Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy cnc mini

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY CNC MINI

Sinh viên thực hiện

: HOÀNG HỮU TÚ
Lớp: 53K1-KTĐK&TĐH

Giảng viên hƣớng dẫn : ThS. HỒ SỸ PHƢƠNG

Nghệ An, 05-2017
i


TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY CNC MINI

Sinh viên thực hiện

: HOÀNG HỮU TÚ
Lớp: 53K1-KTĐK&TĐH

Giảng viên hƣớng dẫn : Th.S HỒ SỸ PHƢƠNG
Cán bộ phản biện

: T.S ĐẶNG THÁI SƠN

Nghệ An, 5-2017

ii


LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, với sự phát triển của đất nước theo hướng cơng nghiệp hóa hiện đại
hóa sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công
nghiệp. Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức
tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác do con người thực
hiện được giảm thiểu.
Việc gia tăng tự động hóa trong q trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự
phát triển đáng kể về chính xác và chất lượng. Kỹ thuật tự động của CNC giảm thiểu
các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các cơng việc khác. Ngồi ra còn
cho phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy
móc để sản xuất các linh kiện khác.
Cấu trúc đồ án gồm 3 chương:
Chương 1. Tổng quan về máy CNC

Chương 2. Phân tích thiết kế hệ thống máy CNC
Chương 3. Chế tạo và thi cơng sản phẩm
Trong q trình làm và hồn thành đồ án, mặc dù em cũng đã cố gắng, song
cũng khơng tránh khỏi được sự sai sót, em rất mong nhận được sự góp ý và nhận xét
của hội đồng bảo vệ để em có thể hồn thiện hơn. Xin chân thành cám ơn quý các thầy
cô trong Viện Kỹ thuật và Công nghệ, đặc biệt là giảng viên, ThS. Hồ Sỹ Phƣơng đã
tận tình giúp đỡ và hướng dẫn để em hoàn thành đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn!

i


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy CNC mini“ tập trung nghiên cứu
hoạt động của máy CNC đối với công nghệ gia công tự động. Nghiên cứu cách thức
điều khiển và thuật toán điều khiển máy CNC, từ đó đi đến thiết kế, chế tạo một chiếc
máy CNC mini thay thế làm việc cho chúng ta. Máy CNC mini hoạt động một cách tỉ
mỉ, chính xác và phù hợp với lý thuyết và mơ phỏng.

ABSTRACT
The plan “Studying, designing and manufacturing CNC mini machines“ focuses
on the operation of CNC machines for outomatich machining technology.
The subject delves info the way of control and control algorithms of CNC
machines, from there to desingn and manufacture a mini CNC machine to work insteal
of human. CNC machines work meticulously, accurately and in accordance with
theory and simulation.

ii

MỤC LỤC
Trang
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ........................................................................................................ ii
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC ...................................................................1
1.1. Giới thiệu chung về máy CNC .............................................................................1
1.1.1. Khái niệm .......................................................................................................1
1.1.2. Lịch sử phát triển của hệ thống máy CNC .....................................................1
1.1.3. Những đặc điểm cơ bản của máy CNC ..........................................................2
1.2. Các phương pháp điều khiển trên máy CNC ........................................................3
1.2.1. Điều khiển 2D ................................................................................................3
1.2.2. Điều khiển 21/2 D ..........................................................................................3
1.2.3. Điều khiển 3D ................................................................................................3
1.3. Cấu trúc tổng thể máy CNC ..................................................................................4
1.3.1. Phần điều khiển ..............................................................................................4
1.3.2. Phần chấp hành ..............................................................................................4
1.4. Hệ trục tọa độ trên máy CNC ...............................................................................5
1.5. Phân loại máy CNC ..............................................................................................6
1.5.1. Dựa vào đặc điểm chuyển động của dao cắt: ta có hai loại máy ...................6
1.5.2. Dựa vào đặt điểm gia công cơ bản: ta có các nhóm máy ...............................6
1.6. Giới thiệu các loại động cơ bước sử dụng trong máy CNC ..................................7
1.6.1. Yêu cầu kỹ thuật của các động cơ chấp hành (ĐCCH) trong máy CNC .........7
1.6.2. Giới thiệu một số động cơ chấp hành (ĐCCH) trong máy CNC ...................7
1.7. Phần điều khiển ...................................................................................................17
1.7. 1. Tổng quan về hệ thống điều khiển máy CNC .............................................17
1.7.2. Sơ đồ cấu trúc điều khiển CNC .......................................................................19
Chƣơng 2. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY CNC ..............................21
2.1. Cấu trúc tổng thể máy CNC ................................................................................21
2.2. Phân tích, lựa chọn hệ thống điều khiển .............................................................21
2.2.1. Khối các cơ cấu điều khiển ..........................................................................21

2.2.2. Khối tín hiệu .................................................................................................31
2.2.3. Khối chương trình điều khiển ......................................................................38
iii


