(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế và chế tạo mô hình máy phay gỗ mỹ nghệ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY
PHAY GỖ MỸ NGHỆ

Người hướng dẫn: PGS.TS TRẦN XUÂN TÙY
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN THANH PHONG
DƯƠNG TẤN VŨ

Đà Nẵng, 2019


TĨM TẮT
Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mơ hình máy phay gỗ mỹ nghệ.
Sinh viên thực hiện
1. Nguyễn Thanh Phong
Số thẻ sinh viên: 101150221
Lớp 15CDT2
2. Dƣơng Tấn Vũ
Số thẻ sinh viên: 101150242
Lớp: 15CDT2

C
C

Thuyết minh này trình bày về quá trình nghiên cứu, thiết kế và lắp ráp máy phay CNC
dùng để phay các sản phẩm gỗ mỹ nghệ.

R
L
T

Thuyết minh trình bày đầy đủ các bƣớc thiết kế, chế tạo từng cụm chi tiết, cách lắp ráp
các cụm chi tiết với nhau, cách vận hành máy và an toàn lao động khi vận hành máy.

U
D

Phạm vi đề tài: đề tài nghiên cứu và chế tạo sản phẩm thực tế, hƣớng đến sự ổn định
và hoạt động chính xác.


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

CỘNG HÕA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TT
1
2

Họ tên sinh viên

Số thẻ SV

Nguyễn
Thanh 101150221
Phong
Dƣơng Tấn Vũ
101150242

Lớp

Ngành

15CDT2 Kỹ thuật Cơ điện tử
15CDT2 Kỹ thuật Cơ điện tử

1. Tên đề tài đồ án:
Thiết kế và lắp ráp máy phay CNC dùng dể phay gỗ mỹ nghệ
2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
Tham khảo các tài liệu và nghiên cứu máy từ thực tế.
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
a. Phần chung:
TT
Họ tên sinh viên
Nội dung

C
C

1

Nguyễn Thanh Phong

2

Dƣơng Tấn Vũ

R
L
T

Tìm kiếm nguồn tài liệu, tham khảo, hình ảnh minh
họa, thuật ngữ giải thích; Kiểm tra chính tả, định
dạng, nội dung và thiết kế hình ảnh mơ hình chú thích.
Thuyết minh chƣơng vận hành và kiểm tra.

U
D

b. Phần riêng:
TT
Họ tên sinh viên
1 Nguyễn Thanh Phong

Nội dung
Thiết kế mô hình, lập trình, tạo giao diện.

2

Dƣơng Tấn Vũ
Tính tốn số liệu, làm báo cáo.
5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
a. Phần chung:
TT
Họ tên sinh viên
1 Nguyễn Thanh Phong
2
Dƣơng Tấn Vũ
b. Phần riêng:
TT
Họ tên sinh viên
1 Dƣơng Tấn Vũ
2
3

Nguyễn Thanh Phong
Dƣơng Tấn Vũ

Nội dung
1 bản vẽ A0 mơ hình 3D, chi tiết
1 bản vẽ A0 hƣớng dẫn gia công bằng phần mềm
Nội dung
1 bản vẽ A0 sơ đồ động
3 bản vẽ A0 bản vẽ lắp trục X, Y, Z
1 bản vẽ A0 Mạch điều khiển và đấu nối.


4

Nguyễn Thanh Phong

1 bản vẽ A0 tổng thể máy

6. Họ tên người hướng dẫn:

Phần/ Nội dung:

PGS.TS. Trần Xuân Tùy

Toàn bộ đề tài

7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 15/8/2019
8. Ngày hồn thành đồ án: 01/12/2019
Trƣởng Bộ mơn Cơ điện tử

Đà Nẵng, ngày
tháng năm 201
Ngƣời hƣớng dẫn

C
C

U
D

R
L
T

LỜI NÓI ĐẦU
Sau thời gian 4 năm đƣợc đào tạo về các phần lý thuyết cơ bản của “Thiết kế chi
tiết máy”, “Cơ sở thiết kế máy”, “Điều khiển tự động”, “Hệ thống cơ điện tử”,...vv, kết
hợp với quá trình tự tìm tịi học hỏi, chúng em đã rút ra, tích lũy đƣợc những kiến thức
ban đầu hết sức quan trọng để bắt tay vào làm đồ án tốt nghiệp. Tuy nhiên sự non trẻ
về kinh nghiệm thực tế khiến chúng em khơng khỏi lung túng trong q trình thiết kế
để có một hệ thống hồn chỉnh, thẩm mỹ và hiệu quả kinh tế. Mặt dù sách tham khảo
hiện nay khá nhiều tuy nhiên với thời gian thực hiện khá ngắn nên em khó có thể nắm
bắt hết các kiến thức chuyên sâu cũng nhƣ các kinh nghiệm quý báu đƣợc đúc kết
trong sách thiết kế máy, chế tạo máy… Chính vì vậy việc vận dụng lý thuyết học đƣợc
để giải quyết những vấn đề có liên quan đến yêu cầu thực tiễn sản xuất cũng nhƣ điều

C
C

kiện làm việc, thị trƣờng,... là rất hạn chế.
Với sự hƣớng dẫn tận tình của thầy PGS.TS. Trần Xuân Tùy, cùng với nỗ lực của
bản thân chúng em trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, cuối cùng chúng

R
L
T

em đã hoàn thành tài liệu trình bày quá trình Máy phay cnc mini dùng để phay gỗ
mỹ nghệ. Trong tài liệu chúng em đã trình bày các phần tính tốn động học tồn máy,
tính tốn động học, động lực học cho hệ thống, thiết kế hệ thống điều khiển,..

