Nghiên cứu giải pháp CAD CAM CNC gia công chi tiết có quỹ đạo chạy dao phức tạp trên trung tâm phay CNC EMCO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN LAN HƯƠNG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CAD/CAM/CNC
GIA CÔNG CHI TIẾT CÓ QUỸ ĐẠO CHẠY DAO PHỨC TẠP
TRÊN TRUNG TÂM PHAY CNC-EMCO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Hà Nội - Năm 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN LAN HƯƠNG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CAD/CAM/CNC
GIA CÔNG CHI TIẾT CÓ QUỸ ĐẠO CHẠY DAO PHỨC TẠP
TRÊN TRUNG TÂM PHAY CNC-EMCO
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

1. PGS.TS. Phạm Văn Hùng

Hà Nội - Năm 2011


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung
thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Trừ
các phần tham khảo đã được nêu rõ trong Luận văn.

Tác giả

Nguyễn Lan Hương


LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Phạm Văn Hùng, người đã
hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài đến quá trình viết và hồn
chỉnh Luận văn.
Tác giả bày tỏ lịng biết ơn đối với Ban lãnh đạo và Viện đào tạo Sau
đại học, Viện Cơ khí của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện
thuận lợi để hoàn thành bản Luận văn này.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn khơng tránh
khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô
giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp.

Tác giả

Nguyễn Lan Hương


0

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..........................................................................................
MỤC LỤC.....................................................................................................
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT.................................
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.......................................................................
MỞ ĐẦU.......................................................................................................
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CAD/CAM/CNC ............................................. 5
T
1
3

31T

31T

T
1
3

1.1. Tổng quan về CAD/CAM/CNC ............................................................ 5
T
1
3

T

1
3

1.1.1. Các định nghĩa về CAD và CAM................................................... 5
T
1
3

T
1
3

1.1.2. Các đặc trưng cơ bản về CAD/CAM/CNC.................................... 9
T
1
3

T
1
3

1.2. Lập trình gia công trên máy CNC ....................................................... 11
T
1
3

T
1
3

1.2.1. Tổng quan về máy CNC .............................................................. 11
T
1
3

T
1
3

1.2.2.Những khái niệm cơ bản về lập trình gia công trên máy CNC ...... 20
T
1
3

T
1
3

Chương 2: TRUNG TÂM PHAY EMCO VÀ GIẢI PHÁP CAD/CAM/
U
T
1
3

31T
U

CNC GIA CÔNG CHI TIẾT PHỨC TẠP .....................................................27
2.1. Giới thiệu khái quát về trung tâm phay CNC-EMCO ......................... 27
T

1
3

T
1
3

2.1.1. Đặc tính kỹ thuật của máy ........................................................... 27
T
1
3

T
1
3

2.1.2.Thông số kỹ thuật của máy ........................................................... 28
T
1
3

T
1
3

2.2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của máy phay EMCO MILL350 ..... 31
T
1
3

T
1
3

2.2.1. Các bộ phận chính của máy ........................................................ 31
T
1
3

T
1
3

2.2.2. Các phần t điều khiển................................................................. 32
T
1
3

T
1
3

2.2.3. Ph tựng kốm theo ....................................................................... 34
T
1
3

T
1
3

2.2.4. Các chế độ vận hành và nguyên lý vận hành máy ........................ 36
T
1
3

T
1
3

2.3. Phương pháp lập trình trên trung tâm phay CNC EMCO350 với hệ
T
1
3

điều khiển SINUMERIK 840D .................................................................. 39
T
1
3

2.3.1. Giới thiệu chung về hệ điều khiển SINUMERIK 840D ............... 39
T
1
3

T
1
3

2.3.2.Tạo và viết một chương trình ........................................................ 40

T
1
3

T
1
3


1

2.3.3. Lập trình dụng cụ cắt ................................................................... 42
T
1
3

T
1
3

2.3.4. Lập trình CONTOUR .................................................................. 46
T
1
3

T
1
3

2.3.5. Các chu trình gia cơng phay trong SINUMERIK 840D ............... 47

T
1
3

T
1
3

2.4. Khái quát về khả năng công nghệ của phần mềm Mastercam ............. 53
T
1
3

T
1
3

2.5. Giải pháp CAD/CAM/CNC lập trình gia cơng chi tiết có biên dạng
T
1
3

phức tạp trên trung phay CNC-EMCO. ..................................................... 57
T
1
3

