Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------------

NGUYỄN MINH QUANG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ
MÁY ĐỘT DẬP ĐIỂU KHIỂN SỐ
Chuyên ngành: CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. PHẠM VĂN NGHỆ

Hà Nội – 2013


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số

LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là: NGUYỄN MINH QUANG
Học viên lớp: Cao học 10BCTM-KH
Dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. PHẠM VĂN NGHỆ tôi nhận nghiên cứu
đề tài:
“ Nghiên cứu thiết kế máy đột dập dập điều khiển số”
Tôi xin cam đoan, luận văn này là quá trình nghiên cứu của bản thân. Nếu có
sai sót gì tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm.

Tác giả

NGUYỄN MINH QUANG


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................1
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.......................................1
3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ................................................2
3.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài ..........................................................................2
3.2. Ý Nghĩa thực tiễn của đề tài ..........................................................................3
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐỘT DẬP CNC ................................................4
1.1. Lịch sử phát triển ..............................................................................................4
1.2. Khả năng công nghệ của máy của máy đột dập CNC. .....................................9
1.3. Giới thiệu một số máy đột dập CNC. .............................................................12
1.3.1. Máy đột CNC Vipros 255 của hãng Amada (Nhật Bản) .........................12
1.3.2. Máy đột CNC V20 - 1225 của hãng LVD (Bỉ) ........................................13
1.3.3. Máy đột CNC CP1250 của hãng Tailift (Đài Loan) ................................14
Chương 2 CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÁY ĐỘT DẬP CNC .......................15
2.1. Các phương pháp tính tốn lực và cơng biến dạng trên cơ sở lý thuyết gia
công kim loại bằng áp lực ......................................................................................15
2.1.1. Cơ sở của phương pháp tính tốn lý thuyết..............................................15
2.1.2. Một số phương pháp xác định lực cắt ......................................................16
2.2. Nguyên công cắt .............................................................................................19
2.2.1. Trạng thái ứng suất và biến dạng .............................................................19

2.2.2. Các giai đoạn của quá trình cắt bằng khuôn.............................................20
2.2.3. Xác định lực cắt đột.................................................................................21
2.2.4. Xác định lực đẩy và tháo gỡ sản phẩm.....................................................22
2.2.5. Những yếu tố ảnh hưởng tới lực cắt .........................................................24


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
2.2.7. Dung sai trên kích thước làm việc của chày cối khn cắt ......................26
2.2.8. Kích thước làm việc của chày cối khi cắt hình và đột lỡ các chi tiết phức
tạp.. .....................................................................................................................29
2.2.9. Độ chính xác khi cắt hình, đột lỡ .............................................................30
2.2.10. Các phương pháp cắt hình và đột lỡ chính xác ......................................31
2.3. Phân tích cấu trúc điều khiển máy đột dập CNC CP – 1250 hãng Tailift ......33
2.3.1. Thông số kỹ thuật của máy đột dập CNC CP-1250 .................................33
2.3.2. Các bộ phận chính của máy dập CNC......................................................35
Chương 3 TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÁY ĐỘT DẬP CNC ...................................52
3.1. Thiết kế sơ đồ động của máy ..........................................................................52
3.1.1. Động học máy ..........................................................................................52
3.1.2. Động lực học máy ....................................................................................58
3.1.3. Hệ thống dẫn động servo ..........................................................................59
3.1.4. Cơ cấu chấp hành .....................................................................................71
3.1.5. Hệ thống điều khiển .................................................................................72
3.2. Hệ thống thay khuôn tự động .........................................................................73
3.2.1. Sơ đồ hoạt động ........................................................................................73
3.2.2. Một số kết cấu khuôn thường được sử dụng ............................................74
3.2.2.1. Với các biên dạng đột từ 1  2.9 .......................................................76
3.2.3. Cơ cấu định vị bàn gá khuôn ....................................................................78
3.2.4. Bàn gá khuôn ............................................................................................80
3.2.5. Cơ cấu khuôn xoay tự động......................................................................81
3.3. Hệ thống di chuyển phôi .................................................................................82

3.3.1. Thiết kế hệ thống di chuyển phôi .............................................................82
3.3.2. Cơ cấu di chuyển ngang ...........................................................................84
3.4. Hệ thống chặn phôi .........................................................................................94
3.5. Một số hệ thống khác ......................................................................................94


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
Chương 4 LẬP TRÌNH GIA CƠNG TRÊN MÁY ĐỘT DẬP CNC CP1250 .........95
4.1. Giới thiệu hệ điều khiển FANUC ...................................................................95
4.1.1. Một số khái niệm chung ...........................................................................95
4.1.2. Một số mã lệnh trong hệ điều khiển FANUC ..........................................97
4.1.3. Cấu trúc chương trình gia cơng CNC – FANUC ...................................100
4.2. Một số ví dụ lập trình gia cơng trên máy đột dập CNC CP 1250 ................102
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .......................................104
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................105


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
STT

TÊN BẢNG

1

Bảng 1.1. Các thông số kỹ thuật của máy đột CNC Vipros 255

2

Bảng 1.2. Các thông số kỹ thuật của máy đột CNC V20 – 1225

3

Bảng 1.3. Các thông số kỹ thuật của máy đột CNC CP-1250

4

Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật của máy đột dập CNC CP-1250

5

Bảng 2.2. Các thông số về 36 ổ dụng cụ

6

Bảng 2.3. Khối giao tiếp trong các máy đột CNC

7

Bảng 3.1. Các thơng số điển hình của động cơ servo

8

Bảng 3.2. Bảng thông số kỹ thuật của động của động cơ servo được sử
dụng trong máy dập cao tốc

