THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LỰC CẮT QUÁ TRÌNH PHAY

1
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LỰC CẮT QUÁ TRÌNH PHAY
TS.Thái Thị Thu Hà Th.s Hồ Minh Đạo
Khoa Cơ Khí - Trường Đại học bách Khoa - Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt : Bài báo trình bày hệ thống đo lực cắt
trên máy phay CNC . Đây là một phần của hệ thống đo
lường và điều khiển bằng máy tính . Tín hiệu lực cắt
thu được từ lực kế được truyền về máy tính , máy tính
sẽ phân tích , xử lý để phục vụ cho mục đích điều khiển
.Lực kế được thiết kế và chế tạo dựa trên nguyên tắc
đo lực bằng cảm biến biến dạng .Cũng trong bài báo
này , các kết quả thực nghiệm đo lực cắt với nhiều chế
độ cắt khác nhau sẽ được trình bày .Gíá trị lực cắt đo
được gần đúng với giá trị tính toán lý thuyết , điều này
cho thấy hệ thống đo lực cắt hoạt động ổn định , chính
xác .
Abtract : This paper presents a PC-based
monitoring method of cutting forces by a 3-component
strain gage based milling dynamometer designed and
manufactured . Experiments are carried out under end
milling operations for aluminum with different
combinations of cutting condition . The results was
compared with theorical calculation of cutting force .
Its is shown that the monitoring system is reliable ,
accurate and possible .

1. GIỚI THIỆU:
Điều khiển giám sát quá trình gia công trên máy
CNC đã và đang là trọng tâm nghiên cứu trong định

hướng phát triển máy CNC . Giám sát quá trình gia
công và tự động điều chỉnh chế độ cắt ( lượng chạy
dao , tốc độ trục chính ) giúp tăng năng suất , tiết kiệm
thời gian , chi phí đồng thời vẫn đảm bảo độ chính xác
và chất lượng bề mặt gia công .

Trước đây , việc giám sát máy CNC cần phải có
nhiều loại cảm biến khác nhau để nhận biết các hiện
tượng vật lý xảy ra trong quá trình cắt kim loại , tổng
hợp các tín hiệu rồi từ đó đưa ra tín hiệu điều khiển
quá trình gia công . Việc lắp đặt và thiết lập bộ điều
khiển này rất phức tạp và khó khăn . Khó khăn này có
thể được giải quyết nếu chỉ sử dụng cảm biến xác định
chỉ một thông số mà thông số này biểu thị đủ trạng thái
của quá trình gia công , đặc biệt là trong quá trình phay
- quá trình gia công với dao phay gồm nhiều lưỡi cắt
cùng làm việc với tốc độ cao .

Nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới đã chứng minh
lực cắt là một thông số quan trọng cần phải biết trong
quá trình gia công có hệ thống giám sát và điều khiển .
Bởi vì lực cắt phụ thuộc vào các thông số hình học dao
, vật liệu dao , vật liệu chi tiết , chế độ cắt ( chiều sâu
cắt , lượng chạy dao , tốc độ cắt ) , chất lượng lưỡi cắt
( mòn , nứt , gãy ) , nhiệt ( dung dịch trơn nguội ) và
rung động , biến dạng của hệ thống công nghệ trong
quá trình gia công . Giữ ổn định lực cắt trong quá trình
gia công sẽ giúp ta cải thiện được chất lượng bề mặt
gia công , tăng năng suất và giảm bớt việc mòn và gãy
dụng cụ trong quá trình gia công . Đo lực cắt ngay

trong quá trình gia công sẽ cung cấp một tín hiệu được
sử dụng để phát hiện lưỡi cắt bị mòn hay gãy , hoặc để
phát hiện va đập . Thêm vào đó , bộ điều khiển thích
nghi với thông số điều khiển là lực cắt dùng thêm một
vòng điều khiển nữa bên cạnh các vòng hồi tiếp thông
thường trong điều khiển vị trí để hiệu chỉnh một cách
linh hoạt các thông số công nghệ trong quá trình gia
công .
Có nhiều phương pháp đo lực cắt trên máy CNC ,
phương pháp được sử dụng nhiều nhất là lực kế bàn
dạng áp điện ( như của hãng Kistler ) . Tuy nhiên , giá
thành của nó rất cao không phù hợp với điều kiện kinh
tế của nước ta . Với mục đích xây dựng bộ điều khiển
thích nghi quá trình phay trên máy CNC , trong đó
thông số điều khiển là lực cắt , chúng tôi đã thiết kế và
chế tạo thành công lực kế đo ba thành phần lực dựa
trên nguyên tắc đo lực bằng cảm biến biến dạng .
Trong phần còn lại của bài báo này chúng tôi sẽ trình
bày về lực kế được thiết kế và một số kết quả thực
nghiệm thu được .

