Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục
LỜI NÓI ĐẦU
Trong một thời gian khá dài, ngành cơ khí đã tập trung nghiên cứu để giải
quyết vấn đề tự động hóa ở các xí nghiệp có quy mô sản xuất lớn (hàng loạt và hàng
khối). Nhưng trong thực tế, các xí nghiệp có quy mô sản xuất hàng loạt vừa và hàng
loạt nhỏ lại là phổ biến ở Việt Nam. Do đó, đòi hỏi các xí nghiệp này phải nâng cao
về hiệu quả sản xuất năng suất lao động, điều này đã dẫn tới vấn đề nghiên cứu triển
khai kỹ thuật tự động có tính linh hoạt cao trong các dây chuyền sản xuất.
Trong những năm gần đây các máy NC và CNC xuất hiện tại hầu hết các
lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là trong công nghiệp. Sự xuất hiện của các máy CNC đã
nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp. Tuy nhiên hầu hết các máy CNC
trong nuớc đều là nhập từ một số nuớc như Ðức, Nhật và Trung Quốc, giá thành các
máy CNC đều rất cao. Những máy CNC thiết kế và sản xuất tại Việt Nam còn rất ít
và hầu như chỉ dừng lại ở mức độ“chế máy CNC chạy được”. Do vậy chúng em đã
quyết định chọn đề tài thiết kế chế tạo máy CNC, để mong rằng trong một tương lai
gần, những máy CNC được thiết kế và sản xuất tại Việt Nam sẽ có chất lượng tốt,
chính xác và phổ biến hơn. Từ đó thúc đẩy sự phát triển của nền khoa học công
nghệ trong nuớc.
Trong đề tài đồ án tốt nghiệp, mục tiêu trước tiên mà chúng em hướng tới là
chế tạo được mô hình máy CNC 3 trục hoạt động ổn định với sai số nhỏ. Hướng tới
khắc phục dao động, sai số và nâng cao tính linh hoạt của máy CNC hướng tới
nghiên cứu chế tạo máy CNC 4, 5 trục với độ chính xác cao... Tuy nhiên do kinh
nghiệm còn hạn chế và thời gian thực hiện có hạn, nên đề tài của chúng em còn
những thiếu sót. Chúng em mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô
để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn. Sau thời gian làm đề tài bằng chính nổ
lực của bản thân và được sự hướng dẫn của thầy Đỗ Thế Cần chúng em đã hoàn
thành xong đồ án này đúng thời gian qui định.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Đỗ Thế Cần và các thầy trong
khoa Cơ khí đã hướng dẫn tận tình, tạo điều kiện tốt nhất để chúng em có thể hoàn
thành đề tài này.

GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 1


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA CÔNG CNC VÀ
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC
1.1 Tổng quan về máy gia công CNC
1.1.1 Sơ lược về máy CNC và quá trình phát triển
Điều khiển số (Numerical Control) ra đời với mục đích điều khiển các quá
trình công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ.Về thực chất, đây là một quá
trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại, robot,
băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc các chi tiết gia công, các kho quản lí phôi và
sản phẩm….) trên cơ sở các dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao
gồm các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên một
chương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống.
Lịch sử phát triển của máy NC bắt nguồn từ các mục đích về quân sự và hàng
không vũ trụ khi mà yêu cầu các chỉ tiêu về chất lượng của các máy bay, tên lửa, xe
tăng… là cao nhất. Ngày nay, lịch sử phát triển NC đã trải qua các quá trình phát
triển không ngừng cùng với sự phát triển trong lĩnh vực vi xử lý từ 4 bit, 8 bit… cho
đến nay đã đạt đến 32 bit và cho phép thế hệ sau cao hơn thế hệ trước và mạnh hơn
về khả năng lưu trữ và xử lý.
Từ các máy CNC riêng lẽ (CNC Machines – Tools) cho đến sự phát triển cao
hơn là các trung tâm gia công CNC (CNC Engineering - Center) có các ổ chứa dao
lên tới hằng trăm và có thể thực hiện nhiều nguyên công đồng thời hoặc tuần tự trên
một vị trí gá đặt. Cùng với sự phát triển của công nghệ truyền số liệu, các mạng cục
bộ và liên thông phất triển rất nhanh đã tạo điều kiện cho các nhà công nghiệp ứng
dụng để kết nối sự hoạt động của nhiều máy CNC dưới sự quản lí của một máy tính
trung tâm DNC (Directe Numerical Control) với mục đích khai thác một cách có

hiệu quả nhất như bố trí và sắp xếp các công việc trên từng máy, tổ chức sản xuất và
quản lí chất lượng sản phẩm…
Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí đã phát triển và đạt
đến trình độ rất cao như các phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ hợp CIM
(Computer Intergrated Manufacturing) với việc trang bị thêm các robot cấp phôi
liệu và vận chuyển, các hệ thống đo lường và quản lí chất lượng tiên tiến, các kiểu
nhà kho hiện đại được đưa vào áp dụng đã mang lại hiệu quả kinh tế rất đáng kể.
Các chức năng tính toán trong hệ thống CNC ngày càng hoàn thiện và đạt
tốc độ xử lý cao do tiếp tục ứng dụng nhừng thành tựu phát triển của các bộ vi xử lý
up. Các hệ thống CNC được chế tạo hàng loạt lớn theo công thức xử lý đa chức
năng , dùng cho nhiều mục đích điều khiển khác nhau.Vật mang tin từ bang đục lỗ,
băng từ, đĩa từ và tiến tới sử dụng đĩa CD có dung lượng ngày càng lớn, độ tin cậy
và tuổi thọ cao.
GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 2


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục

Hình 1.1 Mô hình điều khiển DNC

Hình 1.2 Mô hình điều khiển tổ hợp CIM
1.1.2 Những nét cơ bản về máy công cụ và máy CNC
Về cơ bản, máy công cụ vạn năng và máy CNC đều có kết cấu khung giống
nhau, đó là:
- Thân máy.
- Đế máy.
- Bàn trượt.
- Đầu trục chính.

GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 3


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục
Ngoài ra, chúng còn có một số điểm khác nhau, cụ thể là:
STT Nội dung
1

Nguồn động lực

2
3

Tốc độ truyền dẫn
Truyền động

4

5

6

Máy công cụ vạn
năng
Động cơ 3 pha thường.

Máy CNC


Phân cấp.
Kiểu nối tiếp (thông
qua hộp số).
-Thanh răng/ bánh răng
thường.
-Vít me/ đai ốc thường.

Vô cấp.
Độc lập.

-Động cơ DC điều khiển
vô cấp hoặc AC biến tần
điều khiển vô cấp.
-Động cơ bước và động cơ
thủy lực.
-Động cơ servo.

-Thanh răng/ bánh răng
yêu cầu có cơ cấu kẹp khử
khe hở.
-Vít me/ đai ốc bi.
Điều khiển
Bằng tay (công tắc,tay Bằng máy tính với hệ điều
gạt cơ khí).
khiển số (bảng điều khiển
và màn hình điều khiển).
Tính điển hình của -Dài, thông qua nhiều
-Ngắn hơn rất nhiều do
xich động
cơ cấu.

không phải thông qua
-Cứng, khó thay đổi.
nhiều cơ cấu.
-Mềm dẻo, linh hoạt cao.
Những ưu điểm nổi bật của máy CNC so với máy công cụ thông thường:
Bộ truyền dẫn

- Gia công được những chi tiết phức tạp, độ chính xác gia công ổn định.
- Thời gian lưu thông ngắn do tập trung nguyên công cao, giảm thời gian phụ
và tăng được thời gian sản xuất.
- Tính linh hoạt và quy hoạch thời gian sản xuất cao.
- Chi phí kiểm tra và chi phí cho phế phẩm giảm.
- Hiệu suất cao và tăng năng lực sản xuất.
- Do có khả năng tự động hóa cao nên rất thích hợp trên các dây chuyền sản
xuất linh hoạt.
1.1.3 Kết cấu cơ bản của máy CNC
Máy CNC gồm 2 phần chính:
- Phần cơ khí: Đế máy, thân máy, bàn máy, bàn xoay, trục vít me, ổ tích
dụng cụ, cụm trục chính và băng dẫn hướng.

GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 4


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục
- Phần điều khiển: Các loại động cơ,các hệ thống điều khiển và máy tính
trung tâm.

Hình 1.3 Kết cấu cơ bản của máy CNC

1.1.4 Hệ thống tọa độ trên máy CNC
Để có thể tính toán quỹ đạo chuyển động của dụng cụ, cần thiết phải gắn vào
chi tiết một hệ trục tọa độ. Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia
công chi tiết trên máy CNC phải nằm trong một hệ trục tọa độ Descarte theo nguyên
tắc bàn tay phải và nó được gắn vào chi tiết gia công.

Hình 1.4 Hệ thống tọa độ trên máy CNC
Một đặc điểm mang tính quy ước là trên các máy CNC, chi tiết gia công
được xem là luôn luôn cố định và luôn gắn với hệ thống tọa độ cố định nói trên,còn
mọi chuyển động tạo hình và cắt gọt đều do dụng cụ thực hiện. Trong thực tế,điều
này đôi khi là ngược lại, ví dụ như trên máy phay thì chính bàn máy mang phôi thực
hiện chuyển động tạo hình, còn dụng cụ chỉ thực hiện nhiệm vụ cắt gọt.
GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 5


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục

Hình 1.5 Hệ tọa độ trên máy CNC và chuyển động của các trục
1.1.5 Ðặc điểm và phân loại
Một cách tổng quát các máy công cụ CNC có thể được phân loại theo các
đặc điểm sau.
- Truyền động : Thủy lực, khí nén và điện .....
- Phương pháp điều khiển : Tọa độ hay quỹ đạo ...
- Hệ thống định vị : Ðịnh vị kích thước tuyệt đối và định vị nối tiếp
- Các vòng lặp điều khiển: vòng hở, vòng kín, vòng nửa kín.
- Số trục tọa độ : 3 trục, 4 trục, 5 trục.....
Theo chức năng thì các máy công cụ CNC cũng như các máy công cụ vạn
năng, có thể được chia thành các nhóm sau:

- Nhóm máy tiện đại diện cho các máy tiện trong, tiện ngoài trên một phôi
dạng quay, cũng như cắt ren trong và ren ngoài....
- Nhóm máy khoan, doa để khoan, doa các phôi.
- Nhóm máy phay dể phay những chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo ra
các bề mặt và các góc đa dạng và cũng có thể khoan, phay và doa. Thay đổi nguyên
công bằng các thay dụng cụ cắt, có nghĩa là chỉ cần một lần gá kẹp.
- Nhóm máy mài để gia công tinh. Nhóm này bao gồm các máy mài trục,
mài lỗ, mài phẳng, mài rang, mài rãnh then, mài dụng cụ...
1.2 Nguyên lí vận hành của máy công cụ điều khiển số
1.2.1 Chương trình gia công một chi tiết
Chương trình gia công một chi tiết gồm có các chương trình điều khiển số và
dữ liệu.Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lưu giữ
trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ hoặc đĩa Compact CD) sau đó được nạp vào hệ
điều khiển số qua cửa nạp tương thích.Dữ liệu gồm các giá trị hiệu chỉnh biên dạng,
các dữ liệu hiệu chỉnh máy, các số liệu về dụng cụ cắt… được nạp vào từ bảng điều
khiển.
GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 6


