BỘ GIÁO DỤC VÀĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY
TƯƠNG THÍCH PHẦN MỀM MACH3

Họ và tên sinh viên: TRẦN VĂN NGHĨA
Ngành: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Niên khóa: 2009 – 2013

Tháng 06 năm 2013


THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY
TƯƠNG THÍCH PHẦN MỀM MACH3

Tác giả

TRẦN VĂN NGHĨA

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng kỹ sư ngành
ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Giáo viên hướng dẫn:
Ths. LÊVĂN BẠN

Tháng 06 năm 2013
i

LỜI CẢM ƠN
Chân thành biết ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Nông Lâm Tp.HCM, Ban
chủ nhiệm khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường Đại Học Nông Lâm Tp.HCM đã tạo
điều khiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian theo học tại trường và hoàn thành
luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Văn Bạn và anh Lê Tấn Phúc đã tận tình
hướng dẫn và tạo điều kiện tốt nhất cho em trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Em chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể thầy cô trong bộ môn Điều Khiển
Tự Động cùng tập thể thầy cô khoa Cơ Khí – Công Nghệ đã tận tình dạy dỗ truyền đạt
kiến thức kỹ thuật, kinh nghiệm chuyên môn cũng như kinh nghiệm sống trong 4 năm
học vừa qua.
Cuối cùng em xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã giúp đỡ và động
viên em những lúc khó khăn để có thể hoàn thành luận văn đúng thời hạn.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013
Sinh viên thực hiện:

Trần Văn Nghĩa

ii


TÓM TẮT
Trong lĩnh vực cơ khí đặc biệt là cơ khí chính xác và lĩnh vực tự động hóa, máy
CNC là một trong những thiết bị được sử dụng nhiều để gia công những chi tiết phức
tạp với độ chính xác cao mà các máy phay thường không thực hiện được. Máy CNC
có ưu điểm là khả năng sản xuất hàng loạt với độ chính xác cao nhưng hầu hết đây là
những máy nhập từ nước ngoài và có giá thành rất đắt . Do vậy đề tài này tập trung

thiết kế chế tạo bộ điều khiển máy CNC tương thích phần mềm Mach3. Quá trình thực
hiện đề tài được tiến hành tại phòng thực tập bộ môn Điều Khiển Tự Động và theo
trình tự sau:
Nghiên cứu, tìm hiểu phần mềm Mach3.
Khảo sát phần cơ khí máy phay CREATOR EDM MODEL: CJ-530.
Thiết kế mạch điều khiển máy CNC 3 trục sử dụng động cơ servo DC giao tiếp
với phần mềm Mach3.
Thiết kế mạch giao tiếp giữa vi điều khiển và máy tính thông qua cổng máy in.
Tìm hiểu về thước quang (linear encoder) là bộ hồi tiếp của máy CNC.
Lập trình cho vi điều khiển STM32F100C8T6 tương thích với phần mềmMach3
để điều khiển động cơ DC.
Kết quả: Hoàn thành được những mục tiêu đã đề ra:
Thiết kế được mạch điều khiển máy CNC 3 trục bằng vi xử lýSTM23F100C8T6
và IC LMD18200 tương thích với phần mềm Mach3 qua cổng LPT.
Chương trình lập trình viết trên Keil C cho vi xử lý đã hoạt động và điều khiển
phần cứng đúng với phần điều khiển của phần mềm Mach3 trên máy tính.
Mạch điều khiển giao tiếp với Mach3 điều khiển mô hình máy CNC thực hiện
việc phay chi tiết cơ khí trên các vật liệuphi kim.
Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Ths. Lê Văn Bạn

Trần Văn Nghĩa
iii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii

TÓM TẮT .................................................................................................................... iii
MỤC LỤC .................................................................................................................... iv
DANH SÁCH CÁC HÌNH .............................................................................................. viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG .............................................................................................. xi
Chương 1 MỞ ĐẦU ..........................................................................................................1
1.1.Đặt vấn đề ..............................................................................................................1
1.2.Tầm quan trọng của đề tài ......................................................................................2
1.3.Mục đích của đề tài ................................................................................................2
1.3.1.Mục đích chung ...................................................................................................2
1.3.2. Mục đích cụ thể ..................................................................................................2
1.4. Giới hạn của đề tài ................................................................................................3
Chương 2 TỔNG QUAN – TRA CỨU TÀI LIỆU ...........................................................4
2.1. Tổng quan về công nghệ CNC ..............................................................................4
2.2.Một số máy CNC tiêu biểu ....................................................................................6
2.3.Tra cứu các bộ phận cần thiết của một máy CNC..................................................9
2.3.1.Động cơ DC ........................................................................................................9
2.3.2.Động cơ servo DC ...............................................................................................9
2.3.3.Công tắc hành trình ...........................................................................................11
2.3.4.Linear encoder ...................................................................................................12
2.4.Tra cứu các linh kiện điện tử ................................................................................13
2.4.1.Driver cầu H-LMD18200..................................................................................13
2.4.2.Ổn áp LD1117-3.3V..........................................................................................14
2.4.3.Opto cách ly quang HCPL2631 ........................................................................14
iv