9

Bảng 4.1. Các địa chỉ sử trong phần mềm FANUC

10

Bảng 4.2.Bảng mã lệnh G


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
STT

TÊN HÌNH

1

Hình 1.1. Một số sản phẩm gia cơng trên máy đột dập CNCNC

2

Hình 1.2. Kết cấu khung máy đột dập CNC

3

Hình 1.3. Kết cấu đầu nhiều dao

4

Hình 1.4. Kết cấu một số đầu dao

5

Hình 1.5. Máy đột CNC Vipros 255

6

Hình 1.6. Máy đột CNC V20 – 1225

7

Hình 1.7. Máy đột CNC CP1250

8

Hình 2.1. Phân bố biến dạng trong quá trình cắt đột

9

Hình 2.2. Trạng thái ứng suất và biến dạng trong quá trình cắt vùng 1

10

Hình 2.3. Trạng thái ứng suất và biến dạng trong quá trình cắt vùng 2

11

Hình 2.4. Mức độ lún sâu cảu chày vào vật liệu

12

Hình 2.5. Chày cối có mép cắt nghiêng

13

Hình 2.6. Sơ đồ tác dụng của lực ma sát

14

Hình 2.7. Các dạng kết cấu của lỡ cối

15

Hình 2.8. Kích thước làm việc của chày cối khi cắt hình và đột lỡ các chi
tiết phức tạp

16

Hình 2.9. Cắt hình bằng cối mép cong

17

Hình 2.10. Sơ đồ gọt bằng khn theo biên dạng ngồi – gọt lỡ

18

Hình 2.11. Sơ phân bố lượng dư để gọt

19

Hình 2.12. Kết cấu khung máy đột dập CNC

20

Hình 2.13. Bàn máy

21

Hình 2.14. Mâm gá trên máy đột dập CNC loại CP-1250

22

Hình 2.15. Mâm gá dưới máy đột dập CNC loại CP-1250

23

Hình 2.16. Pít tơng định vị vị trí dụng cụ

24

Hình 2.17. Cụm điều chỉnh trục X máy đột dập CNC loại CP-1250

25

Hình 2.18. Cụm điều chỉnh trục Y máy đột dập CNC loại CP-1250


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
26

Hình 2.19. Sensor xác định toạ độ gốc trên trục X

27

Hình 2.20. Cơng tắc hành trình xác định toạ độ gốc trên trục Y

28

Hình 2.21. Hệ thống điều khiển trục chính máy đột dập CNC loại CP-1250

29

Hình 2.22. Các vấu thép để xác định vị trí trục chính

30

Hình 2.23. Bố trí vấu 1

31

Hình 2.24. Bố trí vấu 2.

32

Hình 2.25. Bố trí vấu 3

33

Hình 2.26. Bố trí vấu 4.

34

Hình 2.27: Hệ thống ổ quay tự động

35

Hình 2.28: Bộ truyền trục vít - bánh vít trên ổ index

36

Hình 2.29. Các biên dạng chày tiêu chuẩn

37

Hình 2.30. Các biên dạng chày khơng tiêu chuẩn

38

39

Hình 3.1. Sơ đồ khối máy dập CNC - cơ cấu chấp hành trục khuỷu – thanh
truyền
Hình 3.2. Sơ đồ động máy dập CNC cơ cấu chấp hành trục khuỷu – thanh
truyền

40

Hình 3.3. Sơ đồ khối máy dập CNC cơ cấu chấp hành piston – xy lanh

41

Hình 3.4. Sơ đồ động máy dập CNC cơ cấu chấp hành piston – xy lanh

42

Hình 3.5. Sơ đồ khối máy dập CNC cơ cấu chấp hành vít me – đai ốc bi

43

Hình 3.6. Sơ đồ động máy dập cao tốc cơ cấu chấp hành vít me – đai ốc bi

44

Hình 3.7. Cấu trúc của hệ thống điều khiển động cơ servo

45

Hình 3.8. Cấu trúc của hệ thống điều khiển động cơ servo với các điều
khiển tốc độ - điểm – mơmen

46

Hình 3.9. Cấu tạo của động cơ servo

47

Hình 3.10. Tín hiệu ra của Vơn kế là một điện áp biến thiên từ 0  5V

48

Hình 3.11. Sự biến đổi xung trong mạch điều khiển servo

49

Hình 3.12. Một phương pháp phổ biến dùng IC 555 để điều khiển servo

50

Hình 3.13. Bản vẽ lắp động cơ Servo Series SVM – 230B


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
51

Hình 3.14. Mạch điều khiển động cơ Servo Series SVM – 230B

52

Hình 3.15. Cấu tạo của Driver Series SVA – 2300

53

Hình 3.16. Kết nối điều khiển động cơ Servo Series SVM – 230B

54

Hình 3.17. Sơ đồ mạch điện điều khiển động cơ Servo Series SVM – 230B

55

Hình 3.18. Kết nối điều khiển trong máy dập CNC

56

Hình 3.19a. Hệ thống thay khn tự động

57

Hình 3.19b. Hệ thống thay khn tự động

58

Hình 3.20. Sơ đồ khn lắp trên bàn gá khn

59

Hình 3.21. Kết cấu khn đột các biên dạng từ 1  2.9

60

Hình 3.22. Kết cấu khuôn đột các biên dạng từ 3  30

61

Hình 3.23. Kết cấu khn đột các biên dạng đột lớn hơn 30

62

Hình 3.24a. Cơ cấu định vị bàn gá khn

63

Hình 3.24b. Cơ cấu định vị bàn gá khn

64

Hình 3.24c. Cơ cấu định vị bàn gá khn

65

Hình 3.24d. Cơ cấu định vị bàn gá khn

66

Hình 3.25. Kết cấu bàn gá khn

67

Hình 3.26. Cơ cấu xoay khn tự động

68

Hình 3.27. Cơ cấu di chuyển phơi theo trục X

69

Hình 3.28. Cơ cấu di chuyển phơi theo trục Y

70

Hình 3.29. Quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me đai ốc thường và
vít me đai ốc bi