2.3. Phân tích hệ thống chấp hành .............................................................................40
2.3.1. Chọn cơ cấu chấp hành ................................................................................40
Chƣơng 3. CHẾ TẠO VÀ THI CÔNG SẢN PHẨM ...............................................44
3.1. Máy CNC plotter ................................................................................................ 44
3.1.1. Sơ đồ hệ thống máy......................................................................................44
3.2. Thiết kế chế tạo mơ hình.....................................................................................44
3.2.1. Tiến hành xử lý đâu DvD để lấy phần cần thiết (động cơ bước) .................44
3.2.2. Tiến hành ghép hai phần di chuyển của đầu DVD để tạo phần di chuyển của
trục X, trục Y của CNC ..........................................................................................45
3.2.3. Thiết lập trục Z. ............................................................................................46
3.2.4. Hoàn thành khung máy ................................................................................46
3.2.5. Tiến hành lắp ráp mạch điều khiển ..............................................................47
3.3. Phần mềm điều khiển ..........................................................................................47
3.3.1. Phần mềm Benbox .......................................................................................47
3.3.2. Cài đặt thông số cho phần mềm Benbox......................................................48
3.4. Tiến hành lập trình kiểm tra hoạt động của trục X ............................................51
3.4.1. Tiến hành nối dây kiểm tra hoạt động trục X ..............................................51
3.5. Tiến hành lập trình kiểm tra hoạt động của trục Y. ............................................52
3.6. Lưu đồ giải thuật chuyển dộng ...........................................................................53
3.7. Tiến hành cho máy hoạt động .............................................................................53
3.7.1. Thiết kế hình vẽ ............................................................................................53
KẾT LUẬN ..................................................................................................................55
1. Kết quả đạt được ....................................................................................................55
2. Kết quả chưa đạt được ...........................................................................................55
3. Hướng phát triển đề tài ..........................................................................................55

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................56
PHỤ LỤC .....................................................................................................................57

iv


DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.1: Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu ...................................................10
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý làm việc động cơ nam châm vĩnh cửu ...............................10
Hình 1.3: Động cơ bước có từ trở thay đổi ...................................................................11
Hình 1.4: Cấu tạo động cơ hỗn hợp ...............................................................................13
Hình 1.5: Cấu trúc trong động cơ lai .............................................................................13
Hình 1.6: Kết cấu thực tế của động cơ lai .....................................................................13
Hình 1.7: Sơ đố khối hệ thống điều khiển hở dùng động cơ bước ................................ 17
Hình 1.8: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín ...............................................................18
Hình 1.9: Cấu tạo phần cứng của điều khiển CNC .......................................................19
Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc tổng thể máy CNC .................................................................21
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch Arduino Uno R3 .......................................................21
Hình 2.3: Cổng ra vào Arduino Uno R3........................................................................25
Hình 2.4: Giao diện lập trình Arduino...........................................................................26
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý mạch Driver A4988 ............................................................27
Hình 2.6: Sơ đồ kết nối dây A4988 với động cơ bước ..................................................28
Hình 2.7. Mạch CNC shield ..........................................................................................29
Hình 2.8: Sơ đồ lắp ráp. ................................................................................................ 30
Hình 2.9: Vị trí cổng COM trên mainboard của máy tính ............................................31
Hình 2.10: Sơ đồ chân cổng nối tiếp .............................................................................32
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch .................................................................................32
Hình 2.12: Cáp chuyển đổi giao tiếp USB sang COM ..................................................33
Hình 2.13: Bảng so sánh tín hiệu ở các chân trên ổ cắm 25 và 36 chân .......................35

Hình 2.14: Khối chương trình điều khiển......................................................................38
Hình 2.15: Giao diện phần mềm....................................................................................39
Hình 2.16: Thư viện tích hợp trong phần mềm. ............................................................40
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống máy CNC ..............................................................................44
Hình 3.2: Trục X, Y lấy từ ổ đĩa. ...................................................................................44
Hình 3.3: Lắp Ráp trục X, Y .........................................................................................45
Hình 3.4: Thiết kế trục Z. ..............................................................................................46
Hình 3.5: Khung máy ....................................................................................................46
v


Hình 3.6: Mạch điều khiển ............................................................................................47
Hình 3.7: Màn hình giao diện phần mềm benbox .........................................................47
Hình 3.8a: Thơng số cài đặt trên phần mềm Benbox. ...................................................48
Hình 3.8b: Thơng số cài đặt trên phần mềm Benbox. ...................................................49
Hình 3.9a: Thiết kế hình vẽ. ..........................................................................................49
Hình 3.9b: Thiết kế chữ. ................................................................................................ 50
Hình 3.9c: Thiết kế hình vẽ. ..........................................................................................50
Hình 3.10a: Sơ đồ nối dây test động cơ.........................................................................51
Hình 3.10b: Sơ đồ nối dây test động cơ ........................................................................51
Hình 3.11: Thuật tốn điều khiển trục X .......................................................................52
Hình 3.12: Thuật tốn điều khiển trục Y. ......................................................................52
Hình 3.13: Lưu đồ giải thuật chuyển dộng ...................................................................53
Hình 3.14: Thiết kế hình vẽ ...........................................................................................53
Hình 3.15a: Sản phẩm sau khi vẽ ..................................................................................54
Hình 3.15b: Sản phẩm sau khi vẽ ..................................................................................54

vi

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC
1.1. Giới thiệu chung về máy CNC [6]
1.1.1. Khái niệm
Máy CNC (Computer Numerical Controlled) là máy cơng cụ, điều khiển theo
một chương trình định sẵn. Các dữ liệu được cung cấp dưới dạng những lệnh.
1.1.2. Lịch sử phát triển của hệ thống máy CNC
1949- Mẫu đầu tiên của máy NC do MIT (Viện công nghệMassachusetts) thiết
kế và chế tạo theo đặt hàng của Không lực Hoa kỳ, để sản xuất các chi tiết phức tạp và
chính xác của máy bay.
1952- Chiếc máy phay đứng 3 trục điều khiển số của hãng Cincinnati Hydrotel
được trưng bày tại MIT.
1960- Máy NC được sản xuất và sử dụng trong công nghiệp.
- Các bộ điều khiển số đầu tiên dùng đèn điện tử nên tốc độ xử lý chậm, cồng
kềnh và tiêu tốn nhiều năng lượng.
- Chương trình được chứa trong các băng và bìa đục lỗ, khó hiểu và không sửa
chữa được.
- Giao tiếp người - máy rất khó khăn vì khơng có màn hình, bàn phím.
1970- Các linh kiện bán dẫn được sử dụng phổ biến trong công nghiệp
- Máy NC gọn hơn, tốc độ xử lý cao hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn,...
- Các băng đục lỗ sau này được thay bằng băng hoặc đĩa từ,...
- Tính năng sử dụng của các máy NC vẫn chưa được cải thiện đáng kể, cho đến
khi máy tính được ứng dụng.
CNC = Computer Numerical Control
Đầu 1970, máy CNC ra đời:
- Các bộ điều khiển số trên máy công cụ được tích hợp máy tính và thuật ngữ
CNC ra đời.
Máy CNC ưu việt hơn máy NC thông thường về nhiều mặt
- Tốc độ xử lý cao, kết cấu gọn,...
- Ưu điểm quan trọng nhất của chúng là ở tính năng sử dụng, giao diện với