2.4.4.IC cổng not 74HC14 .........................................................................................15
2.5.Cổng LPT .............................................................................................................15
2.6.Tìm hiều về phần mềm Mach3 ............................................................................18
2.6.1.Giới thiệu...........................................................................................................18

2.6.2.Giao diện phần mềm Mach3 .............................................................................18
2.7.Tìm hiểu vi điều khiển STM32 ............................................................................21
2.7.1.Tìm hiểu vi điều khiển STM32F100C8T6........................................................21
2.7.2.Tìm hiểu vi điều khiển STM32F103RDT6 .......................................................23
2.8.Tìm hiểu phần mềm Keil ARM lập trình cho vi điều khiển ARM ......................24
2.9.Tìm hiểu phần mềm biên soạn chương trình Souce Insight.................................24
2.10.Tìm hiểu mạch nạp J-Link nạp cho vi điều khiển ..............................................25
Chương 3 PHƯƠNG PHÁP VÀPHƯ
ƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU..............................................27
3.1.Địa điểm và thời gian thực hiện đề tài .................................................................27
3.1.1.Địa điểm ............................................................................................................27
3.1.2.Thời gian ...........................................................................................................27
3.2.Phương pháp nghiên cứu......................................................................................27
3.2.1.Chọn phương pháp thiết kế ...............................................................................27
3.2.2.Chọn phương pháp thiết kế phần mạch điện tử ................................................28
3.3.Phương tiện thực hiện ..........................................................................................28
Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................................29
4.1.Mô hình máy phay CNC ......................................................................................29
4.2. Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của linear encoder .............................36
4.2.1. Cấu tạo linear encoder......................................................................................36
4.2.2. Nguyên lý hoạt động của linear encoder ..........................................................37

v


4.3.Thiết kế mạch điều khiển các trục XYZ của máy CNC bằng động cơ Servo DC
tương thích phần mềm Mach3 ...................................................................................38
4.3.1.Khối mạch nguồn ..............................................................................................38
4.3.2.Khối mạch vi xử lý chính ..................................................................................39
4.3.3.Khối mạch cách ly giữa máy tính và vi điều khiển ...........................................40

4.3.4.Khối mạch công suất .........................................................................................40
4.3.5.Khối giao tiếp máy tính thông qua cổng máy in (cổng LPT) ...........................41
4.3.6.Lưu đồ giải thuật khối điều khiển động cơ .......................................................42
4.4.Lưu đồ hoạt động chung của mô hình máy CNC ................................................43
4.5.Điều khiển động cơ servo DC ..............................................................................44
4.6.Cài đặt một số thông số càn thiết trên phần mểm Mach3 ....................................45
4.7.Viết chương trình cho vi điều khiển.....................................................................47
4.8.Kiểm tra và chạy thử ............................................................................................49
4.8.1.Kiểm tra phần cơ khí và mạch điều khiển.........................................................49
4.8.2. Chạy thử nghiệm máy ......................................................................................57
4.9.Khảo nghiệm ........................................................................................................58
4.9.1.Mục đích khảo nghiệm ......................................................................................58
4.9.2.Phương pháp bố trí khảo nghiệm ......................................................................58
4.10. Kết quả ..............................................................................................................59
4.11.Thảo luận ............................................................................................................71
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .......................................................................72
5.1. Kết luận ...............................................................................................................72
5.2. Đề nghị ................................................................................................................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................74
PHỤ LỤC .....................................................................................................................75
vi