Chương 3: ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP CAD/CAM/CNC VỚI TRUNG TÂM
T
1

3

31T

T
1
3

PHAY EMCOMILL350 ................................................................................ 61
31T

3.1. Quá trình thiết kế và gia cơng tạo hình ............................................... 61
T
1
3

T
1
3

3.1.1. Thiết kế và gia cơng tạo hình theo cơng nghệ truyền thống .......... 61
T
1
3

T
1
3

3.1.2. Thiết kế và gia cơng tạo hình theo công nghệ CAD/CAM ........... 62

T
1
3

T
1
3

3.1.3. Thiết kế và gia cơng tạo hình theo cơng nghệ tích hợp (CIM) ...... 64
T
1
3

T
1
3

3.2. CAD/CAM/CNC cho máy EMCOMILL35 ........................................ 65
T
1
3

T
1
3

3.2.1. Cơ sở lý thuyết............................................................................. 65
T
1
3

31T

3.2.2. Ứng dụng ..................................................................................... 66
T
1
3

31T

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO


2

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.

Ngày nay, trong thời buổi cạnh tranh khốc liệt mang tính tồn cầu, các
nhà sản xuất ln ln tìm cách giới thiệu các sản phẩm mới với tính năng
đa dạng, chất lượng cao, giá thành hạ và thời gian giao hàng ngắn. Để làm
được điều này các nhà sản xuất phải cân nhắc kỹ từng giai đoạn trong q
trình sản xuất với những tính toán tối ưu.
Họ đã cố gắng sử dụng những máy tính có bộ nhớ khổng lồ, tốc độ
xử lý nhanh và có khả năng tương tác đồ họa thân thiện với con người
trong nhiều giai đoạn của quá trình sản xuất. Với sự hỗ trợ của máy tính,
nhiều phần cơng việc đã được hồn thành một cách tự động hóa và chính
xác, giúp giảm thời gian và chi phí trong phát triển sản phẩm và trong chế
tạo.

Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Design- CAD),
chế tạo có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Manufacturing- CAM)
và phân tích, tính tốn kỹ thuật có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided
Engineering- CAE) là những cơng nghệ được sử dụng cho mục đích này
trong suốt chu kỳ sản xuất sản phẩm. CAD và CAE được ứng dụng vào
giai đoạn thiết kế sản phẩm còn CAM được ứng dụng vào giai đoạn chế
tạo, bắt đầu từ việc lập quy trình chế tạo và kết thúc bằng các sản phẩm
thực. Nhằm hiện thực hóa mục tiêu trên, các doanh nghiệp cơ khí và các cơ
sở đào tạo trong nước đã và đang đầu tư ngày càng nhiều các máy công cụ
hiện đại. Tuy nhiên việc khai thác và sử dụng sao cho có hiệu quả đang gặp
nhiều khó khăn do thiếu đội ngũ kỹ sư, kỹ thuật viên có trình độ cao về cơng
nghệ để khai thác có hiệu quả các máy CNC trong gia cơng cơ khí nhất là đối
với các chi tiết gia cơng có quỹ đạo phức tạp.


3

Trước tình trạng như vậy hệ thống các trường Đại học, Cao đẳng trong
đó trường Cao đẳng cơng nghiệp Quốc phòng đã đầu tư một số máy CNC và
xây dựng một chương trình đào tạo để đào tạo đội ngũ kỹ sư, kỹ thuật viên có
kiến thức và kỹ năng đáp ứng nhu cầu xã hội.
Việc nghiên cứu các giải pháp CAD/CAM/CNC lập trình gia cơng các
chi tiết có quỹ đạo phức tạp trên máy CNC sát với thực tế, sát với điều kiện
sản xuất công nghiệp và phù hợp với điều kiện giảng dạy trong Nhà trường là
một vấn đề rất khó khăn nhưng vơ cùng cấp thiết, nếu giải quyết tốt vấn đề
này thì sinh viên sau khi tốt nghiệp ra trường có thể thích nghi và đảm nhiệm
tốt cơng việc tại các nhà máy, xí nghiệp.
Xuất phát từ những lý do trên tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu
giải pháp CAD/CAM-CNC gia công chi tiết có quĩ đạo chạy dao phức tạp
trên trung tâm phay CNC- EMCO” làm đề tài luận văn tốt nghiệp cao học

của mình.
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên
cứu
2.1.Mục đích nghiên cứu:
Nghiên cứu về cơng nghệ CAD/CAM/CNC và kỹ thuật lập trình, xây
dựng các bài thực hành lập trình gia cơng các chi tiết có quỹ đạo chạy dao
phức tạp trên máy EMCO MILL350 với hệ điều khiển Sinumerik 840D
2.2.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Khả năng công nghệ của CAD/CAM/CNC
- Khả năng công nghệ của máy phay CNC-EMCO.
- Cơ sở lập trình phay CNC với hệ điều khiển Sinumerik 840D.
- Phần mềm mô phỏng Mastercam.