người dùng và các thiết bị ngoại vi khác.
Các máy CNC ngày nay
1


- Có màn hình, bàn phím và nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin với người dùng.
- Nhờ màn hình, người dùng được thơng báo thường xun về tình trạng của
máy, cảnh báo báo lỗi và nguy hiểm có thể xảy ra, có thể mơ phỏng để kiểm tra trước
q trình gia cơng,...
- Có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác như robot, băng tải,
thiết bị đo,... trong hệ thống sản xuất.
- Có thể trao đổi thơng tin trong mạng máy tính các loại, từ mạng cục bộ (LAN)
đến mạng diện rộng (WAN) và Internet.
Hiện nay máy công cụ CNC đang được phát triển và ứng dụng rộng rãi vào
nhiều lĩnh vực cuộc sống nhiều nước trên thế giới. Cùng với sự phát triển vượt bậc của
công nghệ vi xử lý, trung tâm điều khiển của máy CNC hiện đại được điều khiển bởi
bộ vi xử lý. Nhờ tốc độ xử lý của các phần tử này mà nhịp độ làm việc của các máy
CNC được ghép với chúng không bị thay đổi. Có thể coi sự ra đời của máy CNC là
một cuộc cách mạng lớn trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy, đó là một phần tử vơ cùng
quan trọng trong hệ thống sản xuất linh hoạt. Nó góp phần thúc đẩy q trình tự động
hóa nhằm dần dần thay thế vai trị của con người trong q trình sản xuất.
1.1.3. Những đặc điểm cơ bản của máy CNC
Khả năng tự động hố cao.
Năng suất gia cơng cao, thời gian phụ ( thay dao, chạy không, …) giảm.
Khả năng đạt độ chính xác cao, tính ổn định cao.
Có khả năng tập trung nguyên công cao, khả năng gia công nhiều bề mặt trong
cùng một lần gá.
So với máy điều khiển tự động theo chương trình cứng (cam, cữ hành trình, trục
gài bi…) máy CNC có tính linh hoạt cao trong việc lập trình, tiết kiệm được thời gian
điều chỉnh máy đạt được tính chính xác cao ngay cả với sản xuất hàng loạt nhỏ.

Một ưu điểm nổi bậc khác chỉ có trong máy CNC đó là phương thức làm việc
với hệ thống xử lý thông tin “điện tử – số hóa”. Phương thức này cho phép nối ghép
với hệ thống xử lý số trong phạm vi quản lý xí nghiệp. Đồng thời cũng tạo điều kiện
cho việc ứng dụng các kỹ thuật quản lý hiện đại thông qua mạng liên kết cục bộ (
LAN) hay mạng liên thông (WAN).
Máy công cụ CNC tuy có được nhiều ưu điểm so với máy vạn năng nhưng cũng
cịn có nhược điểm là:
+ Khơng thích hợp với việc gia cơng những chi tiết đơn giản.
2


+ Chi phí cho việc mua sắm trang thiết bị q cao.
+ Địi hỏi người thợ đứng máy phải có một kiến thức tương đối rộng cả về cơ
khí, lẫn điện tử khi tiến hành gia công.
1.2. Các phƣơng pháp điều khiển trên máy CNC
1.2.1. Điều khiển 2D
Với điều khiển 2D hai trục có thể điều
khiển đồng thời. Do vậy các dịch chuyển của
dụng cụ có thể thực hiện theo đường thẳng và
dạng trịn trên cùng một mặt phẳng.
Ví dụ: một máy phay CNC 3 trục, điều
khiển 2D, nghĩa là, các biên dạng có thể phay
theo hai trục cịn trục thứ ba phải được tiến dao
đặc biệt độc lập với hai trục kia.
1.2.2. Điều khiển 21/2 D
Điều khiển 21/2D tạo ra các chuyển động
của dụng cụ cắt trong nhiều mặt phẳng, bằng
cách nội suy chuyển đổi giữa một trong ba mặt
phẳng chính.
Tất cả 3 trục được điều khiển trong điều khiển

21/2D tuy nhiên trong mỗi mặt phẳng ln ln
chỉ có hai trục được điều khiển đồng thời. Trục thứ ba gọi là trục tiến dao.
Tuỳ thuộc vào mặt phẳng gia công được chọn mà các trục khác nhau được điều
khiển đồng thời. Do vậy, các chuyển động có
thể có các mặt phẳng sau:
- Mặt phẳng X/Y
- Mặt phẳng X/Z
- Mặt phẳng Y/Z
1.2.3. Điều khiển 3D
Ba trục được nội suy đồng thời trong
điều khiển 3D, nhờ đó các chuyển động của
dụng cụ cắt được thực hiện trong khơng gian
theo kích thước 3 chiều.
3