Phụ lục 1:Thiết lập thông số trên phần mềm Mach3Mill ..........................................75
Phụ lục 2: Giới thiệu phần mềm CamBam ................................................................78
Phụ lục 3: Bảng G-code, M-code sử dụng trong phần mềm Mach3..........................80
Phụ lục 4: Chương trình OrCAD Layout 10.5 ...........................................................82

vii



DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1: Máy phay CNC HànQuốc hiệu FANUC 0i-MC. ...........................................6
Hình 2.2:Máy khoan mạch in .........................................................................................7
Hình 2.3: Máy phay CNC – Model: XK714 ...................................................................8
Hình 2.4:Các loại động cơ DC .......................................................................................9
Hình 2.5: Động cơ servo DC .........................................................................................10
Hình 2.6: Cấu tạo một encoder đơn giản .......................................................................11
Hình 2.7: Xác định chiều quay động cơ bằng 2 kênh A, B của encoder.......................11
Hình 2.8: Các loại công tắc hành trình .........................................................................12
Hình 2.9: Thước quang và bộ hiển thị của Sterling ......................................................13
Hình 2.10: Sơ đồ chân LMD18200 ..............................................................................13
Hình 2.11: Sơ đồ chân và hình thực tế LD1117 3.3V ..................................................14
Hình 2.12: Sơ đồ chân và hình thực tế HCPL2631 ......................................................14
Hình 2.13: Sơ đồ chân và hình thực tế 74HC14AP......................................................15
Hình 2.14: Sơ đồ chân cổng LPT .................................................................................16
Hình 2.15: Chức năng địa chỉ thanh ghi của cổng LPT ...............................................17
Hình 2.16: Giao diện chính của Mach3 ........................................................................20
Hình 2.17: Bảng lựa chọn chương trình Wizard...........................................................21
Hình 2.18: Sơ đồ chân vi điều khiển STM32F100C8T6. .............................................22
Hình 2.19: Sơ đồ chân vi điều khiển STM32F103RDT6..............................................24
Hình 2.20: Cửa sổ phần mềm Keil ARM ......................................................................24
Hình 2.21: Cửa sổ phần mềm Source Insight ................................................................25
Hình 2.22: Cửa sổ phần mềm J-Link.............................................................................26
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển 3 trục máy phay với Mach3 ...............................27
Hình 3.2: Sơ đồ điều khiển động cơ trục chính .............................................................27
Hình 4.1: Mô hình máy được vẽ trên phần mềm Autodesk Inventor Professional 2013
.......................................................................................................................................29
Hình 4.2: Vít me 3 trục của máy phay...........................................................................30
Hình 4.3: Phần cơ khí trước khi thực hiện đề tài...........................................................31

viii


Hình 4.4: Kích thước tổng quát của thân máy...............................................................32
Hình 4.5: Kích thước tổng quát của đế máy ..................................................................32
Hình 4.6: Kích thước tổng quát của dẫn hướng trục Z..................................................33
Hình 4.7: Bàn máy và vít me trục X..............................................................................33
Hình 4.8: Kích thước tổng quát của bàn máy trục X.....................................................34
Hình 4.9: Bàn máy và vít me trục Y..............................................................................34
Hình 4.10: Kích thước tổng quát của bàn máy trục Y...................................................35
Hình 4.11: Cấu tạo thước quang ....................................................................................36
Hình 4.12: Nguyên lý hoạt động của thước quang ........................................................37
Hình 4.13: Khối mạch nguồn 5V ..................................................................................38
Hình 4.14: Khối mạch nguồn 3.3V ...............................................................................38
Hình 4.15: Khối mạch vi xử lý chính ...........................................................................39
Hình 4.16: Khối cách ly giữa máy tính và vi điều khiển...............................................40
Hình 4.17: Khối mạch công suất động cơ .....................................................................40
Hình 4.19: Lưu đồ giải thuật điều khiển động cơ .........................................................42
Hình 4.20: Lưu đồ hoạt động chung của máy CNC .....................................................43
Hình 4.21: Bảng chọn đơn vị ........................................................................................45
Hình 4.22: Bảng cài đặt tín hiệu vào/ra của Mach3 .....................................................46
Hình 4.23: Bảng thiết lập thông số điều khiển động cơ ...............................................47
Hình 4.24: Động cơ và bộ truyền trục X .......................................................................49
Hình 4.25: Động cơ và bộ truyền trục Y .......................................................................49
Hình 4.26: Động cơ và bộ truyền trục z ........................................................................50
Hình 4.27: Động cơ trục chính ......................................................................................50
Hình 4.28: Thước quang trục X.....................................................................................51
Hình 4.29: Thước quang trục Y.....................................................................................52
Hình 4.30: Thước quang trục Z .....................................................................................52
Hình 4.31: Khớp nối giữa động cơ trục chính và đầu kẹp dao......................................53