4

3. Nội dung chính nghiên cứu
Luận văn được trình bày trong 3 chương với nội dung chính như sau :
Chương 1: Tổng quan về cơng nghệ CAD/CAM/CNC và lập trình gia
công trên máy CNC.
Chương 2 Nghiên cứu giải pháp CAD/CAM/CNC gia cơng chi tiết có
quỹ đạo phức tạp trên trung tâm phay CNC - EMCO
Chương 3: CAD/AM/CNC cho trung tâm phay CNC - EMCO
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
5. Kết luận
Đã áp dụng giải pháp CAD/CAM/CNC lập trình gia cơng chi tiết phức tạp
trên máy phay CNC - EMCO MILL350 với hệ điều khiển Sinumerik 840D
phục vụ công tác đào tạo tại trường Cao đẳng cơng nghiệp Quốc phịng. Sản
phẩm chế tạo ra đạt yêu cầu kỹ thuật và năng suất chất lượng.

Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể bổ xung vào ngân hàng dữ liệu và
làm tài liệu tham khảo trong giảng dạy.


5

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CAD/CAM/CNC
LẬP TRÌNH GIA CƠNG TRÊN MÁY CNC
1.1. Tởng quan về CAD/CAM/CNC

Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Design- CAD),
chế tạo có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Manufacturing- CAM)
và phân tích, tính tốn kỹ thuật có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided
Engineering- CAE) là những công nghệ được sử dụng cho mục đích này
trong suốt chu kỳ sản xuất sản phẩm. CAD và CAE được ứng dụng vào
giai đoạn thiết kế sản phẩm còn CAM được ứng dụng vào giai đoạn chế
tạo, bắt đầu từ việc lập quy trình chế tạo và kết thúc bằng các sản phẩm
thực.
1.1.1. Các định nghĩa về CAD và CAM

- CAD (Computer-Aided Design- CAD)
47T

47T

CAD là công nghệ liên quan đến việc sử dụng hệ thống máy tính để
giúp đỡ việc tạo, sửa đổi, phân tích và tối ưu hóa thiết kế. Theo đó, bất cứ
chương trình máy tính nào có tính năng đồ họa và một chương trình ứng
dụng với các chức năng kỹ thuật thuận tiện đều được phân loại như là phần

mềm CAD. Nói cách khác, các cơng cụ CAD có nhiều cấp độ khác nhau
tùy theo ứng dụng. Có thể chúng chỉ có những cơng cụ để vẽ hình học
nhằm tạo ra hình dạng vật thể, hoặc có thêm các cơng cụ phân tích dung
sai, tính tốn một số đại lượng vật lý và mơ hình hóa phần tử hữu hạn… Ở
mức độ cao là các phần mềm CAD với các chương trình ứng dụng nâng
cao cho phân tích và tối ưu hóa.


6

Vai trò cơ bản nhất của CAD là để xác định hình học của thiết kế
như hình dáng hình học của các chi tiết cơ khí, các kết cấu kiến trúc, mạch
điện tử, mặt bằng nhà cửa trong xây dựng… Các ứng dụng điển hình của
CAD là tạo bản vẽ kỹ thuật với đầy đủ các thông tin kỹ thuật của sản phẩm
và mơ hình hình học 3D của sản phẩm. Hơn nữa, mơ hình CAD này sẽ
được dùng cho các ứng dụng CAE và CAM sau này. Đây là lợi ích lớn nhất
của CAD vì có thể tiết kiệm thời gian một cách đáng kể và giảm được các
sai số gây ra do phải xây dựng lại hình học của thiết kế mỗi khi cần đến nó.
Một q trình CAD tiêu biểu được thực hiện theo các bước sau:
- Xây dựng mơ hình hình học sản phẩm.
- Phân tích kỹ thuật sản phẩm.
- Kiểm tra và đánh giá kỹ thuật.
- Xây dựng bản vẽ kỹ thuật.

