Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị chuyển dịch góc hai trục nc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



























ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------------------------

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




NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH
THIẾT BỊ CHUYỂN DỊCH GÓC HAI TRỤC NC








Học viên:
Nguyễn Mạnh Hà

Người hướng dẫn Khoa học:
TS Hoàng Vị

THÁI NGUYÊN 2008

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4



MỤC LỤC
Trang
Mở đầu ………………………………………………………………………………………… 05
Chương I: TỔNG QUAN…………………..………………………………………………… 07
Chương II: NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CÁC THIẾT BỊ PHÂN ĐỘ TRUYỀN THỐNG…. 09
2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN ĐỘ ……..…………………………………………… 09
2.1.1 Phân độ trực tiếp……………..……………………………………………............... 10
2.1.2 Phân độ giản đơn……………..…………………………………………………….. 10
2.1.3 Phân độ phức tạp ……………..……………………………………………………. 11
2.1.4 Phân độ vi sai……………..………………………………………………………… 15
2.1.5 Phân độ vạn năng……………..…………………………………………………….. 17
2.1.6 Phân độ theo trị số góc……………..……………………………………………….. 19
2.1.7 Phân độ trong trường hợp chia vòng tròn ra các phần không bằng nhau ………….. 20
2.1.8 Phân độ theo theo trị số góc theo điều khiển gián tiếp bằng động cơ bước ……….. 21
2.2 KẾT LUẬN CHƯƠNG II ……..……………………………………………………. 21
Chương III: NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC…………………... 23
3.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEP MOTOR)……………………………. 23

3.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG………………………………………………………… 26
3.3 CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC……………………………………. 28
3.4 ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ BƯỚC TRONG CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG RỜI RẠC… 31
3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG III…………………………………………………………… 41
Chương IV: NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CÁC LOẠI ENCODER ……………………......... 43
4.1 Giới thiệu về encoder…………………………………………………………………. 43
4.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder, LED và lỗ. ………………………………. 43
4.3 Nguyên lý cơ bản của hoạt động encoder. . ………………………………………….. 44
4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG III…………………………………………………………… 47
Chương V: XÂY DỰNG MÔ HÌNH. ………………………………………………………… 48
5.1 Thiết kế bộ truyền trục vít – bánh vít.………………………………………………… 48
5.2 Lựa chọn loại động cơ bước. ………………………………………………………… 51
5.3 Lựa chọn loại encoder. ……………………………………………………………...... 51
5.4 Tính toán cho độ phân giải của mô hình thử nghiệm ………………………………… 52
5.5 Thiết kế bảng mạch điều khiển. ……………………………………………………… 54
5.6 Thao tác điều khiển phân độ. ………………………………………………………… 76
5.7 Kết luận chương V …………………………………………………………............... 76
Chương VI: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN. …………………………………………………... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO. …………………………………………………………………… 80


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5



MỞ ĐẦU

Trong gia công cơ khí chính xác đầu phân độ được sử dụng và có đóng góp

nhiều trong quá sản xuất và chế tạo máy. Tuy nhiên, khi sử dụng đầu phân độ
truyền thống thường gặp nhiều phức tạp như việc tính toán gia công phải sử dụng
bảng tra, kết quả đôi khi chỉ mang tính gần đúng do trong quá trình tính toán, như
quy đổi số thập phân ra phân số thường chỉ lấy gần đúng. Những bất lợi đó làm hạn
chế nhiều về độ chính xác gia công, tính kinh tế và hiệu quả gia công.
Dựa trên cơ sở kế thừa những thiết bị truyền thống và kết hợp những thiết bị
công nghệ cao, luận văn chọn hướng cải tiến và áp dụng sản phẩm điện tử với nội
dung: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị dịch chuyển góc hai trục NC.
Nội dung luận văn chủ yếu với mục đích thiết kế mô hình đầu phân độ số, với
ý tưởng áp dụng sản phẩm cơ điện tử trong gia công cơ khí chính xác.
Tuy nhiên, mặc dù có cố gắng nhiều trong việc xây dựng ý tưởng mô hình
nhưng nội dung của luận văn còn nhiều thiếu sót và còn nhiều những điểm mới cần
được đề xuất và trao đổi, thảo luận thêm. Tác giả rất mong và trân trọng mọi sự
đóng góp, phê bình của các thầy giáo và đồng nghiệp đối với luận văn.
Em xin trân trọng cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Đào tạo sau Đại học Trường
Đại học KTCN, Ban Giám hiệu và Ban Chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật Công nghiệp
Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật đã hết sức tạo điều khiện thuận lợi cho em
trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo trong Hội đồng bảo vệ Đề cương luận văn
Thạc sỹ đã góp ý, chỉnh sửa và phê duyệt đề cương để luận văn của em được hoàn
thành với nội dung tốt nhất.
Đặc biệt, em xin trân trọng cảm ơn Tiến sỹ Hoàng Vị, Phó Chủ nhiệm Khoa
Cơ khí Trường Đại học KTCN đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình xây
dựng ý tưởng mô hình và hoàn thành nội dung luận văn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6

Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, các cộng tác viên đã giúp đỡ, thảo
luận và đề xuất những giải pháp tốt nhất trong quá trình viết luận văn và xây dựng
mô hình thiết bị thử nghiệm.
Xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, cổ vũ về tinh thần và
vật chất cho bản thân trong suốt quá trình học tập và làm luận văn.

HỌC VIÊN

Nguyễn Mạnh Hà

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7



CHƯƠNG I
TỔNG QUAN

1.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:
Trong lĩnh vực gia công chế tạo cơ khí và đặc biệt là gia công các bề mặt phức
tạp để đạt được độ chính xác tương quan về hình dáng hình học thì chuyển động
phân độ có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Các thiết bị phân độ là một phần không thể
thiếu của các máy công cụ. Trong thực tế các cơ cấu phân độ đơn giản như: đầu
phân độ trực tiếp, đầu phân độ gián tiếp, đầu phân độ vạn năng, đầu phân độ quang
học… đã được sử dụng khá phổ biến và rộng rãi trong ngành chế tạo máy. Với ứng
dụng kỹ thuật số hiện nay, các thiết bị phân độ có ứng dụng kỹ thuật số cũng đã
được sử dụng nhiều trong cơ khí chế tạo chính xác và hiện đại.
Trong điều kiện thực tế ở Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu, thiết kế và phát
triển cơ cấu phân độ số đóng vai trò quan trọng trong việc chủ động sản xuất các
thiết bị phân độ cho ngành chế tạo máy của nước nhà.
Vì vậy, đề tài tập trung vào việc Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình
thiết bị dịch chuyển góc hai trục NC.
2.1 Mục tiêu của đề tài:
- Xây dựng cấu trúc, mô hình kết cấu của thiết bị phân độ số.
- Đánh giá độ chính xác dịch chuyển góc của thiết bị dịch chuyển góc hai trục
NC trên cơ sở các nghiên cứu về công nghệ chế tạo thiết bị đo số trong điều kiện
của Việt Nam.
3.1 Nội dung của đề tài:

- Nghiên cứu, khảo sát các thiết bị phân độ truyền thống.
- Nghiên cứu, khảo sát các loại động cơ bước.
- Nghiên cứu, khảo sát các loại encoder (bộ mã hoá vòng quay).
- Xây dựng mô hình theo hướng phát triển cấu trúc của thiết bị đầu phân độ số
theo định hướng của sản phẩm cơ điện tử.
- Đánh giá và kết luận.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8



MÔ HÌNH THIẾT BỊ

Step motor + Encoder

Step motor + Encoder

hÖ thèng h·m

m©m cÆp


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9



CHƯƠNG II
NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CÁC THIẾT BỊ PHÂN ĐỘ TRUYỀN THỐNG

Đầu phân độ là một trong số những bộ phận quan trọng của máy công cụ, được
dùng để chia vòng tròn ra nhiều phần đều nhau hoặc không đều nhau, cách nhau
một góc độ nào đó. Công việc phân độ thường gặp trong khi gia công các chi tiết

sau:
- Phay các rãnh trên mặt ngoài của chi tiết trụ tròn, ví dụ: răng dao doa, răng
dao phay, rãnh ta rô, bánh răng, trục then hoa, v.v…
- Phay các cạnh của chi tiết có dạng khối đa diện, ví dụ: mũ ốc, đầu bu lông,
chuôi ta rô, v.v…
- Phay các rãnh trên mặt đầu của chi tiết trụ tròn, ví dụ: răng đầu mút của dao
phay trụ đứng, răng của đĩa tục kết, v.v…
- Phay các rãnh trên mặt côn, ví dụ: phay bánh răng côn, phay răng của dao
phay góc, v.v…
- Khoan các lỗ trên mặt đĩa, ví dụ: chế tạo đĩa phân độ.
- Khắc vạch trên vòng du xích của máy công cụ, v.v…
* Những bộ phận chính của đầu phân độ:
Đầu phân độ phổ biến bao gồm: Cơ cấu truyền động chính bằng trục vít - bánh
vít.
Các bộ phận phụ như tay quay, đĩa phân độ, kim cài, cánh kéo, ụ sau...
2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN ĐỘ:
Tuỳ theo yêu cầu công việc và tuỳ mức độ chính xác cần thiết, có thể áp dụng
một ttong các phương pháp sau:
- Phân độ trực tiếp.
- Phân độ giản đơn.
- Phân độ phức tạp.
- Phân độ theo trị số góc.
- Phân độ vi sai.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10

2.1.1 Phân độ trực tiếp
Nguyên tắc của phương pháp phân độ
trực tiếp là từ mẫu chia (tức đĩa phân độ)
đến chi tiết gia công có quan hệ trực tiếp,
không thông qua một cơ cấu trung gian
chuyển tiếp nào. Đĩa phân độ quay bao
nhiêu thì chi tiết gia công quay bấy nhiêu.
Với phương pháp này, số phần chia cũng như sai số hoàn toàn phụ thuộc vào
đĩa phân độ, tính vạn năng kém và độ chính xác thấp (thường chỉ chia được 2, 4, 6,
12 phần đều nhau). Tuy nhiên ưu điểm của nó là đơn giản, giá thành rẻ, thao tác dễ
dàng. Trong các đồ gá quay chuyên dùng, thường áp dụng nguyên tắc này (ví dụ: gá
khoan các lỗ dầu ở rãnh pít tông ô tô).
Để mở rộng phạm vi sử dụng, có thể thay đổi các đĩa phân độ thay thế có số lỗ
khác nhau. Ví dụ: đĩa có 24 lỗ thì chia được 2, 3, 4, 6, 8, 12, 24 phần đều nhau; đĩa
có 30 lỗ thì chia được 2, 3, 5, 10, 15, 30 phần đều nhau, v.v…
Cũng có kiểu bố trí hệ thống trục vít – bánh vít với mục đích truyền động được
êm, đều, song về nguyên tắc vẫn là phân độ trực tiếp.








2.1.2 Phân độ giản đơn
Nguyên tắc của phân độ giản đơn là giữa chuyển động của tay quay phân độ
với chi tiết gia công có quan hệ giảm tốc nhằm mục đích thu nhỏ sai số biểu hiện
Gá đầu phân độ trực tiếp trên máy phay

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11



trên chi tiết, không phải chịu mức
sai nhiều như bản thân đĩa phân
độ; đồng thời số phần chia cũng
được nhiều hơn.


Nếu tỷ số giảm tốc của ụ phân
độ là N (thường N= 40 hoặc có khi
N = 30, 60, 80..) thì muốn chi tiết
gia công quay 1 vòng, phải xoay tay quay N vòng.
Ví dụ: với N= 40, muốn chia vòng tròn ra 2 phần đều nhau thì tay quay phải
quay:
20
2
40
=
vòng
Ta có công thức tổng quát:
Z
N
n =

Trong đó: n - số vòng tay quay khi phân độ;
N - Tỷ số giảm tốc của ụ phân độ (thường N = 40);

Z- số phần cần chia đều.
Đĩa phân độ có nhiều hàng lỗ với số lượng lỗ khác nhau.

Cơ cấu mở góc dùng
làm chuẩn đánh dấu để khỏi nhầm lẫn trong khi phân độ.
Ví dụ: Ụ phân độ có N = 40, cần phay khối 7 cạnh đều. Như vậy mỗi lần phân
độ khởi phẩm phải quay 1/7 vòng. Tay quay ụ phân độ phải quay:
5
7
5
5
7
40
=+===
Z
N
n
vòng +
21
15
lỗ
Cụ thể là: Điều chỉnh cho chốt định vị nằm vào hàng lỗ có 21 lỗ. Mỗi lần phân
độ tay quay quay 5 vòng cộng thêm 15 lỗ nữa (cắm chốt vào lỗ thứ 16).
Trường hợp Z là ước số của N (ví dụ Z = 20, 10, 8, 5), không cần sử dụng đĩa
phân độ, vì mối lần phân độ thì tay quay chỉ phải quay số vòng nguyên. Ví dụ:
muốn phay bánh răng có 20 răng, mỗi lần phân độ phải quay tay quay
2
20
40
==n

vòng.
2.1.3 Phân độ phức tạp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12



Đối với phương pháp phân độ giản
đơn nói trên thì chỉ chia được vòng tròn ra
số phần Z chẵn với số lỗ có sẵn trên đĩa
phân độ. Gặp trường hợp số phần cần chia
không chẵn với số lỗ ở đĩa phân độ, ta
phải áp dụng phương pháp phân độ phức
tạp hoặc phương pháp phân độ vi sai. Với
ụ phân độ giản đơn thì dùng phương pháp phân độ vi sai phức tạp và với ụ phân độ
vạn năng thì dùng phương pháp phân độ vi sai. Ví dụ: Cần phân độ ra 61, 79, 83,
89, 91, 93 phần, thường không phân độ giản đơn được.
Nguyên tắc của phương pháp phân độ phức tạp là phối hợp 2 lần phân độ giản
đơn để thực hiện phần chia lẻ trên một chi tiết. Nội dung công việc như sau:
2.1.3.1 Ụ phân độ:
Trên ụ phân độ giản đơn bắt 1 mũi nhọn M ở bên cạnh đĩa phân độ, có thể điều
chỉnh cho nhô ra thụt vào để chỉ đúng 1 hàng lỗ nào đó trên đĩa.
2.1.3.2 Thao tác:
- Bước 1: Quay tay quay Q một số lỗ số vòng trên hàng lỗ nào đó đã được tính
toán, trong khi đó đĩa phân độ đứng yên, nghĩa là hoàn toàn giống như phân độ giản
đơn.
- Bước 2: Chốt của tay quay vẫn nằm trong lỗ của đĩa phân độ, quay tay quay
cho kéo theo cả đĩa cùng quay trong khi đó nhìn mũi nhọn M, cho tới khi đĩa quay

được một số lỗ nào đó đã tính toán thì dừng lại.
2.1.3.3 Công thức tính toán:
Có thể áp dụng một trong hai công thức sau:
- Nếu trong hai bước phân độ cùng quay tay quay theo một chiều thì:
2
2
1
1
40
n
H
n
H
Z
+=
(1)
- Nếu chiều quay của tay quay trong hai bước ngược nhau thì:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13