71

Hình 3.30. Kết cấu của vít me – đai ốc bi

73

Hình 3.31. Profil ren nửa trịn

74

Hình 3.32. Rãnh hồi bi kiểu ống

75

Hình 3.33. Rãnh hồi bi theo lỡ khoan trong đai ốc

76

Hình 3.34. Các hốc phay trên đai ốc để đặt máng lót rãnh hồi bi

77

Hình 3.35. Khử khe hở và tạo sức căng ban đầu bằng tấm đệm

78

Hình 3.36. Khử khe hở và tạo sức căng bằng lò xo


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Trong sự nghiệp đổi mới nền kinh tế đất nước, mục đích đưa nước ta thốt
khỏi tình trạng nghèo nàn, chậm phát triển đã được Đảng, nhà nước ta đã lãnh đạo
thực hiện trong 20 năm qua, để thực hiện mục tiêu “cơng nghiệp hố, hiện đại hố
đất nước”. Chính vì vậy, trong những năm qua khoa học công nghệ luôn luôn được
nhà nước quan tâm. Khoa học cơng nghệ trong cơ khí nói riêng càng trở nên quan
trọng và cấp thiết hơn bao giờ hết. Từ cuối thập niên 80 của thế kỷ XX đến nay đã
có rất nhiều doanh nghiệp trang bị các loại máy, thiết bị sử dụng kỹ thuật NC, CNC
nhằm phục vụ nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đã mang lại những thành
tích đáng kể.
Qua tìm hiểu trên thực tế tại các doanh nghiệp sản xuất cơ khí có sử dụng các
loại thiết bị NC, CNC trong đó sự phát triển vượt bậc của ngành đột dập công nghệ
CNC đã mang lại hiệu quả kinh tế cao, tiết kiệm được nhiều vật tư và nhiên liệu đã
đóng góp q trình phát triển nền cơng nghiệp hiện đại hố. Tuy nhiên cũng cịn gặp
khơng ít khó khăn trong việc khai thác sử dụng thiết bị như:
- Chuyển giao công nghệ chưa đầy đủ, đầu tư thiếu đồng bộ, nhập nhiều
chủng loại và thế hệ máy không rõ nguồn gốc.
- Giá thành đầu tư lớn nên mức khấu hao cao.
- Chưa chủ động để bảo dưỡng bảo trì máy.
Vì vậy: đề tài “Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số” được tác giả
chọn là hết sức cấp thiết nhằm mục đích nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng máy
đột dập CNC trong sản xuất cơ khí.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu chủ yếu của đề tài là tổng quan về máy gia
công CNC; khảo sát, nghiên cứu một số loại máy dập CNC có trên thị trường, đặc
biệt là máy dập CNC CP 1250 của hãng Tailift Đài Loan. Sau đó nghiên cứu cơ sở
lý thuyết tính tốn thiết kế, và thiết kế máy đột dập. Cuối cùng là giới thiệu về hệ

1

Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
điều khiển FANUC và tiến hành gia công một số sản phẩm mẫu trên máy đột dập
CNC CP 1250.
Giải quyết được những vẫn đề trên sẽ giúp cho những nhà chuyên mơn có cái
nhìn thấu đáo hơn về cơ sở hình thành các biên dạng bề mặt chi tiết khi đột dập
CNC, qua đó nắm bắt được nguyên lý và những cơ sở tính tốn trong thiết kế cũng
như q trình chế tạo để đạt hiệu quả kỹ thuật cũng như kinh tế cao.
3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Ngày nay cơng nghệ gia cơng áp lực nói chung, cơng nghệ gia cơng tấm
bằng đột dập CNC nói riêng đang được ứng dụng nhiều trong thực tế sản xuất các
sản phẩm cơ khí chất lượng cao. Nhờ vào các cơng nghệ này mà chúng ta có thể sản
xuất được những sản phẩm cơ khí chất lượng, có tính kinh tế và kỹ thuật cao và
đem lại hiệu quả kinh tế to lớn trong ngành cơ khí chế tạo.
Hiện tại, với cơ chế mở cửa thu hút các nhà đầu tư trong và ngoài nước, đặc
biệt là các nhà đầu tư nước ngồi đã đem đến cho nền cơng nghiệp nước nhà một
diện mạo mới.
Khi các nhà đầu tư nước ngồi vào nước nhà khơng chỉ đem đến một phương
pháp quản lý hiện đại, mà cùng với đó là những thiết bị tối tân trợ giúp quá trình tạo
ra sản phẩm một cách nhanh chóng, dễ dàng và chính xác nhất có thể. Tuy nhiên
các thiết bị tối tân đó vẫn có giá rất cao và khi chúng có vấn đề gì thì cần phải có sự
khắc phục của các chuyên gia nước ngoài. Do vậy việc làm chủ được công nghệ,
thiết kế, chế tạo dần từng bộ phận, tiến tới thiết kế, chế tạo một thiết bị máy móc tối
tân có ý nghĩa rất cấp thiết và quan trọng.
Trong khuôn khổ hạn hẹp của đề tài này chỉ mong sao cung cấp một cái nhìn
thấu đáo về cơng nghệ và thiết kế máy dập CNC mà những lý thuyết trước đây khó
thực hiện được. Khi hiểu và nắm bắt được có thể sẽ mở ra hướng nghiên cứu mới
sau này.
Các kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học:

2


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
− Các phương pháp, các biên dạng có thể đạt được đối với gia công kim loại
tấm.
− Các phương pháp xác định lực đột dập ứng với độ dầy kim loại tấm.
− Nguyên lý hoạt động của một số sơ đồ động và lựa chọn phương án tối ưu.
− Nguyên lý hoạt động của một số cụm chính trên máy dập CNC.
3.2. Ý Nghĩa thực tiễn của đề tài
Từ kết quả nghiên cứu được, sẽ xác định được khả năng cắt (biên dạng và
lực cắt,…) của máy đối với kim loại tấm, qua đó nâng cao hiệu quả kinh tế cũng
như độ chính xác của các chi tiết sau khi gia cơng.
Hiểu được khả năng tạo hình, hoạt động của một số cụm cơ cấu máy sẽ có ý
nghĩa to lớn trong việc khai thác, cũng như vận hành máy. Đồng thời xác định được
các nguyên nhân gây hỏng và có biện pháp khắc phục khi có sự cố.
Các kết quả mang tính thực tiễn:
− Đã xác định được lực đột dập ứng với độ dày của kim loại tấm.
− Thiết kế một số cụm chính trên máy dập CNC.
− Giới thiệu hệ điều khiển gia cơng FANUC.
− Viết chương trình gia công cho một số chi tiết trên máy dập CNC CP 1250
của hãng Tailift Đài Loan.

3


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐỘT DẬP CNC

1.1. Lịch sử phát triển
Q trình phát triển của cơng nghệ chế tạo và máy cắt kim loại đã trải qua các
giai đoạn :
✓ Cơng nghệ thủ cơng
✓ Cơng nghệ cơ khí hố với sự ra đời của ngành chế tạo máy công cụ
✓ Từ tự động hố cơ khí sang tự động hố có sự trợ giúp của máy vi tính
(CNC).
Sau đây là những mốc quan trọng của quá trình phát triển máy cơng cụ điều
khiển số (CNC = computerized Numerical control), nó gắn liền với q trình phát
triển của cơng nghệ điện tử và tin học.
+ Năm 1808: JOSEPB MJAC QUARD đã dùng những tấm tôn đục lỗ điều
khiển tự động các máy dệt.
+ Năm 1863: MFO URNEAUX phát minh “Đàn dương cầm tự động” nổi tiếng
thế giới với tên gọi là PIANNOLA. Trong đó dùng một băng giấy có chiều rộng 30
cm được đục lỡ theo vị trí tương thích để điều khiển luồng khí nén tác động vào các
phím bấm cơ khí. Băng giấy đục lỡ dùng làm vật mang tin đã được phát minh.
+ Năm 1946: Dr. JOHNW MAUCHLY và Dr. JSPRESPER ECKERT đã phát
minh ra máy tính điện tử đầu tiên có tên là “ENIAC” cho quân đội Mỹ được ứng
dụng.
+ Năm 1948 - 1952: T.PARSON và viện công nghệ MIT. (Masachusetts
institute of Technology) đã nghiên cứu thiết kế theo hợp đồng của không quân Mỹ
(US AF) một hệ thống điều khiển dành cho máy công cụ. Để điều khiển trực tiếp vị
trí của các trục vít me thơng qua dữ liệu đầu ra của một máy tính bằng chứng cho
khả năng gia công một chi tiết T. PARSON đã đưa ra 4 luận điểm cơ bản:
1- Những vị trí đã được tính ra trên một biên dạng được ghi nhớ vào bìa đục lỡ.
2- Các bìa đục lỗ được đọc trên máy một cách tự động.

4

Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
3- Các vị trí đã đuợc đọc ra phải được thơng báo một cách liên tục và bổ sung
thêm tính tốn cho các giá trị trung gian.
4- Các động cơ SERVO (vơ cấp tốc độ) có thể điều khiển được chuyển động
của các trục.
+ Năm 1952: Hãng MIT đã cung cấp chiếc máy phay đầu tiên mang tên
CINCINNATI HYDROTEL có trục thẳng đứng. Tủ điều khiển lắp bảng bằng bóng
điện tử có thể dịch chuyển đồng thời theo 3 trục. Nhận dữ liệu thông qua băng đục
lỗ nhị phân (Binary Code Punched Band ).
+ Năm 1954: BENDX đã mua bản quyền phát minh của T.PARSONS và chế
tạo thiết bị điều khiển NC cơng nghiệp đầu tiên (vẫn dùng bóng đèn điện tử).
+ Năm 1957: Những máy phay đầu tiên có trong các phân xưởng của không lực
Hoa Kỳ, ở Nhật bản viện công nghệ TOKYO và công ty IKEGAI liên kết, kế thừa
chế tạo thành công máy điều khiển số trên cơ sở máy thuỷ lực và chiếc máy tiện NC
đầu tiên ra đời ở Nhật Bản.
+ Năm 1958: KERNY và TRECKER liên kết giới thiệu hệ thống thay dụng cụ
tự động ATC (AutomaticTool Changer) còn gọi là “Milwaukee Matic” giới thiệu
ngơn ngữ lập trình biểu trưng đầu tiên APT gắn liền với máy tính IBM704.
+ Năm 1960: Hệ điều khiển NC dùng đèn bán dẫn đã thay thế các hệ điều
khiển cũ dùng đèn điện tử (dùng đèn điện tử). Các nhà chế tạo máy người Đức
trưng bày chiếc máy điều khiển NC đầu tiên tại hội chợ HANOVER.
+ Năm 1965: Giải pháp thay dụng cụ tự động (ATC) đã nâng cao trình độ tự
động hố khâu gia cơng.
+ Năm 1968: Kỹ thuật mạch tích hợp IC (intergrated Circuits) đã làm cho các
hệ điều khiển nhỏ gọn và tin cậy hơn.
+ Năm 1969: Những giải pháp đầu tiên về điều khiển liên kết chung từ một máy
tính trung tâm DNC (Direct Numecial control) đã thiết lập ở Mỹ bằng hệ điều khiển
(Sundstran Ominicontrol) và máy tính IBM.
+ Năm 1970: Giải pháp thay thế bệ phiến gá phôi tự động (Automatic Palate
Changer).

5


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
+ Năm 1972: Hệ điều khiển NC đầu tiên có lắp một máy vi tính nhỏ. Đó là hệ
điều khiển số dùng vi tính có hệ vi xử lý (Microprocessor - CNC) sau này.
+ Năm 1976: Các hệ vi xử lý (Micro Processors) tạo ra cuộc cách mạng trong
kỹ thuật CNC.
+ Năm 1978: Các hệ thống gia công linh hoạt được tạo lập hiện thực
+ Năm 1979: Những khớp nối liên hồn CAD/CAM thiết kế và chế tạo có trợ
giúp của máy tính (Computer Aided Design/ Computer Aided manufacturing) đầu
tiên xuất hiện.
+ Năm 1980: Những cơng cụ trợ giúp lập trình tích hợp trong hệ điều khiển
CNC đã tạo ra cuộc tranh cãi về quan điểm ủng hộ hay chống đối giải pháp điều
khiển qua cấp lệnh trực tiếp bằng tay.
+ Năm 1984: Xuất hiện hệ điều khiển CNC có cơng năng mạnh mẽ được trang
bị các công cụ trợ giúp lập trình đồ hoạ (Graphic) tiến thêm một bước phát triển
mới lập trình tại phân xưởng. Các hệ điều khiển CNC có màn hình CRT làm cho
người đứng máy nhìn thấy và thay đổi chương trình NC dễ hơn.
+ Những năm (1986 -1987): Những giao diện tiêu chuẩn hoá (Standard
Interfaces) mở ra con đuờng tiến tới các xí nghiệp tự động trên cơ sở hệ thống trao
đổi hệ thống thông tin liên thông CIM (Computer Intergrated Manufacturing).
+ Từ năm 1990: Các giao diện số giữa điều khiển số NC và hệ các khởi động đã
được cải thiện độ chính xác và đặc tính điều chỉnh của các trục điều khiển NC và
trục chính.
+ Từ 1994: Khép kín ch̃i q trình CAD/CAM/CNC bằng cách sử dụng hệ
NURBS làm phương pháp nội suy được truy cập từ hệ CAD nhằm diễn tả bề mặt
đạt độ mịn và độ sắc nét cao.
Cho đến nay, các hãng sản xuất máy trên thế giới tiếp tục hoàn thiện các máy

CNC cả về phần chấp hành và phần điều khiển nhằm nâng cao độ chính xác và tốc
độ xử lý tạo ra chuyển động đều đặn của máy, tăng tuổi thọ của máy và dụng cụ
đồng thời mở rộng khả năng công nghệ của thiết bị. Các máy CNC hiện đại có thể
đạt độ chính xác định vị cao trong một hướng chiều trục (0,008~0,015 mm trên

6


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
toàn bộ dịch chỉnh) và định vị lặp lại ( 0,001~  0,002 mm. Độ chính xác gia cơng
nhiều trục phụ thuộc vào độ chính xác của đường băng dẫn hướng và vị trí góc giữa
các trục do đó thấp hơn 1 chút.
Xu hướng mới trong thiết kế hệ điều khiển CNC là sử dụng hệ thống điều khiển
có liên hệ ngược (Adaptive) mà chúng truyền và chuẩn nhận các tham số đặc tính
như lực cắt, nhiệt độ dao, mơ men động cơ và độ mịn dụng cụ mà chúng khơng thể
có ở các hệ điều khiển CNC truyền thống. Các hệ có liên hệ ngược đã cải biên các
lệnh NC sao cho có thể hớt tối ưu kim loại và duy trì điều kiện an tồn. Các đầu đo
được lắp vào trục chính của máy cơng cụ, nó có thể kiểm tra vị trí lắp đặt như các
thành phần kích thước và làm các sửa chữa cần thiết. Để sử dụng đầu đo, hệ điều
khiển CNC phải có khả năng tự động thực hiện nhiều chương trình phụ đo lường
hoặc các chu kỳ đo.
Song song với việc hoàn chỉnh các máy CNC đơn lẻ, việc kết nối các máy CNC
tạo thành mạng LAN - mạng cục bộ hoặc WAN - mạng liên thơng tồn cầu (dịng
thơng tin điều khiển được thu phát, chuyền giao bằng hệ thống vệ tinh, thực hiện
mối liên kết hệ thống: nhu cầu thị trường - đơn đặt hàng - nhà thiết kế - nhà chế tạo
- nhà cung cấp - nhà tiêu dùng …); hay kết nối các máy CNC, các thiết bị sản xuất
tự động và các thiết bị truyền tải thông tin tạo thành hệ thống nhất khép kín q
trình sản xuất (hệ thống sản xuất linh hoạt - FMS) hiện tại cũng đang phát triển ở
trình độ cao. Hệ thống sản xuất linh hoạt khắc phục được nhược điểm của dây
chuyền sản xuất tự động là chỉ chế tạo một chủng loại sản phẩm. Hệ thống FMS có

tính linh hoạt cao, có thể gia công được nhiều chủng loại sản phẩm khác nhau, bất
cứ chi tiết nào cũng có thể được đưa vào hệ thống theo bất cứ tuần tự nào và được
gia công với bất kỳ sản lượng nào. Hệ thống sản xuất linh hoạt thích hợp với gia
cơng loạt vừa và nhỏ và điều này rất phù hợp với tình trạng sản xuất hiện tại và
tương lai. Hiện nay trong hệ thống FMS các máy gia công (các tế bào gia cơng) đều
là các máy CNC, cịn hệ thống vận chuyển phơi khơng chỉ cịn là hệ thống cứng như
trước nữa. Các hệ thống vận chuyển mềm (sử dụng các xe rùa chuyển động trên các