2. LỰC KẾ BA THÀNH PHẦN



Hình 1: Sơ đồ hệ thống đo lực trên máy CNC

Sơ đồ hệ thống đo lực được trình bày trên hình 1 .
Lực kế được thiết kế bao gồm các thành phần : phần tử
đàn hồi , cảm biến biến dạng, mạch cầu Wheatstone ,

mạch khuyếch đại . Lực kế được đặt trên bàn máy , chi
tiết gia công được định vị và kẹp chặt phía trên lực kế
sẽ chịu tác động của lực trong quá trình gia công
truyền qua phôi đến các phần tử đàn hồi. Cảm biến
cảm nhận tín hiệu lực được sử dụng là cảm biến biến
dạng sẽ biến dạng cùng với các phần tử đàn hồi làm
thay đổi điện trở qua mạch cầu Wheatstone , làm mất
cân bằng mạch cầu, dẫn đến sự thay đổi điện áp. Card
thu nhận dữ liệu PCL-812PG sẽ chuyển giá trị điện áp
thay đổi từ cầu Wheatstone đã được khuyếch đại thành
tín hiệu số . Việc thu nhận , xử lý hiển thị kết quả lực
cắt được thực hiện trên máy tính thông qua phần mềm
DASYLab .

Để đo momen và lực theo 3 phương trong điều kiện
tĩnh và động , vòng đàn hồi đã chứng tỏ là một phần tử
thích hợp. Kích thước của vòng đàn hồi được tính toán
dựa vào độ lớn của lực đo và độ chính xác của phép
đo. Phân tích vòng đàn hồi có bán kính r , chiều dày t,

2
chiều rộng b chịu lực hướng kính F
r
(F
z
) và lực tiếp
tuyến F
t
(F
x

hoặc F
y
) tác dụng (hình 2a).






Hình 2 : Quá trình biến dạng của vòng đàn hồi.

Khi chỉ có lực F
r
tác dụng thì vòng đàn hồi biến
dạng như hình 2b , và khi chỉ có lực F
t
tác dụng thì
vòng đàn hồi biến dạng như hình 2c.
Theo lý thuyết đàn hồi với vòng mảnh, khi chỉ có
lực F
r
tác dụng ( hình 2b) thì độ biến dạng ở bề mặt
trong và ngoài của vòng tại điểm A là :

2
..
..09,1
tbE
rF
r

A
±=
ε
(1)

Với :ε
A
- Độ biến dạng tại điểm A ; F
r
- Lực hướng
kính (N) ; r - Bán kính vòng tròn (mm) ; E - Mô-đun
đàn hồi ( N/mm
2
) ; b - Chiều rộng vòng (mm) ; t -
Chiều dầy vòng (mm)

Trong khi tại điểm B - vị trí nghiêng một góc 39,6
o

so với trục thẳng đứng - độ biến dạng bằng 0 .
Khi chỉ có lực F
t
tác dụng (hình 2c) độ biến dạng
tại điểm A bằng 0 trong khi độ biến dạng tại điểm B là:


2
..
..18,2
tbE

rF
t
B
=
ε
(2)

Với: ε
B
- Độ biến dạng tại điểm B ; F
t
- Lực hướng
kính (N)

Nếu độ biến dạng tại điểm A và B trong phạm vi
giới hạn đàn hồi của vật liệu thì phương trình (1) và (2)
sẽ tuyến tính với lực và vì thế vòng đàn hồi đáp ứng
được yêu cầu mong muốn về độ tuyến tính. Giá trị độ
cứng vững của vòng hình tròn mỏng theo phương
hướng kính và tiếp tuyến được tính như sau:

3
3
8,1 r
Ebt
F
K
r
r
r

==
δ
(3)

3
3
6,3 r
Ebt
F
K
t
t
t
==
δ
(4)

Vòng tám cạnh được dùng làm phần tử đàn hồi của
lực kế phay vì những ưu điểm của nó so với vòng tròn
. Để bảo đảm được tính liên tục, tuyến tính và sự lặp
lại trong khi đo, các vòng tám cạnh được chế tạo từ
vật liệu đồng nhất. Vòng tám cạnh phải đảm bảo tính
đối xứng, chất lượng bề mặt và độ chính xác cao. Sự
đối xứng của vòng đàn hồi sẽ tạo ra các đường song
song cho dòng nhiệt và do đó các điểm ở vị trí đối diện
của vòng đàn hồi sẽ có cùng nhiệt độ.

Hai chỉ tiêu quan trọng của lực kế là độ cứng
vững và độ nhạy. Để có thể đạt được độ nhạy cao thì
vòng tám cạnh cần phải được thiết kế và đặt ở vị trí bị

biến dạng nhiều nhất bởi các thành phần lực đo . Cảm
biến biến dạng được dán trên vòng tám cạnh nơi mà
nó sẽ bị kéo hoặc nén lớn nhất . Từ các phân tích ở
trên , các cảm biến biến dạng được dán trên vòng tám
cạnh ở vị trí như hình 3 .

Hình 3 : Vị trí dán cảm biến biến dạng trên vòng
tám cạnh.

Bốn vòng tám cạnh được bố trí để đo lực theo 3
phương độc lập với nhau. Vị trí của 4 vòng tám cạnh
trên 2 tấm trên và dưới được thể hiện như trên hình 4 .


Hình 4 : Vị trí 4 vòng tám cạnh

Khi chịu lực tác dụng , mạch cầu Wheatstone cho
ra một điện áp rất nhỏ . Do đó, trước khi được chuyển
đổi tương tự / số ( A/D ), tín hiệu này cần phải được
khuếch đại . Trên hình 5 là sơ đồ đơn giản của mạch
khuyếch đại được sử dụng trong hệ thống đo lực . Ưu
điểm của mạch khuyếch đại này là trở kháng lối vào
rất cao , khử được nhiễu do nhiệt độ của điện trở lối
vào và do dòng lối vào khuyếch thuật toán , độ không
tuyến tính của hệ số khuyếch đại không đáng kể , và
việc thiết lập hệ số khuyếch đại rất đơn giản .


3

Hình 5 : Mạch khuếch đại.
Như đã giới thiệu ở phần đầu hệ thống đo lực được
thiết kế là hệ thống đo lường bằng máy tính . Do vậy ,
hệ gồm có : máy tính , phần cứng xử lý tín hiệu tương
tự , chuyển đổi tương tự / số , truyền tín hiệu về máy
tính và phần mềm thu nhận, xử lý , hiển thị và lưu trữ
tín hiệu số nhận được từ phần cứng . Trong hệ thống
của mình , chúng tôi sử dụng mạch thu nhận dữ liệu
PCL - 812PG ( Advantech -Mỹ ) và phần mềm
DASYLab ( Dasytec - Đức ) .
Mạch thu nhận dữ liệu PCL-812PG được sử dụng
để chuyển đổi tín hiệu lực tương tự thu được từ điện
thế của mạch cầu thành tín hiệu số và truyền đến máy
tính để hiển thị và xử lý . Đây là mạch thu nhận dữ liệu
đa chức năng với độ tin cậy cao , được sử dụng cho
các loại máy IBM PC/XT/AT và các máy tính tương
thích . Mạch quét kênh tự động và có SRAM trên
board tạo thuận lợi cho việc chuyển đổi A/D đa kênh ,
đặc biệt là với khả năng truy cập bộ nhớ trực tiếp
DMA sẽ làm cho chương trình hay thiết bị có thể
truyền dữ liệu giữa hai thiết bị hoặc giữa thiết bị và bộ
nhớ mà không cần sự can thiệp của CPU giúp cho khả
năng truyền dữ liệu nhanh hơn . PCL - 812PG có 16
đường thu tín hiệu tương tự đơn hoặc 8 đường thu tín
hiệu có so sánh .
Với phần mềm DASYLab , việc giao tiếp với mạch
thu nhận dữ liệu PCL-812PG hay nhiều mạch khác rất
đơn giản , DASYLab cung cấp một thư viện chương
trình , người sử dụng chỉ lựa chọn , thiết lập thông số .
Đồng thời DASYLab cũng cung cấp các khối chức

năng xử lý , hiển thị tín hiệu hỗ trợ người sử dụng
trong việc thiết kế hệ thống đo lường bằng máy tính.

3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM :
Kết quả thực nghiệm được thực hiện trên máy phay
CNC hiệu ENSHU với bộ điều khiển FANUC 6M -
đây là máy phay đứng , điều khiển ba trục . Chức năng
điều khiển CNC được thực hiện trên máy tính, lập
trình trong môi trường Windows . Lực kế được lắp trên
bàn máy và chi tiết gia công ( nhôm , thép ) được gá
trên lực kế như hình 6.

Hình 6 : Mô hình thực nghiệm

Các chế độ cắt được thiết lập như sau : 4 mức tốc
độ trục chính ( 400,500, 600 , 700 vòng /phút) , bốn
mức lược chạy dao ( 100 , 120 ,150 , 200 mm/ phút )
và gia công ở 3 chiều sâu cắt khác nhau ( 1, 2, 3 mm )
. Trong bài báo này chỉ trình bày 4 kết quả thực
nghiệm thể hiện từ hình 7 đến hình 10 , đồng thời giá
trị lớn nhất , nhỏ nhất , trung bình và giá trị lực cắt tính
toán lý thuyết được trình bày từ bảng 1 đến bảng 4 .