Hình 4.32: Phần cơ khí hoàn chỉnh ...............................................................................53
Hình 4.33: Mạch điều khiển động cơ servo DC ............................................................54
Hình 4.34: Khối đèn báo trạng thái hoạt động của mạch ..............................................55
Hình 4.35: Hình ảnh bên trong hộp điện .......................................................................56
ix


Hình 4.36: Hình ảnh bên ngoài hộp điện.......................................................................56
Hình 4.37: Kết nối hệ thống hoàn chỉnh.......................................................................57
Hình 4.38: Biến tần điều khiển động cơ trục chính.......................................................57
Hình 4.39: Thiết kế chữ CNC trên phần mềm CamBam .............................................59
Hình 4.40: Kết quả phay chữ CNC ...............................................................................59
Hình 4.41: Hoa văn được thiết kế trên CamBam .........................................................63
Hình 4.42: Kết quả khắc hình hoa văn ..........................................................................63
Hình 4.43: Hình đầu lâu được thiết kế trên phần mềm CamBam .................................65
Hình 4.44: Đường chạy dao trên phần mềm Mach3 .....................................................65
Hình 4.45: Kết quả hình đầu lâu sau khi gia công ........................................................66
Hình 4.47: Đường chạy dao biên dạng vuông được vẽ lại từ G-code ...........................67
Hình 4.48: Đường chạy dao biên dạng tròn kiểu chìm được vẽ lại từ G-code .............68
Hình 4.49: Phôi trước khi gia công ..............................................................................68
Hình 4.50: Chi tiết sau khi gia công ..............................................................................70
Hình 7.1:Giao diện phần mềm Mach3..........................................................................75
Hình 7.2: Nhập file G-code ..........................................................................................75
Hình 7.3: Chọn đơn vị làm việc....................................................................................76
Hình 7.4: Khai báo cổng LPT .......................................................................................76
Hình 7.5: Khai báo chân tín hiệu điều khiển động cơ ..................................................76
Hình 7.6: Bảng thiết lập thông số điều khiển cho các trục XYZ..................................77
Hình 7.7: Chương trình layout và mạch điều khiển dùng trong đề tài .........................83

x



DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1. Thông số kỹ thuật máy FANUC 0i-MC ............................................................7
Bảng 2. Thông số kỹ thuật máy LPKF ProtoMat S42. ...................................................7
Bảng 3. Thông số kỹ thuật máy phay CNC – Model: XK714 ........................................9
Bảng 4. Thông số của thước quang Sterling .................................................................13
Bảng 5. Chức năng các chân cổng máy in ....................................................................16
Bảng 6. Các địa chỉ thanh ghi của cổng song song trên máy tính PC ..........................17
Bảng 7. Kết quả đạt được trên mẫu 4............................................................................70
Bảng 8. Bảng G-code ....................................................................................................82
Bảng 9. Bảng M-code ...................................................................................................82

xi


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1.Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây, nước ta chủ trương đẩy mạnh công nghiệp hóa và
hiện đại hóa, trong đó ngành công nghiệp thuộc lĩnh vực cơ khí được nhà nước quan
tâm và đầu tư ngày càng nhiều, với mục tiêu phấn đấu đến năm 2020 nước ta cơ bản
trở thành một nước công nghiệp. Việc đầu tư kinh phí, nhân lực để nghiên cứu và chế
tạo ra những máy công cụ hiện đại với độ chính xác cao tầm cỡ như các máy điều
khiển chương trình số CNC (Computer Numerical Control) là tất yếu. Nhưng để tiết
kiệm tối đa về kinh phí thì việc chuyển đổi từ các máy công cụ có sẵn trong nước
thành những máy tự động có độ chính xác gần với các máy CNC thì có thể làm được.
Máy CNC có ưu điểm là khả năng sản xuất hàng loạt với độ chính xác cao
nhưng hầu hết đây là những máy nhập từ nước ngoài và có giá thành rất đắt, đó cũng
là vấn đề nang giải đối với nền kinh tế nước ta.