2
2
1
1
40
n

H
n
H
Z
−=
(2)
Trong hai công thức trên:
H
1
- Số lỗ phải quay tay quay đi qua trong bước 1;
H
2
- Số lỗ phải quay đĩa đi qua mũi nhọn M trong bước 2;
n
1
- Số lỗ của vòng lỗ trên đĩa đã được chọn trong bước 1;
n
2
- Số lỗ của vòng lỗ trên đĩa đã được chọn trong bước 2;
Z - Số phần cần chia trên chi tiết gia công.
2.1.3.4 Cách tính:
+ Áp dụng công thức (1) trình tự tính như sau:
Trước hết, phân tích Z ra hai thừa số Z
1
. Z
2
= Z với dụng ý sao cho Z
1
và Z
2

là
ước số của số lỗ trên hai hàng lỗ có sẵn ở đĩa phân độ mà ta sẽ chọn.
Đặt:
2
2
1
1
40
Z
H
Z
H
Z
+=
(với Z1 . Z2 = Z)
Rút ra: 40 = Z
2
.H
1
+ Z
1
.H
2

Đặt H
2
= 1, ta có: 40 = Z
2
.H
1

+ Z
1
.1
Z
2
.H
1
= 40 – Z
1
=>
2
1
1
40
Z
Z
H
−
=

Đưa trị số H
1
, H
2
đã tìm được vào công thức (1):
21
1
140
ZZ
H

Z
+=

Cuối cùng, làm lớn
2
1
Z
lên sao cho Z
2
là số lỗ có sẵn của một hàng lỗ nào đó
trên đĩa (lớn hơn Z
1
). Nếu cần thiết (cụ thể là nếu Z
1
chưa trùng với số lỗ có sẵn ở
đĩa) thì cũng phải làm lớn
1
1
Z
H
lên. Cách làm lớn một phân số để giữ nguyên trị số
cũ, như ta đã biết là nhân tử số và mẫu số với cùng một số nguyên nào đó.
Ví dụ: Chia 93 phần đều nhau, tính toán như sau:
21
21
.31.340
33193
40
HH
HH

+=⇒+=

Đặt H
2
= 1, ta có: 40 = 3.H
1
+ 31.1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14



3.H
1
= 40 – 31 = 9 => H
1
=
3
9
= 3
33
11
31
3
11.3
11.1
31
3

3
1
31
3
93
40
+=+=+=

Kết quả cuối cùng là:
Bước 1, phải quay tay quay đi 3 lỗ trên hàng lỗ 31.
Bước 2, phải quay đĩa (và tay quay) đi 11 lỗ trên hàng lỗ 33.
Cả hai bước cùng quay theo một chiều.
+ Áp dụng công thức (2) trình tự tính như sau:
Trước hết, phân tích Z ra hai thừa số Z
1
.Z
2
sao cho khi tăng chúng lên sẽ trùng
với số lỗ có sẵn trên đĩa phân độ.
Đặt:
2
2
1
1
40
Z
H
Z
H
Z

−=
Rút ra: 40 = Z
2
.H
1
- Z
1
.H
2

Đặt H
2
= 2, ta lấy được trị số H
1
.
Đưa trị số H
1
, H
2
đã tìm được vào công thức (2):
21
1
240
ZZ
H
Z
−=

Làm lớn hai phân số đó lên sao cho Z
1

và Z
2
trùng với số lỗ có trên hai hàng lỗ
ở đĩa phân độ.
Ví dụ: Chia 93 phần đều nhau, tính toán như sau:
21
21
.31.340
33193
40
HH
HH
−=⇒−=

Đặt H
2
= 2, ta có: 40 = 3.H
1
- 31. 2
3.H
1
= 40 + 31.2 =102 => H
1
= 102/3 = 34
33
22
31
3
.1
3

2
31
34
93
40
−=−=

Ở đây phân số
31
34
(lớn hơn 1) đã được đổi ra hỗn số.
Kết quả cuối cùng là:
Bước 1, phải quay tay quay đi 1 vòng và 3 lỗ trên hàng lỗ 31.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15



Bước 2, phải quay đĩa (và tay quay) đi 22 lỗ trên hàng lỗ 33 nhưng theo chiều
ngược lại.
2.1.4 Phân độ vi sai
Về nguyên tắc, phương pháp phân độ vi sai cơ bản như phân độ phức tạp, nghĩa
là một mặt tay quay cứ quay đi một số vòng số lỗ nào đó; mặt khác đĩa phân độ lại
quay thêm hoặc lùi lại để bù trừ phần sai. Điểm khác biệt là: ở phương pháp phân
độ vi sai thì hai bước phân độ đó xảy ra đồng
thời và bước 2 được thực hiện một cách tự động
nhờ truyền động của bộ bánh răng thay thế đã
tính chọn theo yêu cầu.

Cấu tạo của đầu phân độ vi sai thực hiện yêu
cầu trên như sau: quay tay quay làm bộ truyền
trục vít – bánh vít quay, truyền chuyển động đến
trục chính (chi tiết gia công) quay với với tỷ số giảm tốc
40
1
. Giữa trục chính 2 và
trục trục phụ 1 có lắp bộ bánh răng
d
c
b
a
.
làm cho trục phụ quay, thông qua cặp
bánh răng côn làm cho đĩa phân độ quay.
+ Cách tính toán phân độ vi sai:
Chi tiết gia công
ụ sau
cánh kéo
kim cài
dĩa chia
tay quay
ụ phân độ
mâm cặp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16

Đầu tiên, ta chọn Z
*
gần bằng Z (số phần cần chia
đều). Z
*
gọi là cho phần chia giả thiết. Tỷ số truyền
động từ trục chính đến trục phụ của đầu phân độ sẽ là:
*
*
*
*
.40..
Z
ZZ
Z
ZZ
N
d
c
b
a
b
a
i
−
=
−
===

Bánh răng a lắp ở trục chính, b lắp ở trục phụ của
đầu phân độ.


Nếu Z
*
> Z thì i > 0 tức là đĩa phân độ phải quay cùng chiều với trục chính để
bớt phần lẻ đi.
Nếu Z
*
< Z thì i < 0 tức là đĩa phân độ phải quay ngược chiều với trục chính để
bù thêm phần lẻ. Trường hợp này phải lắp thêm bánh răng trung gian vào xích
truyền động.
Ví dụ:
Muốn phay một bánh răng có 111 răng trên đầu phân độ có N = 40. Tính bánh
răng lắp ngoại ở xích truyền động, chọn đĩa phân độ và số vòng quay khi phân độ
như sau:
- Chọn Z
*
= 120
1
3
120
9
.40
120
111120
.40.40
*
*

==
−
=
−
=
Z
ZZ
i

- Chọn bánh răng:
40
50
.
25
60
1000
3000
1
3
. ===
d
c
b
a
;
hoặc
20
50
.
25

30
; hoặc
40
100
.
25
30
; hoặc
20
100
.
50
30
; v.v…
- Vì 120 > 111 nên không cần bánh răng trung gian (đĩa phân độ sẽ quay cùng
chiều với trục chính). Bánh răng a lắp ở cuối trục chính, bánh răng d lắp ở cuối trục
phụ và hai bánh răng b và c lắp chung trên một trục trung gian ở cầu chuyển động.
- Số vòng quay của tay quay khi phân độ là:
3
1
120
4040
1
===
Z
n
; hoặc
66
22
; hoặc

24
8
; hoặc
30
10
; v.v…
Lắp bánh răng thay thế
khi phân độ vi sai

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17



Nếu vòng có 30 lỗ thì quay đi 10 lỗ, cắm vào lỗ thứ 11. Nếu vòng có 24 lỗ thì
quay đi 8 lỗ, cắm vào lỗ thứ 9. Nếu vòng có 66 lỗ thì quay đi 22 lỗ, cắm vào lỗ thứ
23.
2.1.5 Phân độ vạn năng không dùng đĩa chia độ
Đầu phân độ vạn năng từ tay quay tới trục chính (tức là chi tiết gia công) phải
qua các khâu: bộ bánh răng lắp ngoài
1
1
1
1
.
d
c
b
a

; bộ vi sai hình côn
4
3
2
1
.
Z
Z
Z
Z
có tỷ số
truyền là
1
2
=i
và bộ truyền trục vít –
bánh vít
k
Z
4
(thường là 2/1) còn cặp bánh
răng trung gian có tỷ số truyền 1/1 không
ảnh hưởng gì đến tính toán. Đồng thời
xích truyền động thứ 2 là từ trục chính của
đầu phân độ, qua bộ bánh răng lắp ngoài
2
2
2
2
.

d
c
b
a
, qua cặp bánh răng côn
1
4
Z
Z
có tỷ
số truyền
1
1
, trở lại kéo tay quay tiến thêm hoặc lùi lại một chút.
+ Phương pháp phân độ giản đơn trên phân độ vạn năng không đĩa:
Khi phân độ giản đơn, quá trình truyền động trong đầu phân độ sẽ diễn ra trên
xích truyền động thứ nhất, tức là từ tay quay, qua bộ bánh răng a
1
, b
1
, c
1
, d
1
, qua bộ
vi sai côn đạt tỷ số truyền
1
2
, cuối cùng qua bộ truyền trục vít – bánh vít đạt tỷ số
truyền

40
1
để làm quay chi tiết gia công. Trường hợp này phải tháo bộ bánh răng a
2
,
b
2
, c
2
, d
2
ra để triệt bỏ xích truyền động thứ 2.
Bộ bánh răng lắp ngoài a
1
, b
1
, c
1
, d
1
tính như sau:
nZ
i
..2
40
1
=

Ví dụ:
Muốn phân độ ra 60 phần bằng nhau, chọn bánh răng lắp ngoài như sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

18



- Nếu muốn tay quay quay 1 vòng chẵn mỗi lần phân độ thì:
3
1
12
4
120
40
1.60.2
40
1
====i

1
1
1
1
1
1
....
120
40
90
30

75
25
60
20
d
c
b
a
b
a
======

- Nếu muốn tay quay quay 2 vòng chẵn mỗi lần phân độ thì:
6
1
24
4
240
40
2.60.2
40
1
====i

....
75
25
.
40
20

3
1
.
2
1
.
1
1
1
1
vv
d
c
b
a
===

+ Phương pháp phân độ vi sai trên đầu phân độ vạn năng không đĩa:
Trường hợp này phải chia hai bước: phân độ giản đơn với phần chia giả thiết,
sau đó bù trừ phần lẻ. Muốn thế phải sử dụng cầu bánh răng
2
2
2
2
.
d
c
b
a
để làm cho tay

quay tự động quay thêm hay quay ngược lại một chút.


Trên xích truyền động này bộ vi sai hình côn có tỷ số truyền là
1
1
. Trình tự phân
độ như sau:
Bước 1, Lấy Z
x
(phần chia giả thiết) xấp xỉ Z, tiến hành phân độ giản đơn theo
Z
x
bằng xích truyền động i
1
. Bộ bánh răng của xích truyền động i
1
được tính như
sau:
nZ
i
x
..2
40
1
=

Bước 2, bù trừ sai số bằng xích truyền động i
2
. Bộ bánh răng của xích truyền

động i
2
được tính như sau:
40
1
.1...1..
111
3
2
1
4
2
Z
Z
Z
Z
i
ZZZ
x
=−

Rút ra:
x
x
Z
ZZ
d
c
b
a

i
−
== .40.
2
2
2
2
2

Nếu Z
x
> Z thì i
2
> 0 không cần bánh răng trung gian.
Nếu Z
x
< Z thì i
2
< 0 phải lắp thêm 1 bánh răng trung gian.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

19



Chú ý, hai bước đó thực tế cùng thực hiện song song.
Ví dụ:
Phân độ ra 63 phần bằng nhau, phân độ như sau:
;

..2
40
1
nZ
i
x
=
Lấy Z
x
= 60 thì
3
1
120
40
1.60.2
40
1
===i

1
1
1
1
1
1
....
120
40
90
30

75
25
60
20
d
c
b
a
b
a
======

Muốn vặn tay quay 2 vòng chẵn mỗi lần phân độ thì:
6
1
240
40
2.60.2
40
1
===i

....
75
25
.
40
20
3
1

.
2
1
.
1
1
1
1
vv
d
c
b
a
===

Bù trừ sai số bằng xích truyền động i
2
:
( )
( )
1
2
60
120
60
6360
.40.40
2
−=−=
−

=
−
=
x
x
Z
ZZ
i

....
35
70
30
60
25
50
20
40
2
2
vv
b
a
=====

Với Z
x
< Z , phải lắp thêm bánh răng trung gian ở bộ bánh răng i
2
.

2.1.6 Phân độ theo trị số góc
Cách phân độ dựa theo 3 công thức sau:
9
0
θ
=Z
;
540
'
θ
=Z
;
32400
"
θ
=Z

Trong đó: Z - số vòng và số lỗ mà tay
quay của đầu phân độ phải quay.
θ
- góc cần quay của chi tiết gia công.
Ví dụ:
- Muốn phay hai rãnh cách nhau một
góc 81
0
, thì phải quay tay quay
9
9
81
0

==Z
vòng.
Ví dụ:
- Muốn phay hai rãnh cách nhau một góc 16
0
36’ thì thao tác phân độ như sau:
1
2
3
4
5
6
7
3
2
8
4
9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

20



'996'3616.'60 =+

19
16
.18444,1

540
'996
≈==⇒ Z

Tức là khi phân độ, tay quay phải quay một vòng cộng thêm 16 lỗ trên vòng có
19 lỗ. Trong sổ tay kỹ thuật có bảng quy đổi số thập phân ra phân số. Trong ví dụ
trên, số 0,8444 không có trong bảng, ta lấy số xấp xỉ là 0,8421 tương đương
19
16
.
Nếu không có sẵn bảng, ta có thể tính bằng phương pháp ước lược phân số cho tới
khi mẫu số trùng với số lỗ của một vòng nào đó trên đĩa phân độ. Ví dụ: 0,8512 tạm
lấy là 0,85 và ta ước lược như sau:
20
17
5:100
5:85
100
85
85,0 ===
. Nếu đĩa phân độ có 20
vòng lỗ, ta phải quay 17 lỗ.
Ví dụ:
- Góc
"32'168
0
=
θ
. Khi phân độ, tay quay phải quay như sau:
49

45
9195,0
32400
"29792
32400
"32'168
0
====Z
(45 lỗ trên vòng 49 lỗ).
Trong các ví dụ trên đều có sai số tính toán nhưng trên thực tế có nhiều nguyên
nhân gây ra sai số gia công.
2.1.7 Phân độ trong trường hợp chia vòn tròn ra các phần không bằng
nhau
Có những trường hợp cần chia vòng tròn ra các phần không đều nhau, chẳng
hạn như phay các răng của dao doa, các răng doa phải so le nhau để đạt độ bóng tốt.
Muốn phân độ không đều, mỗi lần phân độ sang răng khác phải vặn tay quay
một số vòng, số lỗ khác nhau. Số vòng, số lỗ
này được tính toán trước và lập thành bảng dể
dùng cho tiện.
Ví dụ:
Muốn phay một dao doa 8 răng không
đều, thứ thự như sau:
- Phay xong rãnh đầu tiên, quay 4 vòng và

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21

32 lỗ trên vòng có 49 lỗ






+
49
44
4
. Sang rãnh thứ 3 quay 4 vòng và 44 lỗ vẫn trên
hàng lỗ đó






+
49
44
4
và tiếp tục như sau tới rãnh thứ 5:







+
49
32
4
,






+
49
44
4
,






+
49
6
5








+
49
16
15

Từ rãnh thứ 6 trở đi, lại tiếp tục như đầu.