U
D

Khi thiết kế chúng em đã cố gắng để hoàn thiện bản thiết kế thông qua máy. Máy
hoạt động ổn định, cho ra sản phẩm chất lƣợng tuy nhiên với những hạn chế về chủ
quan cũng nhƣ khách quan thì tài liệu này sẽ khơng tránh khỏi những thiếu sót, kính
mong nhận đƣợc sự đóng góp của q thầy cơ.

Đà Nẵng, ngày 12 tháng 12 năm 2019
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thanh Phong
Dương Tấn Vũ

ii


LỜI CẢM ƠN
Khi ai đó nói về Bách Khoa ta có thể tự hào rằng ta là một phần trong ngơi trƣờng
đáng kính ấy. Bách Khoa- là cả tuổi thanh xn có thầy cơ, bạn bè, những ngƣời đã sát
cánh cùng ta đi qua những tháng năm rực rỡ.
Xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến Bách Khoa. Chặng đƣờng 5 năm tuy không dài
nhƣng cũng đủ khắc sâu trong tim ta suốt đời để biết rằng ta đã có một tuổi trẻ thật
đẹp. Cuộc vui nào cũng đến lúc tàn, hành trình với Bách Khoa có thể đi đến hồi kết
nhƣng hành trình của cuộc đời vẫn đang chờ ta phía trƣớc.
Để hồn thành xong đề tài tốt nghiệp này, nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn
sự giúp đỡ tận tình đến các thầy cơ bộ mơn cơ điện tử, đặc biệt là Thầy giáo hƣớng
dẫn- PGS.TS. Trần Xuân Tùy. Chúng em xin kính chúc q thầy cơ dồi dào sức

C
C

khỏe để có thể tiếp tục dẫn dắt các thế hệ sinh viên mai sau đến với bến bờ thành công.

Cuối cùng là lời cảm ơn đối với các thành viên trong lớp 15CDT. Cảm ơn vì đã
đồng hành trong suốt 4 năm qua. Chúc các bạn thành công trên con đƣờng đã lựa
chọn.
Xin chân thành cảm ơn!

R
L
T

U
D

Đà nẵng, ngày 12 tháng 12 năm 2019

iii


CAM ĐOAN

Máy móc ra đời và phát triển dựa trên sự kế thừa và cải tiến không ngừng. Tuy
nhiên, ở mỗi sáng chế, cải tiến lại có một cách thực hiện khác nhau với mục đích
chung là giúp giải quyết đƣợc vấn đề. Do vậy sẽ có rất nhiều ý tƣởng với sự sáng tạo
khác nhau.
Trên tinh thần đó, nhóm tác giả chúng em gồm Nguyễn Thanh Phong và Dƣơng
Tấn Vũ thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo máy CNC mini dùng để phay gỗ mỹ nghệ”
,

ý tƣởng dựa trên những kiến thức thực tế cùng các tài liệu tham khảo.
Trong đề tài tốt nghiệp của nhóm, chúng em cam đoan hoàn toàn tự làm dƣới sự

hƣớng dẫn của Thầy PGS.TS. Trần Xuân Tùy.
Chúng em xin cam đoan các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
hồn tồn trung thực và khơng sao chép từ một báo cáo khoa học nào.

C
C

R
L
T

U
D

Đà Nẵng, ngày 12 tháng 12 năm 2019
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thanh Phong

iv

Dƣơng Tấn Vũ


MỤC LỤC
Chƣơng 1: GIỚI THỆU MÁY CNC VÀ MÁY KHẮC GỖ CNC .................. 1
1.1. Giới thiệu máy CNC ............................................................................................. 1
1.1.1. Khái niệm chung ............................................................................................ 1
1.1.2. Quá trình phát triển của máy CNC.................................................................5
1.1.3. Các thành cơ bản máy phay CNC ..................................................................8

1.1.4. Các hệ điều khiển số và các dạng điều khiển số ............................................9
1.1.5. Hệ tọa độ trên máy CNC và các điểm chuẩn ...............................................13
1.1.6. Những khái niệm cơ bản về lập trình gia cơng trên máy CNC ....................17
1.2. Giới thiệu máy khắc gỗ CNC..............................................................................21

C
C

Chƣơng 2: PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY .................................................. 24
2.1. Các phƣơng án chuyển động của dao .................................................................24

R
L
T

2.1.1. Phƣơng án 1 .................................................................................................24
2.1.2. Phƣơng án 2 .................................................................................................24
2.1.3. Chọn phƣơng án chuyển động dao............................................................... 25

U
D

2.2. Các hƣớng chọn động cơ trục chính và các trục tọa độ ......................................26
2.2.1. Động cơ dẫn động trục chính .......................................................................26
2.2.2. Động cơ dẫn động các trục tọa độ ................................................................ 27
2.3. Lựa chọn bộ truyền động ....................................................................................28
2.3.1. Bộ truyền đai ............................................................................................... 28
2.3.3. Cơ cấu dẫn hƣớng cho chuyển động các trục: .............................................32
2.3.4. Chọn cơ cấu dẫn hƣớng ...............................................................................33
2.3.7. Một số chi tiết khác ......................................................................................34

Chƣơng 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÁY.................................................... 35
3.2. Chiều sâu cắt t và chiều rộng phay B (mm) ........................................................36
3.3. Lƣợng dao chạy S ............................................................................................... 36
3.4. Tốc độ cắt V đƣợc tính theo cơng thức............................................................... 37
3.5. Lực cắt ................................................................................................................37
3.6. Cơng suất cắt ......................................................................................................38
3.7. Tính tốn để chọn vít me đai ốc ..........................................................................38
3.7.1. Tính chọn vít me- đai ốc cho trục Z. ............................................................ 38
3.7.2. Chọn vít me- đai ốc cho trục X,Y ................................................................ 41
v