Cũng từ đó mà hãng ArtSoft đã thiết kế ra phần mềm Mach3 chuyên để điều
khiển máy CNC. Phần mềm Mach3 rất gần gũi với người sử dụng, có thể giao tiếp
điều khiển các loại động cơ bước, động cơ DC servo giúp cho việc tự chế tạo và điều
khiển máy CNC tại nhà dễ dàng hơn. Và hiện nay phần mềm Mach3 đang được ứng
dụng rộng rãi ở nước ta.
Phần cơ khí của các máy CNC cũ được nhập từ nước ngoài về với số lượng lớn
và giá rẻ.
Vì những lí do trên em đã tiến hành nghiên cứu về phần mềm Mach3, thiết kế
mạch với mục tiêu là dùng phần mềm Mach3Mill điều khiển máy CNC phục vụ cho
yêu cầu thực tập.
1


1.2.Tầm quan trọng của đề tài
Trong quá trình nghiên cứu, tìm hiểu em đã nhận ra các ưu nhược điểm của
phần mềm Mach3 và các loại driver cho động cơ servo DC. Em cho rằng việc thiết kế
mạch driver điều khiển động cơ servo DC tương thích với phần mềm Mach3 có thể tiết
kiệm giá thành cũng như giúp dễ làm quen với việc sử dụng máy CNC đối với các kỹ
sư đặc biệt là sinh viên bước đầu tìm hiểu về CNC. Đề tài giúp quá trình thực hành với
máy CNC dễ dàng hơn và góp phần đưa mọi người hiểu thêm về ngành Điều Khiển Tự
Động.
1.3.Mục đích của đề tài
1.3.1.Mục đích chung
Nghiên cứu chương trình Mach3 của hãng ArtSoft.
Ứng dụng mạch driver cầu H dùng IC chuyên dụng LMD18200 của hãng
National giao tiếp với phần mềm Mach3.
Tìm hiểu cách điều khiển động cơ servo DC của mạch driver cầu H dùng IC
chuyên dụng LMD18200 tương thích tín hiệu điều khiển của Mach3.
Dựa trên phần cơ khí đã có sẵn để thiết kế bộ điều khiển để có thể điều khiển
được máy phay CNC.

Kết nối phần cứng, phần mềm và giao tiếp máy tính để có thể điều khiển máy
phay CNC chạy ổn định.
1.3.2. Mục đích cụ thể
Khảo sát phần cơ khí máy phay CREATOR EDM MODEL CJ-530.
Khảo sát các loại động cơ servo DC, các cách điều khiển động cơ servo DC.
Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của thước quang.
Thiết kế phần mạch điều khiển và mạch công suất với module cầu H dùng IC
chuyên dụng LMD18200 của hãng National.
Thiết kế mạch giao tiếp giữa máy tính và mạch điều khiển.
Từ đó bước đầu tìm hiểu kết cấu mạch điều khiển, thuật toán, chương trình điều
khiển dựa trên nền STM32.

2


Viết bằng phần mềm Keil ARM lập trình cho vi xử lý STM32F100C8T6 giao
tiếp với phần mềm Mach3Mill, xử lý tín hiệu xung máy tính đầu vào để điều khiển
động cơ servo DC.
Tìm hiểu chế động xung điều khiển xuất ra từ cổng LPT trên máy tính của phần
mềm Mach3.
1.4. Giới hạn của đề tài
Mạch điều khiển tối đa được 3 động cơ DC tương ứng 3 trục máy CNC.
Mạch giao tiếp với máy tính không dùng các nút điều khiển ngoài nên quá trình
điều khiển hoàn toàn phụ thuộc vào máy tính.
Vít me không điều chỉnh được độ rơ nên ảnh hưởng đến độ chính xác của máy.
Phần cơ khí tận dụng lại từ những máy CNC đã qua sử dụng và đã bị hư hỏng
một số bộ phận như bộ truyền 3 trục của máy, phần điều khiển.
Chỉ điều khiển máy hoạt động theo một chiều từ phần mềm Mach3 trên máy
tính xuống mạch điều khiển các trục của máy CNC, chưa có phần phản hồi từ máy
CNC trở về lại máy tính.


3


Chương 2

TỔNG QUAN – TRA CỨU TÀI LIỆU
2.1. Tổng quan về công nghệ CNC
Khi gia công những chi tiết lớn có biên dạng phức tạp, quy mô sản xuất hàng
loạt với kỹ thuật thông thường thì tốn thời gian và chi phí sản xuất cao. Do đó sau một
thời gian nghiên cứu, biên dạng gia công của những chi tiết lớn có thể dễ dàng thay thế
bởi các chức năng toán học và người ta đã quyết định chế tạo một bộ điều khiển số, từ
đó ngành điều khiển số NC (Numberical control) ra đời. Trên cơ bản, đây là một quá
trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như máy cắt kim loại, robot,…) trên
cơ sở các dữ liệu ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân, các chữ
cái đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc được gọi là G-code.
Các thế hệ đầu, máy NC còn sử dụng các cáp logic trong hệ thống. Phương
pháp điều khiển theo điểm và đoạn thẳng, tức là không có quan hệ hàm số giữa các
chuyển động theo tọa độ. Việc điều khiển còn mang tính “cứng” nên chương trình đơn
giản như gia công lỗ, gia công các đường thẳng song song với các chuyển động mà
máy có.
Các thế hệ sau, trong hệ thống điều khiển của máy NC đã được cài đặt các cụm
vi tính, các bộ phận vi xử lý và việc điều khiển lúc này phần lớn hoặc hoàn toàn
“mềm”. Phương pháp điều khiền theo đường biên, tức là có mối quan hệ hàm số giữa
các chuyển động theo hướng các tọa độ. Các máy NC này được gọi là CNC
(Computerizal Numberial Control). Chương trình được soạn thảo tỉ mỉ hơn và có thể
gia công được những chi tiết có hình dáng rất phức tạp. Hiện nay các máy CNC đã
được phổ biến.

4



Đặc trưng cơ bản của máy CNC:
- Tính năng tự động cao
Máy CNC có năng suất cắt gọt cao và giảm tối đa thời gian phụ, do đó mức độ
tự động được nâng cao vượt bậc. Tuỳ từng mức độ tự động, máy CNC có thể thực hiện
nhiều chuyển động khác nhau cùng một lúc, có thể tự thay dao, hiệu chỉnh sai số dụng
cụ, tự động tưới nguội.
- Tính linh hoạt cao
Chương trình có thể thay đổi dễ dàng và nhanh chóng, thích ứng với các loại
chi tiết khác nhau. Do đó rút ngắn được thời gian sản xuất tạo điều khiện thuận lợi cho
việc tự động hoá sản xuất hàng loạt.
- Tính chính xác, đảm bảo chat lượng cao
Giảm được hư hỏng do sai sót của con người đồng thời giảm được cường độ
làm việc của người đứng máy. Có khả năng gia công chính xác hàng loạt. Độ chính
xác lập lại, đặc trưng cho mức độ ổn định trong suốt quá trình gia công là điểm ưu việt
tuyệt đối của máy CNC.
Máy CNC với hệ thống điều khiển khép kín có khả năng gia năng được những
chi tiết chính xác cả về hình dáng đến kích thước. Những đặc điểm này thuận lợi cho
việc lắp dẫn, giảm khả năng tổn thất phôi liệu ở mức thấp nhất.
- Gia công biên dạng phức tạp
Máy CNC là máy duy nhất có thể gia công chính xác và nhanh các chi tiết có
hình dáng phức tạp như các bề mặt ba chiều.
-. Tính năng hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao
Cải thiện tuổi bền dao nhờ điều kiện cắt tối ưu. Tiết kiệm dụng cụ cắt gọt, đồ gá
và các phụ tùng khác.
Giảm lượng phế phẩm.
Giảm thời gian sản xuất.
Có thể sử dụng lại chương trình gia công.
Tiết kiệm được chi phí lao động.

5


Giảm thời gian kiểm tra vì máy CNC sản xuất chi tiết chất lượng đồng nhất.
CNC có thể thay đổi nhanh chóng từ việc gia công loại chi tiết này sang loại
khác với thời gian chuẩn bị thấp nhất.
Tuy nhiên máy CNC không phải không có những hạn chế. Dưới đây là một số
hạn chế của máy:
Sự đầu tư ban đầu cao: Nhược điểm lớn nhất khi sử dụng máy CNC là tiền vốn
đầu tư ban đầu cao cùng với chi phí lắp đặt.
Yêu cầu bảo dưỡng cao: Máy CNC là thiết bị kỹ thuật cao và hệ thống cơ khí,
điện rất phức tạp. Để máy gia công chính xác cần thường xuyên bảo dưỡng. Người bảo
trì phải thông thạo cả về cơ và điện.
Hiệu quả thấp với những chi tiết đơn giản.
2.2.Một số máy CNC tiêu biểu

Hình 2.1: Máy phay CNC HànQuốc hiệu FANUC 0i-MC.
Hành trình trục X

800 mm

Hành trình trục Y

460 mm

Hành trình trục Z

520 mm

Tốc độ làm việc tối đa


32 m/phút

Sai số tối đa

+/-0.01 mm

6


Kích thước

3050x2100x2833 mm

Khối lượng

5100 kg

Nguồn điện

220V/50Hz

Bảng 1. Thông số kỹ thuật máy FANUC 0i-MC
Máy phay CNC Hàn Quốc làm việc công suất cao, có bàn thay dao tự động
gồm 24 hoặc 30 chiếc. Khung máy được thiết kế chắn chắc, bền bĩ, chịu lực tốt. Máy
có thể phay nhiều loại vật liệu từ gỗ, mica đến nhôm, thép.

