Đồ án tốt nghiệp

LỜI CẢM ƠN

Sau bốn năm học tại trường Đại học Công Nghệ Thành Phố Hố Chí Minh, chúng em
đã được học và tiếp thu rất nhiều kiến thức mới từ sự chỉ bảo tận tình của Quý Thầy
Cô, cũng như sự giúp đỡ của bạn bè. Đây là khoảng thời gian đầy ý nghĩa . Đồ án tốt
nghiệp là nền tản quan trọng để đánh dấu một bước ngoặc mới trong cuộc đời chúng
em.
Chúng em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy Hà Ngọc Nguyên. Người đã
hướng dẫn chúng em thực hiện đồ án tốt nghiệp và cung cấp cho chúng em nhiều kinh
nghiệm quý báu.
Chúng em xin chân thành cám ơn quý thầy cô bộ môn cơ điện tử và các cán bộ
công nhân viên trường Đại học Công Nghệ Thành Phố Hố Chí Minh đã tạo điều kiện
thuận lợi để nhóm em có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này.

Sinh viên thực hiện:

Trang 1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan :
1 Những nội dung trong đồ án này là do tôi thực hiện dưới
sự hướng dẫn trực tiếp của thầy Hà Ngọc Nguyên.
2 Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng
tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố.
3 Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay
gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Sinh viên

Lời mở đầu
Trong giai đoạn phát triển đi lên theo hướng hiện đại hóa, công nghiệp hóa sản
xuất của đất nước ta hiện nay, thì việc sử dụng các loại máy móc hiện đại thay
thế sức lao động của con người là xu hướng tất yếu để tăng năng xuất lao động,
tạo được nhiều sản phẩm chất lượng cao phục vụ cuộc sống, giải phóng sức lao
động con người.
Trong công nghiệp để tạo ra các sản phẩm có chất lượng tốt, độ bền cao, mẫu mã
đẹp và đảm bảo tiêu chuẩn, phục vụ nhu cầu cuộc sống, phát triển kinh tế thì cần
phải có hệ thống sản xuất tự động bao gồm nhiều loại máy móc công nghiệp
hiện đại khác nhau.
Máy CNC (computer numerical controlled) là những công cụ gia công kim loại
tinh tế có thể tạo ra những chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệ hiện đại.
Phát triển nhanh chóng với những tiến bộ trong máy tính, ta có thể bắt gặp CNC
dưới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nước có hạt mài, máy
đột rập và nhiều công cụ công nghiệp khác. Thuật ngữ CNC liên quan đến một
nhóm máy móc lớn sử dụng logic máy tính để điều khiển các chuyển động và
thực hiện quá trình gia công kim loại. Đồ án này sẽ kết hợp hai loại máy phổ
biến nhất trên thị trường hiện nay là máy tiện và máy phay thành một máy.
Sự tiến bộ trong máy tính và trí thông minh nhân tạo sẽ làm cho những chiếc
máy CNC tương lai nhanh hơn và dễ vận hành hơn. Tất nhiên, giá của những
chiếc máy như vậy chắc chắn sẽ không rẻ và có thể vượt quá tầm với của nhiều
công ty. Tuy nhiên, nó sẽ đưa giá của những máy CNC cơ bản thực hiện những
chuyển động 3 trục ban đầu xuống một mức độ nhất định.
Các loại máy CNC sẽ có một tương lai bùng nổ mạnh mẽ. Một ý tưởng đang
được phát triển là một chiếc máy có trục chính được treo lên bởi sáu thanh giằng
vít me bi lồng vào nhau. Chuyển động của trục chính được điều khiển bởi một
máy tính phức tạp có khả năng thực hiện hàng triệu phép tính để đảm bảo đường
mức chi tiết chính xác. Đồ án này trình bày về quá trình tính toán thiết kế hệ
thống dẫn hướng cho gia công dưới sự di chuyển của một trục và một trục xoay.




