DO AN THIET KE HE THONG DAN DONG BAN MAY PHAY CNC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
MỤC LỤC
PHỤ LỤC HÌNH..................................................................................................... 3
PHỤ LỤC BẢNG.................................................................................................... 5
LỜI MỞ ĐẦU......................................................................................................... 6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ ĐIỀU KHIỂN BẰNG
CHƯƠNG TRÌNH SỐ ( MÁY CNC)..................................................................... 7
1. Giới thiệu chung về máy công cụ CNC.......................................................... 7
1.1. Lịch sử hình thành................................................................................ 7
1.2. Đặc trưng cơ bản của máy CNC.......................................................... 9
1.3. Phân loại...............................................................................................11
2. Máy phay CNC...............................................................................................12
2.1. Sơ đồ kết cấu động học của máy phay CNC........................................12
2.2. Các thành phần của hệ thống dẫn động máy phay CNC......................14
2.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống dẫn động bàn máy CNC...............19
CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ DẪN ĐỘNG HỆ BÀN MÁY CNC..........21
1. Tính chọn vít me – đai ốc bi trục X...............................................................21
1.1. Tính chọn vít me bi...............................................................................21
1.2. Tính chọn vít me trục X........................................................................26
1.3. Tính toán chọn ổ đỡ trục X...................................................................31
2. Tính chọn vít me – đai ốc bi trục Y...............................................................35
2.1. Tính toán tải trọng dọc trục...................................................................35
2.2. Tính lực tác dụng trung bình và tải trọng tác dụng lên vít me..............35
2.3. Lựa chọn vít me và kiểm tra sơ bộ........................................................37
2.4. Tính toán chọn ổ đỡ trục Y...................................................................39
3. Tính toán lựa chọn khớp nối trục..................................................................44
CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN RAY DẪN HƯỚNG...................................................46

Trang 1

1. Các thông số tính toán...................................................................................46

C0
1.1. Hệ số tải tĩnh ...................................................................................46
M0
1.2. Momen tĩnh cho phép
.....................................................................46
fs
1.3. Hệ số an toàn tĩnh .............................................................................46
1.4. Hệ số tải trọng động định mức C..........................................................47
1.5. Tính toán tuổi bền danh nghĩa L...........................................................47
1.6. Tính toán tuổi bền dịch vụ theo thời gian.............................................50
1.7. Hệ số ma sát..........................................................................................50


THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
1.8. Tính toán tải trọng làm việc..................................................................51
1.9. Tính toán tải trọng tương đương...........................................................53
1.10. Tính toán tải trọng trung bình...............................................................54
2. Tính chọn ray dẫn hướng..............................................................................55
2.1. Các thông số đầu vào............................................................................55
2.2. Tính toán với bàn máy X.......................................................................58
2.3. Tính toán với bàn máy Y.......................................................................63
CHƯƠNG 4: TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ..................................................................69
1. Tính chọn động cơ dẫn động trục X...............................................................69
1.1. Momen phát động tác dụng lên trục X..................................................69
1.2. Các thông số đầu vào............................................................................69
1.3. Tính toán lựa chọn động cơ...................................................................70
2. Tính chọn động cơ dẫn động trục Y...............................................................72
2.1. Momen phát động tác dụng lên trục Y..................................................72
2.2. Các thông số đầu vào............................................................................73
2.3. Tính toán lựa chọn động cơ...................................................................73

KẾT LUẬN.............................................................................................................76
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................77

MỤC LỤC HÌNH
Hình 1-1: Máy Tiện CNC........................................................................................11
Trang 2


THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
Hình 1-2: Máy phay CNC.......................................................................................11
Hình 1-3: Máy khoan CNC.....................................................................................12
Hình 1-4: Sơ đồ kết cấu động học của máy phay CNC...........................................13
Hình 1-5: Thân máy.................................................................................................14
Hình 1-6: Bàn máy..................................................................................................15
Hình 1-7: Ray dẫn hướng........................................................................................15
Hình 1-8: Trục vít me..............................................................................................16
Hình 1-9: Cấu tạo vít me đai ốc...............................................................................17
Hình 1-10: Profin vít me..........................................................................................18
Hình 1-11: Động cơ bước........................................................................................18
Hình 1-12: Động cơ server......................................................................................19
Hình 1-13: Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động bàn máy CNC..............................20
Hình 2-1: Quy trình tính toán..................................................................................22
Hình 2-2: Bảng thông số hãng Sandvik...................................................................24
Hình 2-3: Kiểu lắp fixed – supported......................................................................24
Hình 2-4: Sơ đồ lực dọc trục...................................................................................25
Hình 2-5: Lưu chuyển bi ngoài của trục vít me X...................................................29
Hình 2-6: Sơ đồ lắp ổ bi trục X...............................................................................31
Hình 2-7: Thông số ổ bi đỡ - chặn 7408 BCBM.....................................................31
Hình 2-8: Thông số ổ bi đỡ 1 dãy 6408...................................................................32
Hình 2-9: Lưu chuyển bi ngoài của trục vít me Y...................................................37

Hình 2-10: Thông số ổ bi đỡ - chặn 7409 BCBM...................................................40
Hình 2-11: Thông số ổ bi đỡ 1 dãy 6409.................................................................41
Hình 2-12: Cấu tạo khớp nối...................................................................................44
Hình 3-1: Dạng của ray dẫn hướng.........................................................................46
Hình 3-2: Đồ thị độ cứng vững...............................................................................48
Trang 3


THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
Hình 3-3: Đồ thị sự ảnh hướng của nhiệt độ thực tế khi làm viêc tới nhiệt độ của
thanh ray..................................................................................................................49
Hình 3-4: Đồ thị hệ số ma sát..................................................................................50
Hình 3-5: Tải trọng tác động lên ray dẫn hướng.....................................................54
Hình 3-6: Quy trình tính toán ray dẫn hướng..........................................................55
Hình 3-7: Ray dẫn hướng hãng PM.........................................................................56
Hình 3-8: Thông số ray dẫn hướng MSA................................................................57
Hình 3-9: Các giai đoạn chuyển dịch......................................................................58
Hình 3-10: Sơ đồ phân bố lực.................................................................................59

MỤC LỤC BẢNG
Bảng 2.1: Lực dọc trục X........................................................................................26
Bảng 2.2: Lực tác dụng vào trục vít me X...............................................................27
Trang 4


THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
Bảng 2.3: Giá trị

fw

.................................................................................................28

Bảng 2.4: Bảng kết quả

Ca

......................................................................................28

Bảng 2.5: Bảng thông số vít me bi X......................................................................29
Bảng 2.6: Lực dọc trục Y........................................................................................35
Bảng 2.7: Lực tác dụng vào trục vít me Y...............................................................36
Bảng 2.8: Giá trị

fw

.................................................................................................36

Bảng 2.9: Bảng kết quả

Ca

......................................................................................37

Bảng 2.10: Bảng thông số vít me bi Y....................................................................38
Bảng 2.11: Bảng chọn khớp nối..............................................................................45
Bảng 3.1: Bảng giá trị
Bảng 3.2: Giá trị

fw

fs

.........................................................................................47

.................................................................................................49

Bảng 3.3: Công thức tính tải trọng làm việc............................................................51
Bảng 3.4: Thông số đầu vào trục X.........................................................................56
Bảng 3.5: Thông số đầu vào trục Y.........................................................................56
Bảng 4.1: Thông số một số động cơ hãng ANILAM..............................................71
Bảng 4.2: Thông số chi tiết AM 1160 E- series.......................................................72
Bảng 4.3: Thông số một số động cơ hãng ANILAM..............................................74
Bảng 4.4: Thông số chi tiết AM 1140 A- series......................................................75

LỜI MỞ ĐẦU
Trang 5


THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
Trong sự nghiệp công nghiệp hóa – hiện đại hóa, phát triển khoa học kĩ thuật là
vấn đề quan trọng và cần sự quan tâm lớn. Mỗi nghành như cơ khí, điện tử, tin học
đều có nền tảng khoa học vững chắc và tạo ra các sản phẩm đặc trưng riêng. Tuy
nhiên, yêu cầu của thời đại đặt ra yêu cầu cao hơn về cách hoạt động của máy móc,
yêu cầu máy móc cần gọn nhẹ hơn, linh hoạt hơn, uyển chuyển hơn và thông minh
hơn. Việc sử dụng máy móc đề thay thế sức lao động của con người là một xu
hướng tất yếu để tăng năng suất lao động, tạo ra nhiều sản phẩm chất lượng cao.
Máy CNC là một tiến bộ vượt bậc của nền công nghiệp. Sự xuất hiện của máy
CNC đã nhanh chóng làm thay đổi quá trình sản xuất công nghiệp. Các đường
cong, cấu trúc phức tạp cũng được thực hiện dễ dàng giúp tăng năng suất, giảm hao
phí gia công. Các máy CNC phổ biến như: máy tiện, phay, máy cắt laze, máy cắt

dây CNC,..
Đồ án thiết kế cơ khí này, em sẽ tìm hiểu về quá trình tính toán và thiết kế hệ
thống dẫn hướng máy phay CNC. Nhiệm vụ chính là tính toán thiết kế lựa chọn hệ
thống vít me, ray dẫn, ổ bi, động cơ các trục X, Y.
Với đề tài được giao: Thiết kế hệ thống dẫn hướng cho máy phay CNC đã giúp
em tổng hợp được kiến thức đã học với thực hành.
Nội dung bao gồm:
-

Phần 1: Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật
Phần 2: Thiết kế hệ thống truyền động
Phần 3: Xây dựng bản vẽ và thiết kế
Phần 4: Mô phỏng nguyên lý hoạt động
Em xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Thái Việt, cùng các thầy cô trong Bộ Môn
Cơ Điện Tử - Viện Cơ Khí đã giúp em hoàn thành đồ án này. Do thời gian và kiến
thức còn hạn chế, chắc chắn không tránh khỏi sự thiếu sót, em kính mong nhận
được sự giúp đỡ và các ý kiến đóng góp của các thầy cô để đồ án của em được hoàn
thiện. Em xin chân thành cám ơn!
Hà Nội, Ngày

Trang 6

Tháng

Năm 2017


THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ ĐIỀU KHIỂN BẰNG
CHƯƠNG TRÌNH SỐ ( MÁY CNC )

1.

Giới thiệu chung về máy công cụ CNC

1.1. Lịch sử hình thành
CNC – viết tắt cho Computer Numeric Controlled (điều khiển bằng máy
tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các loại máy móc với mục
đích sản xuất bằng cách sử dụng các chương trình viết kí hiệu chuyên biệt . Ta có
thể bắt gặp CNC dưới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nước có
hạt mài, máy đột rập và nhiều công cụ công nghiệp khác.
Mặc dù máy tiện chế biến gỗ đã được sử dụng từ thời Kinh Thánh, nhưng chiếc
máy tiện gia công kim loại thực tế đầu tiên mới được Henry Maudslay phát minh
vào năm 1800. Nó chỉ đơn giản là một công cụ máy giữ mẩu kim loại đang được
gia công, vì vậy một công cụ cắt có thể gia công bề mặt theo đường mức mong
muốn.Chiếc máy phay đầu tiên được vận hành theo cách thức tương tự như vậy,
ngoại trừ công cụ cắt được đặt ở trục chính đang quay. Phôi được lắp trên bệ máy
hay bàn làm việc và di chuyển theo công cụ cắt. Chiếc máy phay này do Eli
Whitney phát minh năm 1818.Những chuyển động được sử dụng trong các công cụ
máy được gọi là trục và đề cập đến 3 trục: “X” (thường từ trái qua phải), “Y”
(trước ra sau) và “Z” (trên và dưới). Bàn làm việc cũng có thể được quay theo mặt
ngang hay dọc, tạo ra trục chuyển động thứ tư. Một số máy còn có trục thứ năm,
cho phép trục quay theo một góc.
Những nỗ lực ban đầu để “tự động hóa” các hoạt động này sử dụng một loạt
cam để di chuyển dao cụ hay bàn làm việc qua những liên kết. Khi cam quay, một
liên kết lần theo bề mặt của mặt cam di chuyển công cụ cắt hay phôi qua một dãy
các chuyển động. Mặt cam được định hình để điều khiển khối lượng chuyển động
liên kết và tốc độ mà cam quay điều khiển tốc độ cấp dao. Một số máy vẫn còn tồn
tại cho tới ngày nay và được gọi là máy kiểu Thụy Sĩ. một cái tên đồng nghĩa với
gia công chính xác.
Từ thiết kế sơ khai đến hoạt động ngày nay: Thiết kế máy CNC hiện đại bắt

nguồn từ tác phẩm của John T. Parsons cuối những năm 1940 và đầu những năm
1950. Sau Thế chiến II, Parsons tham gia sản xuất cánh máy bay trực thăng, một