Hình 7 : Lực cắt đo được với chế độ cắt : chiều sâu
cắt 1mm , tốc độ trục chính 400 vòng / phút , lượng
chạy dao 120 mm/ phút , đường kính dao 10 mm , vật
liệu nhôm.

Giá trị
nhỏ nhất

(N)
Giá trị
lớn nhất
(N)
Giá trị
trung bình
(N)
Giá trị
tính toán
(N)
F
x
25,45 52,19 37,99 38,2
F
y
-33,07 -3,95 -19,18 -32,8
F
z
-73,53 -38,97 -60,63 -54,6

Bảng 1 : Lực cắt đo được và lực cắt tính toán với
chế độ cắt : chiều sâu cắt 1mm , tốc độ trục chính 400
vòng / phút , lượng chạy dao 120 mm/ phút , đường
kính dao 10 mm , vật liệu nhôm.

4

Hình 8 : Lực cắt đo được với chế độ cắt : chiều sâu
cắt 2mm , tốc độ trục chính 400 vòng / phút , lượng
chạy dao 120 mm/ phút , đường kính dao 10 mm , vật

liệu nhơm.

Giá trị
nhỏ nhất
(N)
Giá trị
lớn nhất
(N)
Giá trị
trung bình
(N)
Giá trị
tính tốn
(N)
F
x
-61,90 -40,33 -51,83 -44,3
F
y
7,27 30,56 18,24 37,9
F
z
-69,15 -28,56 -49,09 -63,2
Bảng 2 : Lực cắt đo được và lực cắt tính tốn với chế
độ cắt : chiều sâu cắt 2mm , tốc độ trục chính 400
vòng / phút , lượng chạy dao 120 mm/ phút , đường
kính dao 10 mm , vật liệu nhơm.
Hình 9 : Lực cắt đo được với chế độ cắt : chiều sâu cắt
1mm , tốc độ trục chính 400 vòng / phút , lượng chạy
dao 120 mm/ phút , đường kính dao 20 mm , vật liệu

nhơm.
Giá trị
nhỏ nhất
(N)
Giá trị
lớn nhất
(N)
Giá trị
trung bình
(N)
Giá trị
tính tốn
(N)
F
x
30,72 99,50 63,20 97,2
F
y
-41,77 5,01 -17,67 -45,7
F
z
-126,62 5,98 -56,28 -62,9

Bảng 3 : Lực cắt đo được và lực cắt tính tốn với
chế độ cắt : chiều sâu cắt 1mm , tốc độ trục chính 400
vòng / phút , lượng chạy dao 120 mm/ phút , đường
kính dao 20 mm , vật liệu nhơm

Hình 10 : Lực cắt đo được với chế độ cắt : chiều
sâu cắt 2mm , tốc độ trục chính 400 vòng / phút ,
lượng chạy dao 120 mm/ phút , đường kính dao 20 mm
, vật liệu nhơm.


Giá trị
nhỏ nhất
(N)
Giá trị
lớn nhất
(N)
Giá trị
trung bình
(N)
Giá trị
tính tốn
(N)
F
x
-262,72 -9,87 -133,77 -122,8
F
y
-29,18 187,25 74,24 57,8
F
z
-205,46 44,12 -75,01 -92,8

Bảng 4 : Lực cắt đo được và lực cắt tính tốn với
chế độ cắt : chiều sâu cắt 2 mm , tốc độ trục chính 400

vòng / phút , lượng chạy dao 120 mm/ phút , đường
kính dao 20 mm , vật liệu nhơm.
4. KẾT LUẬN
Chi phí của hệ thống đo lực cắt được chúng tôi
thiết kế và chế tạo giảm hơn rất nhiều so với lực kế
dạng áp điện của Kistler . Tuy nhiên , với một số kết
quả thực nghiệm và được so sánh với giá trò tính toán
lý thuyết , chúng tôi nhận thấy giá trò lực cắt đo được
tương đối chính xác , độ cứng vững của hệ thống khá
cao , và quan trọng là phù hợp với mục đích của
chúng tôi là ứng dụng điều khiển thích nghi quá trình
phay ( như chúng tôi đã đề cập ở phần đầu của bài
báo ).


5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Đào Văn Hiệp - Điều khiển thích nghi máy
cơng cụ điều khiển số
[2] Nguyễn Đắc Lộc - Sổ tay cơng nghệ chế tạo
máy
[3] V . C . Venkatesh , H . Chandrasckaran ,
Experimental methods in metal cutting , Prentice -Hall
of India private Limited , New Dehli ,1982
[4] Y. Altintas , Prediction of cutting forces and
tool breakage in milling from feed drive current
measurement , ASME Journal of Engineering for
Industry , Vol 114 , 1992