Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cnc 3 trục phục vụ trong công tác giảng dạy tại trường đại học công nghệ tp hcm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH.
KHOA CƠ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ.
--------------------------------

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG
ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY CNC 3
TRỤC PHỤC VỤ TRONG CÔNG TÁC GIẢNG DẠY
TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

THỰC HIỆN: PHẠM BÁ KHIỂN.

TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2015.


MỤC LỤC


Danh mục hình


Nghiên cứu khoa học

CHƯƠNG 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. Lý do chọn đề tài
Các máy công cụ là trụ cột của nền kinh tế sản xuất, nó khơng những làm ra các
sản phẩm mà còn làm ra các thiết bị và hệ thống khác phục vụ cho tất cả các ngành

kinh tế. Nhu cầu về các thiết bị nói chung ngày càng tăng của các doanh nghiệp trong
nước, đặc biệt là trong giai đoạn hội nhập và phát triển công nghiệp của đất nước. Các
doanh nghiệp phải đối mặt với việc cạnh tranh khốc liệt khơng những ở thị trường
nước ngồi mà cịn ngay chính ở trong thị trường trong nước, do vậy nhu cầu thiết bị
sản xuất đóng một vai trị sống còn đối với các doanh nghiệp. Để phục vụ sản xuất
thường các doanh nghiệp nhập khẩu nhóm sản phẩm máy móc, thiết bị, dụng cụ và
phụ tùng phục vụ cho sản xuất chế tạo. Dự kiến trong những năm tới, sau khủng hoảng
là giai đoạn các doanh nghiệp phải loại bỏ công nghệ cũ, đầu tư công nghệ mới nhằm
nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường. Trong ngành cơ khí chính xác, nhu cầu các máy
cơng cụ chính xác như CNC, các máy công cụ chuyên dùng gia công tự động hóa theo
nhu cầu doanh nghiệp sẽ rất lớn.
Máy CNC đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất ở
nước ta. Đặc biệt, trong ngành cơ khí lĩnh vực tự động hố và cơ khí chính xác, việc
nghiên cứu ứng dụng các máy CNC tạo điều kiện cho q trình tự động hố, linh hoạt
hố các dây chuyền sản xuất là rất quan trọng đang được các doanh nghiệp và các
trường đạo tạo kỹ thuật quan tâm. Đây là lĩnh vực mới và khó, cần có những bước đi
thích hợp từ đơn giản đến phức tạp để tiếp cận vấn đề. Theo hướng đó, trong các năm
qua nhiều đề tài nghiên cứu và chế tạo máy CNC phục vụ gia cơng cơ khí đã được
thực hiện tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP.Hồ Chí Minh với mong muốn chế
tạo các máy CNC đạt độ chính xác cao có thể ứng dụng vào sản xuất. Bên cạnh đó,
việc đào tạo sinh viên có nắm vững kiến thức về thiết kế CAD, lập trình gia công
CAM làm nền tảng vận hành điều khiển được các máy CNC cơng nghiệp cũng được
đưa vào chương trình đào tạo chính khóa với thời lượng lý thuyết vừa thực hành.
Chương trình đào tạo trường ln quan tâm đến chất lượng đào tạo sinh viên vừa vững
về lý thuyết giỏi về thực hành. Do đó, giờ thực hành trường thường ký các hợp đồng
Thực hiện: Phạm Bá Khiển

4

Nghiên cứu khoa học
liên kết đào tạo với các trường Cao đẳng nghề trên địa bàn Thành phố để đào tạo tay
nghề cho sinh viên trong môn học thực hành CAD/CAM/CNC cho sinh viên hai ngành
Kỹ thuật Cơ khí, kỹ thuật Cơ – Điện tử trong những năm qua.
Vấn đề đào tạo nguồn nhân lực khơng thể có được chất lượng sinh viên sau khi ra
trường tốt nếu hàng trăm học viên mà chỉ có từ 1 đến 2 chiếc máy để thực hành. Giá
thành cao, đồ thay thế đắt, người hướng dẫn không được đào tạo bài bản và tâm lý sợ
“làm hỏng” các thiết bị đắt tiền đã làm cho việc đưa máy CNC vào đào tạo gặp rất
nhiều khó khăn. Do vậy nếu chúng ta chủ động chế tạo được máy CNC trong trường
thì sẽ là điểm tựa để việc đào tạo chất lượng cao được thuận lợi hơn, giảm chi phí khi
th khốn chun mơn cho các cơ sở đào tạo bên ngoài.
Từ những yếu tố trên trên, việc thiết kế, chế tạo máy CNC là cần thiết để phục vụ
cho công tác đào tạo, giảng dạy tại trường Kỹ thuật Công nghệ Tp. HCM. Sau khi chế
tạo thử nghiệm thành công tại trường sẽ hướng đến đáp ứng các nhu cầu doanh nghiệp
cơ khí, tự động hóa, sản xuất thủ cơng mỹ nghệ… trong nước và ngoài nước với mứt
giá cạnh tranh so với các máy từ Đài Loan, Trung Quốc. Do vậy, tác giả chọn đề tài:
“Thiết kế và chế tạo máy CNC 3 trục phục vụ trong công tác giảng dạy tại trường
Đại học Cơng nghệ Tp HCM”