2.1.8 Phân độ theo theo trị số góc (dịch chuyển góc) theo điều khiển gián
tiếp bằng động cơ bước
Phương pháp này sử dụng động cơ bước để phân độ và bộ encoder để hiển thị
trị số góc quay của chi tiết gia công thay cho sử dụng đĩa phân độ.
Cách phân độ dựa theo công thức sau:
ni =.
θ

Trong đó: θ - góc cần quay của chi tiết gia công.
i - Tỷ số truyền của cặp trục vít - bánh vít
n - số vòng quay của động cơ bước.
Phương pháp này cho độ chính xác cao, không cần phải tính toán khi phân độ.
Phân độ tuỳ ý và quan trọng hơn là khi muốn phân độ vòng tròn ra các phần không
đều nhau thì phương pháp này thao tác giản đơn hơn rất nhiều và cho kết quả chính

xác.
Và phương pháp này chính là nội dung nghiên cứu của luận văn.
2.2 KẾT LUẬN CHƯƠNG II
Phương pháp phân độ bằng đầu phân độ truyền thống được sử dụng rộng rãi
trong cơ khí chế tạo. Tuy nhiên, việc thao tác phân độ thường phải mất thời gian
8

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

22



cho việc tính toán trong khi gia công, đối với những trường hợp phức tạp như phân
độ ra các góc không đều nhau thì việc sử dụng đầu phân độ truyền thống mất rất
nhiều thời gian cho việc tính toán. Trong trường hợp phức tạp thì khi tính toán chỉ
lấy được số gần đúng so với dãy số có trong bảng tra, như vậy ảnh hưởng nhiều đến
độ chính xác, năng suất và hiệu gia công.
Nội dung của luận văn đề cập tới vấn đề sử dụng phương pháp phân độ theo
theo trị số góc (dịch chuyển góc) theo điều khiển gián tiếp bằng động cơ bước với
các lựa chọn sau:
- Chọn kiểu truyền động cơ khí là bộ truyền trục vít – bánh vít.
- Dùng động cơ bước để truyền động thay cho tay quay và đĩa chia độ.
- Dùng encoder để kiểm tra góc dịch chuyển của động cơ và đối tượng điều
khiển.
Phương pháp phân độ này giản lược được rất nhiều thời gian cho việc tính toán,
nâng cao độ chính xác, năng suất và hiệu quả gia công.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

23



CHƯƠNG III
NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC

3.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEP MOTOR)
Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với
đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ không đồng
bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp
nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng
dừng theo các bước chuyển dịch góc.
Trong điều khiển chuyển động bằng kỹ
thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp
hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện
trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số. Các

nước tiên tiến như Mỹ, Đức, Nhật, Trung
Quốc, v.v… và tại Việt Nam Nhà máy Nidec
Sankyo (Nhật Bản) vừa đưa vào hoạt động đầu
tháng 3-2007 tại Khu công nghệ cao TP.HCM
đã chế tạo rất nhiều động cơ bước, trong đó
chủ yếu là loại 2 cuộn, 4 cuộn và 5 cuộn dây
pha. Chúng được sử dụng ngày càng rộng rãi
trong các hệ thống tự động, điều khiển từ xa và nhiều thiết bị điện tử khác, nổi bật
là trong các lĩnh vực như điều khiển đọc ổ cứng, ổ mềm và máy in trong hệ thống
máy tính; điều khiển robot; điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học; điều khiển
định vị trong các hệ quang khắc phức tạp; điều khiển bắt, bám mục tiêu trong các
khí tài quan sát; điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công, cắt gọt; điều khiển
các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay…
Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu
điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

24



quay hoặc các chuyển động của rôto và có khả năng cố định rôto vào những vị trí
cần thiết.
Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu
điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của
rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của
rôto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi một xung điện áp
đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) của động cơ
bước thì rôto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi

một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của
động cơ. Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn
dây phần ứng thay đổi liên tục thì rôto sẽ quay
liên tục (nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là
theo các bước rời rạc).
Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là
tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng
bộ giảm tốc công suất nhỏ.
Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng
bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ
chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số
nhất định. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như
chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số
chuyển đổi.
Trong khi động cơ một chiều
không tiếp xúc có rôto thường là một
nam châm vĩnh cửu (số đôi cực 2p = 2)
và cần có một cảm biến vị trí rôto (để
thực hiện chức năng tạo ra tín hiệu điều
khiển nhằm xác địh thời điểm và thứ tự
đổi chiều) thì động cơ bước có rôto

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

25



dạng cực lồi gồm nhiều răng cách đều cấu
thành các cặp nam châm N - S xen kẽ nhau

để tạo ra số cặp cực 2p lớn hơn và không
cần phải có bộ cảm biến vị trí rôto. Nhờ cảm
biến vị trí rôto, có thể điều khiển dòng một
chiều vào các cuộn dây stato để có từ trường
quay liên tục nên động cơ một chiều không
tiếp xúc quay liên tục. Đối với động cơ bước, vì từ trường quay không liên tục do
các xung điện cấp vào rời rạc nên rôto quay theo các bước.