Qua đó có khả năng gia cơng được các biên dạng phức tạp, ví dụ như chế tạo
dao cắt, chế tạo khuôn mẫu gia công trong một lần kẹp.
Ngày nay hầu hết các máy công cụ được điều khiển bằng 3D.
1.3. Cấu trúc tổng thể máy CNC
Máy CNC gồm có hai phần chính như sau:
- Phần điều khiển
- Phần chấp hành
1.3.1. Phần điều khiển
Phần điều khiển của máy CNC gồm chương trình điều khiển và thiết bị điều khiển:
+ Chương trình điều khiển: là tập hợp các tín hiệu để điều khiển máy được mã
hóa các chữ cái, số và một số ký hiệu khác (cộng, trừ, chấm, gạch nghiêng). Chương
trình này được ghi vào cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã số (mã thập phân, nhị
phân, bảng đục lỗ).
+ Cơ cấu điều khiển: có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực

hiện các biến đổi cần thiết để điều khiển được cơ cấu chấp hành và kiểm tra sự hoạt động
của cơ cấu chấp hành thông qua các cảm biến liên hệ ngược. Cơ cấu điều khiển gồm: cơ
cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấu
khuếch đại, cơ cấu hành trình, cơ cấu đo vận tốc các thiết bị xuất nhập tín hiệu.
1.3.2. Phần chấp hành
Phần chấp hành gồm máy cắt kim loại và một số cơ cấu phục vụ vấn đề từ động
hóa như cơ cấu chứa dao, cơ cấu tay máy, hệ thống bôi trơn, hệ thống hút thổi phoi,
cấp phôi.
Phần máy cắt kim loại là bộ phận trực tiếp tham gia vào quá trình cắt gọt để tạo
thành chi tiết.
Phần máy cắt kim loại cũng bao gồm hộp tốc độ, hộp chạy dao, thân máy, sóng
trượt, bàn máy, trục chính,… Các bộ phận này về cơ bản cũng chính là những bộ phận
trong máy vạn năng thơng thường. Tuy nhiên để phù hợp với quá trình điều khiển tự
động, có độ chính xác, năng suất cao và mở rộng khả năng cơng nghệ của máy thì
những bộ phận trên có những khác biệt so với máy thơng thường.
+ Hộp tốc độ: thường là điều chỉnh vô cấp nmin đến nmax, hoặc vô cấp trong một
khoảng giá trị nhất định trong hộp tốc độ.

4


+ Hộp chạy dao: có nguồn dẫn động riêng, thơng thường mỗi chuyển động chạy
dao được dẫn động bởi một động cơ riêng lẻ. Xét về mặt cơ khí thì giữa chúng hồn
tồn độc lập với nhau. Trong xích truyền động thường sử dụng các phương pháp khử
khe hở của bộ truyền vít me - đai ốc bi…
+ Thân máy được thiết kế sao cho dễ thải phoi, tưới trơn, dễ thay dao tự động,
một số máy cịn có thiết bị thay dao tự động hiệu chỉnh tự động khi dao bị mòn…
1.4. Hệ trục tọa độ trên máy CNC
Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công trên máy CNC phải
nằm trong hệ tọa độ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải:

+ Đặt ngửa bàn tay phải lên bàn máy với phương chiều các ngón tay như hình
vẽ, chiều ngón giữa là chiều trục Z, ngón trỏ là chiều trục Y, ngón cái là chiều trục X.
+ Trong hệ tọa độ này có 6 chuyển động: 3 chuyển động tịnh tiến theo 3 trục và
3 chuyển động quay theo 3 trục.
+ Trục Z: tương ứng với trục chính của máy CNC, có chiều dương là chiều mà
theo đó khoảng cách giữa dao và chi tiết tăng dần.
+ Trục X: là chuyển động tịnh tiến lớn nhất của máy CNC.
Ví dụ: Trên máy phay là chuyển động dọc trục, trên máy tiện là chuyển động
theo phương ngang. Cũng tương tự như trục Z, chiều cũng là chiều làm tăng khoảng
cách giữa dao và chi tiết gia công.
+ Trục Y: là trục mà tự nó cùng với hai trục trên làm thành một hệ trục toạ độ.
Ví dụ: trên máy phay là chuyển động chạy dao ngang. Trên máy tiện khơng có
trục này (cho dạng chi tiết là tròn xoay).
Một lưu ý quan trọng khi xét hệ trục tọa độ của một máy CNC thì phải coi chi
tiết đứng yên, còn dao chuyển động theo các phương của hệ trục tọa độ.

Trong quá trình làm việc, để gia cơng được trên máy CNC thì hệ tọa độ của
máy phải được xác định. Nói cách khác vị trí của hệ tọa độ phải được xác định so với
một số điểm cố định nào đó mà người ta gọi là điểm chuẩn.
5


Trong một máy CNC gồm có các điểm chuẩn sau đây:
+ Chuẩn M (Machine Datum Point): là chuẩn máy. Máy sẽ đo lường từ vị trí
này đến vị trí khác khi làm việc.
+ Chuẩn R (Reference Point): đây là chuẩn qui định trên máy, thường là vị trí
thay dao.
+ Chuẩn T (Tool offset): chuẩn dao.
+ W ( Work Datum Point): chuẩn chi tiết.
+ P ( Program Datum Point): chuẩn thảo chương

- Vị trí và ứng dụng của các chuẩn này thể hiện ở bảng sau:
Chuẩn
M

Vị trí và đặc tính

Ứng dụng

Khơng thể thay đổi

Dùng làm chuẩn đo lường khi

Gốc của hệ thống tọa độ máy

máy làm việc

Do dao cắt không thể đi tới được điểm gốc Dùng để thay thế chuẩn máy,
tọa độ máy, nên người thiết kế máy ấn định thường là vị trí thay dao khi có ổ
R

điểm này để dao cắt có thể di chuyển tới một chứa dao và thay dao tự động
cách dễ dàng
Không thể thay đổi được
Là điểm chuẩn của dụng cụ cắt. Do người Dùng để xác định vị trí dao cắt

T

thiết kế qui định.

sau khi lắp dao vào ổ dao

Không thể thay đổi được
W

P

Là gốc của hệ toạ độ của chi tiết gia cơng, có Dùng làm gốc của hệ toạ độ làm
thể thay đổi

việc trong q trình gia cơng

Là gốc của hệ toạ độ lập trình

Dùng làm gốc của hệ tọa độ

Có thể thay đổi theo ý muốn của người lập trong quá trình soạn thảo chương
trình

trình.