1.2 Mục đích của đề tài
Đề tài có các mục đích sau:
-

Chế tạo mơ hình máy CNC 3 trục gia công vật liệu mềm bằng mica, gỗ, nhơm
v.v.

-

Độ chính xác u cầu khi gia cơng có sai số từ 0.05 đến 0.1mm.

-

Gia công được các chi tiết kích thước từ Dài x Rộng x Cao trong khoảng từ
300x400x100mm.

1.3. Nhiệm vụ của đề tài
-

Thiết kế cơ khí kết cấu máy CNC với hành trình bàn máy X là 600mm, trục Y
900mm, trục Z 300mm.

-

Thi công phần cơ khí, chế tạo và lắp ráp hồn thiện mơ hình máy CNC.

-

Thiết kế hệ thống mạch điện, board mạch đệm nối từ máy tính xuống hệ thống
Driver điều khiển các động cơ các trục công tác X,Y, Z; điều khiển các trục
chính…

-

Thiêt kế thi cơng hệ thống điện, cử hành trình an tồn khi vận hành, hệ thống
làm mát trục chính, hệ thống đèn báo trạng thái hoạt động v.v.

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

5

Nghiên cứu khoa học

1.4. Đối tượng nghiên cứu và giới hạn của đề tài
-

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là máy cơng cụ điều khiển bằng chương trình số
CNC.

-

Người nghiên cứu chỉ tập trung nghiên cứu thiết kế, thi cơng hệ thống cơ khí và
hệ thống điều khiển máy CNC

1.5. Phương pháp nghiên cứu
-

Phương pháp tính tốn, thiết kế trên cơ sở các yêu cầu đặt ra.

-

Sử dụng phần mềm hỗ trợ xây dựng mơ hình tính tốn và thực hiện mơ phỏng
kiểm tra kết quả tính tốn q trình trao đổi nhiệt.

-

Phương pháp tham khảo và tra cứu tài liệu qua thư viện, Internet…

1.6. Nội dung đề tài:
Nội dung đề tài gồm 6 chương chính:

-

Chương 1: Đặt vấn đề

-

Chương 2: Tổng quan đề tài nghiên cứu

-

Chương 3: Thiết kế cơ khí và điều khiển máy

-

Chương 4: Giao tiếp phần mềm điều khiển

-

Chương 5: Kết quả thực hiện đề tài

-

Chương 6:Kết luận và hướng phát triển

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

6


Nghiên cứu khoa học

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
Trong bối cảnh phát triển ngành công nghiệp nước ta hiện nay hầu hết các công
nghệ chúng ta đang sử dụng đều phải nhập khẩu. Trong quá trình sử dụng, sẽ có rất
nhiều hệ thống cần phải thay thế, sửa chữa, nâng cấp và chúng vẫn phải nhập khẩu vì
trong nước khơng có những thiết bị, dây chuyền để chế tạo ra các hệ thống đó. Máy
CNC chế tạo trong nước với chi phí thấp sẽ là chìa khố để đảm bảo chúng ta có thể
nhanh chóng có thể chế tạo được các hệ thống thay thế phù hợp vừa phục vụ cho công
nghiệp vừa đáp ứng nhu cầu các doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ.
Nghiên cứu trên thế giới:
Hiện nay trên thế giới việc chế tạo ra máy công cụ tự động CNC đạt tới trình độ
rất cao. Máy CNC được nghiên cứu và đầu tư để tạo ra các loại máy móc thiết bị, dây
chuyền sản xuất để phục vụ tất cả các ngành cơng nghiệp khác. 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 phay CNC, máy tiện CNC, các trung tâm tiện và phay 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, hố chất độc
hại…
Nghiên cứu trong nước:

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

7


Nghiên cứu khoa học
Hiện nay các lĩnh vực ứng dụng của máy CNC trong nước khá đa dạng và phong
phú. Các sản phẩm do máy CNC tạo ra tập trung các lĩnh vực sau:
- 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: cơng 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,…), cơng nghiệp quốc phịng (dây chuyền sản xuất vũ khí,
thuốc nổ,…), cơng nghệ thông tin (dây chuyền sản xuất vi mạch điện tử, lắp ráp máy
tính và thiết bị viễn thơng,…), các thiết bị dùng cho giáo dục và đào tạo, các thiết bị y
học…
- Máy CNC cũng có thể dùng để tạo ra các sản phẩm thông dụng và sản phẩm
công nghệ cao được sử dụng trong cuộc sống và trong công nghiệp: khuôn mẫu dùng
để tạo ra các chi tiết bằng nhựa dùng trong cuộc sống hàng ngày, các chi tiết để cấy và
chế tạo các ống nano, các chi tiết bằng vật liệu sinh học để thay thế xương trong y học,
các đồ gá dùng trong sản xuất chíp điện tử…

2.2. Kết cấu cơ bản của máy CNC
Máy CNC cơ bản gồm hai phần chính:
Phần cơ khí: đế máy, thân máy, bàn máy, bàn xoay, trục vít me bi, ổ tích dụng cụ,
cụm trục chính và băng dẫn hướng. Ở Việt Nam hiện nay chưa thể chế tạo ra hai bộ
phận quan trọng của máy là: cụm trục chính và băng dẫn hướng mà mới chỉ chế tạo
được những cơ cấu đơn giản là: thân máy, bàn máy, bàn xoay.
Phần điều khiển: các loại động cơ, các hệ thống điều khiển và máy tính trung
tâm.

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

8


Nghiên cứu khoa học

Hình 2.1 Kết cấu chung của máy CNC
2.2.1. Đầu trục chính
Là nơi lắp dụng cụ, chuyển động quay của trục chính sẽ sinh ra lực cắt để cắt gọt
phơi trong q trình gia cơng (hình 1.2).

Hình 2.2 Cụm trục chính
Nguồn động lực điều khiển trục chính:
Trục chính được điều khiển bởi các động cơ. Thường sử dụng động cơ Servo
theo chế độ vịng lặp kín, bằng cơng nghệ số để tạo ra tốc độ điều khiển chính xác và
hiệu quả cao dưới chế độ tải nặng.
Hệ thống điều khiển chính xác góc giữa phần quay và phần tĩnh của động cơ
trục chính để tăng momen xoắn và gia tốc nhanh. Hệ thống điều khiển này cho phép
người sử dụng có thể tăng tốc độ của trục chính lên rất nhanh.

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

9


Nghiên cứu khoa học

Hình 2.3 Các dạng dẫn động trục chính
2.2.2 Băng dẫn hướng
Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động

của bàn theo X,Y và chuyển động lên xuống theo trục Z của trục chính (hình 2.4).
u cầu của hệ thống thanh trượt trượt phải thẳng, có khả năng tải cao, độ cứng
vững tốt, khơng có hiện tượng dính, trơn khi trượt

Hình 2.4 Băng dẫn hướng

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

10


Nghiên cứu khoa học
2.2.3. Trục vít me đai ốc bi
2.2.3.1. Giới thiệu chung trục vít me đai ốc bi
Trong máy công cụ điều khiển số người ta sử dụng hai dạng vít me cơ bản đó là:
vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi.
+ Vít me đai ốc thường: là loại mà vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc mặt
+ Vít me đai ốc bi: là loại mà vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc lăn.
Ta xét mối quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me đai ốc thường và vít me
đai ốc bi (hình 2.5):

Hình 2.5 Quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me thường và vít me bi
Đường cong trên là đường cong biểu thị mối quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ
của vít me đai ốc thường. Đường cong này chia làm hai phần:
+ Phần từ a đến b là vùng ma sát nửa ướt. Vùng này có sự tiếp xúc trực tiếp
giữa vít me và đai ốc. Khi vận tốc bằng không, lực ma sát lớn nhất, khi vận tốc tăng
lên dầu dần dần hình thành làm lực ma sát giảm dần tới b.
+ Giai đoạn tiếp theo là q trình bơi trơn giữa hai bề mặt thủy động và như đồ
thị thì lực ma sát tăng theo tốc độ.
Khi điều khiển máy CNC hai hoặc nhiều trục đòi hỏi thời gian khởi động bàn

máy nhanh và momen nhỏ. Nhìn vào đường cong trên ta thấy vít me đai ốc thường
không đảm bảo được yêu cầu trên của máy CNC.
Thay vì trạng thái tiếp xúc mặt như vít me đai ốc thường thì vít me đai ốc bi có
dạng tiếp xúc lăn bằng cách đưa vào các rãnh ren số lượng lớn bi hoặc bi trụ. Do tiếp
xúc giữa vít me và đai ốc là ma sát lăn nên ma sát có thể là coi là khơng đáng kể. Từ