Chương 1: Mục tiêu và tổng quan
1.1 Mục tiêu :
- Thiết kế và điều khiển máy CNC trục XZA.
1.2 Tổng quan :

1.2.1

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
được lập tình để hoạt động theo các sự kiện tiếp nối nhau với tốc độ được
xác định trước để có thể tạo ra được mẫu vật với hình dạng và kích thuốc
yêu cầu.
1.2.2 Phân loại :
- Các máy CNC có thể phần chia theo loại và theo hệ thống điều khiển:
•

•

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

Ví dụ như máy khoan, khoét, máy hàn điểm, máy đột, dập…
Các máy điều khiển đoạn thẳng : đó là các máy có khả năng
gia công trong qua trình thực hiện dịch chuyển theo các trục.
Các máy điều khiển đường : bao gồm các máy.
Máy 2D
Máy
3D


Điều khiển 2D1/2


Điều khiển 4D , 5D.
1.2.2.aƯu điểm của máy CNC :
-

-

So với các máy điều khiển công cụ bằng tay, sản phẩm từ máy CNC
không phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển mà phụ thuộc vào
nội dung, chương trình được đưa vào máy. Người điều khiển chỉ chú
yếu theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động của máy.
Độ chính xác lằm việc cao. Thông thường các máy CNC có độ chính
xác máy là 0.001mm do đó có thể đạt được độ chính xác cao hơn
Tốc độ cắt cao. Nhờ cấu trúc cơ khí bền chắc của máy, Những vật liệu
cắt hiện đại như kim loại cứng hay gốm oxit có thể sử dụng tốt hơn .
Thời quan gia công ngắn hơn .
Máy CNC có tính linh hoạt cao trong việc lập trình, tiết kiệm thời
quan chỉnh máy, đạt được tính kinh tế cao trong việc gia công hàng
loạt các sản phẩm nhỏ.

Ít phải dừng máy vì kỹ thuật, do đó chi phí dừng máy nhỏ.
Tiêu hao do kiểm tra ít, giá thành đo kiểm tra giảm.
Thời gian hiệu chỉnh máy nhỏ
Có thể gia công hàng loạt.

1.2.2.b Nhược điểm :
- Giá thành chế tạo máy cao hơn.
- Giá thành bảo dưỡng, sữa chữa máy cũng cao hơn.
- Vận hành và thay đổi người đứng máy khó khăn hơn.
1.2.3 Lựa chọn phương án thiết kế và điều khiển máy CNC trục XZA :
Gồm nhưng phương án sau:
1.2.3.a Giao tiếp máy tính với máy CNC.
1.2.3.a.1 Cổng nối tiếp (serial Port hay COM port) :
Ưu điểm:
Truyền tính hiệu đi được khá xa.
Dễ lập trình điều khiển vì hầu hết các ngôn ngữ lập trình hướng đối
tượng đều đa tích hợp sẵn module điều khiển cổng nối tiếp.



Nhược điểm:
Tính hiệu truyền nối tiếp nên việc đồng bộ chuyển động các trục khó
khăn.
Sử dụng chuẩn RS-232 không tương thích TTL . Phải có module
chuyển đổi qua lại giữa RS-232 .
1.2.3.a.2 Giao tiếp qua Slot Card :
Trong máy tính người ta chế tạo sẵn các slot cho phép người sử dụng
tính năng của máy bằng cách gắn các thiết bị vào đó.
Mỗi slot đều có các đường dữ liệu (data), địa chỉ (address), các đường
+5v, -5v, +12v, -12v và các đường điều khiển như CLK, IRQ,

RESET, IOW, IOR…vì vậy nếu thiết kế mạch giao tiếp qua slot sẽ
giảm được nhiều linh kiện, giảm được nguồn bên ngoài, dễ điều khiển
giá thành thấp, tốc độ truyễn dữ liệu nhanh.
Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm thì giao tiếp qua slot cũng có
những nhược điểm. Do slotcard gắn bên trong máy tính nên cách giao
tiếp này khó có thế nhận dữ liệu từ bên ngoài vào, và cũng bị hạn chế
về khoảng cách làm việc đồng thời mỗi khi sử dụng đều phải mở máy
tính gây bất tiện cho người sử dụng.
1.2.3.a.3 Cổng song song (LPT port hay parallel port) :
Ưu điểm:
Tín hiệu được truyền song song, việc loại suy được thực hiện dễ
dàng.
Tương thích TTL nên không cần module chuyển đổi.
•

•

Nhược điểm:
•
•

Tính hiệu truyền đi không được xa.
Khó lập trình.