Ngày nay CAD được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khác
nhau. Có thể kể tên ra sau đây một số ngành như sau: cơ khí, xây dựng,
kiến trúc, điện, điện tử, y học, dệt may, thiết kế sản phẩm, thiết kế công
nghiệp, thiết kế nhạc cụ, thiết kế vườn tược, chiếu sáng…
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều phần mềm CAD với những cấp
độ khác nhau. Có phần mềm CAD riêng lẻ và có những phần mềm CAD

tích hợp tổng phần mềm CAD/CAM. Ở Việt Nam, trong lĩnh vực cơ khí,
các phần mềm CAD phổ biến hiện nay là AutoCAD, Mechanical Destop,
Inventor, Solidworks, Catia, Pro/Engineer, Unigraphics, Solid Edge…


7

Hình 1.1. Mơ phỏng gia cơng với phần mềm EdgeCAM
16T

- CAM: (Computer-Aided Manufacturing)
47T

47T

CAM là công nghệ liên quan với việc sử dụng hệ thống máy tính để
lập kế hoạch, quản lý và điều khiển các quá trình chế tạo.
Một trong những lĩnh vực hoàn thiện nhất của CAM là điều khiển
chương trình số (Numerical Control – NC). Đây là kỹ thuật sử dụng các chỉ
dẫn đã được lập trình để điều khiển các máy công cụ như máy mài, máy
tiện, máy phay, máy dập… Máy tính có thể sản sinh ra một lượng đáng kể
các chỉ dẫn NC dựa trên các dữ liệu hình học từ cơ sở dữ liệu CAD cộng
với những thông tin bổ sung được cung cấp bởi người vận hành.
Một chức năng quan trọng khác của CAM là lập trình robot. Các
robot này có thể vận hành trong một tế bào gia công, chọn và định vị dao
và chi tiết gia công cho các máy NC. Những robot này cũng có thể thực
hiện các nhiệm vụ đơn lẻ như hàn, lắp ráp hoặc vận chuyển thiết bị hoặc
chi tiết trong phân xưởng.
Lập quy trình chế tạo cũng là một mục đích của CAM. Quy trình chế
tạo bao gồm các nguyên công chi tiết của các bước sản xuất từ ban đầu đến

kết thúc, từ máy này đến máy khác trong phân xưởng.


8

Trên thế giới hiện có rất nhiều phần mềm CAM đơn lẻ hoặc dạng
tích hợp CAD/CAM. Giá thành của các gói phần mềm này cũng khác biệt
nhiều tùy thuộc tính năng của chúng. Các phần mềm CAM, CAD/CAM
phổ biến ở Việt Nam hiện nay là MasterCAM, DelCAM SolidCAM,
Pro/Engineer, Catia, Unigraphics, Cimatron, VISI-Series,…
- CAE (Computer-Aided Engineering)
47T

47T

CAE là công nghệ liên quan đến việc sử dụng hệ thống máy tính để
phân tích đối tượng hình học CAD, cho phép người thiết kế mô phỏng và
nghiên cứu cách ứng xử của sản phẩm từ đó có thể tinh chỉnh và tối ưu hóa
sản phẩm. Các công cụ CAE tương đối đa dạng, đáp ứng được cho nhiều
nhu cầu phân tích sản phẩm. Ví dụ, các chương trình chuyển động học có
thể được sử dụng để xác định các hành trình chuyển động và tốc độ các
khâu trong cơ cấu máy. Các chương trình phân tích động học dịch chuyển
lớn có thể được dùng để xác định các tải và các dịch chuyển trong một hệ
thống lắp ráp phức tạp như trong ô tô...
Trong CAE người ta sử dụng 3 cơng cụ giải tích chính là phương
pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM), phuơng pháp sai
phân hữu hạn (Finite Difference Method - FDM) và phương pháp phần tử
biên (Boundary Element Method- BEM).
Trong đó có lẽ phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng rộng rãi
nhất.

CAE được áp dụng trong các lĩnh vực sau:
- Phân tích ứng suất trên các chi tiết và trên các láp ráp bằng cách sử
dụng FEM.
- Phân tích dịng chảy và truyền nhiệt (CFD).