1.5. Phân loại máy CNC
Máy CNC được phân thành từng nhóm dựa trên một số đặc điểm của nó:
1.5.1. Dựa vào đặc điểm chuyển động của dao cắt: ta có hai loại máy
- Máy CNC có dao cắt đứng yên.
- Máy CNC có dao cắt quay.
1.5.2. Dựa vào đặt điểm gia cơng cơ bản: ta có các nhóm máy
- Máy tiện CNC.
6

- Máy khoan CNC.
- Máy phay CNC.
- Trung tâm gia công.
1.6. Giới thiệu các loại động cơ bƣớc sử dụng trong máy CNC [6]
1.6.1. Yêu cầu kỹ thuật của các động cơ chấp hành (ĐCCH) trong máy CNC
1.6.1.1. Vai trò của động cơ chấp hành trong máy CNC
Trong hệ thống máy CNC, ĐCCH đóng một vai trị cực kì quan trọng, đây là
nguồn năng lượng thiết yếu cho sự hoạt động của máy.
Mặt khác trong động cơ máy CNC, bất cứ mỗi chuyển động của máy như trục
chính, bàn xe dao, tay máy thay, bôi trơn, làm nguội đều được điều khiển bởi một
ĐCCH. Nhờ đó mà kết cấu cơ khí gọn nhẹ, đơn giản.
1.6.1.2. Yêu cầu kỹ thuật của động cơ chấp hành trong máy CNC
Trong máy CNC, ĐCCH thường làm việc ở dạng khởi động, dừng máy hoặc
đảo chiều quay, đây là điều kiện làm việc “khắc nghiệt” của động cơ. Vì vậy động cơ
cần có những u cầu sau:
- Khơng có hiện tượng tự quay, tự hãm khi ngắt tín hiệu điều khiển.
- Đặc tính cơ và đặc tính điều khiển là phi tuyến.
- Làm việc ổn định trong dãy tốc độ làm việc.
- Momen khởi động lớn.
- Tác động nhanh.
- Công suất điều khiển nhỏ.
- Dễ điều khiển vô cấp.
- Dãy điều khiển tốc độ rộng.
- Điện áp khởi động nhỏ.
- Độ tin cậy cao.
- Kích thước, trọng lượng nhỏ.
1.6.2. Giới thiệu một số động cơ chấp hành (ĐCCH) trong máy CNC
1.6.2.1. Động cơ chấp hành một chiều
1.6.2.1.1. Khái niệm
Động cơ điện một chiều là động cơ điện mà nguồn cung cấp là dòng một chiều.

Đây là loại động cơ được dùng rộng rãi trong hệ thống điều khiển nói riêng và máy
CNC nói chung.
So với động cơ điện xoay chiều, động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như sau:
7


Dễ điều chỉnh vơ cấp vì số vịng quay của động cơ được tính theo cơng thức sau:
ndc 

1 U I r
(vòng/ phút)

CE


Từ biểu thức trên ta nhận thấy, muốn điều chỉnh tốc độ động cơ ta có thể:
Thay đổi điện trở phần ứng
Thay đổi điện áp (bằng mạch chiết áp).
Phương pháp này được sử dụng rộng rãi vì tiết kiệm năng lượng, không gây tổn
hao công suất.
Làm việc ổn định ở mọi cấp tốc độ (trong phạm vi điều khiển).
Khơng có hiện tượng tự quay.
Khối lượng, kích thước nhỏ so với động cơ xoay chiều cùng công suất.
Mặt khác động cơ một chiều có nhược điểm lớn đó là: do có chổi than nên
thường xuất hiện tia lửa điện ở vùng tiếp xúc. Chính vì vậy động cơ điện một chiều
không làm việc ở những nơi dễ cháy nổ. Ngoài ra tia lửa điện là tác nhân gây ra tín
hiệu nhiễu, cần phải có bộ lọc nhiễu và lưới chặn.
1.6.2.1.2. Phân loại động cơ điện một chiều
Theo cấu trúc động cơ điện một chiều dùng trong hệ thống CNC có thể phân thành:
Động cơ điện một chiều có kích thích độc lập hoặc bằng nam châm vĩnh cửu.

Động cơ điện một chiều có phần ứng nhẵn.
Động cơ điện một chiều có qn tính nhỏ.
Trong các loại động cơ một chiều trên, hiện nay trên các máy công cụ CNC phổ
biến vẫn dùng loại động cơ điện một chiều kích từ dùng vòng mạch từ phụ với nam
châm vĩnh cửu.
Sở dĩ loại động cơ này được dụng rộng rãi vì:
Tổn hao công suất điện năng nhỏ hơn loại động cơ kích từ bằng mạch ngoại lai.
Lượng nhiệt tỏa ra thường nhỏ đến mức có thể qua vỏ động cơ mà truyền ra
môi trường xung quanh.
1.6.2.2. Động cơ bƣớc
1.6.2.2.1. Khái niệm, đặc điểm và phân loại
* Khái niệm:
Động cơ bước (stepping motor) là một cơ cấu chấp hành cơ – điện dùng để biến
đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học.