3.8. Tính tốn để chọn cơng suất động cơ trục X và Y .............................................41
3.9. Tính tốn để chọn cơng suất động cơ trục Z.......................................................42

Chƣơng 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ...................................... 45
4.1.2. Driver điều khiển động cơ trục chính .......................................................... 48
4.1.3. Driver điều khiển động cơ bƣớc TB6560 ....................................................49
4.2.1. Phần mềm B-CNC: ......................................................................................51
4.2.2. Phần mền Vectric Aspire 9.5 .......................................................................53
4.2.3. Hƣớng dẫn tạo 3D và xuất G-code. ............................................................. 54

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........................................ 63
1. Kết quả sản phầm sau khi gia công thực tế............................................................ 63
2. Giới hạn của đề tài và đề xuất hƣớng nghiên cứu. ................................................64

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 65

C

C

R
L
T

U
D

vi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hệ thống điều khiên số vịng hở ......................................................................3
Hình 1.2: Hệ thống điều khiển số vịng kín .....................................................................4
Hình 1.3: Máy phay đầu tiên Cincinnate Hydrotel .........................................................7
Hình 1.4: Hệ thống điều khiển DNC .............................................................................10
Hình 1.5: Điều khiển theo điểm ....................................................................................12
Hình 1.6: Điều khiển theo đƣờng và theo biên dạng .....................................................13
Hình 1.7: Hệ trục toạ độ Đề-các Oxyz ..........................................................................13
Hình 1.8: Khi trục Z thẳng đứng ...................................................................................14
Hình 1.9: Khi trục Z nằm ngang ....................................................................................15
Hình 1.10: Các điểm gốc và điểm chuẩn.......................................................................15

C
C

Hình 1.11: Điểm gốc của chƣơng trình .........................................................................16

R

L
T

Hình 1.12: Điểm chuẩn của gá dao T và điểm gá dao N ...............................................16
Hình 1.13: Ghi kích thƣớc tuyệt đối ..............................................................................18
Hình 1.14: Ghi kích thƣớc tƣơng đối ............................................................................18

U
D

Hình 1.15: Gia cơng theo biên dạng ..............................................................................19
Hình 1.16: Ví dụ lập trình............................................................................................. 20
Hình 1.17: Khắc tranh ...................................................................................................21
Hình 1.18: Khắc logo ....................................................................................................22
Hình 1.19: Khắc chữ trên các vật liệu ...........................................................................22
Hình 1.20: Tạc tƣợng .....................................................................................................23
Hình 2.1: Hình mơ phỏng phƣơng án 1 .........................................................................24
Hình 2.2: Hình mơ phỏng phƣơng án 2 .........................................................................25
Hình 2.3: Động cơ phay spindle 0.5KW 4 ổ bi ER11 205mm ......................................27
Hình 2.4: Dây đai bắt vào puly răng..............................................................................28
Hình 2.5: Nguyên lý bộ truyền đai ................................................................................29
Hình 2.6: Vít me – đai ốc thƣờng ..................................................................................30
Hình 2.7: Vít me – đai ốc bi .......................................................................................... 31
Hình 2.8: Thanh trƣợt trịn có đế dẫn hƣớng .................................................................33
Hình 2.9: Thanh trƣợt vng .........................................................................................33
Hình 2.10: Khớp nối mềm ............................................................................................. 34
Hình 2.11: Đế cao su .....................................................................................................34

vii

Hình 3.1: Mũi dao khắc 3D sử dụng .............................................................................36
Hình 3.2: Mũi dao khắc 4D sử dụng .............................................................................36
Hình 4.2: Driver Spindle 500W.....................................................................................48
Hình 4.3: Sơ đồ nối chân của Driver spindle 500W......................................................49
Hình 4.4: Sơ đồ ngun lí TB6560................................................................................50
Hình 4.5: TB6560 thực tế .............................................................................................. 50
Hình 4.6: Thơng số cài đặt driver ..................................................................................51
Hình 4.7: Sơ đồ kết nối phần mềm B-CNC...................................................................52
Hình 4.8: Giao diện làm việc của B-CNC .....................................................................53
Hình 4.3: Biểu tƣợng phần mềm Aspire 9.5..................................................................54
Hình 4.9: Điêu khắc trên mica. ......................................................................................63
Hình 4.10: Sản phẩm phay trên mặt gỗ. ........................................................................63

C
C

R
L
T

U
D

viii


GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Chƣơng 1: GIỚI THỆU MÁY CNC VÀ MÁY KHẮC GỖ CNC
1.1. Giới thiệu máy CNC
1.1.1. Khái niệm chung
a. Khái niệm
CNC (Computer Numerical Control) là một dạng máy NC điều khiển tự động có
sự trợ giúp của máy tính, mà trong đó các bộ phận tự động đƣợc lập trình để hoạt động
theo các sự kiện nối tiếp nhau với một tốc độ đƣợc xác định trƣớc để có thể tạo ra
đƣợc mẫu vật với hình dạng và kích thƣớc u cầu.
b. Đặc điểm

C
C

Ngun lý cơ bản của việc điều khiển máy công cụ thơng qua việc điều khiển số
vẫn đƣợc duy trì khơng đổi từ khi nó bắt đầu xuất hiện. Tuy nhiên các chức năng và

R
L
T

công việc của thiết bị điều khiển thì tăng lên liên tục qua các năm và hiện nay cho
phép sử dụng ở mức tự động hóa cao.
Máy công cụ NC khác máy công cụ thông thƣờng một cách đáng kể vì máy thơng
thƣờng đƣợc một ngƣịi cơng nhân có tay nghề điều khiển bằng tay. Ngƣời cơng nhân

U
D

đọc bản vẽ chi tiết rồi sử dụng các thông số của máy dựa trên kinh nghiệm bản thân, vì

thế chất lƣợng và năng suất phụ thuộc rất lớn vào kỹ năng của ngƣời vận hành.
Các máy công cụ NC là các thiết bị gia cơng có thể lập trình tự do và phù hợp với
việc sản xuất tự động loạt nhỏ và trung bình.
Ƣu điểm chính của chúng chính là tính linh hoạt và tốc độ thay đổi nhanh các
chƣơng trình gia cơng với sự can thiệp tối thiểu bằng tay. Tính linh hoạt của máy NC
đạt đƣợc là do:
+ Khả năng lặp lại trong các chƣơng trình thực hiện.
+ Khả năng đƣa vào trực tiếp các kích thƣớc chi tiết và các số liệu hành trình dao
trên máy cơng cụ khi u cầu.
+ Khơng cịn yếu tố hạn chế hành trình cơ khí nhƣ cam rãnh, chốt dừng hay tấm
mẫu, nghĩa là không cần mọi sự điều chỉnh cơ khí.
+ Khả năng đƣa các giá trị cơng nghệ.
c. Phân loại
Các máy CNC có thể phân chia theo loại và theo hệ thống điều khiển:

SVTH : Nguyễn Thanh Phong
Dương Tấn Vũ

Trang 1


GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

- Theo loại máy cũng nhƣ các máy công cụ truyền thống , chia ra các loại nhƣ máy
khoan CNC, máy phay CNC, máy tiện CNC,...và các trung tâm CNC. Các trung tâm
CNC có khả năng thực hiện gia cơng nhiều loại bề mặt và sử dụng nhiều loại bề mặt
khác nhau.
- Phân chia theo hệ thống điều khiển có thể chia ra các loại :

+ Các máy điều khiển điểm tới điểm (máy khoan, máy khoét, máy dập,...
+ Các máy điều khiển đoạn thẳng : là các máy có khả năng gia cơng trong q
trình thực hiện di chuyển các trục.
+ Các máy điều khiển đƣờng.
* Điều khiển theo kiểu truyền thống
Hệ thống điều khiển (HTĐK) theo kiểu này gồm: điều khiển bằng cam, điều
khiển theo quãng 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 hệ thống điều khiển thƣờng khó thay đổi (chính xác là khơng

C
C

R
L
T

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

U
D

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 hệ thống
điều khiển mà nó dễ dàng thích nghi với sự thay đổi của sản phẩm. Nhìn chung, các hệ
thống điều khiển theo kiểu truyền thống tuy càng lúc càng đƣợc cải thiện tuỳ theo mức

độ cơ khí hố, tự động hố của nhà máy sản nhƣng vẫn chƣa thực sự đáp ứng đƣợc
nhu cầu của thực tế.
d. Điều khiển số
* Bản chất của điều khiển số
Khi gia cơng trên các máy cơng cụ thì chi tiết và dụng cắt thực hiện các chuyển
động tƣơng đối với nhau. Những chuyển động đƣợc lặp đi lặp lại nhiều lần khi gia
công mỗi chi tiết gọi là chu kỳ gia công.
Mỗi chu kỳ gia công đƣợc đặt trƣng bởi hai thành phần đó là: phần kích thƣớc và
phần điều khiển. Hai thông tin không thể thiếu trong bất kỳ một máy điều khiển nào.
Thơng tin về kích thƣớc cho phép chúng xác định hành trình của chu kỳ; trong khi đó
thơng tin về sự điều khiển cho phép xác định thứ tự của hành trình theo thời gian.

SVTH : Nguyễn Thanh Phong
Dương Tấn Vũ

Trang 2


GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

* Điều khiển số và hệ thống điều khiển số
+ Điều khiển số
Điều khiển số NC (Numerical Control) là một hình thức tự động hố đặc biệt. Máy
cơng cụ đƣợc lập trình để thực hiện một dãy có thứ tự các sự kiện với một tốc độ xác
định trƣớc nhằm gia công một chi tiết máy với toàn bộ những kết quả và tham số vật lí
hồn tồn có thể dự đốn đƣợc. Điều này đƣợc thực hiện là nhờ các bộ vi xử lý. Nó có
thể tiếp nhận và chuyển đổi các dữ liệu gia cơng thành các tín hiệu điều khiển máy
hoạt động và có thể thay đổi chức năng của nó bằng chƣơng trình ngồi, chứ khơng

phải chỉ thực hiện một số chức năng cố định nhƣ trƣớc đây.
+ Hệ thống điều khiển số
Là hệ thống mà trong đó các hoạt động đƣợc điều khiển là dữ liệu số đƣa vào trực

C
C

tiếp ở một điểm nào đó. Hệ thống đó phải tự động dịch chuyển tối thiểu một phần nào
đó của dữ liệu này.

R
L
T

Dữ liệu số là thông tin cung cấp bởi tín hiệu mã nhị phân. Nó đƣợc biểu diễn dƣới
dạng mã số hoặc kí tự. Đây là thơng tin cần thiết để tạo ra một chƣơng trình, gọi là
chƣơng trình gia cơng chi tiết.
Có 2 loại HTĐK:

U
D

+ Hệ thống hở và hệ thống kín.
Hệ thống hở

Hình 1.1: Hệ thống điều khiên số vòng hở
1: Bộ đọc
2: Bộ giải mã
3: Bộ khuếch đại
4: Bàn máy

M: Động cơ
SVTH : Nguyễn Thanh Phong
Dương Tấn Vũ

Trang 3


GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đặc điểm của hệ thống điều khiển số vịng kín như sau:
- Các hệ thống điều khiển đƣợc vận hành theo nhịp thời gian của một đồng hồ và
độc lập với biến ra.
- Khơng có cảm biến và bộ so sánh. Do đó, muốn đảm bảo chính xác cho biến ra
của cơ cấu chấp hành thì cần có u cầu cao về độ chính xác của hệ truyền động.
- Cấu trúc đơn giản và giá thành thấp.
Hệ thống kín:

C
C

R
L
T

U
D

Hình 1.2: Hệ thống điều khiển số vịng kín

1: Bộ đọc
3: Bộ khuếch đại
5: Bộ so sánh
M: Động cơ

2: Bộ giải mã
4: Bàn máy
6: Cảm biến đo vị trí

Đặc điểm của hệ thống điều khiển số vịng hở như sau:
- Độ chính xác của biến ra ít phụ thuộc vào hệ truyền động mà phụ thuộc vào cảm
biến.
- Làm việc chính xác và độ tin cậy cao.
Do vậy, hầu hết các hệ thống điều khiển số hiện nay là hệ thống kín. Các hoạt
động điều khiển đƣợc vận hành qua các sai lệch điều khiển giữa biến vào và biến ra.
+ Cấu trúc từng phần của hệ thống điều khiển số
- Bộ đọc: bao gồm các dữ liệu gia công, mô tả các hoạt động của máy kể cảhiệu
chỉnh dụng cụ dƣới dạng từng câu lệnh của chƣơng trình. Nó đƣợc in vào băng đục lỗ.

SVTH : Nguyễn Thanh Phong
Dương Tấn Vũ

Trang 4


GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Và chỉ khi nào mỗi một dịng lệnh đƣợc hồn thành nhiệm vụ thì một dịng lệnh

khác đƣợc đọc.
- Bộ giải mã: Nhiệm vụ biến nội dung dịng lệnh thành tín hiệu điều khiển.
- Bộ so sánh: So sánh giá thực của biến ra để chấp hành với giá trị biến vào của hệ
điều khiển. Sai lệnh này nếu có sẽ đƣợc biến thành tín hiêụ điều khiển.
- Bộ khuếch đại: Có nhiệm vụ dùng để biến đổi mức tín hiệu cần thiết cho mục
đích điều khiển.
- Cảm biến: Dùng đo giá trị thực của biến ra. Sau đó, cung cấp cho bộ so sánh
dƣới dạng tín hiệu, thƣờng là tín hiệu điện.
e. Ưu, nhược điểm của máy CNC
* Ƣu điểm cơ bản
- So với các máy điều khiển công cụ bằng tay, sản phẩm từ máy CNC không phụ
thuộc vào tay nghề của ngƣời điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung, chƣơng đƣợc
đƣa vào máy. Ngƣời điều khiển chỉ chủ yếu theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động
của máy.
- Độ chính xác làm việc cao. Thơng thƣờng các máy CNC có độ chính xác máy là

C
C

R
L
T

0.001mm do đó có thể đạt đƣợc độ chính xác cao hơn.
- Tốc độ cắt cao. Nhờ kết cấu cơ khí bền chắc của máy, những vật liệu hiện đại

U
D

nhƣ kim loại cứng hay gốm oxit có thể sử dụng tốt hơn.

- Thời gian gia công ngắn hơn.
* Các ƣu điểm khác
- Máy CNC có tính linh hoạt cao trong việc lập trình, tiết kiệm thời gian chỉnh
máy, đạt tính kinh tế cao trong việc gia cơng hoạt loạt các sản phẩm nhỏ.
- Ít phải dừng máy vì lỗi kỹ thuật, do đó chi phí dừng máy nhỏ.
- Tiêu hao do kiểm tra ít, giá thành đo kiểm tra thấp.
- Thời gian hiệu chỉnh máy nhỏ.
- Có thể gia cơng hàng loạt.
* Nhƣợc điểm:
- Giá thành chế tạo máy cao hơn.
- Giá thành bảo dƣỡng, sửa chữa máy cũng cao hơn.
- Vận hành và thay đổi ngƣời đứng máy khó khăn hơn.
1.1.2. Q trình phát triển của máy CNC
a. Quá trình phát triển:

SVTH : Nguyễn Thanh Phong
Dương Tấn Vũ

Trang 5


GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Điều khiển số NC (Numerical Control) là phƣơng pháp tự động điều chỉnh các
máy công tác (máy công cụ, Robot, băng tải vận chuyển phơi liệu, chi tiết gia cơng,
sản phẩm,...) trong đó các hành động bị điều khiển đƣợc tạo ra trên cơ sở cung cấp các
dữ liệu ở dạng mã nhị phân. Nó đƣợc biểu diển dƣới dạng các con số thập phân, các
chữ cái và kí hiệu đặc trƣng tạo thành một chƣơng trình làm việc của thiết bị hay của

hệ thống.
Trƣớc đây, cũng đã có những q trình gia cơng cắt gọt đƣợc điều khiển theo
chƣơng trình bằng các kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình bằng hệ thống thuỷ
lực,... Ngày nay, với sự tiến bộ vƣợt bậc của khoa học kỹ thuật, nhất là trong lĩnh vực
điều khiển số và tin học đã tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà chế tạo máy nghiên cứu
và ứng dụng đƣa vào các máy công cụ truyền thống các hệ thống điều khiển tự động.
Biến các máy công cụ này thành các máy điều khiển theo chƣơng trình số, gọi là các
máy CNC (Computer Numerical Control).
Việc sử dụng các máy CNC cho phép giảm khối lƣợng gia công chi tiết, nâng cao
độ chính xác gia cơng và hiệu quả kinh tế, đồng thời cho phép rút ngắn đƣợc chu kỳ
sản xuất. Do đó, hiện nay rất nhiều nƣớc trên thế giới đã và đang ứng dụng rộng rãi

C
C

R
L
T

công nghệ mới này vào lĩnh vực cơ khí chế tạo. Đặc biệt là chế tạo các khn mẫu
chính xác, các chi tiết địi hỏi độ chính xác và độ phức tạp cao.

U
D

Xuất phát từ ý tƣởng điều khiển một dụng cụ thông qua một chuỗi lệnh kế tiếp,
liên tục nhƣ các máy công cụ điều khiển số ngày nay đƣợc thực hiện từ mãi thế kỉ
XIV. Khi ở châu Âu ngƣời ta dùng các chốt hình trụ để điều khiển các chuyển động
của các hình trang trí trên đồng hồ lớn của nhà thờ.
Năm 1808, Joseph M. Jacquard dùng những tấm tôn đục lỗ để điều khiển tự động

các máy dệt.
Năm 1863, M. Fourneaux phát minh ra đàn Piano nổi tiếng thế giới với băng giấy
đục lỗ làm vật mang tin.
Năm 1938, Claud E. Shannon trong khi làm luận án tiến sĩ đã đi đến kết luận rằng
việc tính tốn và truyền tải nhanh dữ liệu có thể thực hiện bằng mã nhị phân.
Từ năm 1949 đến 1952, Jonh Parsons và Học viện kỹ thuật Massachusett
(Massachusett Institute Of Technology) đã thiết kế “ một hệ thống điều khiển dành cho
máy công cụ, để điều khiển trực tiếp vị trí của các trục thơng qua dữ liệu đầu ra của
một máy tính, làm bằng chứng cho một chức năng gia công chi tiết ” theo hợp đồng
của không lực Hoa Kỳ.

SVTH : Nguyễn Thanh Phong
Dương Tấn Vũ

Trang 6


GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Cũng trong thời gian này, Parsons cùng với đồng nghiệp của ông đã đƣa ra 4 tiên
đề cơ bản sau:
1. Những vị trí đƣợc tính trên một biên dạng đƣợc ghi nhớ vào băng đục lỗ.
2. Các đục lỗ đƣợc đọc trên máy một cách tự động.
3. Những vị trí đã đƣợc đọc ra đƣợc liên tục truyền đi và đƣợc bổ sung thêm
tính tốn cho các giá trị trung gian nội tại.
4. Các động cơ servo (vơ cấp tốc độ) có thể điều khiển đƣợc chuyển động các
trục.

C
C

R
L
T

U
D

Hình 1.3: Máy phay đầu tiên Cincinnate Hydrotel
Cho đến năm 2003, lịch sử phát triển của máy công cụ điều khiển số đã đƣợc 51
năm tuổi. Nó đã đƣợc phát triển và ứng dụng rộng rãi ở nhiều nƣớc trên thế giới. Từ
những ứng dụng gia công đơn giản nhƣ việc di chuyển từ điểm đến điểm của máy
khoan đến những máy công cụ điều khiển 2 trục nhƣ máy tiện, điều khiển 3 trục nhƣ
máy phay,... và cho đến những nhiệm vụ tự động gia công nhiều trục và độ phức tạp
cao nhƣ: các khuôn rèn dập, các khuôn đúc áp lực, cánh tua bin và những chi tiết phức
tạp của máy bay, tàu thuỷ,... Ngồi ra, ngày nay máy CNC cịn đƣợc dùng vào việc
kiểm tra giám sát, điện báo điện tín và nhiều lĩnh vực khác đã đem lại chất lƣợng và
hiệu quả kinh tế rất đáng kể. Trong tƣơng lai, với lợi thế về sự ghép nối các hệ thống

SVTH : Nguyễn Thanh Phong
Dương Tấn Vũ

Trang 7


GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CNC riêng lẽ với nhau để tạo thành mạng sẽ đƣợc phát huy trong chiến lƣợt gia cơng
tồn cầu. Trong đó, dịng thơng tin đƣợc thu phát, chuyển giao bằng hệ thống vệ tinh,
đảm nhiệm mối liên kết giữa nhu cầu thị trƣờng - đơn đặt hàng - nhà thiết kế - nhà
chế tạo - nhà cung cấp - nhà tiêu thụ ,... trong mạng liên thơng tồn cầu WAR (World
Area Netword).
b. Trình độ hiện tại của máy CNC:
Các chức năng tính tốn trong hệ thống CNC ngày càng hoàn thiện và đạt tốc độ
xử lý cao do tiếp tục ứng dụng những thành tựu phát triển của các bộ vi xử lý. Các hệ
thống CNC đƣợc chế tạo hàng loạt lớn theo công thức xử lý đa chức năng, dùng cho
nhiều mục đích điều khiển khác nhau.
Việc cài đặt các cụm vi tính trực tiếp vào hệ NC để trở thành hệ thống CNC đã tạo
điều kiện ứng dụng máy công cụ CNC ngay cả trong xí nghiệp nhỏ, khơng có phịng
lập trình riêng, nghĩa là ngƣời điều khiển máy có thể lập trình trực tiếp ngay trên máy.
Dữ liệu nhập vào, nội dung lƣu trữ, các thông số, thông báo về tình trạng hoạt động
của máy cũng nhƣ các chỉ dẫn cần thiết cho ngƣời điều khiển đều hiển thị trên màn
hình.

C
C

R
L
T

Màn hình lúc đầu chỉ là đen trắng với các ký tự chữ cái và các con số thì đến nay
đã nâng cấp lên màn hình màu đồ họa, độ phân giải cao, có các hinh vẽ mơ phỏng tĩnh

U
D

và động, biên dạng của chi tiết gia công, chuyển động của dao,...đều đƣợc hiển thị trên
màn hình.
Các hệ CNC riêng lẻ có thể ghép thành mạng cục bộ hay mạng mở rộng để quản lý
điều hành một cách tổng thể hệ sản xuất tự động của một xí nghiệp hay một tập đồn
cơng nghiệp.
1.1.3. Các thành cơ bản máy phay CNC

SVTH : Nguyễn Thanh Phong
Dương Tấn Vũ

Trang 8


GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1.1.4. Các hệ điều khiển số và các dạng điều khiển số

C
C

a. Các hệ điều khiển số

 Hệ điều khiển NC ( Numerical Control )
Với hệ điều khiển này các thơng số hình học của chi tiết gia công và các lệnh điều
máy đƣợc cho dƣới dạng dãy các con số. Tất cả đƣợc ghi vào băng đục lỗ dƣới dạng
các câu lệnh của chƣơng trình. Các thơng tin này đƣợc đƣa vào hệ điều khiển, nó đƣợc
mã hố và tách thành các thơng tin hình học và thơng tin cơng nghệ.

R
L
T

U
D

+ Thơng tin hình học (Geometrical Information): là hệ thống thơng tin điều khiển
các chuyển động giữa dao và chi tiết. Nó ảnh hƣởng trực tiếp đến quá trình tạo
hình bề mặt (hình thành đƣờng sinh và đƣờng chuẩn của bề mặt hình học).
+ Thơng tin cơng nghệ (Technological Information): là hệ thống thông tin
chophép máy thực hiện gia công với những giá trị công nghệ yêu cầu: chiều sâu cắt,
tốc độ chạy dao, số vịng quay trục chính,...
+ Ngun tắc làm việc của hệ điều khiển NC là: Sau khi mở máy các lệnh
thứnhất và thứ hai đƣợc đọc. Khi quá trình đọc kết thúc thì máy bắt đầu thực hiện lệnh
thứnhất. Trong khi đó, thơng tin của lệnh thứ hai nằm trong bộ nhớ của hệ điều khiển.
Sau khi lệnh thứ nhất thực hiện xong thì lệnh thứ hai bắt đầu làm việc. Trong khi đó
lệnh thứ ba đƣợc đọc và ghi vào bộ nhớ tại vị trí mà lệnh thứ hai vừa đƣợc giải phóng.
Và q trình đọc dịch nhƣ vậy cho đến hết chƣơng trình.
- Nhƣợc điểm của hệ điều khiển NC là:
+ Khi gia công các chi tiết tiếp theo thì hệ điều khiển phải đọc lại tất cả các
lệnh từ đầu. Điều này dễ gây nhầm lẫn, sai xót của bộ tính tốn trong hệ điều khiển.
Do đó, dễ gây phế phẩm đối với chi tiết gia cơng.
+ Chƣơng trình dễ bị lỗi do băng đục lỗ, băng từ bị nhiễm bẩn hoặc bịmòn.
SVTH : Nguyễn Thanh Phong
Dương Tấn Vũ

Trang 9

GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

+ Khó thay đổi chƣơng trình.
 Hệ điều khiển CNC ( Computer Numerical Control )
Đặc điểm chính của hệ điều khiển CNC là có sự tham gia của máy tính. Trong hệ
điều khiển này, các nhà chế tạo máy đã cài đặt vào máy tính một chƣơng trình điều
khiển riêng cho từng loại máy. Với hệ điều khiển CNC cho phép thay đổi và hiệu
chỉnh chƣơng trình hoạt động của bản thân nó. Các chƣơng trình có thể đƣợcnạp vào
nhớ tồn bộ một lúc hoặc từng lệnh. Các lệnh điều khiển không chỉ viết cho từng lệnh
riêng rẽ mà còn cho nhiều chuyển động cùng một lúc. Điều này cho phép giảm tối
thiểu số câu lệnh của chƣơng trình, từ đó nâng cao độ tin cậy và khả năng làm việc của
máy. Ngoài ra, so với hệ điều khiển NC thì hệ điều khiển CNC có kích thƣớc nhỏ hơn
và giá thành cũng thấp hơn nhƣng hiệu quả đạt đƣợc thì lại rất cao.
 Hệ điều khiển DNC( Directe Numerical Control )
Hệ điều khiển DNC là sự kết nối giữa các máy CNC riêng rẽ với nhau thành một
trung tâm gia công và chịu sự chi phối của các máy tính trung tâm.

C
C

R
L
T

U
D

Hình 1.4: Hệ thống điều khiển DNC
Tất cả các chƣơng trình CNC sẽ đƣợc lƣu trữ trên đĩa cứng của máy tính và có thể
gọi trực tiếp theo nhu cầu từng máy. Trong một số trƣờng hợp, máy tính đóng vai trò
trong việc chỉ đạo lựa chọn những chi tiết gia công theo thứ tự ƣu tiên đểphân đi các
máy khác nhau.
SVTH : Nguyễn Thanh Phong
Dương Tấn Vũ

Trang 10


GVHD: PGS.TS Trần Xn Tùy

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Ngồi ra, nó còn khả năng truyền dữ liệu nhanh và nối ghép vào hệ thống giacông
linh hoạt FMS ( Flexible Manufacturing System ).
 Điều khiển thích nghi AC (Adaptive Control)
Hệ thống điều khiển thích nghi là hệ thống điều khiển có tính đến những tác động
bên ngồicủa hệ thống cơng nghệ để hiệu chỉnh chu kì gia cơng, nhằm loại những ảnh
hƣởng của các yếu tố đến độ chính xác gia cơng nhƣ : lƣợng dƣ gia cơng, độ mịn dụng
cụ, lƣợng chạy dao, . . .
Hệ thống điều khiển thích nghi có 2 loại:
+ Điều khiển thích nghi cƣỡng bức ACC (Adaptive Control Contrain ).
+ Điều khiển thích nghi tối ƣu ACO ( Adaptive Control Optimation ).
Với hệ thống điều khiển ACC chủ yếu dùng để điều khiển giới hạn các thơng số
cắt gọt cịn hệ thống điều khiển ACO dùng cho việc điều khiển tối ƣu hố các q
trình gia công nhằm giảm thời gian gia công và giá thành sản phẩm.
Hệ thống điều khiển thích nghi ngày càng phát triển, điều đó làm tăng hiệu quả
q trình gia cơng cắt gọt trên các máy công cụ.

 Hệ thống gia công linh hoạt FMS ( Flexible Manufacturing System )

C
C

R
L
T

Là hệ thống có thể gia cơng một chủng loại chi tiết có mức độ khác nhau nhất
định, với số lƣợng và thứ tự gia công tuỳ ý.

U
D

Một hệ thống gia công linh hoạt thƣờng có 3 yếu tố cơ bản sau:
− Các trạm gia công.
− Lƣu trữ và vận chuyển nguyên vật liệu.
− Hệ thống điều khiển máy tính.
Ngồi ra, một yếu quan trọng của hệ thống điều khiển FMS là con ngƣời.
Conngƣời ở đây chỉ đảm nhận công việc quản lí và điều hành hệ thống chế tạo, cịn
từngngun cơng do máy thực hiện một cách tự động theo chƣơng trình cài đặt sẵn.
b. Các dạng điều khiển của máy
Nhƣ ta đã biết, các máy CNC khác nhau có thể gia công đƣợc các bề mặt khác
nhau do sự chuyển động tƣơng đối giữa dao và chi tiết cần gia cơng nhƣ: các lỗ, mặt
phẳng, các mặt định hình, . . .
Do đó các dạng điều khiển của máy chia thành 3 loại sau:
+ Điều khiển theo điểm.
+ Điều khiển theo đƣờng.
+ Điều khiển theo biên dạng.

 Điều khiển theo điểm

SVTH : Nguyễn Thanh Phong
Dương Tấn Vũ

Trang 11


GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đƣợc dùng để gia công các lỗ bằng các phƣơng pháp khoan, khoét, doa, và cắt ren
lỗ. Trong q 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
khơng 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.

C
C

R
L
T

U
D

Hình 1.5: Điều khiển theo điểm

Ví dụ:
Khi gia công hai lỗ M(Xm, Ym) và N(Xn, Yn) trong hệ toạ độ Oxy (Hình 1- 6).
* Chúng ta có thể điều khiển theo các cách sau:
Đầu tiên cho dụng cụ thực hiện chạy dao nhanh đến điểm M. Sau đó, thực hiện
việc gia cơng lỗ M. Khi gia công xong tiến hành rút dao và chạy nhanh đến điểm N để
gia cơng lỗ N. Q trình dịch chuyển từ M đến N đƣợc thực bằng hai cách:
+ Quỹ đạo dịch chuyển theo MM1KN song song với trục Ox, Oy.
+ Quỹ đạo chuyển động theo đƣờng tối ƣu MKN.
 Điều khiển theo đường thẳng:
Là dạng điều khiển mà khi gia công dụng cắt đƣợc thực hiện lƣợng chạy dao theo
một đƣờng thẳng nào đó (Hình 1.7a).
 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 (Hình
1. 7b).

SVTH : Nguyễn Thanh Phong
Dương Tấn Vũ

Trang 12


GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 1.6: Điều khiển theo đường và theo biên dạng
1.1.5. Hệ tọa độ trên máy CNC và các điểm chuẩn

C

C

a. 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 hệ toạ độ nào
đó.
Thơng thƣờng trên các máy CNC hiện hành ngƣời ta thƣờng sử dụng hệ toạ độ
Đề- các Oxyz.

R
L
T

U
D

Cách xác định các trục theo quy tắc bàn tay phải và nó ln đƣợc gắn vào chi tiết
gia cơng (Hình1.12).

Hình 1.7: Hệ trục toạ độ Đề-các Oxyz
SVTH : Nguyễn Thanh Phong
Dương Tấn Vũ

Trang 13


GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

* Khi tiếp xúc và làm việc với máy CNC phải tuân theo quy ƣớc:
− Chi tiết gia công đƣợc xem là cố định cịn mọi chuyển tạo hình và cắt gọt do
dao thực hiện.
− Phƣơng trục chính là Oz, chiều dƣơng là chiều dao tiến ra xa chitiết.
− Phƣơng chuyển động của bàn xe dao là Ox và có chiều dƣơng hƣớng ra xa chi
tiết gia công.
− Trục Oy xác định theo quy tắc bàn tay phải.
b. Hệ trục tọa độ của các loại máy phay
 Máy phay đứng (Hình1.13)
- Trục Z song song với trục chính và có chiều hƣớng lên trên.
- Trục X nằm trên bàn máy, nếu nhìn vào trục chính thì chiều dƣơng hƣớng về bên
phải.
- Trục Y xác định theo quy tắc bàn tay phải.

C
C

R
L
T

U
D

Hình 1.8: Khi trục Z thẳng đứng
 Máy phay nằm ngang (Hình1.14)
- 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.

SVTH : Nguyễn Thanh Phong
Dương Tấn Vũ

Trang 14