9

- Phân tích động học các cơ cấu.
- Mơ phỏng các trường hợp cơ khí (MES).
- Mơ phỏng các q trình cơng nghệ như đúc, dập…
- Tối ưu hóa sản phẩm hoặc q trình cơng nghệ.
1.1.2. Các đặc trưng cơ bản về CAD/CAM/CNC
Những nét đặc trưng cơ bản nhất của kỹ thuật CAD/CAM theo thành tựu
đạt được hiện nay là:
- Chu kỳ hình thành sản phẩm cơng nghiệp theo phương thức hiện đại là
ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC để thiết kế gia công và lắp ráp sản
phẩm, nhằm sáng tạo nhanh sản phẩm và đáp ứng nhanh thị trường.
- Kỹ thuật vi xử lý và máy tính dị hình số hóa từ vật mẫu là cơng cụ đắc
lực của q trình sáng tạo sản phẩm cơng nghiệp.
- Chuỗi CAD/CAM/CNC được đảm bảo liên thơng và linh hoạt nhờ q
trình xử lý và quản trị dữ liệu về sản phẩm và công nghệ chế tạo.
1.1.3. Các mức tiếp cận của CAD/CAM/CNC
Hãng DENFORD (Vương quốc Anh) đã tạo lập các modul phù hợp dùng
cho đào tạo theo các mức tiếp cận kỹ thuật CAD/CAM/CNC như sau:
Mức 1 (level 1): Mức này cho phay, khoan, tiện.
Dùng Mill CAM Designer hoặc Lathe CAM Designer Software + khóa
cứng (hard lock) cho phay, khoan hoặc tiện CNC, kèm theo hệ phần cứng
gồm một máy tính có cài đặt Windows. Mức này có khả năng thực hiện giải
pháp CAD, CAM, CNC như sau:

Vẽ chi tiết gia công rồi lập trình gia cơng CNC, nghĩa là dùng bàn phím
máy tính để tạo lập chương trình CNC theo hai cách:
- Tạo lập bằng tay các lệnh G, M.
- Tạo lập tự động các lệnh G, M với hệ CAM rồi chạy mô phỏng chương


10

trình gia cơng CNC đã lập trên màn hình máy tính.
Sơ đồ tương ứng của mức 1 như hình 1.2.
Mức 2 (level 2):Mức này được trang bị như mức 1 nhưng thêm hệ xử lý
thích nghi dùng cho bàn phím CNC của hãng DENFORD để lập trình gia
cơng CNC trên màn hình máy tính mà khơng dùng bàn phím máy tính.
Đĩa cài đặt
CAD/CAM/CNC

Khóa cứng
CAD/CAM/CNC

Máy tính PC
Bàn phím máy tính + chuột
Hình 1.2. Sơ đồ tương ứng của mức 1.
Mức 3 (level 3): mức này có thêm máy thực hành gia công CNC bổ
sung vào mức 2, theo hai phương án trên.
Mức 4 (level 4): Mức này là phương án phối hợp giữa mức 1 và mức 2.
Bàn phím CNC có thể lập trình và điều khiển gia cơng CNC với các hệ khác
nhau (FANUC, HEIDENHAIN, SIEMENS, SINUMERRIK…) nhờ cách thay
đổi panel điều khiển phù hợp với từng hệ. Mức này có thể tiến hành thiết kế
chi tiết gia cơng rồi lập trình gia cơng CNC với bàn phím máy tính (lập trình
thủ cơng hoặc tự động), hoặc lập trình bằng tay với bàn phím CNC, sau đó

chạy mơ phỏng chương trình gia cơng CNC đã lập trên màn hình máy tính.
Mức 5 (level 5): mức này là bức 4 có bổ sung một máy thực hành gia
cơng CNC và có khả năng như sau: thiết kế chi tiết gia công rồi lập trình gia
cơng CNC trên máy tính (lập trình thủ cơng hoặc tự động), hoặc lập trình
bằng tay với bàn phím CNC, sau đó chạy mơ phỏng chương trình gia cơng
CNC đã lập trên màn hình máy tính, cuối cùng là thực hiện chương trình gia
cơng trên máy thực hành CNC để tạo ra chi tiết đã thiết kế và lập trình.