Hình 2.2:Máy khoan mạch in
Hành trình trục X/Y/Z


229/305/120 mm

Tốc độ khoan

90 điểm/phút

Tốc độ làm việc tối đa

50 mm/s

Sai số tối đa

+/-0.02 mm

Kích thước

580x480x620 mm

Khối lượng

43 kg
115/230V; 50-

Nguồn điện

60Hz; 200W

Bảng 2. Thông số kỹ thuật máy LPKF ProtoMat S42.
7



Máy LPKF ProtoMat S42 là dạng máy khoan - phay tự động được điều khiển
bằng máy tính với độ chính xác cao, với chức năng thay đổi dụng cụ (mũi cắt, khoan
và phay) bằng tay. Máy có thể khoan, phay và tạo các đường mạch trên plastic, nhôm
hoặc những chất liệu kim loại khác.
MÁY PHAY CNC - MODEL: XK714
Máy có thể trang bị máy với nhiều loại của hệ thống CNC (tùy thuộc vào người
sử dụng)
Máy phay CNC XK714 là model được đánh gái cao về hình thức, chất lượng và
đạt tiêu chuẩn CE.
Máy được thiết kế chắc chắn, gọn nhẹ, hệ thống giảm chấn hiện đại và ít tiêu
thụ điện năng.
Máy phay CNC XK714 là một công cụ hiệu quả để gia công khuôn mẫu với các
bề mặt 3D phức tạp.
Độ chính xác lặp lại là 0.01, điều khiển 3 trục XYZ hiệu quả và có thể phay
theo chiều thẳng đứng, tiện, doa theo các mặt tọa độ như XY, XZ, YZ.

Hình 2.3: Máy phay CNC – Model: XK714
Các thông số

Đơn vị

Giá trị

mm
mm
mm
mm

650

400
480
120-600
3/80(125)/18

Hành trình trục X
Hành trình trục Y
Hành trình trục Z
Phạm vi dịch chuyển trục chính
Rãnh chữ T số lượng/dài/ rộng
8


Kích thước bàn máy
mm
800x420
Trọng lượng tối đa vật gia công
Kg
400
Chuôi côn trục chính
mm
BT40
Tốc độ trục chính
mm
50 - 6000
Công suất động cơ
kw
5,5
Bước dịch chuyển của máy
mm

0.001
Áp suất khí nén
Mpa
0.6
Bộ điều khiển
Fanuc,Siemen, GSK
Kích thước
mm
2200x2160x2250
Bảng 3. Thông số kỹ thuật máy phay CNC – Model: XK714
2.3.Tra cứu các bộ phận cần thiết của một máy CNC
2.3.1.Động cơ DC
Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng
như công nghiệp, hoạt động với dòng điện một chiều.

Hình 2.4:Các loại động cơ DC
Động cơ DC có cấu tạo gồm stator thường là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh
cửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một
chiều.
2.3.2.Động cơ servo DC
Động cơ DC và động cơ bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở - khi cấp điện để
động cơ quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì không biết, kể cả đối với động cơ bước
là động cơ quay một góc xác định tùy vào số xung nhận được. Chính vì vậy, để có thể
điều khiển chính xác vận tốc và vị trí của động cơ, người ta đã gắn encoder hoặc
9


tachometer vào động cơ DC để phản hồi tín hiệu lại về mạch điều khiển và các động
cơ loại này gọi là servo DC.


d

a

b

c

Hình 2.5: Động cơ servo DC
Cấu tạo một động cơ servo DC gồm các bộ phận chính:
a. Stator: là các nam châm vĩnh cữu gắn liền với vỏ motor
b. Rotor : là thành phần tạo chuyển động quay, loại rotor: rotor dây quấn
c. Chổi than và cổ góp: giúp đưa điện vào rotor
d. Encoder: hay còn gọi là bộ mã hóa vòng quay, phản hồi xung, đơn vị tính
(xung/vòng)
Độ chính xác trong việc điều khiển các loại động cơ servo tùy thuộc vào độ
phân giải mà encoder của động cơ đó có được, một số độ phân giải thường gặp 200,
360, 500, 1000, 2000, 4000 xung/vòng… Encoder thường gặp dạng đĩa kim loại được
đục lỗ hoặc đĩa quang có khắc rãnh để đọc được xung nhờ các LED hồng ngoại như
trên hình sau:

10


Hình 2.6: Cấu tạo một encoder đơn giản
Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ
ra) bao gồm kênh A, B và Z. Ở hình trên,
có một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay
và một cặp LED thu phát riêng cho lỗ này
để đọc số vòng quay của động cơ. Hai

kênh A và B còn lại được bố trí lệch nhau
900 để xác định chiều quay của động cơ.
Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm
biến B hoàn toàn nhận được hồng ngoại
xuyên qua, và ngược lại. Xét trường
hợp motor quay cùng chiều kim đồng hồ,

Hình 2.7: Xác định chiều quay động cơ

tín hiệu “đi” từ trái sang phải. Tín hiệu A

bằng 2 kênh A, B của encoder

chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh
xuống) thì kênh B đang ở mức thấp. Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều kim
đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải sang trái. Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A
thì kênh B đang ở mức cao. Như vậy, bằng cách phối hợp 2 kênh A và B không
những xác
2.3.3.Công tắc hành trình
Ngoài ra, một máy CNC cần có các công tắc hành trình để trục chính về vị trí
ban đầu cũng như giới hạn hành trình làm việc để không làm hỏng các trục.

11


Hình 2.8: Các loại công tắc hành trình
Công tắc hành trình được dùng nhiều trong các dây chuyền tự động làm chức
năng đóng mở mạch điện, và nó được đặt trên đường hoạt động của một cơ cấu nào đó
sao cho khi cơ cấu đến 1 vị trí nhất định sẽ tác động lên công tắc. Hành trình có thể là
tịnh tiến hoặc quay.

Khi công tắc hành trình được tác động thì nó sẽ làm đóng hoặc ngắt một mạch
điện do đó có thể ngắt hoặc khởi động cho một thiết bị khác. Người ta có thể dùng
công tắc hành trình vào các mục đích như:
Giới hạn hành trình (khi cơ cấu đến vị trí giới hạn tác động vào công tắc sẽ làm
ngắt nguồn cung cấp cho cơ cấu để nó không thể vượt qua vị trí giới hạn).
Hành trình tự động: Kết hợp với các rơle, PLC hay vi điều khiển để khi cơ cấu
đến vị trí định trước sẽ tác động cho các cơ cấu khác hoạt động (hoặc chính cơ cấu
đó).
2.3.4.Linear encoder
 Khái niệm chung
Linear encoder (bộ mã hóa tuyến tính) là một bộ cảm biến đọc tỉ lệ để chuyển đổi
các vị trí mã hóa thành tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số. Chuyển động được xác định
bởi sự thay đổi của vị trí.
Thước quang tuyến tính được thiết kế với độ chính xác và ổn định cao
Kích cỡ thước tùy thuộc vào thông số máy
12


Chiều dài từ 70 ~ 3000 mm với các thước quang
Chiều dài từ 3m đến 100m với các thước từ
Độ phân giải 1 hoặc 5 µm tùy thuộc vào nhu cầu thực tế
Vận tốc di chuyển 60 đến 120 m/phút
Nhiệt độ làm việc 0 đến 45 độ
Độ phân giải
Độ
Chiều dài
Tốc độ
Chiều dài cable
Tín hiệu
Nhiệt độ làm

việc

5µm & 1µm
+/-10µm , +/-5µm
1000 mm – 1500mm
60 – 120 m/phút
3m
5V DC
0 – 450C

Hình 2.9: Thước quang và bộ hiển thị

Bảng 4. Thông số của thước quang

của Sterling

Sterling

2.4.Tra cứu các linh kiện điện tử
2.4.1.Driver cầu H-LMD18200

Hình 2.10: Sơ đồ chân LMD18200
Module cầu H dùng IC chuyên dụng LMD18200 của hãng National. Module
này được thiết kế dành cho các ứng dụng điều khiển tốc độ và vị trí dùng DC Motor
hoặc động cơ bước, thường dùng trong các ứng dụng robot. Để điều khiển LMD18200
chỉ cần 3 tín hiệu vào các chân sau:
PWM: chân nhận tín hiệu điều rộng xung để điều khiển tốc độ động cơ
Direction: chân nhận tín hiệu chiều quay
13