1.2.3.a.4 Kết luận :Nhóm chọn cổng song song để giao tiếp với máy tính.



1.2.3.bCHỌN CƠ CẤU DẪN ĐỘNG:
Động cơ dẫn động các trục tọa độ.

1.2.3.b.1

Động cơ bước (stepping motor ).

Ưu điểm :
•
•

•

Khi dùng động cơ bước không cần mạch phản hồi cho cả vi điều
khiển vị trí và vận tốc .
Thích hợp với các thiết bị điều khiển số. Với khả năng điều khiển số
trực tiếp, động cơ bước trở thành thông dụng trong các thiết bị cơ
điện tử hiện đại.
Thường được sử dụng trong các hệ thống máy
CNC. Nhược điểm :

•

•

Phạm vi ứng dụng là ở vùng công suất nhỏ và trung bình. Việc
nghiên cứu nâng công suất động cơ bước đang là vấn đề rất được
quan tâm hiện nay.
Hiệu suất động cơ bước thấp hơn các loại động cơ khác.

1.2.3.b.2 Động cơ một chiều (DC motor).
Ưu điểm:
•


Momen xoắn lớn, giá thành
rẻ. Nhược điểm:

•
•

Đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp.
Phải có mạch phản hồi thì mới nâng cao độ chính xác.

1.2.3.b.3 Động cơ SERVO: Ưu
điểm:
•
•

Momen xoắn lớn, có cả 2 loại AC và DC.
Tốc độ đáp ứng nhanh, độ chính xác cao.



Nhược điểm:
•

Driver phức tạp, giá thành cao.

1.2.3.b.4 Kết luận :
Ta chọn động cơ bước làm động cơ dẫn động các trục tọa
độ.
1.2.3.c Lựa chọn phương án duy chuyển các trục
1.2.3.c.1 Phương án 1: phôi xoay trên trục A, dụng cụ gia công di chuyển trên trục Z

và trục Z di chuyển trên trục X.
1.2.3.c.2 Phương án 2 : Phôi xoay trên trục A, trục A di chuyển trên trục X,
dụng cụ gia công trên trục Z.
1.2.3.c.3 Kết luận :
Nhóm chọn phương án 1.


Hình 1: Mô hình máy điêu khắc gỗ 3D


Chương 2 : Tính toán thiết kế trục X và Z
2.1. Xác định chế độ làm việc giới hạn:
2.1.1 Chế độ cắt cực đại:
- Để đảm bảo máy làm việc với năng suất cao nhất đồng thời cũng đảm
bảo chất lượng của chi tiết gia công, máy thiết kế cần phải có khả năng để
lựa chọn vận tốc cắt và lượng chay dao thích hợp nhất.
- Chuyển động chạy dao là chuyển động tương đối của dụng cụ và chi tiết
gia công được thêm vào và tạo điều kiện đưa vùng gia công lan rộng ra
toàn bề mặt gia công. Chuyển động chạy dao có thể liên tục hoặc gián
đoạn.
- Tốc độ cắt là quãng đường mà một điểm trên lưỡi cắt chính nằm cách
trục xa nhất đi được trong một phút.
- Sau một vòng quay của dao phay, điểm của lưỡi cắt nằm trên đường tròn
của đường dao có đường kính d sẽ đi được một quãng đường mà chiều dài
là chu vi của đường tròn đó, tức là nd.
-quãng
Để xác
địnhđiquãng
màvòng
điểmvới

đó số
đi được
cần trong
phải nhân
đường
được đường
sau một
vòng một
quayphút,
của dao
một
phút, tức là ndn. Lúc đó, tốc độ cắt xác định thức sau :
ndn
100