7


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
ray mềm trên nền xưởng) cho phép thích ứng nhanh với q trình sản xuất và tiết
kiệm khơng gian nhà xưởng.
Ở Việt Nam, những năm gần đây với chính sách mở cửa phát triển nền kinh tế,
nhiều khu công nghiệp, khu chế xuất được xây dựng. Nhiều doanh nghiệp trong và
ngoài nước đã đầu tư nhiều thiết bị công nghệ cao điều khiển số CNC. Đặc biệt là
các công ty nước ngồi như cơng ty Robotech khu cơng nghiệp Hải Phịng, công ty
Toho khu công nghiệp Bắc Thăng Long, công ty Tsukuba khu công nghiệp Sài
Đồng… đã đưa sang Việt Nam những dàn thiết bị tiên tiến, những máy CNC, trung
tâm gia cơng hiện đại góp phần làm phong phú thêm các máy gia công CNC ở Việt
Nam. Nhiều trường Đại học kỹ thuật, trường Cao đẳng kỹ thuật, dạy nghề công
nghệ CNC cũng đã được đưa vào giảng dạy không chỉ lý thuyết mà cả thực hành.
Tuy nhiên với trình độ hiện tại, cơng nghệ CNC của ta cịn rất non yếu. Chúng ta
mới chỉ tập trung ở phần khai thác vận hành thiết bị và thực hiện phần duy tu bảo
dưỡng, sửa chữa nhỏ. Phần lớn các công ty khi mua máy thường kí ln hợp đồng
bảo dưỡng bảo trì thiết bị với nhà cung cấp. Nói chung các sai hỏng lớn trong các
máy CNC ít xảy ra nhưng nếu có xảy ra thì buộc phải có sự giải quyết từ các kỹ sư
của hãng cung cấp máy. ở chúng ta một số viện nghiên cứu, trường Đại học cũng đã
bắt đầu đi vào nghiên cứu chuyên sâu về điều khiển CNC. Viện nghiên cứu máy và

dụng cụ cơ khí (IMI) trong vài năm gần đây đã thực hiện việc nâng cấp các máy
công cụ CNC. Các máy CNC cũ nhập về Việt Nam được sữa chữa, bảo dưỡng và
thay thế hệ điều khiển cũ bằng hệ điều khiển mới có tính năng mạnh hơn, thích hợp
hơn cho q trình sản xuất. Một số trường Đại học như Đại học Bách khoa Hà Nội,
Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Học viện kỹ thuật quân sự… cũng đã
cho sinh viên đi vào nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển CNC ứng dụng điều
khiển trên các máy cơng cụ hiện có và bước đầu cũng đã đạt được những kết quả
nhất định. Tuy rằng trình độ cơng nghệ CNC trên thế giới là rất cao so với ta hiện
nay, rất nhiều chương trình phần mềm với cơng năng mạnh mẽ được bán sẵn trên
thị trường với giá cả hợp lý. Song việc đầu tư nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống
điều khiển CNC vẫn là điều cần thiết cho sinh viên của các trường đại học kỹ thuật,

8


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
các cán bộ nghiên cứu của các Viện. Trong tương lai khơng xa, với sự phát triển
nền kinh tế, sự địi hỏi gắt gao của thị trường, các máy gia công CNC sẽ được đầu
tư nhiều hơn ở Việt Nam. Chúng ta cần làm chủ trang thiết bị cơng nghệ, có như
vậy mới làm chủ được quá trình sản xuất. Việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều
khiển CNC sẽ giúp các sinh viên hiểu sâu hơn về quá trình điều khiển CNC và như
vậy chắc chắn việc vận hành, khai thác các thiết bị CNC sẽ có hiệu quả hơn và
tương lai sẽ thiết kế, chế tạo ra hệ điều khiển cho các máy CNC đó. Thêm vào đó,
với xu thế hội nhập phát triển, các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật chúng ta đào tạo ra không
chỉ làm việc tại Việt Nam, họ có thể làm việc ở khắp nơi trên thế giới, đó sẽ là
những kiến thức cần thiết để giúp họ tiếp tục học tập, nghiên cứu và phát triển.
1.2. Khả năng công nghệ của máy của máy đột dập CNC.
Trong lĩnh vực gia công đột dập hiện nay, có rất nhiều phương pháp và nhiều
loại máy móc thiết bị với các ứng dụng khác nhau, từ thủ cơng hồn tồn cho đến
bán tự động và tự động. Với tốc độ phát triển của công nghệ hiện nay, u cầu về

tốc độ, độ chính xác gia cơng, tiện lợi trong việc sử dụng, tiết kiệm năng lượng là
yêu cầu bắt buộc. Với các yếu tố trên, hiện nay trên thị trường máy móc thiết bị gia
cơng đột dập đã xuất hiện một chủng loại máy gia công hiện đại, điều khiển CNC
với tính năng phù hợp cho nhu cầu sử dụng tại thị trường Việt Nam. Đó là máy đột
dập điều khiển CNC.
Về khả năng ứng dụng:
Máy được tích hợp nhiều loại ứng dụng
− Gia cơng được nhiều loại vật liệu khác nhau như thép mềm, thép khơng rỉ,
nhơm, đồng thau, đồng đỏ với nhiều kích thước khác nhau như: 1000mm x
2000mm – 1250mm, 2500mm – 1500mm x 3000mm, các loại kích thước quá khổ,
thanh dẹp dài trên 10.000mm.
− Máy có khả năng gia cơng nhiều dạng như đột dập, vát mép, định hình, taro
khắc chạm, đóng dấu, tạo gân ổn nổi, uốn cong, tạo hình, tạo lưới,…nhờ việc tích
hợp dụng cụ cắt đa dạng, số lượng lớn và khả năng thay đổi linh hoạt.

9


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số

Hình 1.1. Một số sản phẩm gia công trên máy đột dập CNCNC
Về khả năng công nghệ:H
− Khung máy đúc bằng thép hình chữ C, chữ O (65kg/mm2) loại bỏ hồn tồn
độ võng và sự dịch chuyển khơng cần thiết, làm cho q trình đột dập có độ chính
xác cao. Khung được tiêu chuẩn hố, khử hồn tồn ứng suất bên trong, cho độ
cững vững tối ưu. Kết cấu khung được thiết kế trên sự tính tốn khoa học chính xác.

Hình 1.2. Kết cấu khung máy đột dập CNC
− Hệ thống chỉ số tác động cho đầu dao đơn và đầu nhiều dao, giúp cho việc
xoay đầu dao được chính xác. Đây là hệ thống thể hiện sự linh hoạt của thiết bị.

Hình 1.3. Kết cấu đầu nhiều dao
10


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
− Hệ thống CPS (điều khiển tốc độ) cho phép điều chỉnh tốc độ đột dập tuỳ
theo từng ứng dụng khác nhau.
− Phần mềm điều khiển dễ sử dụng, cung cấp đầy đủ các chỉ số, lập trình
nhanh, đơn giản. Máy tính chạy trên hệ điều hành Window và có thể lập trình cho
các ứng dụng mới khi máy vẫn hoạt động bình thường.
− Sự linh hoạt trong việc tiếp nhận nhiều file bản vẽ khác nhau, fomat trực tiếp
trên máy, chuyển đổi sang mã CNC thông qua phần mềm CAD – CAM. Điều này
cho phép bảo trì và lựa chọn các giải pháp phần mềm một cách linh hoạt.
− Sau khi tính tốn vị trí gia cơng thích hợp, bàn kẹp sẽ được cài đặt hoàn toàn
tự động để cố định vị trí trước khi gia cơng. Hai bàn kẹp tiêu chuẩn có thể mở rộng
từ 7mm – 11mm.
− Hệ thống bôi trơn tự động cho các đầu dao khác nhau.
− Máy tiêu thụ năng lượng thấp nhờ việc cải thiện hệ thống thuỷ lực, cho phép
chạy tất cả các chương trình của hệ thống CPS chỉ ở 7,5 KW.
Về các loại đầu dao:
Máy tích hợp được với rất nhiều các loại đầu dao khác nhau, cũng như các loại
dao khác nhau, giúp năng suất gia cơng có thể tăng đáng kể.
− Việc tháo lắp dao từ mâm cặp một cách nhanh chóng và đơn giản.
− Hệ thống nhiều đầu dao cho phép người dùng lựa chọn giữa 4, 6 hoặc 10
dao. Máy sẽ tự động chọn chương trình chạy dao phù hợp.
− Một số đầu dao cho máy:m

Hình 1.4. Kết cấu một số đầu dao
11

Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
Về khả năng vận chuyển và lắp đặt:
− Nhờ vào kết cấu đơn giản và chắc chắn, có thể tháo rời từng cụm dễ dàng,
việc vận chuyển và lắp đặt sẽ trở nên dễ dàng hơn.
1.3. Giới thiệu một số máy đột dập CNC.
1.3.1. Máy đột CNC Vipros 255 của hãng Amada (Nhật Bản)
Đây là loại máy có tốc độ cao, với khoảng cách đột 2 mm theo trục X, tốc độ có
thể đạt 1000 hành trình/phút.

Hình 1.5. Máy đột CNC Vipros 255
Các thơng số chính của máy:
Lực đột

22 tấn

Kích thước tấm lớn nhất (X, Y)

1270 x 2540 mm

Chiều dày lớn nhất

6.35 mm

Trọng lượng phơi lớn nhất

105 kg

Đường kính lỡ lớn nhất

89 mm

Độ chính xác

0.035 mm

Tốc độ theo trục X

65 m/phút

Tốc độ theo trục Y

50 m/phút

Tốc độ đột lớn nhất

1000 hành trình/phút

Số lượng trạm khn

31

Số lượng khn xoay tự động

3 trạm

Vận tốc góc của bàn gá phơi

35 vịng/phút

Kẹp tấm

3 cái

Bảng 1.1. Các thông số kỹ thuật của máy đột CNC Vipros 255
12


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
1.3.2. Máy đột CNC V20 - 1225 của hãng LVD (Bỉ)
LVD là một hãng của Bỉ chuyên nghiên cứu và sản xuất các thiết bị máy móc
cho ngành gia cơng kim loại tấm. Máy đột CNC V20 – 1225 có tốc độ lên tới 1000
hành trình/phút khi đột rỉa với bước độ là 1mm.

Hình 1.6. Máy đột CNC V20 - 1225
Các thơng số chính của máy:
Lực đột

30 tấn

Kích thước tấm lớn nhất (X, Y)

1250 x 2500 mm

Chiều dày lớn nhất

6.35 mm

Trọng lượng phơi lớn nhất

100 kg

Đường kính lỡ lớn nhất

114.3 mm

Tốc độ theo trục X

90 m/phút

Tốc độ theo trục Y

90 m/phút

Tốc độ đột lớn nhất

1000 hành trình/phút

Số lượng chạm khn

48

Hành trình đầu trượt

25 mm

Kẹp tấm

3 cái

Bảng 2.2. Các thông số kỹ thuật của máy đột CNC V20 - 1225

13


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
1.3.3. Máy đột CNC CP 1250 của hãng Tailift (Đài Loan)
Đây là một trong những máy được dự án Jica tài trợ cho trường đại học Công
Nghiệp Hà Nội nhằm phục vụ cho mục đích giáo dục. Máy đột dập CNC CP 1250
cũng chính là đối tượng nghiên cứu của đề tài.

