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 TRƢỜNG
ĐỀ TÀI:

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

THỰC HIỆN: PHẠM BÁ KHIỂN.

TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2015.


MỤC LỤC

CHƢƠNG 1................................................................................................................. 1
ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................. 1
1.1. Lý do chọn đề tài............................................................................................... 1
1.2 Mục đích của đề tài ............................................................................................ 2
1.3. Nhiệm vụ của đề tài .......................................................................................... 2
1.4. Đối tƣợng nghiên cứu và giới hạn của đề tài...................................................... 3
1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................... 3
1.6. Nội dung đề tài:................................................................................................. 3
CHƢƠNG 2................................................................................................................. 4
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ....................................................................... 4

2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc ........................................ 4
2.2. Kết cấu cơ bản của máy CNC............................................................................ 5
2.2.1. Đầu trục chính ............................................................................................ 6
2.2.2 Băng dẫn hƣớng .......................................................................................... 7
2.2.3. Trục vít me đai ốc bi................................................................................... 7
2.3. Khái niệm cơ bản về điều khiển và điều khiển số ............................................ 11
2.3.1 Khái niệm.................................................................................................. 11
2.3.2 Điều khiển theo kiểu truyền thống ............................................................. 11
2.3.3 Điều khiển số ............................................................................................ 11
2.3.4. Các hệ điều khiển số................................................................................. 12
2.3.5. Phân loại các phƣơng pháp điều khiển ...................................................... 14
2.4. Hệ tọa độ trên máy CNC và các điểm chuẩn ................................................... 16
2.4.1. Hệ tọa độ trên máy CNC .......................................................................... 16
2.4.2. Hệ tọa độ của các loại máy phay .............................................................. 17


2.4.3 Các điểm gốc và điểm chuẩn ..................................................................... 18
2.4.4. Những khái niệm cơ bản về lập trình gia cơng trên máy CNC .................. 19
2.4.5. Thông số công nghệ (Technological Information) .................................... 20
2.5 Chƣơng trình gia cơng ...................................................................................... 21
2.5.1 Quy ƣớc kí tự địa chỉ ................................................................................. 21
2.5.2 Cấu trúc một chƣơng trình ......................................................................... 22
2.6 Các phƣơng pháp lập trình cho hệ điều khiển ................................................... 22
CHƢƠNG 3............................................................................................................... 23
THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ PHẦN ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC ....................................... 23
3.1. Thiết kế cơ khí: ............................................................................................... 23
3.1.1 Thiết kế khung máy ................................................................................... 23
3.1.2 Truyền động trục X ................................................................................... 24
3.1.3 Truyền động trục Y ................................................................................... 24
3.1.4 Truyền động trục Z.................................................................................... 25

3.1.5 Tổng thể thiết kế cơ khí ............................................................................. 26
3.2. Thiết kế điện và phần điều khiển ..................................................................... 26
3.2.1. Chọn động cơ truyền động các trục .......................................................... 26
3.2.2. Chọn động cơ trục chính........................................................................... 29
3.2.3. Thiết kế mạch đệm tín hiệu ...................................................................... 30
CHƢƠNG 4............................................................................................................... 32
GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN ................................................................. 32
4.1 Giới thiệu phần mềm điều khiển máy CNC ...................................................... 32
4.2. Giao diện và một số chức năng của Mach3...................................................... 33
4.2.1 Trang Program Run (Alt-1) ....................................................................... 33
4.2.2 Trang MDI Alt2 (Manual Data Input) ....................................................... 37
4.2.3 Trang Toolpath (Alt4) ............................................................................... 38
4.2.4 Trang Offsets (Alt5) .................................................................................. 39


4.2.5 Trang Setting (Alt6) .................................................................................. 39
4.3 Cách sử dụng các Mode trong Mach3 .............................................................. 40
4.3.1 Mode Jog .................................................................................................. 40
4.3.2 Mode Handle (MPG) ................................................................................. 42
4.4. Một số chức năng khác:................................................................................... 42
4.5. tín hiệu truyền từ Mach3 ra cổng LPT ............................................................. 44
4.6. Cách chuyển đổi file Autocad sang G-code ..................................................... 47
4.6.1. Làm việc trong Autocad : ......................................................................... 47
4.6.2.Tạo file G-Code......................................................................................... 49
CHƢƠNG 5............................................................................................................... 50
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI .............................................................................. 50
5.1. Kết quả chế tạo kết cấu cơ khí ......................................................................... 50
5.1.1. Kết cấu khung máy ................................................................................... 50
5.1.2. Cơ cấu chuyển động cơ khí. ..................................................................... 51
5.2. Kết quả thi công phần điều khiển .................................................................... 52

5.2.1. Động cơ Servo.......................................................................................... 52
5.2.2. Driver điều khiển động cơ Servo .............................................................. 53
5.2.3. Động cơ trục chính ................................................................................... 53
5.2.4. Biến tần điều khiển động cơ trục chính ..................................................... 54
5.2.5. Mạch đệm tín hiệu .................................................................................... 54
5.2.6. Cử hành trình ........................................................................................... 55
5.2.7. Tủ điện điều khiển .................................................................................... 55
5.3. Kết quả ứng dụng mơ hình máy CNC trong cơng tác giảng dạy ...................... 57
CHƢƠNG 6............................................................................................................... 65
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ........................................... 65


Danh mục hình

Hình 2.1 Kết cấu chung của máy CNC......................................................................... 6
Hình 2.2 Cụm trục chính .............................................................................................. 6
Hình 2.3 Các dạng dẫn động trục chính ....................................................................... 7
Hình 2.4 Băng dẫn hƣớng ............................................................................................ 7
Hình 2.5 Quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me thƣờng và vít me bi ................. 8
Hình 2.6 Cấu tạo vít me bi ........................................................................................... 9
Hình 2.7 Các phƣơng pháp khử khe hở vít me bi ....................................................... 10
Hình 2.8 Khử khe hở vít me bi bằng lị xo ................................................................. 10
Hình 2.9 Hệ điều khiển NC ........................................................................................ 12
Hình 2.10 Hệ điều khiển CNC ................................................................................... 13
Hình 2.11 Hệ điều khiển CNC ................................................................................... 14
Hình 2.12 Điều khiển theo đƣờng thẳng Hình 2.13 Điều khiển theo biên dạng ....... 15
Hình 2.14 Phay túi trên máy 3D ................................................................................. 15
Hình 2.15 Phay túi trên máy 4D ................................................................................. 16
Hình 2.16 Quy tắc xác định tọa độ của máy CNC ...................................................... 17
Hình 2.17 Quy tắc bàn tay phải .................................................................................. 18

Hình 2.18 Các điểm gốc và điểm chuẩn của máy ....................................................... 19
Hình 2.19 Điểm gốc chƣơng trình .............................................................................. 19
Hình 2.20 Điểm chuẩn của gá dao T và điểm gá dao N .............................................. 19
Hình 3. 1 Thiết kế phần khung máy ........................................................................... 23
Hình 3. 2 Thiết kế truyền động trục X ........................................................................ 24
Hình 3. 3 Thiết kế truyền động trục Y ........................................................................ 25
Hình 3. 4 Thiết kế truyền động trục Z ........................................................................ 25
Hình 3. 5 Thiết kế tổng thể cơ khí .............................................................................. 26
Hình 3. 6 Hình dạng động cơ truyền động trục chính ................................................. 27
Hình 3. 7 Thơng số bộ động cơ .................................................................................. 27
Hình 3. 8 Bộ driver cho ba trục động cơ X, Y và Z .................................................... 28
Hình 3. 9 Động cơ trục chính ..................................................................................... 29
Hình 3. 10 Biến tần điều khiển ................................................................................... 29
Hình 3. 11 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm tín hiệu .......................................................... 30


Hình 3. 12 Ngun lý và mạch đệm thi cơng ngồi thực tế ........................................ 31
Hình 4. 1 Giao diện chính của bộ điều khiển Mach3 .................................................. 33
Hình 4. 2 Nhóm vị trí tọa độ các trục ......................................................................... 34
Hình 4. 3 Nhóm điều khiển chƣơng trình ................................................................... 35
Hình 4. 4 Hộp thoại Tool Information ........................................................................ 36
Hình 4. 5 Feed Rate ................................................................................................... 36
Hình 4. 6 Spinde speed .............................................................................................. 37
Hình 4. 7 Giao diện trang MDI .................................................................................. 38
Hình 4. 8 Giao diện trang Tool Path........................................................................... 38
Hình 4. 9 Giao diện trang Offsets............................................................................... 39
Hình 4. 10 Giao diện trang Settings ........................................................................... 40
Hình 4. 11 Hộp thoại sử dụng mode jog MPG (Handle) ............................................. 41
Hình 4. 12 Hộp thoại cho phép thiết lập các chân điều khiển LPT ............................. 42
Hình 4. 13 Cam Funtion Addon ................................................................................. 43

Hình 4. 14 Giao diện chƣơng trình Cut a Circular Pocket ......................................... 43
Hình 4. 15 Tiến hành chạy chƣơng trình từ Cirular Pocket......................................... 44
Hình 4. 16 Sơ đồ từng chân của cổng máy in (LPT) ................................................... 44
Hình 4. 17 Bảng hiệu chỉnh số chân tin hiệu cổng LPT .............................................. 45
Hình 4. 18 Hộp thoại cho phép hiệu chỉnh số xung encoder để di chuyển .................. 46
Hình 4. 19 Bảng thiết lập phím tắt di chuyển cho các trục.......................................... 46
Hình 4. 20 Bảng thiết lập các cử bằng phần mềm....................................................... 46
Hình 4. 21 Hộp thoại Import dxf Mach3 .................................................................... 47
Hình 4. 22 Các thiết lập trong hộp thoại ..................................................................... 47
Hình 4. 23 Hộp thoại thiết lập các lớp ........................................................................ 48
Hình 4. 24 hệ số Factors ............................................................................................ 48
Hình 5. 1 Cấu trúc khung máy CNC .......................................................................... 50
Hình 5. 2 Bàn máy sau khi đặt lên khung máy ........................................................... 51
Hình 5. 3 Trục Vitme – đai ốc bi trục X ..................................................................... 51
Hình 5. 4 Trục Vitme – đai ốc bi trục Y ..................................................................... 52
Hình 5. 5 Trục Vitme – đai ốc bi trục Z ..................................................................... 52
Hình 5. 6 Động cơ AC Servo trục X .......................................................................... 52
Hình 5. 7 Động cơ AC Servo trục Z ........................................................................... 53


Hình 5. 8 Driver động cơ AC Servo ........................................................................... 53
Hình 5. 9 Động cơ trục chính ..................................................................................... 54
Hình 5. 10 Biến tần động cơ trục chính ...................................................................... 54
Hình 5. 11. Bố trí mạch đệm trong tủ điện ................................................................. 55
Hình 5. 12 Cử hành trình bảo vệ an tồn cho máy khi quá trục .................................. 55
Hình 5. 13 CB và mạch điện áp một chiều hỗ trợ mạch đệm ...................................... 56
Hình 5. 14 Thi cơng tủ điện hồn thiện điều khiển máy CNC .................................... 56
Hình 5. 15 Hệ thống nút nhấn điều khiển ................................................................... 57
Hình 5. 16 Thiết kế và lập trình trên phần mềm MasterCAM X5 ............................... 58
Hình 5. 17 Mơ phỏng gia cơng trên phần mềm .......................................................... 58

Hình 5. 18 .Kết quả mô phỏng gia công trên vật liệu Mica......................................... 59
Hình 5. 19 Hình lƣu niệm cùng nhóm ........................................................................ 59
Hình 5. 20 Hình trƣờng Đại học KT CN khắc trên Mica ............................................ 60
Hình 5. 21 Hình Logo Đại học KT CN khắc trên Mica .............................................. 60
Hình 5. 22. Hình Cơ sở Ung Văn Khiêm khắc trên Mica ........................................... 61
Hình 5. 23. Hình mỹ thuật đƣợc thiết kế và khắc trên Mica ....................................... 62
Hình 5. 24. Thiết kế sản phẩm trên phần mềm ArtCAM ............................................ 63
Hình 5. 25.Sản phẩm điêu khắc trên gỗ Thơng .......................................................... 63
Hình 5. 26 Sản phẩm điêu khắc trên gỗ đào .............................................................. 64


Nghiên cứu khoa học

CHƢƠNG 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
nƣớc, đặc biệt là trong giai đoạn hội nhập và phát triển công nghiệp của đất nƣớc. Các
doanh nghiệp phải đối mặt với việc cạnh tranh khốc liệt khơng những ở thị trƣờng
nƣớc ngồi mà cịn ngay chính ở trong thị trƣờng trong nƣớc, do vậynhu cầu thiết bị
sản xuất đóng một vai trị sống còn đối với các doanh nghiệp. Để phục vụ sản xuất
thƣờng 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 tƣ công nghệ mới nhằm
nhanh chóng chiếm lĩnh thị trƣờng. Trong ngành cơ khí chính xác, nhu cầu các máy
cơng cụ chính xác nhƣ 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 đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất ở

nƣớc 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 đƣợc các doanh nghiệp và các
trƣờng đạo tạo kỹ thuật quan tâm. Đây là lĩnh vực mới và khó, cần có những bƣớc đi
thích hợp từ đơn giản đến phức tạp để tiếp cận vấn đề. Theo hƣớng đó, trong các năm
qua nhiều đề tài nghiên cứu và chế tạo máy CNC phục vụ gia cơng cơ khí đã đƣợc
thực hiện tại trƣờng Đại học Kỹ thuật Cơng 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 cơng
CAM làm nền tảng vận hành điều khiển đƣợc các máy CNC cơng nghiệp cũng đƣợc
đƣa vào chƣơng trình đào tạo chính khóa với thời lƣợng lý thuyết vừa thực hành.
Chƣơng trình đào tạo trƣờng ln quan tâm đến chất lƣợng đào tạo sinh viên vừa vững
về lý thuyết giỏi về thực hành. Do đó, giờ thực hành trƣờng thƣờng ký các hợp đồng
Thực hiện: Phạm Bá Khiển

1


Nghiên cứu khoa học
liên kết đào tạo với các trƣờng 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 đƣợc chất lƣợng sinh viên sau khi ra
trƣờng 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, ngƣờihƣớng dẫn không đƣợc đào tạo bài bản và tâm lý sợ
“làm hỏng” các thiết bị đắt tiền đã làm cho việc đƣa máy CNC vào đào tạo gặp rất
nhiều khó khăn. Do vậy nếu chúng ta chủ động chế tạo đƣợc máy CNC trong trƣờng
thì sẽ là điểm tựa để việc đào tạo chất lƣợng cao đƣợc 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 trƣờng Kỹ thuật Công nghệ Tp. HCM. Sau khi chế
tạo thử nghiệm thành công tại trƣờng sẽ hƣớng đến đáp ứng các nhu cầu doanh nghiệp
cơ khí, tự động hóa, sản xuất thủ cơng mỹ nghệ… trong nƣớc và ngoài nƣớc 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 cơng đƣợc các chi tiết kích thƣớc 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 cơng 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

2


Nghiên cứu khoa học

1.4. Đối tƣợng nghiên cứu và giới hạn của đề tài
- Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là máy cơng cụ điều khiển bằng chƣơng
trình số CNC.
- Ngƣời nghiên cứu chỉ tập trung nghiên cứu thiết kế, thi cơng hệ thống cơ
khí và hệ thống điều khiển máy CNC

1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phƣơng pháp tính toán, thiết kế trên cơ sở các yêu cầu đặt ra.
- Sử dụng phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình tính tốn và thực hiện mơ
phỏng kiểm tra kết quả tính tốn q trình trao đổi nhiệt.
- Phƣơng pháp tham khảo và tra cứu tài liệu qua thƣ viện, Internet…

1.6. Nội dung đề tài:
Nội dung đề tài gồm 6 chƣơng chính:
- Chƣơng 1: Đặt vấn đề
- Chƣơng 2: Tổng quan đề tài nghiên cứu
- Chƣơng 3: Thiết kế cơ khí và điều khiển máy
- Chƣơng 4: Giao tiếp phần mềm điều khiển
- Chƣơng 5: Kết quả thực hiện đề tài
- Chƣơng 6:Kết luận và hƣớng phát triển

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

3


Nghiên cứu khoa học

CHƢƠNG 2

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc
Trong bối cảnh phát triển ngành công nghiệp nƣớc 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 nƣớc khơng có những thiết bị, dây chuyền để chế tạo ra các hệ thống đó. Máy
CNC chế tạo trong nƣớc với chi phí thấp sẽ là chìa khố đểđảm bảo chúng ta có thể
nhanh chóng có thểchếtạo đƣợc 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 đƣợc nghiên cứu và đầu tƣ 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 nhƣ 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
chƣơng 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 tơ, đồ tiêu dùng, sản xuất vũ khí, hố chất độc
hại…
Nghiên cứu trong nước:

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

4

Nghiên cứu khoa học
Hiện nay các lĩnh vực ứng dụng của máy CNC trong nƣớc 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 nhƣ: cơng nghiệp nặng (đóng tàu, khai thác
mỏ, điện, dầu khí, thiết bị vận chuyển nhƣ 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 đƣợc 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 xƣơng 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 hƣớng. Ở Việt Nam hiện nay chƣa thể chế tạo ra hai
bộ phận quan trọng của máy là: cụm trục chính và băng dẫn hƣớng mà mới chỉ chế tạo
đƣợc những cơ cấu đơn giản là: thân máy, bànmáy, bàn xoay.
Phần điều khiển: các loại động cơ, các hệ thống điều khiển và máy tính trung
tâm.

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

5

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 đƣợc điều khiển bởi các động cơ. Thƣờng 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 dƣới 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
ngƣời sử dụng có thể tăng tốc độ của trục chính lên rất nhanh.

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

6


Nghiên cứu khoa học

Hình 2.3 Các dạng dẫn động trục chính
2.2.2 Băng dẫn hƣớng
Hệ thống thanh trƣợt dẫn hƣớng có nhiệm vụ dẫn hƣớng cho các chuyển động
của bàn theoX,Y và chuyển động lên xuống theo trục Z của trục chính(hình2.4).
u cầu của hệ thống thanh trƣợt trƣợt phải thẳng, có khả năng tải cao, độ cứng

vững tốt, khơng có hiện tƣợng dính, trơn khi trƣợt

Hình 2.4 Băng dẫn hƣớng

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

7


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 ngƣời ta sử dụng hai dạng vít me cơ bản đó là:
vít me đai ốc thƣờng và vít me đai ốc bi.
+ Vít me đai ốc thƣờng: 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 thƣờng và vít me
đai ốc bi(hình2.5):

Hình 2.5 Quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me thƣờng và vít me bi
Đƣờng cong trên là đƣờng cong biểu thị mối quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ
của vít me đai ốc thƣờng. Đƣờng cong này chia làm hai phần:
+ Phần từ a đến b là vùng ma sát nửa ƣớt. 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 quá trình bôi trơn giữa hai bề mặt thủy động và nhƣ 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 đƣờng cong trên ta thấy vít me đai ốc thƣờng
khơng đảm bảo đƣợc yêu cầu trên của máy CNC.

Thay vì trạng thái tiếp xúc mặt nhƣ vít me đai ốc thƣờng thì vít me đai ốc bi có
dạng tiếp xúc lăn bằng cách đƣa vào các rãnh ren số lƣợng 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

8


Nghiên cứu khoa học
đồ thị trên ta thấy vít me đai ốc bi đã xóa bỏ đƣợc vùng ma sát khô và ma sát nửa khô
của ma sát thƣờng.
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 nhƣ 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 nhƣng chúng đều có cấu tạo chung nhƣ 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 tƣơng

quan giữa hai phần của đai ốc. Khử khe hở và tạo sức căng có thể thực hiện bằng các
phƣơng pháp sau(Hình2.7):
+ 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 ngƣời ta đặt các tấm đệm. Với chiều dày các tấm đệm khác
Thực hiện: Phạm Bá Khiển

9


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 phƣơng pháp này có kết cấu đơn giản nhƣng việc điều
chỉnh khó khăn.

Hình 2.7 Các phƣơng 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 bƣớc 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

10


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
lƣợng là đại lƣợng đầu vào, các đại lƣợng khác là đại lƣợng đầu ra, chúng tác động và
ảnh hƣởng đến hệ thống theo những quy luật riêng.
Ngƣời 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 đƣờng, 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 ngƣời vận hành từ khâu cấp
phôi, gá phôi, hiệu chỉnh dụng cụ cho đến khâu kiểm tra sản phẩm.
− Các thao tác của HTĐK thƣờng khó thay đổi (chính xác là khơng thay đổi
đƣợc). Do vậy, nó khơng thích ứng với sự thay đổi sản phẩm.
− Nếu khơng có sự tham gia của ngƣời vận hành thì cơ cấu máy thực hiện chu
trình làm việc liên tục nhƣ các máy tự động. Với các loại máy này không thay
đổi đƣợc hoặc muốn thay đổi cũng rất phức tạp. Do vậy, khuynh hƣớng phát
triển chung là ngƣời 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 đƣợc cải thiện tuỳ theo mức độ cơ khí hố, tự động hoá của nhà máy
sản nhƣng vẫn chƣa thực sự đáp ứng đƣợc 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 đƣợc mã hoá đặc biệt tạo nên một chƣơng 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 đƣợc 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

11


Nghiên cứu khoa học
Các chữ số và ký tự đó đại diện cho các đặc tính gia cơng nhƣ kích thƣớc của chi
tiết, các dụng cụ đƣợc yêu cầu, dung dịch trơn nguội, tốc độ vịng quay trục chính, tốc
độ chạy dao và đƣợc 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 “chƣơng trình hố các mối liên hệ” trong đó
mỗi mảng linh kiện điện tử riêng lẻ đƣợc 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(hình2.9).
Chức năng điều khiển đƣợc 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

12


Nghiên cứu khoa học

Các chƣơng trình CNC và các hàm logic đƣợc lƣu trên các vi mạch máy tính
đặc biệt (các thanh ghi bộ nhớ của máy tính) dƣới dạng các phần mềm thay vì đƣợc
nối kết cứng (nối dây) do đócác chƣơng trình làm việc có thể thiết lập trƣớc.

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 đƣợc nối với một máy vi tính gia cơng trung tâm qua đƣờng 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 hƣởng 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

13


Nghiên cứu khoa học
thống cấp và tháo phôi, hệ thống vận chuyển phơi tự động, các máy tính hệ thống cung
cấp chƣơng 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 phƣơng 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 đƣờng (tuyến tính hoặc phi tuyến). Tất nhiên các máy điều khiển đƣờng đều có
thể sử dụng hệ điều khiển điểm – điểm và đoạn thẳng.
2.3.5.1 Điều khiển điểm – điểm
Đƣợc dùng để gia công các lỗ bằng các
phƣơng pháp khoan, khoét, doa, và cắt ren lỗ.
Trong quá trình gia cơng, chi tiết đƣợc cố định
trên bàn máy còn dụng cụ thực hiện việc chạy dao
nhanh đến vị trí đã đƣợc lập trình. Trong khi dịch
chuyển nhanh dao cụ không thực hiện việc cắt gọt.
Chỉ khi nào đạt đƣợc 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 đƣờng thẳng
Là dạng điều khiển mà khi gia công dụng cắt đƣợc thực hiện lƣợng chạy dao theo
một đƣờng thẳng nào đó (hình2.12a).
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 đƣờng cong bất kì trên mặt phẳng hay trong khơng gian
(hình1.12b).

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

14


Nghiên cứu khoa học

Hình 2.12 Điều khiển theo đƣờng 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
nhƣ trên máy tiện, dụng cụ sẽ dịch chuyển trong mặt phẳng xOz để tạo nên đƣờng 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 đƣờng 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
đƣờng cong hay một mặt cong trong không gian bất kỳ. Điều này cũng tƣơng 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 đƣờng cong phẳng, còn
trục thứ 3 để điều khiển chuyển động độc lập. Điểm khác biệt giữa phƣơng pháp này
với phƣơng pháp điều khiển 2D ở chỗ 2 trục đƣợc điều khiển đồng thời có thể đƣợc
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

15


Nghiên cứu khoa học
Trên cơ sở của điều khiển 3D, ngƣời 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 nhƣ vậy, các bề mặt phức tạp hay các bề mặt có trục quay có thể đƣợc 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 đƣợc 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 (nhƣ tại đỉnh của dao phay đầu cầu) hay lƣỡi cắt của dụng cụ
không thể thực hiện việc gia công theo mong muốn (ví dụ nhƣ góc cắt khơng
thuận lợi hay có thể bị vƣớng 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 nhƣ 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 đƣợc các máy này, ngƣời điều khiển trƣớc hết đã sử dụng rất
thành thạo các máy điều khiển theo chƣơng trình số 2D và 3D. Cũng dễ thấy là máy
phức tạp hơn có thể hồn tồn đảm nhiệm đƣợc vai trị của máy đơn giản hơn, ví dụ nhƣ
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 tƣơng 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

16


Nghiên cứu khoa học
Thông thƣờng trên các máy CNC ngƣời ta sử dụng hệ tọa độ Decac Oxyz. Cách

xác định các trục theo quy tắc bàn tay phải và nó ln đƣợc gắn vào chi tiết gia
cơng(hình2.15).

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 ƣớc:
-

Chi tiết gia cơng đƣợc xem là cố định cịn mọi chuyển động tạo hình và cắt gọt

-

do dao cụ thực hiện.
Phƣơng trục chính là Oz, chiều dƣơng là chiều dao tiến ra xa chi tiết.
Phƣơng chuyển động của bàn xe dao là Ox và có chiều dƣơng hƣớng ra xa chi

-

tiết gia công
Trục Oy đƣợc 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 dƣơng hƣớng lên trên

- Trục x nằm trên bàn máy, nếu nhìn vào trục chính thì chiều dƣơng hƣớng 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 dƣơng hƣớng vào trục máy.
- Trục x nằm trên bàn máy, chiều dƣơng 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

17


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 đƣợc thiết lập bằng một chƣơng 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 đƣợc so sánh với điểm gốc của máy M. Điểm M là
điểm giới hạn vùng làm việc của máy, nó đƣợc nhà chế tạo quy định. Ở máy phay
thƣờng 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 ngƣời lập trình

Thực hiện: Phạm Bá Khiển

18