8


* Đặc điểm:
Động cơ bước là thiết bị sinh chuyển động quay qua các góc bằng nhau (gọi là
các bước - step) khi mỗi xung số (digital pulse) được cấp cho đầu vào stato theo một
thứ tự và một tần số nhất định thông qua bộ chuyển mạch điện tử và thực chất là một
động cơ đồng bộ. Vì lí do này động cơ bước rất phù hợp cho sử dụng với các hệ thống
điều khiển trên cơ sở số (digital).
Đặc tính chuyển động của động cơ bước là rời rạc (trái ngược với đặc tính
chuyển động quay liên tục và trơn như các loại động cơ khác).
Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) thì rơto (phần cảm)
của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định gọi là bước góc.
So với động cơ servo, động cơ bước có những ưu điểm sau:
Điều khiển định vị chính xác; khơng u cầu sự điều chỉnh; giá thành rẻ; có thể

làm việc trong vịng mở; có khả năng điều khiển trực tiếp bằng mạch số nên trong
mạch điều khiển không cần mạch biến đổi số – tương tự (DAC); cấp mômen cao tại
tốc độ thấp và mômen thấp tại tốc độ cao; chi phí bảo dưỡng thấp (do khơng có chổi
than), rất khỏe trong mọi mơi trường.
Tuy nhiên nhược điểm của chúng là ồn, tiêu thụ dòng bất kể có hay khơng có
tải, kích thước bị giới hạn và có thể bị cản trở hoặc mất định vị vị trí (mất bước) khi
khơng có vịng điều khiển.
Lựa chọn động cơ bước, cần xem xét các tham số sau:
- Tốc độ hoạt động (bước/giây).
- Mômen xoắn.
- Mômen quán tính.
- Góc bước u cầu.
- Thời gian để tăng tốc (ms).
- Thời gian để giảm tốc (ms).
- Kiểu truyền động được sử dụng.
- Kích thước và trọng lượng.
Vậy bước động cơ càng nhỏ thì độ chính xác trong điều khiển càng cao.
*Phân loại:

Động cơ bước có 3 loại cơ bản:
- Nam châm vĩnh cửu (Permanent Motor).
9


- Từ trở thay đổi (Variable Reluctance).
- Động cơ lai (Hybrid) – kết hợp hai loại trên.
1.6.2.2.2 Động cơ bƣớc nam châm vĩnh cửu (Permanent Motor)
* Cấu tạo:
Rôto sử dụng trong động cơ bước loại này gồm một nam châm vĩnh cửu hình
trịn, lắp vào một trục thép có độ cách từ cao. Rơto thường khơng có răng, được từ hóa

vĩnh cửu vng góc với trục (ngang trục). Stato có dạng hình móng được từ hóa với
các cực N & S xen kẽ nhau và trên các cực có quấn các cuộn dây pha. Động cơ bước
PM cho góc bước rộng, từ 450 ÷ 1200, tốc độ chậm nhưng mơmen khá lớn.

Hình 1.1: Cấu tạo động cơ bƣớc nam châm vĩnh cửu
* Nguyên lý làm việc:
Hình bên dưới trình bày động cơ bước có hai cặp cuộn pha. Cuộn L1, L3 hình
thành một cặp cuộn pha và L2, L4 là cặp cuộn pha thứ hai.

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý làm việc động cơ nam châm vĩnh cửu
10


Ta giả thiết vị trí ban đầu của động cơ như hình 2.16A.
Ban đầu 4 chuyển mạch S1, S2, S3, S4 đều hở nên khơng có dịng qua
các cuộn dây (hình 2.16A).
Đóng chuyển mạch S1 và S3, dịng điện đi qua các cuộn dây pha L1 và L3,
trường điện từ xuất hiện và rơto quay đến vị trí như trong hình 2.16B. Nếu ta cứ giữ
ngun như vậy thì rơto cũng sẽ đứng yên.
Ngắt chuyển mạch S1 và S3, rôto ở ngun vị trí như hình 2.16C.
Đóng chuyển mạch S2 và S4 thì dịng điện, điện trường và vị trí của rơto như
hình 2.16D
Cứ ln phiên đóng và ngắt các cặp chuyển mạch S1, S3 và S2, S4 thì rơto sẽ
quay theo một hướng.
1.6.2.2.3. Động cơ bƣớc có từ trở thay đổi
* Cấu tạo:
Rơto làm bằng thép non có độ dẫn từ cao và có từ trở thay đổi theo góc quay.
Mỗi răng của stato và rơto gọi là một cực. Mỗi pha trên stato được quấn thành hai
cuộn nối tiếp nhau ở vị trí xuyên tâm đối trên stato. Kết cấu stato trên từng pha của
động cơ bước biến từ trở giống với động cơ bước PM. Loại động cơ này cấp góc

bước nhỏ đến trung bình và có khả năng hoạt động với tốc độ chạy bước cao.