Trang 7


THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
công việc đòi hỏi phải gia công chính xác các hình dạng phức tạp. Parsons sớm
nhận ra rằng bằng cách sử dụng máy tính IBM thời kì đầu, ông đã có thể tạo ra
những thanh dẫn đường mức chính xác hơn nhiều khi sử dụng các phép tính bằng
tay và sơ đồ. Dựa trên kinh nghiệm này, ông đã giành được hợp đồng phát triển một
“máy cắt đường mức tự động” cho Không quân để tạo mặt cong cho cánh máy bay.
Sử dụng một đầu đọc thẻ máy tính và các bộ điều khiển động cơ trợ động
(servomotor) chính xác, chiếc máy được chế tạo cực kì lớn, phức tạp và đắt đỏ.
Mặc dù vậy, nó làm việc một cách tự động và sản xuất các mặt cong với độ chính
xác cao đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp máy bay.
Đến những năm 1960, giá thành và tính phức tạp của những chiếc máy tự động
giảm đến một mức độ nhất định để có thể ứng dụng trong các ngành công nghiệp
khác. Những chiếc máy này sử dụng các động cơ truyền động điện một chiều để
vận dụng vô lăng và vận hành dao cụ. Các động cơ này nhận chỉ dẫn điện từ một
đầu đọc băng từ – đọc một băng giấy có chiều rộng khoảng 2,5cm có đục một hàng
lỗ. Vị trí và thứ tự lỗ cho phép đầu đọc sản xuất ra những xung điện cần thiết để
quay động cơ với thời gian và tốc độ chính xác, trong thực tế nó điều khiển máy
giống như nhân viên vận hành. Các xung điện được quản lý bởi một máy tính đơn
giản không có bộ nhớ. Chúng thường được gọi là NC hay máy điều khiển số.
Năm 1947, John Parsons quản lý một hãng sản xuất hàng không ở thành phố
Traverse, Michigan. Đối mặt với tính phức tạp ngày càng cao của hình dạng chi tiết
và những vấn đề về toán học và kỹ thuật mà họ gặp phải, Parsons đã tìm ra những
biện pháp để giảm chi phí kỹ thuật cho công ty. Ông đã xin phép International
Business Machine sử dụng một trong những chiếc máy tính văn phòng trung ương

của họ để thực hiện một loạt các phép toán cho một cánh máy bay trực thăng mới.
Cuối cùng, ông đã dàn xếp với Thomas J. Watson, chủ tịch huyền thoại của IBM,
nhờ đó IBM sẽ làm việc với tập đoàn Parsons để tạo ra một chiếc máy được điều
khiển bởi các thẻ đục lỗ. Nhanh chóng, Parsons cũng ký được hợp đồng với Air
Force để sản xuất một chiếc máy được điều khiển bằng thẻ hay băng từ có khả năng
cắt các hình dạng đường mức giống như những hình trong cánh quạt và cánh máy
bay. Sau đó, Parsons đã đến gặp các kĩ sư ở Phòng thí nghiệm cơ cấu phụ thuộc
Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) nhờ hỗ trợ dự án. Các nhà nghiên cứu MIT
đã thí nghiệm nhiều kiểu quá trình khác nhau và cũng đã làm việc với các dự án Air

Trang 8


THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
Force từ thời Thế chiến II. Phòng thí nghiệm MIT đã nhận thấy đây là một cơ hội
tốt để mở rộng
nghiên cứu sang lĩnh vực điều khiển.
Các máy CNC hiện đại hoạt động bằng cách đọc hàng nghìn bit thông tin được
lưu trữ trong bộ nhớ máy tính chương trình. Để đặt thông tin này vào bộ nhớ, nhân
viên lập trình tạo ra một loạt lệnh mà máy có thể hiểu được. Bộ điều khiển cũng
giúp nhân viên lập trình tăng tốc độ sử dụng máy. Ví dụ, trong một số máy, nhân
viên lập trình có thể đơn giản chỉ cần nhập dữ liệu về vị trí, đường kính và chiều
sâu của một chi tiết và máy tính sẽ lựa chọn phương pháp gia công tốt nhất để sản
xuất chi tiết đó dưới dạng phôi. Thiết bị mới nhất có thể chọn một mẫu kỹ thuật
được tạo ra từ máy tính, tính toán tốc độ dao cụ, đường vận chuyển vật liệu vào
máy và sản xuất chi tiết mà không cần bản vẽ hay một chương trình.
Sự tiến bộ trong máy tính và trí thông minh nhân tạo sẽ làm cho những chiếc
máy CNC tương lai nhanh hơn và dễ vận hành hơn. Các loại máy CNC chắc chắn
sẽ có một tương lai bùng nổ mạnh mẽ.
1.2. Đặc trưng cơ bản của máy CNC

Các ưu điểm:

Trang 9

- Tính năng tự động cao: Máy CNC có năng suất cắt gọt cao và giảm được tối
đa thời gian phụ, do mức độ tự động được nâng cao vượt bậc. Tuỳ từng mức
độ tự động, máy CNC có thể thực hiện cùng một lúc nhiều chuyển động khác
nhau, có thể tự động thay dao, 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 dao
và chi tiết, tự động tưới nguội, tự động hút phoi ra khỏi khu vực cắt …
- Tính năng linh hoạt cao: Chương trình có thể thay đổi dễ dàng và nhanh
chóng, thích ứng với các loại chi tiết 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 gia công
được 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 xử lý …


THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
- Tính năng tập trung nguyên công: Đa số các máy CNC có thể thực hiện số
lượng lớn các nguyên công khác nhau mà không cần thay đổi vị trí gá đặt
của chi tiết. Từ khả năng tập trung các nguyên công, các máy CNC đã được
phát triển thành các trung tâm gia công CNC.
- 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 gia công chính xác hàng loạt, độ chính xác lặp lại, đặc

trưng cho mức độ ổn định trong suốt quá trình gia công là điểm ưu việt tuyệt
đối của máy CNC.Máy CNC với hệ thống điều khiển khép kín có khả năng
gia công được những chi tiết chính xác cả về hình dáng đến kích thước.
Những đặc điểm này thuận tiện cho việc lắp lẫn, giảm khả năng tổn thất phôi
liệu ở mức thấp nhất.
- Gia công biên dạng phức tạp: Máy CNC là máy duy nhất có thể gia công
chính xác và nhanh các chi tiết có hình dáng phức tạp như các bề mặt 3
chiều.
- Tính năng hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao: Cải thiện tuổi bền dao nhờ điều
kiện cắt tối ưu. Tiết kiệm dụng cụ cắt gọt, đồ gá và các phụ tùng khác.Giảm
phế phẩm.Tiết kiệm tiền thuê mướn lao động do không cần yêu cầu kỹ năng
nghề nghiệp nhưng năng suất gia công cao hơnSử dụng lại chương trình gia
công Giảm thời gian sản xuấtThời gian sử dụng máy nhiều hơn nhờ vào
giảm thời gian dừng máy.Giảm thời gian kiểm tra vì máy CNC sản xuất chi
tiết chất lượng đồng nhất.CNC có thể thay đổi nhanh chóng từ việc gia công
loại chi tiết này sang loại khác với thời gian chuẩn bị thấp nhất.
Tuy nhiên máy CNC không phải không có những hạn chế: Sự đầu tư ban đầu
cao, nhược điểm lớn nhất trong việc sử dụng máy CNC là tiền vốn đầu tư ban đầu
cao cùng với chi phí lắp đặt. Yêu cầu bảo dưỡng cao, máy CNC là thiết bị kỹ thuật
cao và hệ thống cơ khí, điện của nó rất phức tạp. Để máy gia công được chính xác
cần thường xuyên bảo dưỡng. Người bảo dưỡng phải tinh thông cả về cơ và điện.
Hiệu quả thấp với những chi tiết đơn giản.
1.3. Phân loại
Các loại máy CNC phổ biến hiện nay gồm có :
- Máy tiện CNC:
Trang 10


THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC

Hình 1-1.Máy tiện CNC
- Máy phay CNC:

Hình 1-2.Máy phay CNC
- Máy khoan CNC:

Trang 11


THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
Hình 1-3.Máy khoan CNC
2.

Máy Phay CNC

Máy phay CNC là một trong các loại máy phổ biến trong các phân xưởng cơ
khí chế tạo khuôn mẫu ở nước ta. Các máy phay CNC được sử dụng được nhập
khẩu từ nước ngoài, do đó chủng loại và kiểu máy rất khác rất khác nhau tùy thuộc
vào hãng sản xuất. Để mở rộng khả năng công nghệ thì trong thực tế hiện nay
người ta thường kết hợp máy phay CNC với máy tiện CNC, máy khoan để tạo
thành trung tâm gia công CNC. Các trung tâm gia công thường có 3 trục định vị, để
tăng khả năng gia công của máy đối với các biên dạng chi tiết phức tạp, máy có thể
có 5 trục định vị.
2.1. SƠ ĐỒ KẾT CẤU ĐỘNG HỌC CỦA MÁY PHAY CNC
Kết cấu động học của máy phay đứng CNC bao gồm: Cụm trục chính, hệ
thống thay dao, bàn máy của máy phay và bộ điều khiển CNC.
Cụm trục chính là nơi gá đặt các dụng cụ cắt và tạo ra tốc độ cắt gọt. Trục
chính được dẫn động bởi một động cơ servo trục chính (trục Z) điều khiển được,
được điều khiển và điều chỉnh bởi bộ điều khiển CNC, có khả năng cho ra tốc độ
quay bất kì trong giới hạn thiết kế của máy. Hệ thống truyền động và cụm trục

chính được tích hợp hệ thống phanh khí nén, nhằm phục vụ cho việc thay đổi tốc
độ quay trong thời gian ngắn nhất. Tốc độ quay của trục chính luôn được các cảm
biến đo và phản hồi về bộ điều khiển CNC. Trên trục chính có lắp đặt hệ thống gá
kẹp dụng cụ tự động bằng khí nén hoặc thủy lực nhằm tự động hóa hoàn toàn quá
trình thay dao. Chuyển động theo trục Z của máy do cụm trục chính thực hiện, dẫn
động nhờ một động cơ servo trục Z thông qua bộ truyền vitme đai ốc bi, được điều
khiển và điều chỉnh bởi bộ điều khiển CNC kín, có phản hồi.

