm thiểu các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các công việc
khác. Ngoài ra còn cho phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần
thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác. Trong môi trường sản xuất,
với nhiều loại máy CNC được ra đời nhầm đáp ứng nhu cầu của thị trường và trong đó
có máy khắc gỗ CNC, nhầm đáp ứng về việc gia công gỗ một cách hiệu quả và chính
xác.

1.3 Tổng quan về máy CNC trong và ngoài nước
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Có thể phân loại các máy CNC như sau:
- Các máy CNC dùng để cắt gọt kim loại bằng dụng cụ cắt (theo công nghệ truyền
thống): máy vẽ CNC, máy tiện CNC, các trung tâm tiện và vẽ CNC, máy mài CNC.
- Các máy CNC dùng để gia công theo công nghệ phi truyền thống: máy xung tia lửa
điện, máy cắt dây tia lửa điện, máy cắt bằng Plasma, cắt bằng Laser, máy tạo mẫu
nhanh RP. - Các máy CNC dùng để gia công biến dạng bằng áp lực: máy đột tự động
theo chương trình, máy cán, máy ép, máy dập điều khiển số.
- Các máy CNC chuyên dụng phục vụ cho các ngành công nghiệp sản xuất hàng loạt
hoặc đặc biệt: sản xuất phụ tùng ô tô, đồ tiêu dùng, sản xuất vũ khí, hoá chất độc
hại,…

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 7


Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử



GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

- Các máy CNC chuyên dụng phục vụ cho các ngành công nghiệp sản xuất hàng loạt
hoặc đặc biệt: sản xuất phụ tùng ô tô, đồ tiêu dùng, sản xuất vũ khí, hoá chất độc
hại,…
- Các lĩnh vực ứng dụng của máy CNC và các sản phẩm do máy CNC tạo ra: - Máy

CNC dùng để chế tạo ra các máy móc, thiết bị và dây chuyền sản xuất phục vụ toàn bộ
các ngành kinh tế khác như: công nghiệp nặng (đóng tàu, khai thác mỏ, điện, dầu khí,
thiết bị vận chuyển như ô tô, tàu hoả,…), công nghiệp nhẹ (dệt may, đóng giày, thực
phẩm,…), công nghiệp quốc phòng (dây chuyền sản xuất vũ khí, thuốc nổ,…)
1.3.2 Các máy móc và sản phẩm tương tự
Máy vẽ, máy tiện trong công nghiệp
Máy điêu khắc gỗ CNC 3 trục, 4 trục, 5 trục, máy tiện.
Máy khắc laser, máy in 3D.
1.3.3 Mục đích nghiên cứu
Với đề tài “Thiết kế, chế tạo mô hình máy CNC vẽ mạch in” người nghiên
cứu thể hiện với các mục đích sau:
Đổi mới công nghệ, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong việc gia
công mạch in trong ngành cơ điện tử chúng ta.
Nghiên cứu tính toán , thiết kế và chế tạo theo hướng đơn giản hóa các kết cấu,
thu nhỏ các kích thước của những máy để tạo thành một máy mới có có giá thành hạ,
kết cấu đơn giản, dễ vận hành, dễ thao tác và di chuyển từ nơi làm việc này đến nơi
làm việc khác. Loại máy vẽ mạch in này có kết cấu tương tự như thiết bị cắt tự hành
nhưng có thể di chuyển bút vẽ đến tọa độ bất kì trên board đồng để tạo thành các
đường mạch với kích thước khác nhau.
Hệ thống điều có giao diện đẹp mắt, hoạt động rất đơn giản và thuận tiện. Bộ
nhớ xử lý ổn định có thể tạo ra các dạng mạch in đơn giản. Đồng thời cũng góp phần
phát triển ngành công nghệ tự động của nước nhà.
1.3.4 Mô tả đề tài: Thiết kế mô hình máy CNC vẽ mạch in

Hình 1.2 Mô hình máy CNC mini
SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 8

Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử



GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

Trước đây việc tạo ra một mạch in phải trải qua nhiều bước mới có thể có được
một mạch in hoàn chỉnh,vừa tốn thời gian, công sức mà hiệu quả lại thấp. Còn những
mạch in phức tạp thì hiệu quả đạt được lại rất thấp. Với những đòi hỏi của công nghệ,
để đáp ứng được nhu cầu của thị trường, máy CNC vẽ mạch in là bước tiến mới để giải
quyết những vấn đề đó.
Với máy CNC vẽ mạch in không chỉ giải quyết được những khó khăn đó, mà nó
còn là lựa chọn tối ưu nhất trong ngành cơ điện tử chúng ta và các ngành khác. Đặc
biệt là CNC vẽ mạch in luôn đạt được độ chính xác cao. Nên được mọi người biết đến
như một cổ máy giải quyết khó khăn trong việc tạo ra những mạch in cả về số lượng
lẫn chất lượng. Thấy được tầm quan trọng đó, nên chúng em đã ra sức tìm hiểu và cố
gắng “Thiết kế chế tạo mô hình máy CNC vẽ mạch in” được nhóm thực hiện để đáp
ứng một phần nào đó của công nghệ hiện nay.
Ưu điểm của máy CNC vẽ mạch in:
- Vẽ được những mạch in một cách chính xác.
- Quy hoạch thời gian sản xuất tốt hơn.
- Tính linh hoạt cao hơn.
- Tiết kiệm chi phí, giảm thời gian gia công mạch in.
- Nâng cao năng suất.
- So với các máy công cụ điều khiển bằng tay, sản phẩm từ máy CNC không
phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung chương trình
được đưa vào máy. Người điều khiển chỉ chủ yếu là theo dõi kiểm tra các chức năng
hoạt động của máy

- Ít phải dừng máy vì kỹ thuật, do đó chi phí do dừng máy nhỏ
- Tiêu hao do kiểm tra ít, giá thành đo kiểm giảm.
- Thời gian hiệu chỉnh máy nhỏ.
Nhược điểm:
- Không thể vẽ được những mạch in quá phức tạp
- Giá thành, chi phí bảo dưỡng sửa chữa cao; yêu cầu trình độ hiểu biết sâu để
vận hành và bảo quản máy.
1.3.5 Phân loại mô hình máy CNC
Các loại máy CNC được phân loại theo hai tiêu chí:
Phân loại theo mục đích:
Máy tiện CNC.
Máy phay CNC.
Máy khắc CNC.
Phân loại theo số trục :
Có các loại máy tiện/phay 3 trục, 4 trục , 6 trục, 8 trục,…

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 9


Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử



GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

1.3.6 Các đặc trưng của máy CNC vẽ mạch in

Tính năng tự động cao: Máy CNC vẽ mạch in có năng suất cao và giảm được
tối đa thời gian, do mức độ tự động được nâng cao vượt bậc. Tuỳ từng mức độ tự
động, máy CNC vẽ mạch in có thể thực hiện cùng một lúc nhiều chuyển động khác
nhau, hiệu chỉnh sai số dao cụ, tự động kiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự động
hiệu chỉnh sai lệch vị trí tương đối giữa bút vẽ và board đồng, …
Tính năng linh hoạt cao: Chương trình có thể thay đổi dễ dàng và nhanh
chóng, thích ứng với các loại mạch in khác nhau. Do đó rút ngắn được thời gian phụ
và thời gian chuẩn bị sản xuất, tạo điều kiện thuận lơi cho việc tự động hóa sản xuất
hàng loạt nhỏ. Bất cứ lúc nào cũng có thể sản xuất nhanh chóng những chi tiết đã có
chương trình. Vì thế, không cần phải sản xuất chi tiết dự trữ, mà chỉ giữ lấy chương
trình của chi tiết đó. Máy CNC vẽ mạch in có thể tạo những chi tiết nhỏ, vừa, phản
ứng một cách linh hoạt khi nhiệm vụ công nghệ thay đổi và điều quan trọng nhất là
việc lập trình gia công có thể thực hiện ngoài máy, trong các văn phòng có sự hỗ trợ
của kỹ thuật tin học thông qua các thiết bị vi tính, vi sử lý …
Tính năng chính xác, đảm bảo chất lượng cao: Giảm được hư hỏng do sai sót
của con người. Đồng thời cũng giảm được cường độ chú ý của con người khi làm việc.
Có khả năng vẽ mạch in chính xác hàng loạt. Độ chính xác lặp lại, đặc trưng cho mức
độ ổn định trong suốt quá trình vẽ là điểm ưu việt tuyệt đối của máy CNC vẽ mạch in.
Máy CNC vẽ mạch in với hệ thống điều khiển khép kín có khả năng vẽ được những
mạch in một cách chính xác. Những đặc điểm này thuận tiện cho việc tạo ra những
mạch in vừa chính xác lại đảm bảo tính thẩm mĩ,bên cạnh đó giảm khả năng tổn thất ở
mức thấp nhất.
1.3.7 Ứng dụng
- Được sử dụng trong các lĩnh vực của nghành cơ điện tử, điện tử, tự động hóa,...
- Tạo ra những mạch in đẹp, nhanh chóng, tiện lợi.
1.3.8 Hướng giải quyết
- Tham khảo các tài liệu trên mạng và các mô hình máy khắc CNC để vẽ mô hình máy
- CNC vẽ mạch in.
- Sử dụng phần mềm Proteus,Aspire , GRBL, Universal Gcode Sender
- Nghiên cứu kết cấu của các loại máy CNC trên thị trường có tính năng tương tự, cải