Hình 1.3: Động cơ bƣớc có từ trở thay đổi

11


* Nguyên lí hoạt động:
Khi cấp điện cho pha A, các cuộn A1 và A2 có cùng cực tính là cực bắc (N), từ
thông của hai cực này tăng dần và khép kín với rơto. Cực A3 và A4 mang cực tính
nam (S), từ thơng của hai cực này cũng tăng dần và khép kín với roto. Đường sức từ
rời khỏi cực bắc A1 vào răng 1 trên rôto, sau đó tách thành 2 nhánh, nhánh thứ nhất
phát triển đến răng 3 trên rôto, qua cực nam A3 vào stato và khép kín mạch từ tại cực
bắc A1. Nhánh thứ hai phát triển đến răng 4 trên roto, sau đó qua cực A4 vào stato và
cũng khép kín mạch từ ở A1.
Tương tự cho đường sức từ xuất phát từ A2.
Dịng điện cấp cho cuộn pha A, ở vị trí đang khảo sát thì từ trở là nhỏ nhất,
động cơ ở điều kiện cân bằng, rôto đứng yên.
Bây giờ ta ngắt điện trên cuộn pha A và cấp điện cho cuộn pha B thì ngay lúc
này từ trở trong động cơ lớn nên trục roto sẽ quay theo chiều giảm từ trở (cùng chiều
kim đồng hồ) cho đến khi từ trở nhỏ nhất thì động cơ lại đứng yên ở vị trí mới.
Cứ luân phiên cấp điện cho các cuộn dây A, B, C, A thì động cơ sẽ quay
theo chiều kim đồng hồ. Muốn động cơ quay theo chiều ngược lại thì ta đảo ngược thứ
tự cấp điện cho các cuộn dây thành C, B, A, C.
Một điểm cần lưu ý là rôto của động cơ bước biến từ trở làm bằng thép non
nên khi khơng có dịng điện qua các cuộn dây thì trên rơto cũng khơng tồn tại từ dư do
đó nó khơng bị hãm và quay tự do dưới tác dụng của tải. Đây cũng chính là khuyết
điểm của loại động cơ này.
1.6.2.2.4. Động cơ bƣớc hỗn hợp
Về cấu tạo, nó kết hợp cả hai loại động cơ trên. Thường stato có một số cực,

được cấp năng lượng bởi cuộn 2 pha. Rôto gồm một nam châm hình trụ, được cấp
năng lượng quanh trục.
Về tính chất, nó phát huy được các ưu điểm của cả động cơ nam châm vĩnh cửu
và động cơ có từ trở thay đổi: có mơmen hãm (khi ngắt điện), có mơmen giữ và
mômen quay lớn, hoạt động với tốc độ cao và có số bước lớn. Góc bước phụ thuộc vào
kết cấu, thường từ 0,450 ÷ 50.
Phương pháp bố trí và nối các cuộn pha trong động cơ bước biến từ trở và động
cơ lai cũng khác nhau. Ở động cơ bước biến từ trở thì các cuộn pha được lắp riêng biệt

12


trên từng đoạn stato cịn ở động cơ lai thì các cuộn pha được quấn nối tiếp từ đoạn
stato này sang đoạn stato kia.

Hình 1.4: Cấu tạo động cơ hỗn hợp
Hai đoạn roto của động cơ được chế tạo từ thép non và lắp chặt trên trục nam châm
vĩnh cửu nên các đoạn roto này được từ hóa tương ứng với các cực của nam châm.

Hình 1.5: Cấu trúc trong động cơ lai
Trong thực tế, trên các cực ngời ta lắp 2 cuộn dây có chiều quấn ngược nhau để
có thể dễ dàng thay đổi cực tính trường điện từ.

Hình 1.6: Kết cấu thực tế của động cơ lai

13


1.6.2.2.5. Hệ điều khiển động cơ bƣớc
* Hệ điều khiển động cơ bước cần phải có hai chức năng:

- Cấp nguồn cho các cuộn dây theo trình tự tín hiệu vào. Chức năng này được
thực hiện nhờ mạch logic, mạch trình tự và phần mềm điều khiển.
- Xung điện cấp cho cuộn dây phải đủ rộng. Đây là yếu tố rất quan trọng đối
với momen động cơ. Vì vậy hệ số thời gian điện (Lm/Rm) phải lớn hơn đáng kể so với
chiều rộng xung vào.
* Các cách điều khiển: có 3 cách:
- Điều khiển cả bước (Full Step).
- Điều khiển nửa bước (Half Step).
- Điều khiển vi bước (Micro Step).
1.6.2.3. Động cơ Servo [6]
1.6.2.3.1. Khái niệm
Động cơ Servo là loại động cơ mà trong cấu tạo có mạch phản hồi để xác định
suất điện động được tạo ra và dựa vào đó để thay đổi thời gian đóng ngắt của trigger.
Chính vì vậy động cơ này thường được dùng để truyền động trong máy CNC hệ kín.
Động cơ Servo ngày càng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống máy CNC vì nó
có nhiều ưu điểm sau:
Cho phép đạt được tốc độ tùy ý (trong phạm vi điều khiển).
Việc điều khiển tốc độ dễ dàng.
Kích thước và trọng lượng nhỏ so với động cơ cùng cơng suất.
Khơng cần quạt gió làm mát vì lượng nhiệt tỏa ra rất nhỏ, có thể truyền qua vỏ.
1.6.2.3.2. Phân loại
Theo chức năng thì động cơ Servo được phân thành 2 loại chính:
Động cơ dùng cho trục chính: loại động cơ này có cơng suất lớn từ vài trăm đến
hàng ngàn KW.
Động cơ dùng cho điều khiển bàn máy: loại động cơ này có cơng suất nhỏ, độ
nhạy cao.
Theo nguồn cung cấp thì động cơ Servo chia làm 2 loại:
AC Servo motor: dùng nguồn xoay chiều.
DC Servo motor: dùng nguồn một chiều.