Hình 2-1. Kết cấu động học của máy phay đứng CNC

Trang 12


THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
Hệ thống thay dao của máy phay CNC được tự động hóa hoàn toàn, thông
thường nó là các ổ chứa kết hợp với kẹp dụng cụ kép. Vị trí thay dao của cụm trục
chính là vị trí được xác định bởi nhà sản xuất nhằm không xảy ra hiện tượng va đập
với các chi tiết và các bộ phận khác của máy trong quá trình thay dao. Hiện nay,
các nhà sản xuất trung tâm gia công cơ khí CNC còn đưa ra một hệ thống thay dao
đơn giản hơn đó là ổ chứa dao tự hành, vừa có chức năng chứa dao, vừa có chức
năng thay dao tự động.

Hình 1-4.Sơ đồ kết cấu động học của máy phay CNC
Bàn máy của máy phay CNC thông thường có hai khả năng chuyển động
theo 2 trục X và Y, được dẫn động nhờ các động cơ servo, thông qua bộ truyền
động vitme bi, được điều khiển và điều chỉnh tốc độ bởi bộ điều khiển CNC kín có
phản hồi.
Trang 13

THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
Bộ điều khiển CNC của máy phay có nhiệm vụ biên dịch chương trình điều
khiển số được nạp vào bộ điều khiển, tiến hành xử lý thông tin và phát lệnh điều
khiển các cơ cấu chấp hành. Các lệnh điều khiển được phân nhánh thành 2 lệnh hệ
cơ bản đó là: hệ lệnh đường đi và hệ lệnh đóng ngắt nhằm điều khiển quá trình
thình thành hình dáng hình học của chi tiết.
2.2. Các thành phần của hệ thống dẫn động bàn máy CNC
Hệ dẫn động bàn máy gồm các thành phần: Thân máy, đế máy, bàn máy, băng dẫn
hướng, trục vít ve, đai ốc, động cơ.
a, Đế máy: Để đỡ toàn bộ máy tạo sự ổn định và cân bằng cho máy. Được bắt vít
cố định trên sàn.
- Yêu cầu: phải có độ cứng vững cao, có cá thiết bị chống rung động, độ ổn
định nhiệt.
b, Thân máy: Bên trong có chứa hệ thống điều khiển, động cơ của trục chính và
nhiều hệ thống khác

Hình 1-5.Thân máy
c, Bàn máy: Là nơi gá đặt chi tiết gia công hay đồ gá.Nhờ có sự chuyển động linh
hoạt và chính xác của bàn máy mà khả năng gia công của máy CNC được tăng lên
rất cao, có khả năng gia công được những chi tiết có biên dạng phức tạp.

Trang 14


THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC

Hình 1-6.Bàn máy
- Yêu cầu: Ổn định, cứng vững, được điều khiển chuyển động một cách chính
xác.
d, Hệ thống Băng dẫn hướng: Có nhiệm vụ dẫn hướng chuyển động cho các bàn

máy X,Y và chuyển động lên xuống theo trục Z của trục chính.Người ta sử dụng
thanh trượt hình chữ I hoặc kiểu máng trượt.
- Yêu cầu: Tổn hao ma sát nhỏ, khe hở nhỏ, bôi trơn tốt, đáp ứng gia tốc lớn.

Hình 1-7.Ray dẫn hướng

Trang 15


THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
e, Bộ truyền vít me, đai ốc: Biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển
động tịnh tiến của bàn máy. Loại vít me đai ốc bi: là loại vít me và đai ốc có dạng
tiếp xúc lăn.

Hình 1-8.Trục vít me
Kết cấu bộ truyền vít me - đai ốc bi hình trên bao gồm trục vít me, đai ốc,
dòng bi.Vít me được nối trực tiếp với động cơ hoặc thông qua bộ truyền động (đai,
xích, bánh răng…).Khi động cơ quay ,vít me quay, làm cho đai ốc di chuyển dọc
theo trục vít me.Đai ốc được gắn chặt với bàn X,Y làm cho bàn chuyển động tịnh
tiến theo X,Y.Tốc độ di chuyển của bàn X,Y phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước
ren của trục vít, một vòng quay của động cơ sẽ làm cho đai ốc di chuyển được một
đoạn bằng bước ren của trục vít.Tiếp xúc giữa đai ốc và vít me là tiếp xúc lăn, điều
này đem đến một ưu điểm đó là chỉ cần một lực quay rất nhỏ đã có thể làm cho đai
ốc chuyển động.
Bộ truyền vít me đai ốc bi thường được dùng trong chuyển động chạy dao
của máy công cụ CNC, NC và dùng trong máy mài, máy doa tốc độ và các loại
máy khác. Đôi khi còn dùng trong máy tiện, máy tổ hợp, dùng trong truyền dẫn di
động xà, trụ và các máy công cụ hạng nặng.
Các ưu điểm:
- Khắc phục được độ rơ khớp ren, chịu lực kéo với kết cấu đảm bảo độ

cứng vững chiều trục cao.
- Tổn thất do ma sát nhỏ, hiệu suất bộ truyền đạt tới 0,9 so với trục vít me
đai ốc trượt 0,2-0,4.
Trang 16


THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
- Gần như độc lập hoàn toàn với lực ma sát ( biến đổi theo tốc độ), ma sát
tĩnh rất bé nên chuyển động êm.

Hình 1-9.Cấu tạo vít me đai ốc
Kết cấu bộ truyền vít me – đai ốc bi như hình trên bao gồm :trục vít me, đai
ốc, dòng bi chuyển động trong vít me – đai ốc và ống hồi bi đảm bảo dòng bi tuần
hoàn.
Các dạng prôfin ren của vít me và đai ốc như sau:
- Dạng chữ nhật (hình b), dạng hình thang (hình c), dạng nửa cung tròn và
dạngrãnh (dạng cung nhọn). Dạng chữ nhật và dạng prôfin ren hình thang
có khả năng tải thấp, chỉ dùng khi máy có khả năng chịu tải trọng chiều
trục bé và độ cứng vững không cao.
- Dạng nửa cung tròn (hình d) được sử dụng phổ biến nhất, bán kính rãnh
r2 gần bằng bán kính viên bi R1 sẽ giảm tối đa ứng suất tiếp xúc, có thể
chọn r2/r1=0,95÷0,97, giá trị r2/r1 sẽ làm tổn thất do ma sát 1 cách rõ rệt.
Tại góc tiếp xúc bé thì bộ truyền có độ cứng vững bé và khả năng tải bé,
lực hướng kính sẽ lớn. Do tăng góc tiếp xúc thì khả năng đảo và độ cứng
vững truyền động tăng và hạ thấp tổn thất do ma sát vì vậy khe hở đường
kính ∆d phải chọn để góc tiếp xúc đạt 45°. ∆d = 4.(r2 − r1 ).(1 − cos α ) .

Trang 17

THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC

Hình 1-10. Profin vit me
- Dạng rãnh cung nhọn (a) có nhiều ưu điểm hơn loại cung tròn, nó còn cho
phép truyền động không rơ hoặc chọn được độ dôi của đường kính viên
bi. Còn ở dạng nửa tròn muốn khử độ rơ và tạo độ dôi đều dùng thêm đai
ốc thứ hai để điều chỉnh .
Ưu điểm: biến đổi truyền dẫn dễ dàng, ít ma sát, không có khe hở khi
truyền dẫn với vận tốc cao.Bộ truyền đai ốc bi cho từng trục chạy dao độc
lập.
f,

Động cơ :
Động cơ bước:
Ưu điểm:
- Điều khiển vị trí, tốc độ chính xác, không cần mạch phản hồi.
-

Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC.
Nhược điểm:

- Giá thành cao, momen xoắn nhỏ, momen máy nhỏ.

Trang 18

Hình 1-11.Động cơ bước


THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
Động cơ servo:

Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín
hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay,
vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bất kỳ lí do
nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín
hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai
lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác.
Loại động cơ này có một số đặc điểm chung như sau:
- Momen quán tính nhỏ.
- Đặc điểm động học tốt.
- Thường được tích hợp sẵn cảm biến đo tốc độ hay góc quay.
- Có dải tần số công tác rộng 0÷400 Hz.

Hình 1-12. Động cơ servo
2.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống dẫn động bàn máy CNC:
Hệ thống dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng chuyển động cho các bàn máy
theo trục X, Y và chuyển động lên xuống trục Z.
Nguyên lý: Động cơ quay truyền chuyển động qua bộ truyền động đai (hoặc
xích) được lắp ở 1 đầu trục vít, truyền chuyển động quay cho vit me. Vit me được
gá đặt trên 2 ổ đỡ ở hai đầu quay tạo chuyển động tịnh tiến cho đai ốc.Đai ốc được
lắp với bàn Y bằng bulong, đai ốc di chuyển dọc theo trục vít me giúp bàn Y
chuyển động tịnh tiến trượt trên 2 thay ray song song với trục vít me lắp cố định
trên thân máy thân máy.Bàn X cũng chuyển động tương tự.
Trang 19


THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
Yêu cầu: hệ thống thanh trượt phải thẳng, có khả năng tải cao, độ cứng vững
tốt, trơn khi trượt, không có hiện tượng dính.