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

11


Nghiên cứu khoa học
đồ thị trên ta thấy vít me đai ốc bi đã xóa bỏ được vùng ma sát khô và ma sát nửa khô
của ma sát thường.
Ưu điểm của vít me đai ốc bi:
+ Mất mát do ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền lớn gần bằng 0.9.
+ Đảm bảo chuyển động ổn định vì lực ma sát hầu như khơng phụ thuộc vào
tốc độ.
+ Có thể loại trừ khe hở và tạo sức căng ban đầu đảm bảo độ cứng vững dọc
trục cao.
+ Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài.
2.2.3.2 Kết cấu bộ truyền vít me đai ốc bi
Vít me bi có kết cấu đa dạng nhưng chúng đều có cấu tạo chung như sau(H 1.6):
1: Vít me (Ball Screw)
2: Đai ốc (Ball Nut)
3: Vịng bi (Ball Circuit)
4: Ống hồi tiếp (Return Path)

Hình 2.6 Cấu tạo vít me bi
Khử khe hở và tạo sức căng

Kết cấu của bộ truyền vít me bi phải có khả năng khử khe hở dọc trục và điều
chỉnh sức căng ban đầu. Khử khe hở và tạo sức căng nhờ việc điều chỉnh vị trí tương
quan giữa hai phần của đai ốc. Khử khe hở và tạo sức căng có thể thực hiện bằng các
phương pháp sau(Hình 2.7):
+ Trên mỗi phần đai ốc thiết kế dạng mặt bích để liên kết hai phần đai với nhau
thông qua mối ghép ren. Để khử khe hở và tạo sức căng ban đầu cho bộ truyền bằng
cách giữa hai mặt bích người ta đặt các tấm đệm. Với chiều dày các tấm đệm khác
Thực hiện: Phạm Bá Khiển

12


Nghiên cứu khoa học
nhau cho phép thay đổi sức căng và vị trí vùng tiếp xúc giữa bi với đai ốc và vít me.
Thực hiện điều chỉnh theo phương pháp này có kết cấu đơn giản nhưng việc điều
chỉnh khó khăn.

Hình 2.7 Các phương pháp khử khe hở vít me bi

+ Một dạng khác của kết cấu khử khe hở và tạo sức căng là giữ cố định một
phần của đai ốc, khử khe hở và tạo sức căng bàn đầu bằng lực của lị xo(Hình 2.8).
+ Trên mỗi phần của đai ốc, vành ngồi của nó có vành răng bước nhỏ và trong
cũng có bố trí vành răng trong.

Hình 2.8 Khử khe hở vít me bi bằng lị xo

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

13

Nghiên cứu khoa học

2.3. Khái niệm cơ bản về điều khiển và điều khiển số
2.3.1 Khái niệm
Là quá trình xảy ra trong mơt hệ thống giới hạn, trong đó một hay nhiều đại
lượng là đại lượng đầu vào, các đại lượng khác là đại lượng đầu ra, chúng tác động và
ảnh hưởng đến hệ thống theo những quy luật riêng.
Người ta chia hệ thống điều khiển máy công cụ thành hai loại:
− Điều khiển theo kiểu truyền thống.
− Điều khiển số.
2.3.2 Điều khiển theo kiểu truyền thống
Hệ thống điều khiển (HTĐK) theo kiểu này gồm: điều khiển bằng cam, điều
khiển theo quảng đường, điều khiển theo thời gian, điều khiển theo chu kì....Nhìn
chung các loại điều khiển này có chung các đặc điểm chính sau đây:
− Điều khiển máy có sự tham gia phần lớn của người vận hành từ khâu cấp
phôi, gá phôi, hiệu chỉnh dụng cụ cho đến khâu kiểm tra sản phẩm.
− Các thao tác của HTĐK thường khó thay đổi (chính xác là khơng thay đổi
được). Do vậy, nó khơng thích ứng với sự thay đổi sản phẩm.
− Nếu khơng có sự tham gia của người vận hành thì cơ cấu máy thực hiện chu
trình làm việc liên tục như các máy tự động. Với các loại máy này không thay
đổi được hoặc muốn thay đổi cũng rất phức tạp. Do vậy, khuynh hướng phát
triển chung là người ta muốn có những HTĐK mà nó dễ dàng thích nghi với sự
thay đổi của sản phẩm. Nhìn chung, các HTĐK theo kiểu truyền thống tuy càng
lúc càng được cải thiện tuỳ theo mức độ cơ khí hố, tự động hoá của nhà máy
sản nhưng vẫn chưa thực sự đáp ứng được nhu cầu của thực tế.
2.3.3 Điều khiển số
Điều khiển số (Numerical Control) là một quá trình tự động điều khiển các hoạt
động của máy trên cơ sở các dữ liệu số được mã hoá đặc biệt tạo nên một chương trình
làm việc của thiết bị hay hệ thống”

Máy hiểu theo nghĩa rộng bao gồm: các máy cắt kim loại, robot, băng tải vận
chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia cơng…
Dữ liệu số được mã hố bao gồm: các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số
các ký tự đặc biệt.
Thực hiện: Phạm Bá Khiển

14


Nghiên cứu khoa học
Các chữ số và ký tự đó đại diện cho các đặc tính gia cơng như kích thước của chi
tiết, các dụng cụ được yêu cầu, dung dịch trơn nguội, tốc độ vịng quay trục chính, tốc
độ chạy dao và được tổ hợp thành câu lệnh.
2.3.4. Các hệ điều khiển số
2.3.4.1. Hệ điều khiển số NC (Numerical control)
Đặc tính của hệ điều khiển này là “chương trình hố các mối liên hệ” trong đó
mỗi mảng linh kiện điện tử riêng lẻ được xác định một nhiệm vụ nhất định, liên hệ
giữa chúng phải thông qua những dây nối hàn cứng trên các mạch logic điều khiển
(hình 2.9).
Chức năng điều khiển được xác định chủ yếu bởi phần cứng.

Hình 2.9 Hệ điều khiển NC
2.3.4.2 Hệ điều khiển số CNC (Computer Numerical Control)
Điều khiển CNC là một hệ điều khiển có thể lập trình và ghi nhớ. Nó bao hàm
một máy tính cấu thành từ các bộ vi xử lý kèm theo các bộ phận ngoại vi.

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

15

Nghiên cứu khoa học
Các chương trình CNC và các hàm logic được lưu trên các vi mạch máy tính
đặc biệt (các thanh ghi bộ nhớ của máy tính) dưới dạng các phần mềm thay vì được
nối kết cứng (nối dây) do đócác chương trình làm việc có thể thiết lập trước.

Hình 2.10 Hệ điều khiển CNC
2.3.4.3 Các hệ điều khiển số khác
Hệ điều khiển số DNC (Direc Numerial Control) là hệ thống điều khiển trong
đó nhiều máy CNC được nối với một máy vi tính gia cơng trung tâm qua đường dẫn
dữ liệu.
Hệ điều khiển thích nghi (Adaptive Control) là hệ thống điều khiển có tính đến
tác động bên ngồi của hệ thống công nghệ để điều chỉnh chu kỳ gia cơng (q trình
gia cơng) nhằm loại bỏ ảnh hưởng của các yếu tố đó tới độ chính xác gia công.
Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System) là hệ thống
sản xuất có mức độ tự động hố cao bao gồm các máy CNC để gia công tự động, hệ

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

16


Nghiên cứu khoa học
thống cấp và tháo phôi, hệ thống vận chuyển phơi tự động, các máy tính hệ thống cung
cấp chương trình điều khiển tồn bộ cơng việc.
Hệ thống tích hợp CIM(Computer Integrated Manufacturing) là sự liên kết tồn
bộ giữa CAD(Computer Aided Design) và CAM(Computer Aided Manufacturing) vào
một quá trình giám sát và điều khiển hồn tồn bằng máy tính.

2.3.5. Phân loại các phương pháp điều khiển

Tùy theo yêu cầu của từng loại máy và từng cơ cấu điều khiển, hệ điều khiển có
thể phân thành 3 loại cơ bản: điều khiển điểm – điểm, điều khiển đoạn thẳng và điều
khiển đường (tuyến tính hoặc phi tuyến). Tất nhiên các máy điều khiển đường đều có
thể sử dụng hệ điều khiển điểm – điểm và đoạn thẳng.
2.3.5.1 Điều khiển điểm – điểm
Được dùng để gia công các lỗ bằng các
phương pháp khoan, khoét, doa, và cắt ren lỗ.
Trong quá trình gia cơng, chi tiết được cố định trên
bàn máy còn dụng cụ thực hiện việc chạy dao
nhanh đến vị trí đã được lập trình. Trong khi dịch
chuyển nhanh dao cụ không thực hiện việc cắt gọt.
Chỉ khi nào đạt được toạ độ theo u cầu thì nó
mới bắt đầu thực hiện các chuyển động cắt gọt.
Hình 2.11 Hệ điều khiển CNC
2.3.5.2 Điều khiển theo đường thẳng
Là dạng điều khiển mà khi gia công dụng cắt được thực hiện lượng chạy dao theo
một đường thẳng nào đó (hình 2.12a).
2.3.5.3 Điều khiển theo biên dạng ( Contour )
Là dạng điều khiển cho phép thực hiện chạy dao nhiều trục cùng một lúc, nghĩa
là nó có thể gia cơng một đường cong bất kì trên mặt phẳng hay trong khơng gian
(hình1.12b).

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

17


Nghiên cứu khoa học

Hình 2.12 Điều khiển theo đường thẳng

Hình 2.13 Điều khiển theo biên dạng

2.3.5.4 Điều khiển 2D
Cho phép dịch chuyển dụng cụ trong một mặt phẳng nhất định nào đó. Thí dụ
như trên máy tiện, dụng cụ sẽ dịch chuyển trong mặt phẳng xOz để tạo nên đường sinh
khi tiện các bề mặt, trên các máy phay 2D, dụng cụ sẽ thực hiện các chuyển động
trong mặt phẳng xoy để tạo nên các đường rãnh hay các mặt bậc có biên dạng bất kỳ.
2.3.5.5 Điều khiển 3D
Cho phép dịch chuyển dụng cụ trong 3 mặt phẳng đồng thời để tạo nên một
đường cong hay một mặt cong trong không gian bất kỳ. Điều này cũng tương ứng với
quá trình điều khiển đồng thời cả 3 trục của máy theo một quan hệ ràng buộc nào đó
tại từng thời điểm để tạo nên vết quỹ đạo của dụng cụ theo yêu cầu.

Hình 2.14 Phay túi trên máy 3D
2.3.5.6 Điều khiển 2.5D
Cho phép dịch chuyển 2 trục đồng thời để tạo nên một đường cong phẳng, còn
trục thứ 3 để điều khiển chuyển động độc lập. Điểm khác biệt giữa phương pháp này
với phương pháp điều khiển 2D ở chỗ 2 trục được điều khiển đồng thời có thể được
đổi vị trí cho nhau, có nghĩa là hoặc trong mặt phẳng xoy, yoz hoặc xoz.
2.3.5.7 Điều khiển 4D, 5D
Thực hiện: Phạm Bá Khiển

18


Nghiên cứu khoa học
Trên cơ sở của điều khiển 3D, người ta cịn bố trí cho dụng cụ hoặc chi tiết có
thêm 1 chuyển động quay (hoặc 2 chuyển động quay) xung quanh 1 trục nào đó theo
một quan hệ ràng buộc với các chuyển động trên các trục khác của máy 3D. Với khả

năng như vậy, các bề mặt phức tạp hay các bề mặt có trục quay có thể được thực hiện
dễ dàng hơn so với khi gia cơng trên máy 3D.

Hình 2.15 Phay túi trên máy 4D
Mặt khác, vì lý do cơng nghệ nên có những bề mặt không thể thực hiện được việc
gia công bằng 3D vì có thể tốc độ cắt sẽ khác nhau hoặc sẽ có những điểm có tốc
độ cắt bằng khơng (như tại đỉnh của dao phay đầu cầu) hay lưỡi cắt của dụng cụ
không thể thực hiện việc gia công theo mong muốn (ví dụ như góc cắt khơng
thuận lợi hay có thể bị vướng thân dao vào các phần khác của chi tiết...).
Tóm lại, tùy thuộc vào yêu cầu bề mặt gia cơng cụ thể mà có thể lựa chọn máy
thích hợp vì máy càng phức tạp thì giá thành máy càng cao và cần phải bổ sung them
nhiều công cụ khác như các phần mềm CAD/CAM hỗ trợ lập trình...
Hơn thế nữa, máy càng phức tạp (càng nhiều trục điều khiển) thì tính an tồn
trong q trình vận hành và sử dụng máy càng thấp (dễ bị va chạm dao vào phơi và
máy). Vì thế để sử dụng được các máy này, người điều khiển trước hết đã sử dụng rất
thành thạo các máy điều khiển theo chương trình số 2D và 3D. Cũng dễ thấy là máy
phức tạp hơn có thể hồn tồn đảm nhiệm được vai trị của máy đơn giản hơn, ví dụ như
máy 3D có thể đảm nhiệm cho máy 2D và 2,5D.