V=0
Trong
đó :

V : vận tốc (m/ph)
d : đường kính của dao (mm)
n : Số vòng quay trục chính (v/ph)


- Đối với chi tiết gia công cùng chu vi, như cơ tính khác nhau, thì cần
phải gia công vận tốc khác nhau. Trong trường hợp gia công chi tiết có


đường kính dao khác nhau, nhưng vận tốc như nhau thì số vòng quay phải
được

chỉnh từ
- mas
nmasthì
tức
là dùng
chi
tiếtđiều
có đường
kínhndao
số vòng
cầnvận
thiếttốc
là V
: mas để gia công
min d
1000.V
max
nmin =

n.

max

d

- Khi dùng vận tốc Vmas để gia công chi tiết có đường kính dao dmin
thì
số vòng quay cần thiết là:

1000.Vmax


nmas =

n.

min

d

- Ta có thể thấy phạm vi điều chỉnh thay đổi vận tốc cắt, thì ta phải thay
đổi số vòng quay của động cơ.
- Tóm lại, máy CNC thì phạm vi điều chỉnh khá lớn. Điều đó lí giải cho
phép đáp ứng được các thông số công nghệ một cách cao nhất và góp
phần quyết định vấn đề tối ưu chế độ cắt.
2.1.2 Thông số trục quay chính.
- Để có thể thay đổi số vòng quay động cơ, ta chọn loại động cơ thay đổi
được số vòng quay thông qua biến tần, động cơ này có thông số sau :
Công suất định mức của động cơ P = 1,5 KW.
Số vòng quay động cơ n =23 000rpm.
Mô
men xoắn của động cơ T =
P.9,55.10

6

n

=
= 622,82 Nmm
1,5.9,55.10 6

23 000

Ta chọn bộ biến tần gián tiếp thay đổi tần số f.
Khoản thay đổi từ (5 Hz – 400Hz ).
- Với chế độ cực đại, toàn bộ chi tiết máy được thiết kế với tải trọng
lớn nhất, dẫn đến kích thước lớn nhất, trọng lượng tăng lên. Khi sử dụng
Trang 1 7


do phải đảm bảo độ bóng, độ chính xác khi gia công, trình độ tay nghề
công nhân đứng máy… nên ít người công nhân cho máy làm việc hết công
suất thiết kế. Do đó, chế độ cắt này thường dùng để tham khảo. Chế độ
cắt thích hợp là chế độ cắt tính toán dựa vào qui trình công nghệ hợp lí,
gia công với năng suất cao theo các công thức ở nguyên lí cắt.

Trang 1 8


2.1.3 Xác định tốc độ cắt:
- Ta có công thức xác định vận tốc cắt:
C V. D q
Trong đó :

V =

T m . t s. s y. Bu.

Zp

Kr


Cr : Hệ số điều chỉnh.
m, x, y, u, p, q – các hệ số mũ được xác định ở bảng
Bảng 2.1 Hệ số và các số mũ trong công thức tính tốc độ
phay.(Sổ tay Công Nghệ Chế Tạo máy _Tập 2).
Dao
Phay
Ngón
dạng
mũi
khoan

Vật
liệu
cắt
T15K
6

Nguyên
công
Phay mặt
phẳng và
rãnh

cắt khi

Chế độ Hệ số và các số mũ
cắt
B t S Cr q
x

y
u
p
m
- - - 245 0,44 0,24 0,26 0,1 0,13 0,37

T : chu kì bền dao T = 70 (bảng 5.40. Chu kì bền dao
của dao phay. Sách Cơ sở chế tạo máy_tập 2)
KV : Hệ số điều chỉnh chung cho tốc độ cắt phụ
thuộc vào các điều kiện cắt cụ thể :
KV = KMV . KNV . KUV
Trong đó:
KMV – hệ số phụ thuộc vào chất lượng vật liệu
gia công.(
bảng 5.1-5.4 Sách Cơ sở chế tạo máy _ tập 2).
KNV - hệ số phụ thuộc vào trạng thái phôi.(bảng 5.5
Sách Cơ sở chế tạo máy _ tập 2).