Cũng giống như động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ, động cơ bước có các
bối dây tạo thành các pha trên stato, đồng thời trên cả rôto và stato đều có các răng
để tạo thành các cặp cực và các nam châm điện. Nhưng động cơ đồng bộ giảm tốc
có các cuộn kích thích và cần phải có dòng điện kích thích để khởi động, còn động
cơ bước không cần yếu tố này. Mặt khác, trên stato của động cơ đồng bộ giảm tốc,
ngoài cuộn dây phụ (để kích thích) thì cuộn dây chính thường là 3 pha hoặc 2 pha
được nuôi bằng nguồn xoay chiều tạo ra từ trường quay liên tục với vận tốc góc ω.
Vì vậy sau khi hoàn thành việc khởi động, rôto quay với vận tốc đồng bộ (nhỏ hơn
vận tốc của từ trường quay). Trong khi đó, stato của động cơ bước chỉ có một loại
cuộn dây pha và chúng có vai trò như nhau.
Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là linh kiện (hay dụng cụ)
số (digital device) mà ở đó các thông tin số hoá đã thiết lập sẽ được chuyển thành
chuyển động quay theo từng bước. Động cơ bước sẽ thực hiện trung thành các lệnh
đã số hoá mà máy tính yêu cầu.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

26

3.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Khác với động cơ đồng bộ thông thường, rôto của động cơ bước không có cuộn
dây khởi động (lồng sóc mở máy) mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số.
a, b, c,
Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rôto 2 cực và các lực điện từ khi điều khiển
bằng xung 1 cực

Rôto của động cơ bước có thể được kích thích (rôto tích cực) hoặc không được
kích thích (rôto thụ động).
Xung điện áp cấp cho m cuộn dây stato có thể là xung một cực (hình d) hoặc
xung hai cực (hình e)






d, e,
Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stato
theo từng cuộn dây riêng lẻ hoặc theo từng nhóm các cuộn dây. Trị số và chiều của
các lực điện từ tổng F của động cơ và do đó vị trí của rôto trong không gian hoàn
toàn phụ thuộc vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

27

Ví dụ, nếu các cuộn dây của động cơ được cấp điện cho từng cuộn dây riêng lẻ
theo thứ tự 1, 2, 3, … m, bởi 1 xung cực, thì rôto của động cơ có m vị trí ổn định
trùng với trục của các cuộn dây (hình a).
Trong thực tế để tăng cường lực điện từ tổng của stato và do đó tăng từ thông
và mômen đồng bộ, người ta thường cấp điện đồng thời cho hai, ba hoặc nhiều cuộn
dây. Lúc đó rôto của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng (ổn định) trùng với vectơ
lực điện từ tổng F. Đồng thời lực điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ
thành phần của các cuộn dây stato (hình b và c).
Trên hình b vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một số chẵn
cuộn dây (2 cuộn dây). Lực điện từ tổng F có trị số lớn hơn và nằm ở vị trí chính
giữa hai trục của hai cuộn dây. Trên hình c vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện
đồng thời cho một số lẻ cuộn dây (3 cuộn dây), lực điện từ tổng F nằm trùng với
trục của một cuộn dây nhưng có trị số lớn hơn. Trong cả hai trường hợp (cấp điện
cho một số chẵn cuộn dây và một số lẻ cuộn dây), rôto của động cơ bước sẽ có m
vị trí cân bằng. Góc xê dịch giữa hai vị trí liên tiếp của rôto bằng
m
π
2
.
Nếu cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây (ví dụ,
kết hợp giữa hình b và c), có nghĩa là số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn
thay đổi từ chẵn sang lẻ và từ lẻ sang chẵn thì số vị trí cân bằng của rôto sẽ tăng lên
gấp đôi là 2m, độ lớn của một bước sẽ giảm đi một nửa bằng
m2
2
π
. Trường hợp này
được gọi là điều khiển không đối xứng hay điều khiển nửa bước (half step).
Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi (một số chẵn cuộn
dây hoặc một số lẻ cuộn dây, ví dụ hình b hoặc c) thì rôto có m vị trí cân bằng và

được gọi là điều khiển đối xứng, hay điều khiển cả bước (full step).
Một các tổng quát, số bước quay của rôto trong khoảng 0 ÷ 360
0
là:
pnnmK ...
21
=
(1)
Trong đó: p - số đôi cực của rôto;
m - số cuộn dây điều khiển trên stato (số pha);
n
1
- hệ số