2.4. Hệ tọa độ trên máy CNC và các điểm chuẩn
2.4.1. Hệ tọa độ trên máy CNC
Để xác định vị trí tương quan hình học trong vùng làm việc của máy, trong phạm
vi chi tiết gia cơng một cách rõ ràng thì cần thiết phải gắn nó vào một hệ tọa độ nào
đó.

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

19

Nghiên cứu khoa học
Thông thường trên các máy CNC người ta sử dụng hệ tọa độ Decac Oxyz. Cách
xác định các trục theo quy tắc bàn tay phải và nó ln được gắn vào chi tiết gia cơng
(hình 2.15).

Hình 2.16 Quy tắc xác định tọa độ của máy CNC
Khi tiếp xúc và làm việc với máy CNC phải tuân thủ theo quy ước:
-

Chi tiết gia công được xem là cố định cịn mọi chuyển động tạo hình và cắt gọt
do dao cụ thực hiện.
Phương trục chính là Oz, chiều dương là chiều dao tiến ra xa chi tiết.
Phương chuyển động của bàn xe dao là Ox và có chiều dương hướng ra xa chi
tiết gia công
Trục Oy được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
2.4.2. Hệ tọa độ của các loại máy phay
2.4.2.1 Máy phay đứng
- Trục z song song với trục chính và có chiều dương hướng lên trên

- Trục x nằm trên bàn máy, nếu nhìn vào trục chính thì chiều dương hướng về
phía bên phải.
- Trục y xác định theo quy tắc bàn tay phải.
1.4.2.2 Máy phay nằm ngang
- Trục z nằm ngang và có chiều dương hướng vào trục máy.
- Trục x nằm trên bàn máy, chiều dương là chiều mà khi nhìn vào trục chính thì
nó nằm phía trái.
- Trục y xác định theo quy tắc bàn tay phải.

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

20


Nghiên cứu khoa học

Hình 2.17 Quy tắc bàn tay phải
2.4.3 Các điểm gốc và điểm chuẩn
2.4.3.1. Điểm gốc của máy M (Machine Reference Zero)
Q trình gia cơng trên máy điều khiển số được thiết lập bằng một chương trình
biểu diễn mối quan hệ giữa dao và chi tiết. Do vậy để đảm bảo độ chính xác gia cơng
thì các chuyển động của dao phải được so sánh với điểm gốc của máy M. Điểm M là
điểm giới hạn vùng làm việc của máy, nó được nhà chế tạo quy định. Ở máy phay
thường nằm ở điểm giới hạn dịch chuyển của bàn máy.
2.4.3.2. Điểm chuẩn của máy R (Machine Reference Point)
Là điểm mà tọa độ của nó so với điểm gốc M của máy không thay đổi, cũng do
nhà chế tạo quy định.
2.4.3.3. Điểm zero của phôi W (Workpiece zero point)
Là gốc tọa độ của chi tiết và nó phụ thuộc vào người lập trình

Hình 2.18 Các điểm gốc và điểm chuẩn của máy
Thực hiện: Phạm Bá Khiển

21


Nghiên cứu khoa học
− Đối với chi tiết phay người ta thường chọn điểm W tại điểm gốc ngoài của đường
viền chi tiết.
2.4.3.4. Điểm gốc chương trình P (Programed)
− Điểm gốc của chương trình thực tế là điểm P của dụng cắt.

− Chú ý khi chọn điểm P phải thuận tiện cho việc thay dao (không làm ảnh hưởng đến
chi tiết và đồ gá).

Hình 2.19 Điểm gốc chương trình
2.4.3.5. Điểm chuẩn của gá dao T và điểm gá dao N(H 1.18)
Điểm T dùng để xác định hệ trục toạ độ của dao. Thường khi gá dao trên máy
thì điểm T trùng với điểm N (H 1.18)

Hình 2.20 Điểm chuẩn của gá dao T và điểm gá dao N
2.4.4. Những khái niệm cơ bản về lập trình gia cơng trên máy CNC
Trên các máy CNC q trình gia cơng được thực hiện một cách tự động. Hệ
thống điều khiển số sẽ điều khiển q trình gia cơng theo một chương trình đã lập sẵn.
Trong đó, q trình CNC đóng một vai trị rất quan trọng. Nó là một mắc xích quan
trọng của quá trình chuẩn bị sản xuất.
Trên cơ sở này, cho phép ta định nghĩa lập trình là gì ? Lập trình là quá trình thiết
lập các lệnh cho dụng cụ cắt, trên cơ sở bản vẽ chi tiết và các thơng tin cơng nghệ. Nó
được tổng hợp rồi được chuyển sang bộ phận mang dữ liệu. Tại đây nó được mã hóa
và sắp xếp theo dạng mà máy có thể hiểu được.