Hình 1.7. Máy đột CNC CP1250
Các thơng số chính của máy:
Lực đột

20 tấn

Kích thước tấm lớn nhất (X, Y)

1235x2500

Chiều dày lớn nhất

4.5 mm

Trọng lượng phôi lớn nhất

110 kg

Tốc độ di chuyển trục X (m/phút).

55

Tốc độ di chuyển trục Y (m/phút).

50

Tốc độ di chuyển lớn nhất (m/phút).

74

Số ổ dụng cụ.

36

Số ổ tự động điều chỉnh góc đột.

2

Tốc độ quay của mâm quay (rpm).

40

Tốc độ quay của ổ tự động (rpm).

50

Khoảng cách đập của búa thuỷ lực

26 mm

Kẹp tấm

2 cái

Kích thước máy

4232 x 2600 x 2205

Khối lượng máy (kg).

11000

Bảng 1.3. Các thông số kỹ thuật của máy đột CNC CP1250
14


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
Chương 2
CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÁY ĐỘT DẬP CNC
2.1. Các phương pháp tính tốn lực và cơng biến dạng trên cơ sở lý thuyết gia
công kim loại bằng áp lực
2.1.1. Cơ sở của phương pháp tính tốn lý thuyết
Trong phần lớn các phương pháp gia công kim loại bằng áp lực, bộ phận làm
việc của thiết bị cùng với các cơng cụ biến dạng gắn trên nó một thực hiện chuyển
động thẳng hoặc chuyển động quay. Lực hoặc mômen xoắn do thiết bị sản ra tác
dụng lên vật thể kim loại thông qua công cụ biến dạng chủ yếu để khắc phục trở lực
biến dạng của vật thể và lực ma sát. Nếu biết được lực biến dạng thì ta có thể căn cứ
để chọn đúng thiết bị cho một phương pháp gia cơng nào đó.

Lực biến dạng có thể đặt lên vật thể biến dạng hay bộ phận vật thể biến dạng
nhờ sự tiếp xúc trực tiếp giữa công cụ biến dạng và vật thể hoặc gián tiếp bằng cách
tác dụng lên bộ phận không biến dạng của vật thể nằm kề bộ phận biến dạng.
Để xác định lực biến dạng thì cần phải biết trị số và quy luật phân bố ứng suất
trên bề mặt tiếp xúc giữa công cụ biến dạng và vật thể biến dạng (đối với trường
hợp đầu) hoặc trên bề măt gianh giới với vùng biến dạng (đối với trường hợp thứ
hai).
Công thức xác định lực cắt:

P=

 σ
F

F

n

dF =  dVe = Ve

(2.1)

0

Nếu trên bề mặt tiếp xúc giữa công cụ biến dạng và vật thể biến dạng tồn tại ma
sát thì ứng suất τtx do ma sát gây lên sẽ có một thành phần theo phương chuyển
động của công cụ biến dạng. Hợp lực của các thành phần đó Pτ có thể xác định bằng
cách giống như các xác định hợp lực do ứng suất pháp gây lên:

P τ =  τ tx dFτ

(2.2)

F

Fτ – là hình chiếu của bề mặt tiếp xúc lên mặt phẳng song song với chuyển động
của dụng cụ biến dạng.

15


Nghiên cứu thiết kế máy đột dập điều khiển số
2.1.2. Một số phương pháp xác định lực cắt
− Phương pháp cân bằng cơng:
Cơng của ngoại lực có thể viết dưới dạng chung như sau:
Angoại = ∬(Xux + Yuy + Zuz )dF

(2.3)

F

Trong đó:
X, Y, Z là hình chiếu của lực tác dụng trên phân tố diện tích dF theo
phương của các trục toạ độ.
ux, uy, uz là chuyển vị tương ứng theo các phương của các trục toạ độ.
− Phương pháp giải phương trình vi phân kết hợp với điều kiện dẻo:
Thực chất của phương pháp này là tìm nghiệm chung thoả mãn phương trình vi
phân và điều kiện dẻo. Tuỳ theo các điều kiện củabài toán mà viết các phương trình
dưới dạng thích hợp (đối với trạng thái ứng suất khối và phẳng hoặc trạng thái ứng
suất đối xứng trục hoặc trạng thái biến dạng phẳng) và trong hệ toạ độ thích hợp

(vng góc, trụ, cực hoặc cầu).
− Phương pháp đường trượt:
Nội dung của phương pháp này là giải phương trình đặc tính thay cho việc giải
phương trình vi phân cân bằng kết hợp với điều kiện dẻo. Nếu giải được phương
trình đặc tính thì đường trượt được xác định và do đó cũng tính được ứng suất (giả
thiết là khơng có ma sát trên bề mặt tiếp xúc). Trường hợp có tồn tại ma sát thì phải
dùng phương pháp gần đúng – phương pháp tích phân số để tím đường trượt.
Phương trình vi phân cân bằng của đường trượt:
∂2 ω
∂2 ω ∂2 ω
∂2 ω
∂ω 2
∂ω 2
− 2 + 2cot2ω
+
−4
+ 2cot2ω [( ) − ( ) ] = 0
∂x
∂x ∂z ∂z 2
∂x ∂z
∂z
∂x

(2.4)

Giải ra được hai phương trình vi phân đặc tính của phương trình (1):

 dz
 dx = tan 


 dz = − cot 
 dx

16

(2.5)