KUV - hệ số phụ thuộc vào vật liệu dụng cụ cắt.(
bảng 5.6 Sách Cơ sở chế tạo máy _ tập 2).
2.1.4 Lượng chạy dao:
- Khi phay cần phân biệt lượng chạy dao răng SZ ,lượng chạy dao
vòng S và lượng chạy dao phút, tất cả được biểu diễn mối quan hệ
sau:

Trong đó:

Sph = S. n = SZ. Z. n


n : số vòng quay cảu dao (v/ph).
Z : số răng của dao phay.
Lượng chạy dao xác định ở bảng(5.33-5.38/ Cơ sở chế
tạo máy _ tập 2)
2.1.5 Chiều sâu phay t(mm) và chiều rộng phay B(mm):
- Chiều sâu phay t và chiều rộng phay B được hiểu là lượng gỗ của phôi
được bóc đi khi phay. Trong tất cả các dạng phay trừ dao phay mặt đầu,
chiều sâu cắt được xác định bằng khoảng cách tiếp xúc của răng dao
và phôi được đo theo hướng vuông góc của đường tâm dao phay.
- Chiều rộng phay B được xác định bằng chiều dài cắt của răng dao
khi cắt, đo theo hướng răng dao song song với trục dao.
2.1.6 Xác định lực tác dụng khi gia công:
a. Lực cắt :
- Lực cắt là lực sinh ra trong quá trình cắt tác dụng lên dao.
b. Thành phần lực cắt :
- Lực tác dụng lên dao và phôi khi gia công, khi gia công chủ
yếu lực cắt và lực chạy dao. Độ lớn và hướng của lực có
ảnh hưởng



quyết định đối với kết cấu của máy thiết kế. Tùy thuộc vào quá trình
tạo phôi, lực cắt P hình thành với các phần lực hướng trục Ps ,
hướng kính Py , pháp tuyến PZ .

Hình 2.1: Sơ đồ lực cắt
Lực PZ – Xác định tải trọng động của cơ cấu hộp tốc độ và
tạo
cắt. nên công suất cắt, là thành phần lực cắt theo phương chiều sâu

Lực PV – Là lực ép dao vào chi tiết gia công là thành phần lực
cắt, theo phương vận tốc V.
Lực Ps , Py - Xác định tải trọng động của cơ cấu chạy dao
là
thành phần lực cắt theo phương dao S.
2.1.7Xác định chế độ cắt khi phay:
Dao được chọn ở đây là dao phay ngón hợp kim cứng:
-

Đường kính dao : D = 6mm .

-

Chiều dài phần làm việc của dao l =16mm .

-

Chiều dài dao: L = 40mm.

-

Số răng dao Z = 4.



Bảng 2.2: Lựa chọn dao phay ngón hợp kim cứng

D
l
L

3,0;3,5
8
28
4,0;4,5
10
32
5,0;5,5
12
36
6,0; 6,5; 7,0; 7,5
16
40
8,0; 8,5; 11,0; 11,5
20
45
10,0; 10,5; 11,0 11,5
20
50
12,0
25
60
Dao có đường kính 3 – 5,5 mm được chế tạo có số răng 3 và 4, còn đường kính
6 – 12 mm thì cố răng dao là 3 – 5.
Dao phay ngón hợp kim cứng liền khối có độ chính xác tiêu chuẩn và độ chính
xác nâng cao dùng để gia công vật liệu khó gia công.
a) Phay vật liệu gỗ:
- Xác định chiều sâu cắt t: tmas = 6 (mm)
- Chọn lượng chạy dao: S = 1mm/vòng
- Chiều rông phôi B =


=

D

1,25

6

= 4,8 mm

1,25

- Ta có công thức xác định vận tốc cắt:
C V. D q
V =
Trong đó :

T m . t s . s y . B u . Zp

Kr