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

22


Nghiên cứu khoa học
2.4.4.1. Quỹ đạo gia công
Để gia công các chi tiết theo chương trình, trước hết phải xác định được quỹ đạo
chuyển động cắt gọt và quỹ đạo chuyển động của tâm dao P. Quỹ đạo của tâm dao có
thể trùng với biến dạng của chi tiết, cụ thể theo đường cách đều biên dạng chi tiết hoặc
cụ thể thay đổi vị trí theo một quy luật xác định so với biến dạng của chi tiết.

Để gia công toàn bộ các bề mặt của biên dạng chi tiết thì quỹ đạo chuyển động
của tâm dao phải liên tục. Tuy nhiên, việc xác định quỹ đạo của tâm dao trong khơng
gian rất phức tạp. Do đó, khi lập trình quỹ đạo của tâm dao thì ta thường lập trình theo
từng phần biên dạng riêng biệt.
2.4.4.2. Cách ghi kích thước chi tiết
Để lập trình gia cơng trên máy CNC thì kích thước trên bản vẽ phải được ghi
theo toạ độ Đề Các. Có hai cách ghi kích thước trên bản vẽ:
− Ghi kích thước tuyệt đối.
− Ghi kích thước tương đối (theo gia số).
2.4.5. Thông số công nghệ (Technological Information)
2.4.5.1 Tốc độ chạy dao F (Feedrate)
− Được lập trình với địa chỉ F (mm/ph hoặc in/ph).
− Trong phạm vi lượng chạy dao, có thể lập trình với bất kì giá trị nào.
− Chuyển động chạy dao chỉ có thể thực hiện khi trục chính quay.
− Giá trị chạy dao sẽ hết hiệu lực khi có một giá trị khác của lượng chạy dao thay
thế.
2.4.5.2 Số vịng quay trục chính S (Speed)
− Được lập trình với địa chỉ S (v/ph).
− Chiều quay được xác định:
+ Quay theo chiều kim đồng hồ dùng lệnh M03 hoặc S+.
+ Quay theo chiều ngược kim đồng hồ dùng lệnh M04 hoặc S-.
− Giá trị vòng quay trục chính hiệu lực khi có giá trị khác thay thế.

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

23


Nghiên cứu khoa học

2.5 Chương trình gia cơng
Một chương trình được thiết lập để gia công một chi tiết gọi là chương trình chi
tiết. Nó bao gồm nhiều từ lệnh và các từ lệnh này nằm trong các câu lệnh.
2.5.1 Quy ước kí tự địa chỉ
Các kí tự địa chỉ, những dấu hiệu đặt biệt (DIN 66025) và các chức năng dịch chuyển:

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

24


Nghiên cứu khoa học
2.5.2 Cấu trúc một chương trình
Để viết chương trình gia cơng cho một biên dạng chi tiết. Ta tiến hành chia biên
dạng đó thành những biên dạng hình học đơn giản. Nó có thể được điều khiển trong
từng bước gia công hay trong một câu lệnh của chương trình.
Cấu trúc cơ bản của một chương trình gia cơng gồm:
1. Chia biên dạng thành các yếu tố hình học đơn giản.
2. Chia q trình gia cơng thành các bước gia cơng.
3. Lập chương trình.
4. Nạp vào bộ điều khiển.
5. Chạy mơ phỏng.
6. Khởi động chương trình.
7. Cho thực hiện việc gia công chi tiết.

2.6 Các phương pháp lập trình cho hệ điều khiển
Xuất phát từ yêu cầu về tính linh hoạt và mức độ tự động hố cao của tất cả các
thiết bị gia công, dẫn tới bước nhảy vọt trong việc ứng dụng các hệ điều khiển CNC
trong các phân xưởng, xí nghiệp sản xuất và chế tạo. Sự phát triển đó tác động rất lớn
đến khả năng thiết lập các chương trình CNC. Các phương pháp lập trình :

+ Lập trình trực tiếp trên máy CNC: là q trình tìm ra các thơng số điều
khiển và nạp chúng vào hệ điều khiển, thực hiện trực tiếp trên máy thơng qua bảng
điều khiển.
+ Lập trình với sự trợ giúp của máy tính: q trình lập trình theo kiểu
này tương tự lập trình bằng tay. Tuy nhiên, thời gian lập trình và các lỗi được giảm
xuống một cách đáng kể nhờ các bộ vi xử lí, bộ nội suy và một số khối lượng lớn
các dữ liệu cần thiết được cài đặt sẵn trong máy khi cần chỉ việc truy cập theo địa
chỉ và sử dụng.

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

25