14


1.6.2.3.3. Cấu tạo
a) DC Servo motor
Đây là mặt cắt ngang của động cơ DC
Servo có dịng kích từ bằng nam châm vĩnh
cửu.
1 Vỏ động cơ.
2 Cuộn dây của stator.
3 Rotor.
4 Thanh dẫn.
5 Chổi than
Rotor là 1 ống trụ, làm bằng vật liệu khơng từ tính, trên bề mặt có đặt các thanh
dẫn. Các thanh dẫn này được cấp điện bằng nguồn một chiều thông qua 4 chổi than.
Với cấu tạo như vậy rotor của động cơ sẽ có khối lượng nhỏ, momen qn tính nhỏ do
đó động cơ có thể dễ dàng tăng tốc, trì hỗn trong khoảng thời gian tương đối ngắn.
Stator của động cơ Servo có 2 dạng như sau:
Dạng 1: phần ứng khơng có rãnh để đặt cuộn dây, mà cuộn dây stator được bố
trí lên bề mặt của rotor. Do cách bố trí như vậy sẽ làm cho khe hở khơng khí giữa cốt
và lõi của phần ứng, từ đó làm tăng dịng kích cần thiết để tăng từ thông ra máy và
đồng thời làm giảm điện kháng của cuộn dây phần ứng.
Dạng 2 (như hình vẽ): loại này ở vỏ động cơ có dịng điện kích từ chạy qua. Cho
nên cơng suất điện năng tiêu hao nhỏ hơn loại động cơ kích từ bằng mạch ngoại lai và
lượng nhiệt tỏa ra nhỏ. Đây là loại động cơ thường dùng trong máy công cụ CNC.
Bộ phận phản hồi Encoder: là một mạch điện tử và 1 đĩa mã. Đĩa mã được gắn
trực tiếp lên trục động cơ. Đĩa mã có thể có từ 6 - 20 track, mỗi track tạo ra 1 bit nhị
phân theo mã từ các lỗ trên đĩa mã.
b) AC Servo motor

15


Rotor của AC Servo motot cũng là một ống trụ làm bằng những vật liệu khơng
từ tính. Bao ngồi rotor là các nam châm hình bán nguyệt, có tác dụng tạo ra từ
trường. Nhờ đó mà làm cho rotor có khối lượng nhỏ, giảm momen quán tính và đáp
ứng yêu cầu về tác động nhanh.
Stator của động cơ AC Servo motor không giống như stator của động cơ không
đồng bộ mà các rãnh của stator trên AC Servo motor có dạng rãnh xoắn (như trục vít),
để giúp cho AC Servo motor tạo ra từ trường quay và xoắn.
Ngoài ra AC Servo motor cũng có Encoder làm nhiệm vụ phản hồi những thông
tin vận tốc, nhiệt độ của động cơ về trung tâm điều khiển.
AC Servo motor ngày càng được dùng rộng rãi trong hệ thống máy CNC. So
với DC Servo motor thì AC Servo motor có ưu điểm là: khơng có chổi than vì vậy
khơng gây nhiễu, khơng cần bao
Một mức phát triển cao hơn là các động cơ Servo dịng một chiều, khơng dùng
chổi điện, có cuộn dây stator ba pha và một rotor kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
Đây là sự kết hợp giữa ưu điểm của động cơ một chiều (dễ điều khiển, giá phải chăng)
và động cơ xoay chiều (không cần bảo dưỡng).
1.6.2.4. Động cơ điện xoay chiều
Động cơ điện xoay chiều thường được dùng trong máy CNC là động cơ khơng
đồng bộ 1 pha.
Vì vậy muốn điều khiển tốc độ động cơ có 2 cách:
- Thay đổi số cặp cực: phương pháp này sẽ khơng thể điều khiển vơ cấp vì số
cặp cực ln là số nguyên.
- Thay đổi tần số f của nguồn cung cấp: đây là phương pháp thường được sử
dụng khi muốn điều khiển vô cấp động cơ xoay chiều. Tuy nhiên khi giảm hay thay
đổi tần số của nguồn thì cũng cần phải thay đổi điện áp U của động cơ để đảm bảo
momen giới hạn.
M gh 

3p 2 U 2
8Lf 2

So với động cơ điện một chiều thì động cơ điện xoay chiều có ưu điểm:
- Khơng cần chổi than vì vậy khơng sinh ra tia lửa điện. Chính nhờ đó mà động
cơ xoay chiều khơng cần bảo dưỡng.
- Có thể sử dụng trực tiếp lưới điện nguồn (nguồn xoay chiều).
- Dễ dàng chế tạo ra được những động cơ có cơng suất lớn.
16


- Một nhược điểm lớn của động cơ xoay chiều dùng trong máy CNC đó là giá
thành quá cao do phải dùng thêm bộ biến tần.
1.7. Phần điều khiển
1.7. 1. Tổng quan về hệ thống điều khiển máy CNC
1.7.1.1. Khái niệm điều khiển số NC (Numerical Control)
Là hệ thống điều khiển đặc trưng bởi các đại lượng đầu vào là những tín hiệu số
nhị phân, chúng được đưa vào hệ điều khiển dưới dạng một chương trình điều khiển có
hệ thống. Trong hệ điều khiển số ứng dụng cho điều khiển máy công cụ, các đại lượng
đầu vào là những thông tin, dữ liệu hay số liệu nạp vào.
1.7.1.2. Phân loại hệ thống điều khiển trong máy công cụ điều khiển số
Phân loại theo dạng điều khiển
- Điều khiển điểm.
- Điều khiển đường.
- Điều khiển theo biên dạng (contour).
Phân loại theo cấu trúc điều khiển
- Điều khiển NC (Numerical Control)
- Điều khiến CNC (Computerized Numerical Control)
Phân loại theo kiểu điều khiển

- Hệ thống điều khiển hở
Hệ thống điều khiển hở là hệ thống điều khiển mà đường truyền dữ liệu chỉ có
một chiều, nghĩa là khơng có phản hồi từ cơ cấu chấp hành về trung tâm điều khiển.Nó
chỉ có thể áp dụng trong các trường hợp lực cản trên đường dịch chuyển là ổn định
hoặc không đáng kể khi hệ thống làm việc, có thể dùng để điều khiển những cơ cấu
chấp hành có độ nhạy, độ chính xác cao như động cơ bước với số bước cao cho một
vịng quay của trục động cơ.

Hình 1.7: Sơ đố khối hệ thống điều khiển hở dùng động cơ bƣớc
17