11

Mức 6 (level 6): mức này là mức dựa trên sự phát triển phần mềm cơng
nghiệp tiêu chuẩn CAD/CAM, có dùng các mođun phần mềm AutoCAD để
thiết kế chi tiết gia cơng trên máy tính và nạp dữ liệu CAD vào các modul
MasterCAM để tạo chương trình gia cơng CNC rồi truyền dữ liệu trực tiếp tới
máy gia công CNC.
1.2. Lập trình gia cơng trên máy CNC
1.2.1. Tởng quan về máy CNC
- Đặc điểm của máy CNC

Hình 1.3. Các trục NC điều khiển được trên máy phay.
Trục chính và trục ăn dao điều khiển được
Máy phay CNC 3X có ba trục điều khiển được là X, Y, Z (hình 1.3).
Ngồi các chuyển động thẳng dọc theo các trục X, Y, Z có thể điều khiển
xoay quanh mỗi trục.
Các trục quay điều khiển được có ký hiệu là A, B, C (hình 1.4).
Đơi khi cần có những trục ăn dao khác. Khi đó chúng được ký hiệu là U,


12

V, W. Có những trục xoay phụ để xoay bàn máy, ụ trục chính và đầu mang
dụng cụ có thể xoay độc lập đối với các trục ăn dao. Chúng được ký hiệu là
A, B, C.

Hình 1.4. Các trục quay và trục bước tiến trong hệ tọa độ Đề-các.
Các bộ phận mang dụng cụ và chi tiết gia công được chuyển động bằng
những motor. Những motor này có độ chính xác rất cao vì u cầu của việc
gia cơng rất chính xác. Sự chuyển động của các trục độc lập phải được thực
hiện với tốc độ cao và thời gian định vị nhanh nhất. Để dáp ứng được những
yêu cầu đó một bộ truyền động hiện đại phải có các thành phần sau:
+ Motor, hộp bánh răng và bộ điều khiển điện tử.
+ Bộ trục vít đai ốc bi khơng khe hở.
+ Cảm biến đo chuyển động, thường đặt ở cuối trục vít.
+ Bộ khuếch đại cơng suất giao diện tương tự hay số với bộ điều khiển
CNC.
Để định vị chính xác, motor phải được nối với hệ thống đo. Mỗi trục
điều khiển được của máy CNC cần một hệ thống đo với sự biên dịch tự động
tín hiệu đo. Độ phân giải thường dùng khi đo kích thước dài là 0,001 mm,
nhưng đối với trục X của máy tiện thì là 0,0005 mm và cho máy mài là


13

0,00001 mm theo truyền thống. Mối liên hệ giữa motor, bàn máy, cảm biến
đo, trục vít và đai ốc được vẽ trên hình 1.5.

Hình 1.5. Truyền động bước tiến của bàn máy với vít me bi.
Kết cấu của bộ truyền vít-đai ốc bi được vẽ trên hình 1.6.

Hình 1.6. Truyền động vít me bi với đai ốc hai nửa khơng có khe hở.
Đặc trưng truyền động là bộ truyền trục vít – đai ốc. Khi trục vít được
motor truyền động, đai ốc bi mang bàn máy hay dụng cụ sẽ bị đẩy dọc theo
trục. Nhờ truyền động bi, ma sát hầu như bằng zero. Để khử độ rơ dùng hai
đai ốc bi kẹp chặt với nhau thơng qua vịng kẹp 2. Sai số bước của trục vít có
thể tự động được điều chỉnh nhờ bộ điều khiển CNC qua việc bù trừ sai số.
Dung sai gia công bộ truyền trục vít – đai ốc bi có thể được điều chỉnh
bởi các bộ điều khiển CNC hiện đại nhờ dùng giá trị điều chỉnh sai số bước
trục vít. Muốn vậy, sai số được đo bởi thiết bị laser và lưu trong bộ điều khiển
CNC.


14

- Hệ thống đo chuyển động
Tùy theo thiết bị đo được dùng và phạm vi đo việc đo có thể là trực tiếp
hay gián tiếp, tuyết đối hay tương đối. Chính xác nhất là đo trực tiếp.
Trong phương pháp đo trực tiếp (hình 1.7), phạm vi đo được cho trên
bàn máy hoặc trên xe dao, vì thế sai số của trục vít và motor khơng ảnh hưởng
đến giá trị đo được.
Giá trị đo được chỉ ra bởi hệ thống đọc quang học. Giá trị này được biến
đổi thành tín hiệu điện và truyền đến bộ điều khiển.

Hình 1.7. Đo vị trí trực tiếp.