tiến những khuyết điểm..
- Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp và thí nghiệm các mạch điều khiển động cơ
bước, động cơ Servo, bộ điều khiển chính, cổng truyền thông giao tiếp, gia công toàn
bộ các chi tiết và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình máy CNC vẽ mạch in.
- Sử dụng bộ điều khiển để điều khiển máy dịch chuyển theo phương X Y và Z.
- Lập trình chạy thử.
1.3.9 Những yêu cầu chung của mô hình máy CNC
- Kích thước và trọng lượng của máy không được quá lớn.
- Chọn bộ truyền động giúp cho máy có thể hoạt động linh hoạt
SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 10


Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử



GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

CHƯƠNG 2

PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH MÁY THIẾT KẾ MÁY
2.1. Yêu cầu thiết kế hệ thống
Khi tiến hành thiết kế mô hình máy phay CNC , nhóm chúng em đã đặt ra những yêu
cầu sau :
-Mô hình phải hoạt động ổn định.
-Mô hình phải dược điều khiển bởi các phần mềm thông dụng.

-Chạy tự động khi kết nối với máy tính
-Có thể đổ chương trình gia công từ máy tính.
-Sử dụng các vật tư , thiết bị điện thông dụng để dễ dàng thay thế và sửa chữa .
-Các bộ phận truyền động kết nối phải đảm bảo đủ cứng vững đồng thời tuổi thọ mô
hình phải cao .
-Thông số kỹ thuật của mô hình:
+Kích thước máy: (dài x cao x rộng)
400mm × 300mm × 290mm (không bao gồm động cơ bước)
+Đường kính bàn xoay: D = 190 mm
+Vùng làm việt của máy: 120mm × 70mm × 20mm
+Vật liệu làm khung máy là nhôm định hình 20mm x20mm, tấm nhựa PVC công
nghiệp và các chi tiết nhôm khác.
-Máy được sữ dụng để vẽ các mạch in trên bo đồng
2.1 Tổng quan về kỹ thuật điều khiển số
2.1.1 Các định nghĩa cơ bản về điều khiển số
2.1.1.1 Điều khiển số
Điều khiển số (Numerical Control) là một quá trình tự động điều khiển các hoạt
động của máy dựa trên cơ sở các dữ liệu được mã hóa đặc biệt tạo nên một chương
trình làm việc của thiết bị hay hệ thống.
Hệ thống ĐK số bao gồm 2 loại khâu cơ bản:
+Khâu có bản chất gián đoạn: Các tín hiệu vào/ra/ trạng thái đều gián
đoạn về thời gian và về mức. Khâu mô tả các thiết bị ĐK digital.
+ Khâu có bản chất liên tục: Mô tả đối tượng điều khiển. Khi gián đoạn
hóa sẽ đưa đến mô hình như hình bên. Việc gián đoạn hóa xuất phát từ mô hình
trạng thái liên tục của đối tượng.
2.1.1.2 Hệ thống điều khiển số
Là hệ thống mà trong đó các hoạt động được điều khiển là dữ liệu số đưa vào
trực tiếp ở một điểm nào đó. Hệ thống đó phải tự động dịch chuyển tối thiểu một phần
nào đó của dữ liệu này.

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 11


Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử



GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

Dữ liệu là thông tin cung cấp bởi mã nhị phân. Nó được biểu diễn dưới dạng mã
số hoặc ký tự. Đây là thông tin cần thiết để tạo ra một chương trình gọi là chương trình
gia công.
Cấu trúc từng phần của hệ thống điều khiển số:

Hình 2.3 Cấu trúc từng phần của hệ thống điều khiển số
Gồm 6 thành phần chính:
1. Chương trình gia công (Part Programe): bao gồm các chỉ thị đã được mã hóa.
2. Hệ điều khiển máy (Machine Control Unit - MCU) được chia làm 2 thành phần:
- Đơn vị xử lý dữ liệu (Data Processing Unit – DPU): thực hiện chức năng đọc mã
lệnh từ thiết bị nhập dữ liệu, xử lý mã lệnh (giải mã), truyền dữ liệu cho CLU.
- Mạch điều khiển (Control Loop Unit – CLU): thực hiện các chức năng nội suy
chuyển động trên cơ sở các tín hiệu nhận được từ DPU, xuất các tín hiệu điều khiển,
nhận các tín hiệu phản hồi, điều khiển các thiết bị phụ trợ.
3. Thiết bị đọc chương trình (Programe Unit).
4. Hệ thống truyền động (Drive System): dùng động cơ một chiều, xoay chiều hoặc
động cơ bước và các bộ truyền cơ khí.

5. Máy công cụ.
6. Hệ thống phản hồi (Feedback System): gồm 2 thành phần:
- Bộ so sánh: so sánh giá trị thực của biến ra để chấp hành giá trị với biến vào của hệ
điều khiển, sai lệch này có thể biến thành tín hiệu điều khiển.
- Cảm biến: dùng để đo giá trị thực của biến ra sau đó cung cấp cho bộ so sánh dưới
dạng tín hiệu, thường là tín hiệu điện.

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 12


Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử



GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

2.1.2 Phương pháp truyền thông tin đầu vào
- Những thông tin cần thiết để gia công một chi tiết nào đó được tập hợp một cách hệ
thống thành chương trình gia công chi tiết và có thể:
- Thông qua các vật mang tin như băng đục lỗ.
- Được soạn thảo và lưu trữ trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ hoặc đĩa CD) và được
đưa vào hệ điều khiển thông qua cửa nạp tương thích.
- Được đưa vào hệ điều khiển số thông qua các nút bấm bằng tay trên bảng điều khiển.
- Được chuyển tiếp từ bộ nhớ của máy tính điều hành chủ sang hệ điều khiển số của
từng trạm gia công.
2.1.3 Ưu nhược điểm của máy điều khiển số

- Có thể bỏ qua các chi tiết mẫu để chép hình.
- Chương trình gia công có thể thay đổi dễ dàng và nhanh chóng nhằm giảm thời gian
chuẩn bị sản xuất, tạo điều kiện cho việc sản xuất hàng loạt nhỏ.
- Có thể sản xuất chi tiết đã có chương trình. Vì vậy không cần phải dự trữ chi tiết mà
chỉ cần lưu chương trình của chi tiết.
- Giảm hư hỏng do sai sót của con người, cải thiện tốc độ gia công và khả năng tận
dụng máy.
- Dễ dàng điều khiển tập trung toàn bộ quá trình sản xuất của phân xưởng.
- Nhược điểm của máy NC là hệ thống điều khiển phức tạp, giá thành đắt. Để khắc
phục nhược điểm này hiện nay người ta chế tạo những máy NC có mức độ tự động
thấp hơn, độ chính xác vừa phải nhưng hoàn toàn đáp ứng phần lớn các nhu cầu của
ngành chế tạo máy.
2.2.4 Phân loại theo cấu trúc điều khiển
Theo cấu trúc điều khiển ta có thể chia thành hai hệ: NC và CNC
- Hệ NC thực hiện các hàm chức năng cơ bản bằng các mạch điện tử, muốn thay đổi
cấu trúc điều khiển thì phải thiết kế lại mạch khác, do đó hệ điều khiển NC được gọi là
hệ điều khiển kín. Tín hiệu điều khiển trong hệ NC là xung điện áp.
- Hệ CNC sử dụng một máy tính để điều khiển máy, các hàm chức năng của máy có
thể được lập trình lại bằng những phần mềm chuyên dụng, khi cần thay đổi cấu trúc
điều khiển chỉ cần thay đổi chương trình, do đó hệ thống CNC mang tính linh hoạt rất
cao và nó là một tế bào không thể thiếu trong hệ thống sản xuất linh hoạt
2.2.5 Phân loại kiểu điều khiển
2.2.5.1 Hệ điều khiển hở
Hệ điều khiển hở là hệ không có mạch phản hồi và kết quả hoạt động của hệ
không được kiểm soát. Ví dụ hệ thống điều khiển hở sử dụng động cơ bước:

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 13


Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử



GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

Hình 2.7- Sơ đồ khối hệ điều khiển hở dùng động cơ bước.
2.2.5.2 Hệ thống điều khiển kín
Hệ thống điều khiển kín là hệ thống có mạch phản hồi. Hệ thống phản hồi dùng
để đo vị trí và tốc độ thực tế của trục và so sánh chúng với tốc độ và vị trí yêu cầu. Sự
khác nhau giữa giá trị thực và giá trị yêu cầu là sai số, sai số này tác động lên hệ thống
điều khiển làm cho hệ thống điều khiển tự điều chỉnh lại tín hiệu ở ngõ ra theo hướng
sao cho sai số đó giảm xuống.

Hình 2.8-Sơ đồ khối hệ điều khiển kín

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 14




Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử

GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

2.2 Nhiệm vụ của máy thiết kế
Đề tài "“Thiết kế máy CNC vẽ mạch in” được nghiên cứu với các mục đích sau:
- Sự ra đời của đề tài do sự ham thích tìm hiểu về máy CNC, xây đựng được mô hình
máy CNC có thể chạy được thông qua sự điều khiển của bộ điều khiển đã thiết kế.
Máy được chế tạo có kích thước nhỏ gọn, kết cấu đơn giản, dễ vận hành thao tác, có
thể di chuyển từ nơi này đến nơi khác trong không gian làm việc, máy có khả năng vẽ
định dạng các đường mạch in đơn giản
- Xây dựng giao diện điều khiển hệ thống đẹp mắt, hoạt động đơn giản và thuận tiện.
Đề tài được cho ra đời nhằm mục đích giúp sinh viên có điều kiện tiếp cận nhiều hơn
với máy CNC. Ngoài ra nhóm tác giả mong muốn đề tài còn tạo cơ sở cho việc chế tạo
một máy CNC hoàn chỉnh, phục cho công tác giảng dạy của nhà trường và của khoa.
- Máy thiết kế có thể gia công các vật liệu mềm như gỗ, mica, nhựa, phíp đồng
Vì máy thiết kế có kích thước nhỏ gọn nên chỉ có thể gia công được những chi tiết có
kích thước nhỏ. Kích thước tối đa của phôi không vượt quá giới hạn dịch chuyền của
dao trên bàn máy.
2.3 Nguyên lý hoạt động của máy

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý
- Nguyên lý hoạt động của máy như sau: Máy CNC mini 3 trục hoạt động dựa theo
chuyển động phức hợp theo 3 phương X,Y,Z. được điều khiển bằng arduino UNO R3
thông qua chương trình điều khiển là Grbl ( hoặc Mach 3).Phôi sẽ được định vị trên
SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 15

Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử



GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

bàn máy, File Gcode sẽ dc nạp vào phần mềm Grbl, bộ xử lý sẽ phân tích code và đưa
ra tin hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành tiến hành gia công trên phôi đã được định vị để
tạo ra sản phẩm. các thông số trong quá trình gia công sẽ được người điều khiển thiết
lập trên phần mềm Grbl và sẽ được hiển thị trên màn hình điều khiển (màn hình máy
tính) trong quá trình gia công chi tiết.
2.4 Các thành phần chính của máy
2.4.1 Phần điều khiển
Phần điều khiển của máy CNC mini gồm chương trình điều khiển và thiết bị
điều khiển:
+ Chương trình điều khiển: là phần mềm trên máy tính có nhiệm vụ đọc chương
trình, thực hiện các biến đổi cần thiết để đưa tín hiệu điều khiển xuống mạch điều
khiển, nó bao gồm cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội
suy, cơ cấu so sánh.
+ Cơ cấu điều khiển: mạch điều khiển và mạch công suất có nhiệm vụ nhận tín
hiệu từ máy tính, thực hiện các biến đổi cần thiết để điều khiển được cơ cấu chấp hành
và kiểm tra sự hoạt động của cơ cấu chấp hành thông qua các cảm biến liên hệ ngược
(công tắc hành trình). Cơ cấu điều khiển gồm: cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ
xử lý tín hiệu, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuếch đại, cơ cấu hành trình, cơ cấu đo vận tốc
các thiết bị xuất nhập tín hiệu.
2.4.2 Phần chấp hành
Phần chấp hành bao gồm toàn bộ khung máy, bàn máy, các động cơ và các cơ
cấu chạy dao truyền động trên máy vẽ CNC mini, nó nhận tín hiệu từ bộ driver điều
khiển tạo ra các chuyển động chạy dao đúng như bản vẽ.
+ Khung máy: Hình thành kết cấu máy, bộ phân cơ sở để ghép nối các cơ cấu

quan trọng khác
+ Bàn máy: Nơi gá đặt, định vi phôi chuẩn bị cho quá trình gia công
+ Động cơ chấp hành: Trong hệ thống máy CNC, ĐCCH đóng một vai trò cực
kì quan trọng, đây là nguồn năng lượng thiết yếu cho sự hoạt động của máy.
- Dao cắt là bộ phận trực tiếp tham gia cắt gọt chi tiết.
- Bộ truyền động thường sử dụng bộ truyền vít me - đai ốc bi…
Hệ trục tọa độ trên máy CNC
Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công trên máy CNC
phải nằm trong hệ tọa độ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải:
+ Đặt ngửa bàn tay phải lên bàn máy với phương chiều các ngón tay như hình
vẽ, chiều ngón giữa là chiều trục Z, ngón trỏ là chiều trục Y, ngón cái là chiều trục X.
+ Trong hệ tọa độ này có 6 chuyển động: 3 chuyển động tịnh tiến theo 3 trục và
3 chuyển động quay theo 3 trục.
+ Trục Z: tương ứng với trục chính của máy CNC, có chiều dương là chiều mà
theo đó khoảng cách giữa bút và chi tiết tăng dần.

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 16


Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử



GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

+ Trục X: là chuyển động tịnh tiến lớn nhất của máy CNC.

Ví dụ: Trên máy vẽ là chuyển động dọc trục, trên máy tiện là chuyển động theo
phương ngang. Cũng tương tự như trục Z, chiều cũng là chiều làm tăng khoảng cách
giữa dao và chi tiết gia công.
+ Trục Y: là trục mà tự nó cùng với hai trục trên làm thành một hệ trục toạ độ.
Ví dụ: trên máy vẽ là chuyển động chạy dao ngang. Trên máy tiện không có
trục này (cho dạng chi tiết là tròn xoay).

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 17




Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử

GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

CHƯƠNG 3

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH CỦA MÁY
3.1 Phân tích, chọn phương án, kích thước và quy mô của mô
3.1.1 Phân tích chọn phương án
Mô hình chế tạo cần đáp ứng các yêu cầu sau:
+ Đề tài nghiên cứu chỉ ở mức là mô hình phục vụ cho giảng dạy, học tập.
+ Đảm bảo độ cứng vững cũng như kích thước đơn giản của máy.
+ Dễ chế tạo trên các mô hình cũ sẵn có.
Trong phương án này, bàn máy đứng yên, đầu máy thực hiện chuyển động chạy

dao theo 3 phương X, Y, Z nhờ các động cơ riêng lẻ.

Hình 3.1 Hình ảnh thực tế
- Ưu điểm:
+ Gọn nhẹ, dễ sử dụng
+ Chi phí thấp, hiệu quả cao
- Nhược điểm:
+ Độ cứng vững của máy không cao.
+ Khó mở rộng phạm vi hoạt động của bàn máy
3.1.2.Kích thước và quy mô của mô hình
Theo phương án chế tạo đã đặt ra, chúng em dự kiến thiết kế máy có kích thước
như sau:

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 18


Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử



GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

- Chiều cao máy: 300mm
- Chiều dài máy: 400mm
- Chiều rộng máy: 290mm
3.2 Tính toán thiết kế các thành phần của máy

Tác dụng, yêu cầu của khung máy
+ Khung máy là một bộ phận cấu thành nên máy hoàn chỉnh. Chính vì thế
khung máy có kết cấu rất phức tạp với nhiều gân, gờ, lỗ được bố trí trong không gian.
+ Mặt khác khung máy còn là một chi tiết quan trọng của máy, độ chính xác,
cứng vững của nó còn ảnh hưởng rất lớn đến quá trình làm việc và độ chính xác gia
công. Do đó khung máy phải thỏa những yêu cầu sau: Đảm bảo đầy đủ độ cứng vững
khi máy chạy và độ giảm chấn.
Do kiến thức về gia công cơ khí còn hạn chế và để đảm bảo chi phí chế tạo máy
phù hợp với điều kiện kinh tế của bản thân nên chúng em quyết định chọn vật liệu làm
khung máy bằng nhôm định hình với các lý do sau:
+ Vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm.
+ Dễ gia công, chế tạo.
+ Dễ gá lắp, chỉnh sửa
3.2.1 Cơ cấu dẫn hướng
- Bi trượt

- Trục trơn

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 19


Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử



GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

- Trong mô hình máy CNC, sau khi cân nhắc tác giả quyết định chọn giải pháp dùng
vòng bi kết hợp với ống trụ tròn để làm bộ phận dẫn hướng cho chuyển động chạy dao
theo 3 trục của máy vì:
+ Thông dụng, dễ kiếm.
+ Dễ tháo lắp, kết cấu đơn giản.
+ Ma sát nhỏ.
+ Đảm bảo được yêu cầu thiết kế
- Tuy cơ cấu có độ chính xác cao, ma sát thấp nhưng giá thành lại khá cao.
3.2.2 Cơ cấu truyền động
- Do kinh phí chế tạo máy nhỏ nên nhóm không thể dùng vít me bi để đảm bảo độ
chính xác cao mà lựa chọn giải pháp dùng vitme đai ốc thường.
-Vít me được gắn đồng trục với động cơ, khi động cơ quay , vít me quay, động cơ và
vít me gắn cố định, làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vít me. Đai ốc thì được
gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động ( trục X, Y ,Z). Từ đó làm cho bộ phận đó
chuyển động so với hệ thống thanh trượt , động cơ và cơ cấu truyền động.
-Tốc độ di chuyển được phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vít,
thường thì bước ren rất nhỏ cỡ 1 đến 2 mm, một vòng quay của trục động cơ sẽ làm
đai ốc di chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít , vì vậy tốc độ di chuyển của bộ
phận trượt ở phương pháp này là chậm nhưng lại có độ chính xác khi chuyển động khá
cao.Dùng động cơ bước có bước góc càng nhỏ và trục ren có bước ren nhỏ thì độ
chính xác di chuyển càng cao
-Ưu điểm của loại vitme này là giá thành rẻ, sai số ở mức cho phép, đảm bảo được độ
bền và ổn định.
- Thông số bộ truyền vitme – đai ốc được chọn như sau:
+ Đường kính trục vitme: d = 8mm
+ Bước vit: p = 8mm
+ Chiều dài vitme cho 3 trục:

X:

Y:

= 360mm

=

270mm

Z: L3 = 120mm

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 20


Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử



GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

3.2.3 Các loại động cơ sử dụng
- Trong hệ thống máy CNC, động cơ chấp hành đóng một vai trò cực kì quan trọng,
đây là nguồn năng lượng thiết yếu cho sự hoạt động của máy.
- Trong máy CNC, động cơ chấp hành thường làm việc ở dạng khởi động, dừng máy
hoặc đảo chiều quay, đây là điều kiện làm việc “khắc nghiệt” của động cơ. Vì vậy
động cơ cần có những yêu cầu sau:
+ Không có hiện tượng tự quay, tự hãm khi ngắt tín hiệu điều khiển.

+ Làm việc ổn định trong dãy tốc độ làm việc.
+ Tác động nhanh.
+ Công suất điều khiển nhỏ.
+ Dễ điều khiển vô cấp.
+ Dãy điều khiển tốc độ rộng.
+ Điện áp khởi động nhỏ.
+ Độ tin cậy cao.
+ Kích thước, trọng lượng nhỏ.
3.2.3.1 Động cơ bước:
b) Khái niệm
- Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số
các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến
đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các
chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào
các vị trí cần thiết.
- Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ
một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.
- Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên
có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển
mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định.
Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và
tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
- Lựa chọn động cơ bước, cần xem xét các tham số sau:
+ Tốc độ hoạt động (bước/giây).
+ Mômen xoắn.
+ Mômen quán tính.
+ Góc bước yêu cầu.
+ Thời gian để tăng tốc (ms).
+ Thời gian để giảm tốc (ms).
+ Kiểu truyền động được sử dụng.

+ Kích thước và trọng lượng.
SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 21




Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử

GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

b) Nguyên lý hoạt động của động cơ bước
Hình sau mô tả hoạt động của động cơ bước đơn giản.
Trong hình 3a dòng điện đưa vào cực /C và chạy ra ở C, do đó tạo ra lực từ giữ động
cơ ở vị trí như hình 3a). Sau đó, chúng ta tắt dòng điện này đi và chuyển sang cặp /A
và A, như vậy động cơ sẽ bị xoay về vị trí mới do lực từ thay đổi hướng.Sau đó đến
cặp B và /B. Như vậy, bằng cách tạo các dòng điện chạy qua các cuộn dây, ta đã làm
xoay roto theo chiều mong muốn mỗi lần quay một bước khoảng cách giữa hai cuộn
dây sát nhau. Như vậy nếu ta đặt các cuộn dây càng sát nhau thì ta có độ phân giải
càng cao, các động cơ trong thực tế có thể đạt tới độ phân giải góc 1.8 độ.

c) Tính toán lựa chọn động cơ bước:
- Thông số tính toán động cơ bước trên trục Y
+ Khối lượng tải

= 2 kg

+ Hệ số má sát của giá dẫn hướng

μ=0,12

+ Đường kính trục vitme

=8mm=0,008m

+ Khối lượng trục vitme

=0,5kg

+ Bước vit

=8mm=0,008m

+ Độ chính xác của bàn máy

Δl=0,03 mm/bước

+ Khoảng cách dịch chuyển

l=300mm

+ Hệ số an toàn

Sf=3

+ Độ phân giải cần thiết của động cơ bước
.∆

=

=

. ,

=1,35°

+ Số vòng quay của động cơ bước
=

.

.

=

.

. ,

=2250 vòng/phút

+ Momen xoắn do khối lượng tải tác dụng lên trục động cơ

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 22




Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử

GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

+ Momen quán tính do khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ:
=

. ( ) = 2.(

,

) = 3,2.10

(kg.

)

+ Momen xoắn do khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ
. .

=J . =J .

.

= 3,2.10 .

. . ,
. ,

= 3,8.10

Nm

+ Momen xoắn do ma sát của thanh dẫn hướng tác động lên trục động cơ:
=

. μ.m.g =

,

. 0,12.2. 9,81= 3.10 Nm

+ Momen tổng cộng tác dụng lên trục động cơ:

T =( + ). Sf= (3,8.10 +3.10 ).3=0,02 Nm
+ Công suất làm việc
=T .

.

của động cơ

=0,01. 2250.

= 4,72 W

- Thông số tính toán động cơ bước trên trục X:

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 23




Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử

GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh
= 1 kg

+ Khối lượng tải:
+ Hệ số má sát của giá dẫn hướng:

μ = 0,12

= 8mm = 0,008m

+ Đường kính trục vitme:

= 0,4 kg

+ Khối lượng trục vitme:

= 8mm = 0,008m

+ Bước vit:
+ Độ chính xác của bàn máy:

Δl = 0.03 mm/bước

+ Khoảng cách dịch chuyển:

l = 200mm

+ Hệ số an toàn:

Sf = 3

+ Độ phân giải cần thiết của động cơ bước
.∆

=

. ,

=

= 1,35°

+ Số vòng quay của động cơ bước
=

.

.

.

=

. ,

= 2250 vòng/phút

+ Momen xoắn do khối lượng tải tác dụng lên trục động cơ

+ Momen quán tính do khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ:
=

. ( ) = 1.(

,

) = 1,6.10

kg.

+ Momen xoắn do khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ
=J . =J .

. .

.

= 1,6.10 .

. . ,

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

. ,

= 1,9.10

Nm

Lớp: 15CĐT1

Trang 24




Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử

GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh

+ Momen xoắn do ma sát của thanh dẫn hướng tác động lên trục động cơ:
=

,

. μ.m.g =

. 0,12.1. 9,8= 1,5.10

Nm

+ Momen tổng cộng tác dụng lên trục động cơ:
T =( + ). Sf= (1,9.10 +1,5.10 ).3=0,01 Nm
+ Công suất làm việc
=T .

.

của động cơ:

=0,01. 2250.

= 2,36 W

- Thông số tính toám động cơ bước trên trục Z
+ Khối lượng tải:

=1,6kg

+ Hệ số má sát của giá dẫn hướng:

μ=0,12

+ Đường kính trục vitme:

=8mm=0,008m

+ Khối lượng trục vitme:

=0,2kg

+ Bước vit:

=8mm=0,008m

+ Độ chính xác của bàn máy:

Δl=0,03 mm/bước

+ Khoảng cách dịch chuyển:

l=100mm

+ Hệ số an toàn:

Sf=3

+ Độ phân giải cần thiết của động cơ bước
.∆

=

. ,

=

=1,35°

+ Số vòng quay của động cơ bước
=

.

.

=

.

. ,

=2250 vòng/phút

+ Momen xoắn do khối lượng tải tác dụng lên trục động cơ

SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến

Lớp: 15CĐT1

Trang 25