Hình 1-13. Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động bàn máy CNC

Trang 20


THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ DẪN ĐỘNG HỆ BÀN MÁY CNC
1.

Tính chọn vít me - đai ốc bi trục X

1.1. Tính chọn vít me bi
1.1.1. Các bước tính chọn
Loại máy CNC: máy phay
- Chế độ cắt thử nghiệm: phay mặt đầu, 8 lưỡi cắt, D = 80mm, JIS, SUS440C,
grade 4040, v = 100 m/phút, t = 0,8 mm, F = 900 mm/phút.
- Khối lượng lớn nhất của chi tiết gia công:M = 700 kg
- Khối lượng bàn máy X: Mx= 140kg
- Khối lượng bàn máy Y: My= 220kg
- Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công : V1=20m/ph = 0,33m/s
- Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công : V2 = 10m/ph = 0,16 m/s
- Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống : a=0,4g=4m/s2
- Thời gian hoạt động : Lt= 20000h ( khoảng 5 đến 7 năm)
- Hệ số ma sát trượt : =0,1
- Cho trước các kết cấu của cụm bàn máy X,Y để gắn vít me bi và ray dẫn
hướng : />- Cho trước tài liệu hướng dẫn của hãng sản xuất vít me PMI và ray dẫn hướng
PMI.
- Cho trước tài liệu của các hãng sản xuất động cơ ANILAM

Trang 21

THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC

Hình 2-14.Quy trình tính toán
Trang 22


THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
1.1.2. Điều kiện làm việc
Tốc độ quay tối đa trong quá trình gia công trục chính Z

ΔL0 × E × π × d r2 0,0432 × 2,1 × 104 × π × 30,052
Fθ =ΔLθ × Ks =
=
=536,17
4× L
4 × 1200
n=

1000.v 1000.100
=
=397,89
π.D
π.80

(vòng/phút)

Lượng chạy dao răng (fz) là lượng dịch chuyển của chi tiết trong thời gian 1
răng (1 lưỡi cắt) của dao phay ăn vào kim loại (đơn vị mm/răng )

fz =

F
900
=
= 0,28
Z.n 8.397,89

( mm/răng )

( Theo công thức trong cuốn Sổ tay CN-CTM tập 2-trang 26 )
Thông số đầu vào:
-

Tiêu chuẩn quốc gia : JIS
Tên vật liệu : SUS440C
Máy phay mặt đầu , D=80mm, Grade 4040, v=100m/phút.
F=900mm/phút
Số lưỡi cắt : 8
Góc cắt : 60
Chiều sâu cắt : t=0.8mm
Chiều rộng phay (ae)
Chọn ae & aei sao cho : ae + aei = Dc = 80mm

Ta chọn : ae = 80mm , aei =0
Tính toán lực trên website:www.coroguide.com ta đươc:

Trang 23

THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC

[2]

Hình 2-15.Bảng thông số hãng Sandvik
Tính toán lực cắt khi phay mặt đầu:
Fm =
Lực cắt chính :

2.1000.M c 2.1000.71
=
=1775N=177,5(kgf)
D
80

1.1.3. Lựa chọn kiểu lắp ổ đỡ cho vít me
1 đầu lắp chặt 1 đầu lắp tùy chỉnh : fixed – supported

Hình 2-16. Kiểu lắp fixed – supported
Với kiểu lắp ghép này, hai hệ số phụ thuộc vào kiểu lắp ghép là f và
trị là :f=15,1 và
Trang 24

λ

=3,927.

λ

nhận các giá

THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY PHAY CNC
Tính toán lực dọc trục

Hình 2-17 Sơ đồ lực dọc trục
Các công thức tính lực dọc trục:
- Khi tăng tốc về bên trái :

F1

- Khi chạy đều về bên trái :
- Khi giảm tốc về bên trái :
- Khi tăng tốc về bên phải :
- Khi chạy đều về bên phải :
- Khi giảm tốc về bên phải :
- Khi gia công về bên trái :
- Khi gia công về bên phải :

= μmg + ma + f
F2
= μmg + f
F3
= μmg - ma + f
F4
= -μmg- ma- f
F5
=- μmg – f
F6
=- μmg + ma – f

F7
Fm
Fmz
=
+μ ( mg +
)+f
F8
Fm
Fmz
=- μ ( mg +
)-f

Trong đó:
-

Fm

= 177,5(kG)
Fmz
Fmz
là lực theo phương Z (thẳng đứng):
=0
- a là gia tốc hoạt động của hệ thống a=0,4g m/s2= 4 m/s2
Trang 25

là lực cắt chính của máy:

Fm