Hình 1.8. Đo vị trí gián tiếp.
Trong hệ thống đo gián tiếp (hình 1.8), hành trình di chuyển được
chuyển thành số vịng quay của trục vít bi có gắn một đĩa xung dùng làm
thước đo. Bộ phát xung ghi nhận số vòng quay của đĩa xung và chuyển đến

15

cho bộ điều khiển. Dựa trên số xung của đĩa quay bộ điều khiển sẽ tính tốn
chính xác khoảng dịch chuyển hoặc vị trí hiện tại.
Trong phương pháp đo vị trí tuyệt đối (hình 1.9), thước đo chỉ ra ngay số
đo vị trí của bàn máy so với một điểm cố định nào đó của bàn máy. Điểm này
gọi là điểm zero của máy và do nhà sản xuất thiết lập. Phương pháp này giả
định trước là vùng đọc lớn bằng vùng gia cơng và mã hóa thước đo là hệ nhị
phân. Việc này cho phép điều khiển việc cấp phát giá trị số cho vị trí được
đọc.

Hình 1.9. Đo vị trí tuyệt đối.
Trong phương pháp đo vị trí tương đối (hình 1.10) hay cịn gọi là gia số,
thước đo bao gồm những vạch sáng tối song song nhau. Chuyển động của bàn
máy từ vị trí này tới vị trí kia được xác định bởi một cảm biến đếm số vạch
sáng tối.
Bộ điều khiển phải được biết trước một vị trí tuyệt đối. Vị trí này sẽ
được dùng làm điểm chuẩn khi tính tốn vị trí hiện tại của bàn máy với việc
dùng hệ thống đo tương đối. Vì vậy cần phải cho hệ thống di chuyển đến vị trí
tuyệt đối này mỗi khi bộ điều khiển bắt đầu làm việc. Điểm này gọi là điểm
tham chiếu (reference) trên máy. Mỗi chuyển động của các trục, ngay cả khi
di chuyển bằng tay bằng cách dùng tay quay hay nút nhấn, phải được ghi lại
bởi bộ điều khiển.


16

Hình 1.10. Đo vị trí tương đối.
Do việc bộ điều khiển sẽ mất những thông tin về các chuyển động cơ khí

khi tắt máy, nên mỗi khi bật máy lên, hệ thống phải được cho trở về điểm
tham chiếu.
- Motor chính và trục chính.
Motor chính dùng để truyền năng lượng đến trục chính mang dụng cụ và
tạo ra lực cắt để gia công chi tiết. Ma sát của các phần tử cơ khí trong máy
CNC có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả truyền động của máy. Động cơ cần có độ
ổn định cao, nghĩa là vị trí hiện tại của máy phải không đổi ngay cả khi lực
cắt lớn. Động cơ cũng phải có tính động học đủ để thay đổi tốc độ dễ dàng và
nhanh chóng và khơng được chạy quá đà.
Trước kia người ta dùng các motor điện một chiều để truyền chuyển
dộng cho trục chính. Để giữ cho tốc độ cắt không đổi trên bề mặt gia công
trong một phạm vi rộng, tốc độ quay của motor phải được điều chỉnh vô cấp.
Nhược điểm của motor điện một chiều là chổi than bị mòn nên thường xuyên
phải kiểm tra và thay mới.
- Các cơ cấu kẹp phôi
Trên máy CNC dùng các đồ gá để định vị và kẹp chặt chi tiết. Đồ gá
phải được thiết kế để kẹp chặt chi tiết chính xác, vững chắc và cho phép gia


17

cơng từ nhiều phía, kẹp nhiều chi tiết.
Trong máy phay, việc nạp phôi và lấy phôi ra trong tương lai sẽ được
thực hiện tự động nhờ robot.
- Thay dụng cụ
Máy CNC hiệc đại thường có thiết bị thay dụng cụ tự động. Thiết bị này
có thể là Tool Turret hay Tool Magazine.

Hình 1.11. Đầu Rơvolve chứa dao.
Tool Turret thường được sử dụng trên máy tiện CNC và máy phay CNC.

Số lượng dụng cụ khoảng từ 8-16 cái. Một trung tâm phay lớn có thể có tới 3
tool turret. Nếu số lượng dụng cụ nhiều hơn 48 cái, người ta dùng tool
magazine. Số lượng dụng cụ trên tool magazine có thể tới 100 hoặc hơn. Các
magazin có thể 4có những cấu hình khác nhau: dọc, vịng, dĩa, xích và băng.
Trên hình 1.16 là magazine dạng xích.