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục
Chương trình điều khiển và dữ liệu được chuyển trực tiếp từ máy tính chủ
sang hệ điều khiển số của từng trạm gia công (hệ DNC).
1.2.2 Khối điều khiển
Chức năng của khối điều khiển là thực hiện chương trình gia công chi tiết
trên cơ sở dữ liệu sẵn có và tín hiệu từ bên ngoài. Nhận các giá trị vị trí của các trục
từ sensor đo vị trí encoder và tốc độ của các trục.
Thực hiện các chương trình điều khiển các cơ cấu chấp hành, động cơ bước
của trục chính, động cơ của các trục truyền dộng riêng lẻ để phối hợp tạo nên biên

dạng và điều khiển tốc độ các trục.
1.2.3 Điều khiển logic
Điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ như sau: tốc độ chạy nhanh ( không tải)
tối đa, bố trí xắp đặt các trục máy, các trạng thái đóng ngắt mạch của hệ điều khiển
và giới hạn vùng làm việc của hệ thống công nghệ (bàn máy, gá lắp, dụng cụ), lệnh
đóng ngắt bơm dung dịch làm mát và bôi trơn, lệnh tạo số vòng quay cho trục
chính, lệnh thay dụng cụ. Đầu ra khối điều khiển logic điều khiển các cơ cấu chấp
hành như: van thủy lực, van khí nén, các rơ-le…
1.2.4 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC
1.Màn hình.

2.Bảng điều khiển.

3.Mạch ghép nối.

4.Tay quay điện tử.

- Màn hình dùng để hiển thị tọa độ hiện tại của các trục truyền động, trạng
thái làm việc của toàn hệ thống…
GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 7


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục
- Bảng điều khiển để vào dữ liệu điều chỉnh máy, lập trình gia công, cài đặt
hệ thống…
- Tay quay điện tử dùng để vận hành máy trong các trường hợp để hiệu chỉnh

máy, đo chi tiết… phải mở cửa làm việc.
- Các khối vào ra (I/O), các bộ phận điều khiển truyền động (BĐK) lien lạc
với CPU thông nqua một bus hệ thống. Các khối Flash + Ram để lưu trữ các
chương trình điều khiển, dữ liệu máy và liên lạc với CPU.
1.3 Hệ thống tính toán điều khiển
1.3.1 Khái niệm và phân loại
Hệ điều khiển CNC thực hiện lưu đồ thuật toán như hình 1.7. Giai đoạn đầu
tiên, những thông tin về kích thước công nghệ được đưa sang khâu chuẩn bị chương
trình, sau đó là công việc lập trình điều khiển.

Hình 1.7 Lưu đồ điều khiển hệ CNC
Chương trình điều khiển được đưa vào thiết bị tính toán điều khiển, tạo tín
hiệu điều khiển các hệ truyền động điện tự động.Cấu trúc của thiết bị tính toán điều
khiển có thể chia làm hai nhóm: NC và CNC. Trong hệ CNC các chương trình điều
khiển được đưa vào khối xử lí sau đó qua đầu vào đưa đến các khối giải mã nhằm
tạo ra các mã tương thích của máy.Tín hiệu này hoặc đưa trực tiếp vào khối điều
khiển hoặc đưa vào bộ nhớ đệm và cuối cùng đến bộ nội suy để tính toán, phân ra
các chuyển động trên các trục tọa độ. Mặt khác, thông tin điều khiển còn đưa ra các
lệnh điều kiện công nghệ như tốc độ cắt, xoay chi tiết, thay dao…
1.3.2 Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC
1.3.2.1 Chuẩn bị chương trình bằng tay
Những thông tin cần thiết để chuẩn bị chương trình là: bản vẽ chi tiết và các
điều kiện công nghệ. Người soạn thảo chương trình phải truyền thông tin đó thành
các chương trình điều khiển số cho máy gia công.
GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 8


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục


Hình1.8 Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay
Chọn hệ trục tọa độ sao cho điểm tọa độ ban đầu cần phải trùng với điểm
xuất phát của dụng cụ cắt hoặc chi tiết gia công.
Dựa trên quỹ đạo chuyển động giữa các điểm tựa, viết chương trình quỹ đạo
chuyển động (đường thẳng, đường tròn, parabol,…) Nếu như dùng phương pháp
gần đúng thì phải tính sai số. Dựa vào các thông tin về công nghệ như chế độ cắt,
dụng cụ cắt, tốc độ cắt… thành lập biểu đồ công nghệ.
1.3.2.2 Chuẩn bị chương trình từ máy tính
Chuẩn bị chương trình điều khiển thực hiện bằng tính toán trực tiếp với chi
tiết gia công phức tạp mất nhiều thời gian và độ chính xác không đảm bảo. Ngày
nay, người ta thường thực hiện chuẩn bị chương trình nhờ máy tính. Đặc trưng của
lập trình bảng máy tính là việc ứng dụng một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng.
Với sự trợ giúp của ngôn ngữ lập trình như vậy, ta có thể:
- Xác định nhiệm vụ gia công tương đối đơn giản và không thực hiện các
tính toán bang tay.

GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 9


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục

.

Hình 1.9 Lưu đồ lập trình bằng máy tính
- Chỉ cần truy nhập một số ít dữ liệu có thể sản sinh ra mố khối lượng lớn các
số liệu cho nhiệm vụ gia công.
- Những tính toán cần thiết đều do máy thực hiện.

- Dùng một ngôn ngữ biểu tượng tương đối dễ học mà các từ của nó hợp
thành bởi những khái niệm phổ biến trong ngôn ngữ chuyên môn của kỹ thuật gia
công.
- Tiết kiệm phần lớn thời gian trong khi mô tả chi tiết cần gia công và các
chu trình công tác cần thực hiện.
- Hạn chế được các lỗi lập trình vì so với lập trình bằng tay chỉ cần cấp ít dữ
liệu vào máy tính và hầu như không cần phải tính toán.
Trong việc thực hiện tự động hóa chuẩn bị chương trình điều khiển máy tính
sẽ đảm nhận các bài toán về kích thước hình học và công nghệ tính toán các tọa độ
điểm tựa, tiện cận hóa các đường cong, tính toán các tham số khoảng cách đẳng trị.
Tính toán lượng ăn dao và tốc độ cắt, có thể gồm các bước sau:
B1: Chọn ngôn ngữ để mô tả quỹ đạo chuyển động, ngôn ngữ này có phải có đủ khả
năng mô tả được các kích thước tham số của quỹ đạo chuyển động với lời diễn tả
đơn giản, dễ sử dụng.
B2: Gia công thuật biến đổi thông tin về kích thước hình học sao cho có thể phối
hợp với ngôn ngữ của máy gia công.
B3: Tạo các thuật toán giải các bài toán mẫu theo các quỹ đạo gia công đặt ra.
B4: Gia công các thuật toán để phục vụ cho các đối tượng cụ thể.
GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 10


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục
Cấu trúc hệ điều khiển CNC

Hình 1.10 Cấu trúc của hệ CNC
Máy tính có nhiệm vụ quản lý, quan sát, lập trình. Ngoài ra, nhờ có khối
ghép nối (Interface Bus) để hệ có thể kết nối mạng với các máy tính bên ngoài với
mục đích để truyền dữ liệu, quản lý, theo dõi hoặc điều khiển DCN. Bảng ddieuf

khiển và tay quay điện tử dùng để vận hành máy, vào các dữ liệu, chọn các chế độ
làm việc, lập trình gia công…
Khối NC có nhiệm vụ thu thập và xử lý dữ liệu, nội suy, tính toán quỹ đạo,
điều phối. Chức năng của PLC là điều khiển quá trình công nghệ của toàn hệ. Trong
một số trường hợp cả ba khối (NC, PLC và khối vi điều khiển) được chế tạo thành
một khối, nó đảm bảo toàn bộ chức năng của hệ.
Khối vi điều khiển gồm các Controller (bộ điều khiển vị trí, bộ điều chỉnh
tốc độ…) thực hiện tất cả các bước cho chuyển động tuyến tính, các chuyển động
phi tuyến để đạt được biên dạng lập trình.
1.3.4 Hệ DNC
Máy công cụ CNC được điều khiển theo chương trình số viết bằng các mã ký
tự số, các chữ cái và một số ký tự chuyên dụng khác. Trong đó, hệ điều khiển có cài
đặt các bộ vi xử lý đảm nhiệm các chức năng cơ bản của chương trình số như: tính
toán tọa độ trên các trục điều khiển theo thời gian thực, giám sát các trạng thái thực
của máy, tính toán các giá trị chỉnh lý dao cắt, tính toán nội suy trong diều khiển

GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 11


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục
quỹ đạo biên dạng (tuyến tính, phi tuyến), thực hiện so sánh các cặp giá trị mong
muốn và giá trị thực.
Điều khiển trực tuyến DNC (Direct Numerical Control) là một hệ thống điều
khiển trong đó dùng máy tính điều hành trực tiếp nhiều máy công tác điều khiển
theo chương trình số. Đặc tính cơ bản của hệ DNC là sự ghép nối trực tiếp (online)
nhiều máy CNC với một máy tính.
1.3.5 Hệ thống gia công linh hoạt FMS
Hệ thống gia công linh hoạt bao gồm các loại máy công tác, chủ yếu là các

máy CNC, liên kết với nhau bởi các hệ thống điều khiển và hệ thống, một trình tự
gia công khác nhau, có thể được tiến hành theo thứ tự lựa chọn tự do.
Việc điều hành các quá trình tính toán cần thiết cho tất cả các hệ thống con trong
hệ thống gia công linh hoạt, tất yếu phải dựa trên cơ sở các máy công cụ CNC vận
hành theo nguyên tắc điều khiển DNC.
 Kết luận chƣơng I:
Máy công cụ điều khiển số CNC là loại máy gia công cơ khí rất phổ biến
hiện nay, sự ra đời và phát triển của nó đã thúc dẩy sự phát triển của ngành cơ khí
chế tạo đóng góp to lớn vào việc tạo ra của cải cho xã hội. Sự ra đời của máy CNC
làm cho các sản phẩm cơ khí chế tạo có chất luợng tốt hơn, độ chính xác cao hơn và
đặc biệt có thể sản xuất hàng loạt. Máy CNC có nhiều chủng loại khác nhau, mỗi
công nghệ gia công lại có một kiểu máy. Tuy nhiên xét tổng thể về nguyên lý thì
các máy CNC đều có cấu trúc và hệ điều khiển tương tự nhau. Cấu trúc của tất cả
các loại máy CNC đều bao gồm: Phần xử lý trung tâm (Giao diện người máy và
thực hiện nội suy), phần điều khiển servo, động cơ servo, phản hồi tốc độ, vị trí. Hệ
thống điều khiển vòng kín có độ chính xác vị trí rất cao, ngày nay hầu hết nguời ta
sử dụng phổ biến hệ thống điều khiển là hệ thống vòng kín.
Tuy nhiên trong thực tế nghiên cứu của sinh viên trong nước nói chung và sinh viên
đại học Bách Khoa nói riêng, thì việc nghiên cứu chế tạo một máy CNC điều khiển
vòng kín với đầy đủ chức năng và bộ phận của một máy CNC tiêu chuẩn là rất khó.
Vì giá thành động co Servo và hệ thống dẫn động vít mebi rất đắt và điều kiện nhà
xưởng còn hạn chế nên việc chế tạo một máy CNC đối với sinh viên là rất khó.
Trong đồ án này em tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu các phần tử trong hệ
thống điều khiển của máy CNC tiêu chuẩn. Từ đó bắt tay vào chế tạo một mô hình
máy CNC 3 trục cỡ nhỏ. Mục tiêc của chúng em trong đồ án này là chế tạo được mô
hình máy CNC 3 trục hoạt dộng tốt và có thể gia công được những vật liệu có độ
cứng vừa phải như nhôm, gỗ, nhựa. Máy có thể nhận file G-code và có thể lập trình
bằng tay trên phần mềm điều khiển. Các sản phẩm có thể phay ra là các bức tranh
3D trên gỗ và trên nhựa.
GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần


Trang 12


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục
CHƢƠNG 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÁC PHƢƠNG ÁN
THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY CNC
2.1 Phân tích lựa chọn phƣơng án di chuyển các trục
2.1.1 Phương án phôi cố định
Đặc điểm:
- Như trên hình, để trục Y có thể trượt được trên bệ đỡ vừa nâng được các
trục X và Z thì nó thường phải có kết cấu vũng chắc và có các thanh rằng ngang để
toàn bộ phần phần trượt Y không bị vênh. Xộc xệch khi di chuyển. Đồng thời 2 tấm
đỡ 2 bên phải đủ độ dày để khi cắt vào trục trượt của bệ đỡ thì khớp trượt không bị
rơ, đảm bảo trượt ổn định và không sai số.

Hình 2.1 Máy CNC phôi cố định
- Trục X trượt trên trục Y có gắn các hệ số các thanh trượt, cơ cấu truyền
động, động cơ ... tất cả các bộ phận này chuyển động cùng với trục Y.
- Trên trục Z có cơ cấu giữ động cơ chạy khoan. Trục Z trượt trên trục X nên trên
bộ phận trượt trục X có các thanh trượt, động cơ, cơ cấu truyền động cho trục Z.
2.1.2 Phương án phôi di chuyển trên trục Y, dụng cụ gia công di chuyển theo trục X
và Z
Đặc điểm:
- Phần cố định bao gồm khung máy (hay bệ đỡ), các trục trượt, động cơ và
cơ cấu truyền động của trục X và Y gắn cố định vào khung máy.
- Trục X và trục Y đều trượt trên các thanh trượt gắn cố định ở khung, trục Z là
trượt trên trục X, nên trên trục X có gắn thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động của
GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần


Trang 13


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục
trục Z.
- Trên trục Z có cơ cấu giữ động cơ chạy khoan.

Hình 2.2 Phôi di chuyển theo phương Y
2.1.3 Phương án trục Z cố định, phôi di chuyển
* Đặc điểm:
- Phần cố định bao gồm đế máy và phần gá cơ cấu dẫn động của trục Z.
- Phôi được đặt trên bàn máy và có thể di chuyển tự do theo phương trục X
và trục Y trong mặt phẳng ngang nhờ các cơ cấu dẫn động thường là động cơ gắn
liền với trục vít me.
- Đầu gá dụng cụ mang theo dụng cụ gia công thực hiện chuyển động theo
phương trục Z ( trục thẳng đứng ).

Hình 2.3 Máy CNC trục Z cố định
2.1.4 Kết luận
- Hai phương án di chuyển phôi là cho kết cấu máy nhỏ gọn và mang tính
công nghệ cao hơn so với phương án phôi cố định, dao di chuyển. Tuy nhiên
phương án này gặp khó khăn trong khâu chế tạo, vì kết cấu khá phức tạp, việc gá
đặt hai chuyển động chính là X và Y trên cùng một bàn máy là khó khăn cho việc
GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 14


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục
chế tạo mô hình, vì những cơ cấu dẫn hướng là tận dụng hoặc tự chế, dụng cụ kiểm

tra trong thực tế lại không đầy đủ nên khó có thể đạt độ chính xác nhất định.
- Với mục đích chế tạo mô hình máy CNC công suất trung bình nhóm chọn
phương án phôi cố định. Tuy phương án có kết cấu to, cồng kềnh và khối lượng lớn
hơn. Nhưng nó có ưu điểm dễ chế tạo hơn. Trong quá trình chế tạo chúng em cố
gắng khắc phục những nhược điểm trên.
2.2 Chọn cơ cấu truyền động
2.2.1 Phương án dùng vít me đai ốc thường
Vít me được gắn đồng trục với động cơ, khi động cơ quay, vít me quay, động
cơ và vit me gắn cố định, làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vít me. Đai ốc
thì được gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động( trục X, Y, Z). Từ đó làm cho bộ
phận đó chuyển động so với hệ thống thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động.
Tốc độ di chuyển được phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục
vít, thường thì bước ren rất nhỏ cỡ 1 đến 2 mm, một vòng quay của trục động cơ sẽ
làm đai ốc di chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít, vì vậy tốc độ di chuyển
của bộ phận trượt ở phương pháp này là chậm nhưng lại có độ chính xác khi chuyển
động khá cao. Dùng động cơ bước có bước góc càng nhỏ và trục ren có bước ren
nhỏ thì độ chính xác di chuyển càng cao. Ví dụ nếu dùng động cơ bước với bước
góc 1.8 độ làm và trục ren đường kính 6mm ( bước ren 1mm ) thì độ chính xác di
chuyển có thể đạt được là 0.005mm.
Một ưu điểm khác của phương án này là tạo ra lực đẩy lớn khi gia công mẫu
vật. Phương án này thường được dùng trong các máy CNC công nghiệp, gia công
các loại vật liệu cứng, kính thước lớn…

Hình 2.4 Vít me đai ốc thường
GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 15


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục

2.2.2 Phương án dùng vít me đai ốc bi
Đây là dạng vit me – đai ốc thay vì ma sát trượt thông thường, tiếp xúc giữa
vít me và đai ốc thông qua các viên bi được chuyển thành mà sát lăn. Điều này đem
đến một ưu điểm: chỉ cần một lực quay rất nhỏ vào trục vít me đã có thể làm cho đai
ốc chuyển động.
Đây là kết cấu bộ truyền vít me – đai ốc bi. Tuy có kết cấu đa dạng nhưng các thành
phần chủ yếu của bộ truyền bao gồm: vít me, đai ốc, các viên bi và rãnh hồi bi.

Hình 2.5 Vít me đai ốc bi
Vấn đề quan tâm trong bộ truyền vít me – đai ốc bi đó là dạng profin răng vít me và
đai ốc. Profin răng vít me dạng chữ nhật và hình thang là chế tạo dễ dàng hơn cả xong khả
năng chịu tải kém. Để tăng khả năng chịu tải, người ta tăng bề mặt làm việc của bộ truyền
bằng cách chế tạo profin dạng tròn.
Một vấn đề cũng rất quan trọng trong kết cấu của bộ truyền đó là kết cấu của rãnh
hồi bi. Rãnh hồi bi có thể là dạng ống, hoặc dạng theo lỗ khoan trong đai ốc hoặc là dạng
rãnh hồi bi gữa hai vòng ren kế tiếp.
* Đặc điểm:
- Rãnh hồi bi dạng ống có nhược điểm là tăng kích thước bộ truyền, độ bền mòn của
đầu ống thấp, kẹp chặt ống có độ tin cậy không cao.
GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 16


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục
- Rãnh hồi bi theo lỗ khoan trên đai ốc có ưu điểm là kết cấu gọn và tính công nghệ
tốt song khả năng tách thành nhiều nhóm, hồi bị khó khăn.
- Rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp: là dạng hồi bi được dùng nhiều hơn
do có kích thước gọn, không bị mòn nhanh, độ tin cậy cao và chiều dài rãnh hồi
bi lớn.


Hình 2.6 Các kiểu hồi bi trong vít me đai ốc bi
2.2.3 Phương án dùng đai răng
Phương án dùng đai răng sử dụng một vòng đai cao su khép kín với các răng cưa ở
mặt trong. Hai đầu của đai được đặt vừa vào 2 lô có cùng kính thước răng cưa của đai. Một
lô bắt chặt vào trục động cơ, còn lô kia được gắn vào một trục quay ở phía bên kia của khu
vực chuyển động sao cho lô có thể quay tự do tại chỗ. Một đoạn của đai được gắn với bộ
phận cần trượt, khi động cơ quay, toàn bộ đai dịch chuyển và kéo bộ phận cần trượt di
chuyển theo.
Tốc độ di chuyển của bộ phận cần trượt phụ thuộc vào tốc độ động cơ và đường
kính của lỗ. Một vòng của trục động cơ sẽ làm bộ phận trượt di chuyển một đoạn bằng với
chu vi của lô (thường là cỡ 20-30 mm). Rõ ràng phương án này bọ phận cần trượt có tốc độ
di chuyển rất nhanh.
Tuy nhiên, do độ chính xác di chuyển thấp vì tính co giãn của vật liệu làm đai có thể
dẫn đến những sai lệch khi gia công. Bên cạnh đó do lực đẩy sinh ra nhỏ nên khi cơ cấu
truyền động gặp phải tải lớn sẽ bị trượt bước (khi dùng với động cơ bước).
Phương án này thường được sử dụng trong các loại máy cần tốc độ di chuyển nhanh
GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 17


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục
mà không cần công suất lớn, như máy in, máy photocopy, máy cắt đề can…

Hình 2.7 Bộ truyền đai
2.2.4 Phương án dùng xích
Tương tự như phương án dùng đai, chỉ khác là bánh đai được thay bằng bánh xích,
và dây đai được thay bằng dây xích ăn khớp với bánh xích. Phương án này có ưu điểm là
không tồn tại lực căng đai, tải lớn, độ chính xác cao vì ít giãn và không trượt. Tuy nhiên

phương án này lại cần bôi trơn và bảo trì thường xuyên, đồng thời vẫn tồn tại vấn đề trượt
bước của động cơ bước khi gặp phải tải lớn.

Hình 2.8 Bộ truyền xích
2.2.5 Kết luận
- Với phương án dùng đai là rất tiện cho việc chế tạo mô hình, tuy nhiên đai có bán
trên thị trường rất hiếm đai răng có chiều dài phù hợp yêu cầu, đồng thời đa số lại là hàng
cũ, nên đã bị giãn nhiều, thời gian sử dụng còn lại ngắn, khi hư hỏng thì việc thay thế là khó
khăn. Bánh đai răng ngoài việc phải ăn đúng bước răng của loại đai sử dụng, còn phải có
kích thước mong muốn, do vậy việc tìm được loại đúng yêu cầu là khó khăn.
- Với phương án dùng xích, phương án này lại cần bôi trơn và bảo trì thường xuyên,
GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 18


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục
đồng thời vẫn tồn tại vấn đề trượt bước của động cơ bước khi gặp phải tải lớn.
- Phương án dùng vít me đai ốc thì có độ chính xác cao, chịu được tải lớn, giá thành
cao.
- Phương án dùng vít me đai ốc thường có độ chính xác tương đối cao, có thể dễ
dàng chế tạo và tìm thấy trên thị trường, giá thành hợp lý, mặt khác dung vít me đai ốc
thường tạo ra lực đẩy lớn khi gia công mẫu vật.
► Với việc chế tạo mô hình một máy CNC yêu cầu về lực cắt gọt và độ chính xác
cao, bền chịu được tải lớn nên chúng em quyết định chọn phương án truyền động bằng vít
me đai ốc bi cho máy CNC này.
2.3 Động cơ dẫn động các trục tọa độ
2.3.1 Động cơ bước (stepping motor)

Hình 2.9 Động cơ bước

* Ƣu 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.
* Nhƣợc 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.
GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 19


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục
- Hiệu suất động cơ bước thấp hơn các loại động cơ khác.
2.3.2 Động cơ một chiều (DC motor)

Hình 2.10 Động cơ điện một chiều
* Ƣu điểm:
- Momen xoắn lớn, giá thành rẻ.
- Có thể dụng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện
làm việc khác nhau.
- Điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải.
* Nhƣợc điểm:
- Đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp.
- Phải có mạch phản hồi thì mới nâng cao độ chính xác.
2.2.3 Động cơ SERVO

Hình 2.11 Động cơ Servo


GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 20


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục
* Ƣu điểm:
- Momen xoắn lớn, có cả 2 loại AC và DC.
- Tốc độ đáp ứng nhanh, độ chính xác cao.
* Nhƣợc điểm:
- Driver phức tạp.
- Giá thành cao.
2.3.4 Kết luận
Động cơ dẫn động trên máy CNC cho các trục trong thực tế là các động cơ
servo, với khả năng điều khiển chính xác ấn tượng, đồng thời kèm theo cả một bộ
phận phản hồi và bù sai số. Tuy nhiên với điều kiện kinh tế không đáp ứng được do
trên thực tế động cơ servo kèm với bộ phản hồi có giá thành rất đắt và hiếm thấy ở
Việt Nam. Do vậy ở đây chúng em thống nhất phương án dùng động cơ bước để
dẫn động các trục, vì loại động cơ này dễ điều khiển, dễ mua và có giá thành hợp lý.
Tuy nhiên do không kèm theo bộ phận phản hồi bù sai số nên trong một số trường
hợp như quá tải, qua nhiệt…động cơ sẽ không giữ được độ chính xác yêu cầu, xảy
ra tình trạng tụt bước hay mất bước. Do vậy khi tính toán thiết kế chúng em sẽ cố
gắng giảm sự sai lệch không mong muốn này về mức tối thiểu.
2.4 Lựa chọn cơ cấu dẫn hƣớng cho các trục
Trong máy CNC thì các trục cần chuyển động tịnh tiến, đồng thời các tải về
khối lượng thân máy, tải về lực khi cắt gọt…ảnh hưởng rất nhiều đến cơ cấu dẫn
hướng. Một cơ cấu dẫn hướng tốt không chỉ đảm bảo về tính chính xác trong
chuyển động, mà còn đảm bảo trơn nhẹ, ít ma sát, đồng thời có khả năng chịu tải
cao, lâu mòn.

Cơ cấu dẫn hướng cụ thể là thanh dẫn hướng có nhiệm vụ là dẫn hướng cho
các chuyển động của bàn máy theo phương các trục X, Y và chuyển động lên xuống
theo trục Z của trục chính. Yêu cầu của hệ thống thanh trượt phải thẳng, có khả
năng chịu tải cao, cứng vững tốt, không có hiện tượng dính, trơn khi trượt.
2.4.1 Ray trượt vuông
Ray trượt vuông của hãng HIWIN

GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 21


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục

Hình 2.12 Ray trượt vuông của hãng HIWIN
* Ƣu điểm:
- Loại là rất gọn nhẹ, khả năng chịu tải cao.
- Có bán sẵn modun trên thị trường với các kích thước khác nhau, rất phong
phú để lựa chọn.
- Đồng thời các bộ phận ăn khớp của nó đã được chế tạo sẵn, người sử dụng
chỉ cần mua về và gá đặt là có thể sử dụng được.
- Trong thanh trượt, tùy loại thì có thể dùng bạc trượt hoặc bi.
- Hệ số ma sát của thanh trượt này tương đối nhỏ.
* Nhƣợc điểm:
- Là khó gá đặt.
- Đồng thời giá thành thì rất đắt.
2.4.2 Ray trượt tròn(không có đế)

Hình 2.13 Ray trượt tròn
GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần


Trang 22


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục
* Ƣu điểm:
- Dễ chế tạo các cơ cấu gắn ray trượt lên bệ máy.
- Dẫn hướng và chống xoay tốt.
- Khi mua về dễ gia công, xử lý hơn.
- Giá thành tương đối.
* Nhƣợc điểm:
- Khó gá đặt.
- Độ không song song giữa hai trục tạo khiến cơ cấu di chuyển khó khăn.
2.4.3 Kết luận
Sau khi xem xét qua, kết hợp với các tiêu chí đặt ra khi thiết kế mô hình là
tính kinh tế, tính tiện dụng, tính hiệu quả…chúng em quyết định chọn phương án
phương án dẫn hướng bằng ray trượt tròn. Khi chọn phương án này, chúng em tận
dụng được các ưu điểm của nó là rẻ tiền, phù hợp với phương pháp gia công và chế
tạo đơn giản. Trong quá trình chế tạo, gá đặt chú ý khắc phục những khuyết điểm
của nó.
2.5 Chọn động cơ trục chính
Động cơ trục chính là một thành phần rất quan trọng trong máy CNC. Trong
các máy CNC công nghiệp thì động cơ trục chính là một động cơ điện hiện đại, có
kèm theo driver để điều kiển chính xác tốc độ vòng quay, thông qua đó điều khiển
tốc độ cắt gọt cho phù hợp.
Trong đồ án này, động cơ trục chính chỉ đơn giản là một động cơ điện bình
thường, và không có mạch điều khiển tốc độ. Sở dĩ chúng em làm như vậy vì các lý
do sau:
- Về vấn đề công suất : Cùng một kích thước như nhau, động cơ điện truyền
thống cho một công suất lớn hơn nhiều lần so với các loại động cơ khác như động

cơ bước, động cơ servo.
- Về vấn đề kinh tế: Cùng một công suất, động cơ điện truyền thống luôn có
giá thành rẻ hơn rất nhiều so với các loại kia.
- Về vấn đề đạt được yêu cầu đặt ra: do máy thiết kế và chế tạo ở đây chỉ
mang tính chất mô hình, nên trục chính chỉ quay tượng trưng, thực hiện cắt gọn rất
ít, phần chủ yếu của máy là sự chuyển động các trục X, Y và Z. Do vậy chọn động
GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 23


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục
cơ điện truyền thống là phù hợp với nhiệm vụ thiết kế đồ án lần này.
2.5.1 Phương án dùng máy khoan, máy mài cầm tay thông thường
Đây là các máy khoan, máy mài thông thường có bán rộng rãi trên thị
trường, dùng trực tiếp nguồn điện xoay chiều 220V. Các máy này có đặc điểm là :

Hình 2.14 Trục chính dung máy khoan máy mài bình thường
- Công suất lớn, tùy loại có thể từ 500 đến 1000W. Tốc độ quay cao.
- Kích thước, khối lượng lớn nên kềnh càng, nặng nề, khó gá đặt.
- Giá thành vừa phải.
- Có sẵn đầu gá dụng cụ chuyên dụng, độ đồng tâm tốt.
- Khó điều khiển tốc độ trục quay.
2.5.2 Phương án dùng động cơ trục mềm

Hình 2.15 Động cơ trục mềm
GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 24



Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục
► Cấu tạo động cơ trục mềm gồm có 4 bộ phận:
- Động cơ chính : là một động cơ dùng nguồn điện xoay chiều 220V, tốc độ lên đến
khoảng 22000 vòng/phút khi không tải, công suất lớn ( 230W).
- Bộ phận kẹp dụng cụ : tách rời khỏi động cơ quay mũi khoan, có kích thước và
khối lượng nhỏ.
- Dây truyền động mềm bằng lò xo: là một loại lò xo đặc biệt, mềm dẻo, có độ đàn
hồi lớn. Một đầu gắn vào trục động cơ, một đầu gắn vào trục kẹp mũi phay. Khi động cơ
quay, làm lo xo xoắn lại, do độ đàn hồi tốt, nó sẽ kéo theo trục kẹp mũi khoan quay với tốc
độ bằng với tốc độ của động cơ (ở trạng thái ổn định).
- Bàn đạp điều khiển tốc độ: làm thay đổi biến trở, tăng giảm dòng qua
động cơ, làm thay đổi tốc độ quay.
2.5.3 Phương án dùng động cơ điện một chiều tốc độ cao
Với phương án dùng động cơ một chiều chạy điện áp 12VDC hoặc 24VDC
làm động cơ trục chính có các đặc điểm sau:
- Tốc độ tối đa khoảng 6000 vòng/phút.
- Kích thước vừa phải, khối lượng nhỏ, dễ gá đặt, giá thành hạ.
- Khó khăn trong việc lắp đặt đầu gá dụng cụ.
- Dễ dàng điều khiển tốc độ.

Hình 2.16 Động cơ điện một chiều tốc độ cao
2.5.4 Kết luận
- Với phương án dùng máy khoan trục mềm thì có ưu điểm là dễ gá đặt phần kẹp
dụng cụ lên máy CNC, kích thước và khối lượng nhỏ sẽ giảm tải đáng kể cho động cơ thực
hiện chuyển động theo trục Z. Tuy nhiên loại này lại có độ bền không cao, và hiện nay đã
GVHD: Th.S Đỗ Thế Cần

Trang 25