18

Hình 1.12. Ổ chứa (magazine ) dao dạng xích.

Hình 1.13. Thiết bị thay dao tự động.
Việc thay dụng cụ trên magazine được thực hiện nhờ tay gắp dụng cụ
(tool gripper) (hình 1.13). Thời gian thay dụng cụ khoảng từ 6-15 giây. Nhanh
nhất cũng phải mất 1 giây.


19

- Hệ trục toạ độ trên máy CNC

Hình 1.14. Quy tắc bàn tay phải.
Thông thường trên các máy điều khiển theo chương trình số, người ta
thường sử dụng hệ tọa độ Décard OXYZ theo quy tắc bàn tay phải (hệ tọa độ
thuận) và nó được gắn vào chi tiết gia cơng. Gốc của hệ trục tọa độ có thể đặt
tại bất kỳ một điểm nào đó trên chi tiết (về mặt nguyên tắc) nhưng thông
thường người ta sẽ chọn tại những điểm thuận lợi cho việc lập trình, đồng thời
dễ dàng kiểm tra kích thước theo bản vẽ của chi tiết gia cơng mà khơng phải
thực hiện nhiều bước tính tốn bổ sung.
Một đặc điểm mang tính quy ước là trên các máy điều khiển theo chương

trình số, chi tiết gia công được xem là luôn luôn là cố định và ln gắn với hệ
thống tọa độ cố định nói trên, cịn mọi chuyển động tạo hình và cắt gọt đều do
dụng cụ thực hiện. Trong thực tế, điều này đơi khi là ngược lại, ví dụ như trên
máy phay thì chính bàn máy mang phơi thực hiện chuyển động tạo hình, cịn
dụng cụ chỉ thực hiện chuyển động cắt gọt.

Hình 1.15. Hệ trục tọa độ của máy CNC.


20

Theo quy ước chung, phương của trục chính của máy là phương của trục
OZ, cịn chiều dương của nó được quy ước khi dao tiến ra xa chi tiết. Ví dụ,
với máy tiện 2D thơng thường thì trục chính của nó nằm ngang và trùng với
phương OZ của hệ tọa độ, chiều dương của nó hướng ra khỏi ụ trục chính
(hướng về phía bàn dao). Phương chuyển động của bàn xe dao theo hướng
kính là phương OX và chiều dương của nó là hướng ra xa bề mặt chi tiết gia
công. Đối với máy phay thẳng đứng, trục Z hướng theo phương thẳng đứng
lên trên, còn trục X và trục Y được xác định theo quy tắc bàn tay phải, tuy
nhiên trong thực tế các nhà chế tạo máy lại thường ưu tiên chọn trục X là trục
mà có chuyển động bàn máy dài hơn v.v.. Đối với các chuyển động quay
xung quanh các trục tương ứng X, Y, Z được xác định bằng các địa chỉ A, B,
C sẽ được xác định là dương khi chiều quay đó có hướng thuận chiều kim
đồng hồ khi nhìn theo chiều dương của các trục tương ứng (khi nhìn vào gốc
của hệ trục toạ độ từ phía các trục thì chiều quay của chúng là ngược chiều
kim đồng hồ). Ngồi ra, cịn một số chuyển động phụ song song với các trục
tương ứng với các trục X, Y, Z là các địa chỉ U, V, W và hướng của chúng
được biểu diễn như trên hình 1.15.
1.2.2.Những khái niệm cơ bản về lập trình gia cơng trên máy CNC
- Quỹ đạo gia cơng

Khi gia công dao và chi tiết chuyển động tương đối với nhau. Tuy nhiên,
khi lập trình người ta quy ước rằng dụng cụ chuyển động tương đối so với hệ
thống tọa độ (chuyển động của tâm dao P) còn chi tiết đứng yên.
Hình 1.16 là sơ đồ quỹ đạo của tâm dao. Đối với dao tiện (hình 1.16a)
điểm P là tâm của bán kính mũi dao. Các dao phay mặt đầu, dao phay ngón,
dao khoan, dao khoét và dao doa có điểm P là tâm mặt đầu, cịn dao phay
ngón có mặt đầu hình chỏm cầu thì điểm P là tâm của chỏm cầu đó. Theo
hình 1.16 ta có hai trường hợp: