ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU................................................................................................... 3
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG ......... 5
1. 1. Những đặc điểm chung của hệ thống thay dao tự động .................................. 5
1.1.1. Phân loại các cơ cấu cấp phát và kẹp chặt dụng cụ tự động .................... 5
1.1.2. Ổ chứa dao và vận chuyển dụng cụ khi cấp phát tự động ...................... 6
1.1.3. Thay thế dụng cụ và kẹp chặt dụng cụ tự động trong cơ cấu công tác .. 11
1.1.4. Một số trang bị ổ tích dụng cụ của một số nước .................................. 17
1.1.5 Hệ thống dụng cụ dùng cho máy CNC ................................................. 17
1.2 Quy trình tính toán thiết kế hệ thống thay dao tự động .................................. 21
CHƯƠNG II : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG THAY
DAO DÙNG CHO MÁY CNC ............................................................................ 22
2.1 Xây dựng sơ đồ động hệ thống thay dao tự động………………………….…22
2.1.1 Khái niệm sơ đồ động...............................................................................22
2.1.2 Sơ đồ động của toàn hệ thống thay dao tự động.......................................22
2.1.3 Nguyên lý hoạt động của bộ thay dao tự động ....................................... 24
2.2 Phân tích, lựa chọn giải pháp điều khiển...........................................................25
2.2.1 Nối dây và sử dụng rơle………..………………………………………..25
2.2.2 Điều khiển bằng vi xử lý. ...................................................................... 25
2.2.3 Điều khiển bằng PLC ............................................................................ 26
2.3 Thiết kế mạch điều khiển ............................................................................... 27
2.3.1 Phân tích lựa chọn bộ điều khiển PLC ................................................... 27
2.3.2 Sử dụng biến tấn để điều khiển động cơ ................................................ 28
2.3.3.Phân tích lựa chọn Xi-lanh .................................................................... 30
2.3.4 Phân tích lựa chọn cảm biến. ................................................................. 32
2.3.5 Mạch điều khiển………………..…………………………………….....33
GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 1

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
2.3.6 Sơ điều khiển động cơ………………………………………….………35
2.3.7 Sơ đồ điều khiển xilanh-khí nén………………………………………36
2.3.8 Bảng phân chia tín hiệu vào, ra............................................................ 36
2.4.Xây dựng sơ đồ khối thuật toán điều khiển .................................................... 38
2.4.1 Sơ đồ trả dao………………………………………………………….38
2.4.2 Sơ đồ lấy dao ...................................................................................... 39
2.4.3 Sơ đồ kết hợp lấy và trả dao ............................................................... 40
2.4.4 Trục chính đi đến điểm thay dao ........................................................ 41
2.4.5 Di chuyển đài dao từ A →B ( A là vị trí ban đầu, B là vị trí thay dao) . 42
2.4.6 Trục chính nhả dao .............................................................................. 43
2.4.7 Tìm dao (hốc dao) gần nhất và xoay đài dao ...................................... 43
2.5 Chương trình điều khiển ................................................................................. 45
CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG BẰNG PHẦN
MỀM SOLIDWORKS ......................................................................................... 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………..51

GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 2


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay khoa học kỹ thuật đang phát triển rất nhanh, mang lại những lợi ích
cho con người về tất cả những lĩnh vực vật chất và tinh thần. Để nâng cao đời sống
nhân dân và hòa nhập với sự phát triển chung của thế giới, Đảng và nhà nước ta đã
đề ra những mục tiêu đưa đất nước đi lên thành một nước công nghiệp hóa hiện đại

hóa. Để thực hiện điều đó thì một trong những ngành cần quan tâm phát triển nhất
đó là ngành cơ khí nói chung và cơ điện tử nói riêng vì nó đóng vai trò quan trọng
trong việc sản xuất ra các thiết bị công cụ ( máy móc, robot…) của mọi ngành kinh
tế quốc dân. Muốn thực hiện việc phát triển ngành cơ khí cần đẩy mạnh đào tạo đội
ngũ cán bộ kĩ thuật có trình độ chuyên môn đáp ứng yêu cầu của công nghệ tiên
tiến, công nghệ tự động hóa theo dây chuyền sản xuất.
Máy công cụ điều khiển số CNC ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các
xí nghiệp công nghiệp ở nước ta. Phát huy hiệu quả sử dụng, bảo dưỡng, vận hành
máy CNC là vấn đề được đặc biệt quan tâm của chúng ta. Muốn phát huy hiệu quả
tối đa khả năng thiết bị cũng như cải tiến nó cho phù hợp với con người Việt Nam
đòi hỏi phải có sự hiểu biết sâu sắc về máy CNC.
Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử là nội dung không thể thiếu trong chương
trình đào tạo kĩ sư Cơ điện tử. Đồ án này giúp cho sinh viên có thể hệ thống lại các
kiến thức của môn học như: Chi tiết máy, Vẽ kĩ thuật, Cơ học kĩ thuật, Nguyên lý
máy, Sức bền vật liệu, lập trình trong cơ điện tử…Đồng thời cũng giúp chúng em
học thêm một số phần mềm thiết kế, mô phỏng cần thiết như Solidworks, Auto
CAD,Matlap…Ngoài ra giúp chúng em làm quen với công việc thiết kế và làm đồ
án tốt nghiệp sau này.
Dù đã cố gắng hoàn thành đồ án này cùng với sự hướng dẫn nhiệt tình và cụ
thể của các thầy cô trong bộ môn, nhưng theo hiểu biết còn hạn hẹp cộng với chưa
GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 3


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
có kinh nghiệm thực tiễn nên chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy em rất
mong nhận được sự góp ý của các thầy cô để em rút thêm kinh nghiệm và bổ sung
thêm kiến thức cho mình.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm chỉ bảo của các thầy cô

trong Viện Cơ Khí trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt là sự hướng dẫn
tận tình của thầy Bùi Văn Hạnh đã giúp em hoàn thành đồ án này.
Hà Nội, ngày 26

GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

tháng

12 năm 2014

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 4


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG
THAY DAO TỰ ĐỘNG
1. 1. Những đặc điểm chung của hệ thống thay dao tự động
1.1.1. Phân loại các cơ cấu cấp phát và kẹp chặt dụng cụ tự động
Thông thường, quá trình gia công các chi tiết được thực hiên tuần tự bằng
nhiều dụng cụ khác nhau. Do đó, trên các thiết bị tự động hoá, yêu cầu dụng cụ
tương ứng đã được lắp và điều chỉnh sẵn trong các đài dao hoặc chuôi côn chuyên
dùng. Việc gá đặt dụng cụ vào cơ cấu công tác của máy (trục chính hoặc đài gá
dao) kẹp chặt lấy dụng cụ và khi bị mòn có thể thực hiện thay bằng tay hoặc thay
thế tự động. Khi gá đặt bằng tay, quá trình điều chỉnh và lắp đặt dụng cụ phụ như
chuôi côn, đài dao, bạc trung gian, mâm cặp được tiến hành trực tiếp trên máy.
Còn khi thay dụng cụ bằng phương pháp tự động, việc điều chỉnh và lắp đặt dụng
cụ phụ được tiến hành bên ngoài máy nhờ các dụng cụ chuyên dùng, phương pháp
này dùng phổ biến trên các máy điều khiển số CNC, bao gồm các giai đoạn chính
sau :
- Ghép bộ và lắp ráp dụng cụ lấy ra từ kho dụng cụ

- Điều chỉnh kích thước của dụng cụ trên các thiết bị chuyên dùng.
- Nhập kho các bộ dụng cụ đã lắp và điều chỉnh.
- Chọn dụng cụ phù hợp, thay thế và kẹp chúng tự động.
- Tháo kẹp dụng cụ và đưa nó về ổ dao.
- Đưa dụng cụ về kho sau khi đã gia công xong cả loạt chi tiết hoặc tháo
dỡ để mài lại.
Quá trình chọn dụng cụ phù hợp trong ổ chứa để gia công chi tiết, gá đặt và kẹp
chặt dụng cụ tự động tháo dụng cụ ra khỏi cơ cấu công tác và đưa về ổ chứa được
thực hiện nhờ hệ thống cấp phát và kẹp chặt tự động .
Hệ thống cấp phát dụng cụ tự động bao gồm các bộ phận cơ bản sau:
GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 5


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
- Ổ chứa dụng cụ, trên các máy tiện NC có thể có từ 1 đến 3 đầu rơvônve thực
hiện chức năng của các ổ dụng cụ
- Cơ cấu chọn dụng cụ cần thiết từ ổ dụng cụ để chuẩn bị dụng cụ thay thế.
- Tay máy để thay thế dụng cụ (trong trường hợp máy CNC_V30 không cơ cấu
này).
- Cơ cấu kẹp chuôi côn hoặc đài gá dao trong cơ cấu công tác. Những yêu cầu
cơ cấu cơ bản đối với cơ cấu cấp phát dụng cụ tự động (CPDCTĐ)
- Ổ chứa phải có dung lượng đủ lớn.
- Dụng cụ phải được giữ trong ổ với độ tin cậy cao.
- Thời gian thay thế dụng cụ là ít nhất .
- Dụng cụ phải được giữ chặt trong tay máy khi thay thế tự động.
- Chuôi dao và đài gá dao phải được định vị chính xác vào vị trí công tác.
- Khoảng cách giữa ổ dụng cụ tới vị trí công tác là ngắn nhất.
- Hệ thống CPDCTĐ phải được thiết kế bố trí sao cho nó không chạm vào

phôi khi thay thế dụng cụ.
- Hệ thống CPDCTĐ phải có độ tin cậy làm việc cao.
- Tránh làm bẩn các bề mặt lắp ráp của chuôi vào đài gá dụng cụ.
- Sử dụng và bảo dưỡng tiện lợi, đáp ứng yêu cầu an toàn.
1.1.2. Ổ chứa dao và vận chuyển dụng cụ khi cấp phát tự động
Ổ chứa dao dùng để lưu giữ các dụng cụ cần thiết cho quá trình gia công các chi
tiết nhất định của một máy cụ thể. Khi thay thế dụng cụ bằng tay, ổ chứa được gắn
cứng với máy ở vị trí thuận tiện cho người thao tác. Còn khi thay thế dụng cụ tự
động, người ta sử dụng nhiều loại ổ chứa dụng cụ khác nhau. Với loại máy tiện
thường, ổ chứa dụng cụ chính là các đầu rơvônve có 4, 6, 8 hoặc 16 vị trí gá đặt
dụng cụ . Có thể có đến 3 đầu rơvônve trên một máy. Trên các trung tâm gia công,
người ta sử dụng các loại ổ chứa dạng đĩa, tang trống hoặc băng xích chứa từ
10140 dụng cụ.
GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 6


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
a. Chứa và vận chuyển dụng cụ bằng đầu rơvônve
Đầu rơvônve có thể đặt thẳng đứng, nằm ngang hay nghiêng. Thay dụng cụ
được thực hiện nhờ quay đâu rơvônve tới vị trí yêu cầu rồi cố định nó lại. Thời
gian thay dụng cụ trung bình khoảng 1 – 4 giây.
Đầu rơvônve chính là cơ cấu công tác tiếp nhận trực tiếp lực cắt của máy. Do đó
nó có độ bền, độ cứng vững và độ chính xác vị trí rất cao. Các dụng cụ để gia công
mặt ngoài và trong trên đầu rêvônve không được cản trở nhau. Hai kiểu đầu
rơvônve hay được sử dụng trên máy tiện CNC :

Hình1.1 Kết cấu của đầu Rơvônve
a_Kiểu đế dao 4 vị trí ; b_Kiểu sao

Trên các máy tiện CNC hiện đại ngày nay hay được sử dụng các đầu rơvônve gá
trên bàn trượt nghiêng. Cấu trúc tổng thể của các đầu rơvônve dạng này được thể
hiện bằng hình sau :

GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 7


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Hình1.2 Cấu trúc tổng thể của bàn dao nghiêng có đầu rơvônve
Trên máy tiện CNC có thể gia công nhiều loại bề mặt khác nhau như các mặt
tiện khoan lỗ đồng tâm, song song, các lỗ không đồng tâm, hướng kính; phay các
mặt cạnh, rãnh then. Để thực hiện các công việc trên, các đầu rơvônve cần được
trang bị các dụng cụ có chuyển động quay như mũi khoan, dao, phay v...v. Dẫn
động quay cho các dụng cụ này được thực hiện nhờ một động cơ gá trong đầu
rơvônve.
Kết cấu đầu rơvônve 1 và ổ chứa dụng cụ 3 của hãng Okuma (Nhật Bản).Tay
máy 2 thực hiện thay dụng cụ trong đầu rơvônve 1.

Hình1. 3 Sơ đồ thay dao tự động trên đầu rơvônve của hãng Okuma
1. Đầu rơvônve ; 2. Tay máy ; 3. Ổ chứa dụng cụ.
GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 8


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Trên một số máy phay CNC và trung tâm gia công khi số lượng dụng cụ không

lớn, người ta sử dụng các ổ chứa dạng đầu rơvônve :

Hình1. 4 Trung tâm gia công với đầu rơvônve
a. Bàn máy chữ thập ; b. Bàn máy treo
Các kết cấu này cho phép giảm thời gian thay dao.Tuy nhiên, chúng cũng có
một số nhược điểm như mỗi vị trí cần một trục chính. Độ chính xác vị trí của dụng
cụ bị giảm khi quay và hãm đầu rơvônve.Số vị trí trong đầu rơvônve tăng không
chỉ làm phức tạp kết cấu, mà còn làm giảm chiều dài hành trình l1 của đầu như hình
a và hình b :

Hình1. 5 Các kiểu đầu rơvônve trên máy phay CNC và trung tâm gia công
l1 : chiều dài hành trình của đầu rơvônve
Điều kiện gia công được cải thiện và kết cấu đơn giản hơn nếu sử dụng đầu với
trục gá nghiêng như (hình c). Lúc này chỉ có một trục chính 3 được lần lượt nối với
GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 9


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
trục gá 4 của đầu tại vị trí công tác. Chuyển động chạy dao thực hiện nhờ dịch
chuyển ụ trục chính 2 cùng toàn bộ đầu rơvônve. Tuy vậy hành trình l1 vẫn bị hạn
chế.
Hình d là sơ đồ nguyên lý của ổ chứa dụng cụ kiểu đầu rơvônve của hãng
Olivetti (Italy). Kết cấu này có ưu điểm là hành trình công tác l1 không bị hạn chế
vì chuyển động chạy dao không do ụ trục chính thực hiện mà do ống đỡ dụng cụ
của trục chính 3 thực hiện. Khi ống đỡ dụng cụ hạ xuống, nó sẽ tóm lấy trục gá
cùng dụng cụ và đẩy chúng tới khoảng cách l1 yêu cầu khi đầu 1 cố định. Tuy
nhiên kết cấu này có độ cứng vững thấp.
b. Lưu giữ và vận chuyển dụng cụ trong ổ chứa

Các phương án cấu trúc của các ổ chứa dụng cụ :
Các ổ chứa tang trống (hình a, b) có sức chứa từ 12 đến 40 dụng cụ rất thông
dụng và hay được dùng hơn cả. Chúng có kết cấu gọn, dễ gá trên trụ đứng hoặc
trục tiếp trên ụ trục chính của máy. Trường hợp này cho phép giảm thời gian thay
dao,nhưng lại làm tăng trọng lượng của khối di động. Thông thường phương án
trên hình a được sử dụng với phương án gá bên cạnh, giữa trụ đứng :
Phương án trên hình b thường được sủ dụng trên máy CNC có trục chính nằm
ngang.
Kết cấu ổ chứa dạng đĩa ( hình c) ít dùng, vì khi số lượng lớn sẽ kéo theo kích
thước đường kính rất lớn. Các ổ chứa hình côn (hình d và e) cho phép thay dao dễ
dàng. Các ổ chứa dạng xích tải (hình f) được sử dụng khi số dụng cụ chứa lớn (tới
140 dụng cụ)

GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 10


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Hình1. 6 Các phương án câu trúc của ổ chứa
a, b : Với tâm quay nằm ngang và thẳng đứng ;
c

: Dạng hình sao với trục quay thẳng đứng ;

d, e : Dạng côn với trục quay thẳng đứng và nghiêng ;
f, m : Dạng xích tải
n : Dạng thẳng
1.1.3. Thay thế dụng cụ và kẹp chặt dụng cụ tự động trong cơ cấu công tác

Thay thế dụng cụ tự động trên các máy cắt CNCcó thể thực hiện theo các
phương pháp sau :
1. Thay thế vị trí (quay) ổ chứa dụng cụ (đầu rơvônve) ;
2. Chuyển dụng cụ từ ổ chứa chính vào các trục chính qua ổ phụ (quay đầu
có 2 hoặc nhiều vị trí);
3. Thay thế trục tiếp dụng cụ từ ổ chứa vào trục chính;
4. Đưa dụng cụ từ ổ chứa vào trục chính nhờ tay máy
Với phương án thứ nhất, quá trình thay thế dụng cụ tự động được thực hiện
nhờ quay đầu rơvônve tới vị trí yêu cầu, thời gian thay dao rất ít.
Khi sử dụng đầu rơvônve nhiều vị trí, một trục chính trên các trung tâm gia
công, quá trình thay thế dụng cụ được thực hiện nhờ quay đầu rơvônve. Thời gian
thay lớn hơn phương án thứ nhất vì phải thực hiện các công đoạn nhả kẹp trục gá
GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 11


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
dụng cụ 1 (hình a), lùi trục chính 2 ra (hình b), quay và hãm đầu 3 (hinh c,d), đưa
trục chính 4 vào vị trí và kẹp dụng cụ mới (hình e).

Hình1. 7 Tuần tự các bước thay thế dụng cụ trên trung tâm
gia công một trục chính của hãng Mandelli
a, b : tháo kẹp trục gá 1 và lùi trục chính 2
c, d :quay và hãm đầu rơvônve 3
e : đưa trục chính 4 vào vị trí và kẹp trục gá với dụng cụ mới.
Thời gian thay thế bé (1- 2 giây) có thể đạt được với kết cấu phức tạp nhờ sử
dụng phương pháp thứ 2 với các đầu quay 2 vị trí có ổ chứa dụng cụ kèm theo.
Trong trường hợp này, thời gian thay dao đúng bằng thời gian tháo kẹp, quay và
hãm đầu. Quá trình chọn dụng cụ trong ổ chứa, gá chúng vào vị trí chờ của đầu,

được thực hiiện trong khi máy đang gia công như hình dưới :

GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 12


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Hình1. 8 Cơ cấu thay thế dụng cụ tự động trên máy tiện
CNC của hãng Heyligentaedt (Đức)
a. Sơ đồ thay dụng cụ cho đầu quay;

b . Đầu quay hai vị trí

1.ổ chứa dao ; 2. đầu quay ; 3. tay máy
Các dụng cụ gá trong đế dao và trong ổ chứa dụng cụ 1 được đưa tuần tự vào
đầu quay 2 nhờ tay máy 3. Khi bước công nghệ kết thúc, đầu 2 sẽ quay đi 180o.
Dụng cụ mới sẽ được lắp đặt trên vị trí công tác sau 1,5 giây. Trong khi máy thực
hiện gia công phôi, tay máy sẽ lấy dụng cụ đã sử dụng ra khỏi vị trí 2 đưa về ổ
chứa và chọn dụng cụ mới theo chương trình để gá vào vị trí chờ.
Trên một số máy CNC người ta sử dụng phương án 3 khi thay thế dụng cụ cắt
bằng phương pháp tự động :

Hình1. 9 Tuần tự các bước thay thế dụng cụ trên trung tâm
GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 13



ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
gia công của hãng Mandelli
a. Đưa ụ trục chính tới ổ chứa và gá dụng cụ vào vị trí tháo dỡ
1_ ổ chứa dụng cụ ; 2_ ụ trục chính
b. Nhả kẹp trục gá, lùi trục chính, quay ổ chứa;
c. Lắp đặt trục gá mới vào trục chính ;
d. Đưa ụ trục chính về vị trí gia công ;
Qúa trình thay thế dụng cụ thực hiện nhờ chuyển động tương đối có chu kỳ của
ụ trục chính 2 so với ổ chứa dụng cụ 1. Mặc dù kết cấu của cơ cấu thay thế dụng cụ
tự động được đơn giản hơn do không cần tay máy, nhưng thời gian thay thế lại
tăng lên. Do vậy trên các trung tâm gia công, phương pháp thay thế dụng cụ thứ 4
là thông dụng hơn cả. Phương pháp này sử dụng tay máy, nên mặc dù kết cấu phức
tạp hơn, nhưng bù lại chúng có thời gian thay thế nhỏ nhờ dụng cụ đã được chọn
sơ bộ từ ổ chứa dụng cụ khi máy đang gia công. Cơ cấu thay thế dụng cụ có kết
cấu và bố trí phụ thuộc vào vị trí của ổ chứa dụng cụ trên máy.Để giảm thời gian
thay thế dụng cụ, ổ chứa nên đặt gần trục chính, tốt nhất là đặt trực tiếp ttrên trục
chính. Tuy nhiên, phương án này sẽ làm tăng trọng lượng của trục chính. Vì vậy,
thường người ta bố trí ổ chứa dụng cụ bên hông phải hoặc trái của trụ đứng.
Tuy thuộc vào vị trí của ổ chứa dụng cụ trên máy, người ta sử dụng nhiều loại
tay máy với chu kỳ chuyển động khác nhau. Hình dưỡi là tuần tự của quá trình
thay thế dụng cụ trong trục chính 3 bằng tay máy 2 từ ổ chứa dụng cụ 1

GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 14


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Hình1. 10 Tuần tự các bước thay thế dụng cụ tự động với

ổ chứa đặt phía trên trụ đứng
a, b, c : trục gá có vị trí thẳng đứng ;
d

: trục gá có vị trí nằm ngang ;

ổ chứa dụng cụ 1 bố trí phía trên trụ đứng. Máy có ụ trục chính nằm ngang, còn
trục gá bố trí thẳng đứng.Kết cấu tay máy sẽ đơn giản hơn nếu trục gá có vị trí nằm
ngang (hình d). Với ổ chứa dụng cụ bố trí bên cạnh ụ trục chính, trụ đứng máy
hoặc có cấu trúc như một cụm riêng bên cạnh máy khi thay thế dụng cụ tự động,
người ta sử dụng kết cấu như hình dưới :

Hình1. 1. Tuần tự các bước thay thế dụng cụ khi ổ chứa
bố trí bên cạnh của máy
a : Sơ đồ chọn dụng cụ trong ổ chứa: 1,4.dụng cụ ; 2.giá treo tay máy ; 3.tay
máy
b : Sơ đồ thay thế dụng cụ trong trục chính: 1,3.dụng cụ ; 2 .tay máy
Trong giai đoạn đầu (hinh a),tiến hành chọn dụng cục cần thiết 4 và đưa nó về vị
trí thay thế bằng cơ cấu dịch chuyển dụng cụ trong ổ chứa. Tiếp theo, tay máy quay
90o để tóm lấy dụng cụ 4 rồi chuyển động theo phương dọc trục để đưa dụng cụ ra
khỏi lỗ chứa. Sau khi dụng cụ 1 đã gia công xong, giá treo 2 của tay máy (hình b)
GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 15


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
sẽ quay và dùng bàn tay còn lại tóm lấy dụng cụ cần thay 1 nằm trong trục chính.
Nhờ chuyển động dọc trục của mình, tay máy 2 sẽ lấy dụng cụ 1 ra khỏi trục chính
rồi quay 180o để đưa dụng cụ 3 vào lỗ lắp ráp của ụ trục chính. Dụng cụ 3 sẽ được

kẹp chặt lại. Sau đó tay máy sẽ quay 90o về vị trí ban đầu (hình a) rồi nhả dụng cụ
vào lỗ chứa của ổ dụng cụ.
Sơ đồ thay thế dụng cụ trên các trung tâm gia công có trục chính thẳng đứng 3
và tay máy 2 từ ổ chứa dụng cụ 1 được trình bày ở hình dưới :

Hình1. 2. Tuần tự các bước thay thế dụng cụ trên máy có trục chính thẳng đứng
a, b

: Tay máy 2 chọn dụng cụ trong ổ chứa 1 và đưa ra khỏi lỗ chứa của ổ

dụng cụ;
c, d, e : Tay máy lấy dụng cụ yêu cầu ra khỏi ổ trục chính 3;
f

: Tay máy quay 180o;

m, n : Gá dụng cụ mới vào trục chính máy ;
p, q, k : Đặt dụng cụ đã sử dụng vào ổ chứa ;
h

: Hồi vị trí tay máy về vị trí ban đầu ;

GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 16


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
1.1.4. Một số trang bị ổ tích dụng cụ của một số nước
Ổ tích dụng cụ ( magazin dụng cụ ) với cơ cấu thay dao tự động cho phép gia

công nhiều bề mặt của chi tiết trong một hoặc một số lần gá đặt và do đó giảm
được thời gian gia công .
Những magazin dụng cụ đầu tiên đã được sử dụng trong các máy nhiều nguyên
công . Khi số lượng dụng cụ  30 thì các magazin dụng cụ được chế tạo dưới dạng
tang trống , còn khi số lượng dụng cụ > 30 thì magazin dụng cụ được chế tạo dưới
dạng băng xích . Hiện nay các magazin dụng cụ được sử dụng trong hầu hết các
loại máy công cụ và số lượng dụng cụ trong các magazin dụng cụ tăng lên đáng kể
. Hãng Ôlivetti ( ITALIA) đã chế tạo máy nhiều nguyên công “ horizon” với
magazin dụng cụ dạng tang trống chứa 80 dụng cụ . Hãng Sandstrand ( Hoa Kỳ )
đã chế tạo máy nhiều nguyên công với số lượng dụng cụ trong magazin dụng cụ
là125 . Máy nhiều nguyên công của NGA có magazin chứa 80 dụng cụ .
Magazin 1 có thể được thay thế bằng magazin khác có số lượng dụng cụ lớn hơn
. Thay đổi dụng được thực hiên bằng cơ cấu quay có cánh tay với 2 má kẹp . Thời
gian thay dao vào khoảng 8 - 10 giây .
Khi tăng dung lượng của magazin dụng cụ thì kết cấu của máy cồng kềnh hơn
giá thành của máy cũng tăng theo ( ví dụ , magazin dụng cụ và cơ cấu vệ tinh thay
đổi của máy nhiều nguyên công của Nga có trọng lượng 1300 kg, kể cả các trục
dao ), giảm tốc độ dịch chuyển của các xích động và tăng thời gian chọn dao cần
thay thế . Kinh nghiệm cho thấy số lượng dụng cụ tối ưu trong magazin là 60- 100.
Như vậy , magazin dụng cụ giảm được chức năng của con người và nó là một
bước phát triển trong công nghệ điều chỉnh linh hoạt.
1.1.5. Hệ thống dụng cụ dùng cho máy CNC
Hệ thống dụng cụ phù hợp với các máy công cụ CNC phải bảo đảm tính chất
vạn năng và linh hoạt , phải thực hiện được mọi công việc gia công (cắt gọt) , phải

GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 17



ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
có độ cứng vững cao , phải đạt năng suất bóc phoi cao và phải có chi phí gia công
có thể chấp nhận được .
Năng suất của máy công cụ CNC chủ yếu là do khả năng cắt và độ tin cậy của
các dụng cụ được dùng quyết định . Khả năng cắt của dụng cụ được diễn đạt bằng
các đại lượng ( khái niệm ) như : thông số cắt tối đa ( tốc độ cắt lưọng tiến dao ) ,
tiết diện phoi cắt , thể tích phoi cắt , tuổi bền và chiêù dài cắt ứng với tuổi bền của
dụng cụ cắt .
Độ tin cậy của dụng cụ có cơ sở công nghệ và cơ sở hình học . Cả hai cơ sở này
là tiền đề để gia công tự động các chi tiết cơ khí và đạt hiệu quả kinh tế .
Độ tin cậy công nghệ cho biết các thông số về khả năng cắt được đảm bảo thực
tế ở mức độ như thế nào ; nghĩa là phải xác định được trước khi cắt ở những thông
số nào không xảy ra hiện tượng vỡ dao và khối lượng phoi nào có thể bóc ra , mà
không ảnh hưởng gì tới chất lượng gia công , tính đến khi phải thay đổi lưỡi cắt .
Độ tin cậy về hình học của dụng cụ , xét về nguyên lý trong hệ thống chuyển
động dụng cụ được điều khiển bằng số , là không thể thiếu vì : Các kích thứoc yêu
cầu của dụng cụ cũng được hệ điều khiển CNC xử lý giống như các chi tiết yêu
cầu của chi tiết gia công . Khi các kích thước thực của dụng cụ có các sai lệch so
với kích thước yêu cầu , đã dược nhớ trong hệ điều khiển CNC thì có nghĩa là gia
công có phế phẩm . Vì vậy , hệ thống dụng cụ dùng cho máy CNC phải đảm bảo
sao cho vị trí của lưỡi cắt , có tác động trực tiếp tới kích thước gia công , không
thay đổi so với vị trí đã định trong quá trình cắt và sau mỗi lần thay đổi dụng cụ ,
lưỡi cắt lại có vị trí đó với độ chính xác cao . Việc tính toán hiệu chỉnh (bù ) dao
được các hệ thống điều khiển hiện đại thực hiện dễ dàng , luôn có tiền đề là tập
hợp dữ liệu về kích thước thực . Điều đó thực hiện trong quá trình gia công là tốn
kém , mất thời gian và chỉ nên giứi hạn trong các trường hợp cần thiết như trước
khi tạo gia các mối lắp ghép theo chế độ lắp ghép nhất định .

GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH


SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 18


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Ngoài độ tin cậy về công nghệ và độ tin cậy về hình học , nhiều người quan tâm
đến các trung tâm gia công , còn xét đến tính linh hoạt của hệ thống dụng cụ . Các
hệ thống dụng cụ ở đây được xây dựng theo nguyên lý mô đun hoá , để từ chúng
mà các linh kiện tiêu chuẩn hoá có thể được tổ hợp thành các dụng cụ phù hợp với
công việc gia công như các đòn khoan đòn doa ….
Bên cạnh khả năng cắt , độ tin cậy của dụng cụ , còn có yêu cầu về khả năng
cung ứng nhẹ nhàng của hệ thống dụng cụ , đảm bảo phù hợp với kỹ thuật điều
khiển CNC vàkhả năng diều chỉnh nhanh theo nhiệm vụ thay đổi . Về mặt lý thuyết
, chi tiết gia công và dụng cụ cắt là một cặp tác động tương hỗ .
Hệ thống dụng cụ tạo ra khâu nối giữa lưỡi cắt để tạo ra phoi và chịu tác động
của các lực cắt , với máy công cụ thu nhận các lực cắt và đồng thời thực hiện
những chuyển động giữa lưỡi cắt của dụng cụ và chi tiết gia công .
Hệ thống dụng cụ được tạo lập phù hợp với phương pháp gia công ( ví dụ :
Khoan , phay hoặc tiện ) và các đặc điểm thiết kế của máy công cụ tương ứng .
Hệ thống dụng cụ và hệ thống cung ứng dùng trên các máy khoan phay liên hợp.
Các máy khoan phay liên hợp thông thường đã được nối ghép với hệ điều khiển
bằng số tạo thành trung tâm gia công đIũu khiển CNC . Đặc điểm của trung tâm
gia công là dụng cụ cũng được thay đổi tự động . Trong trường hợp cá biệt , vì lý
do kinh tế , ở các máy khoan – phay liên hợp , dụng cụ vẫn thay đổi bằng tay ;
nhưng các phần tử của nó vẫn phải thiết kế và chế tạo phù hợp với định hướng tự
động hoá toàn bộ khâu cung ứng dụng cụ sau này .
Những phần tử linh kiện cơ bản :
+ Phần tử tiếp nhận dụng cụ,để lắp dụng cụ vào trục chính của máy công cụ.
+ Dụng cụ,được ghép nối và đo kiểm trước với phần tử tiếp nhận dụng cụ ở
bên ngoài máy công cụ .
+ Ổ tích dụng cụ có chức năng lưu giữ các dụng cụ cần thiết cho quá trình gia

công .
GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 19


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
+ Thiết bị ( đồ gá ) thay đổi dụng cụ có chức năng thay đổi dụng cụ , kể cả
tiếp nhận ( gá đặt) dụng cụ , giữa vị trí làm việc và vị trí ổ tích dụng cụ .
Phần tử tiếp nhận dụng cụ là phần tử quan trọng nhất của một hệ thống dụng cụ .
Tuy đã có nhiều cố gắng trên phạm vi quốc tế để tiêu chuẩn hoá dụng cụ , nhưng
vẫn có nhiều hệ thống khác nhau , đặc biệt là các phần có rãnh khía để nắm , kẹp ,
cặp vào khi thay đổi dụng cụ , cũng như thiết bị ( đồ gá ) để kéo , rút dụng cụ vào
trục chính của máy công cụ . Cơ cấu để kéo , rút dụng cụ vào trục chính của máy
thường là là trục vít và ngàm kẹp . Được chuẩn hoá là kích thước chuôi côn theo
kích thước danh nghĩa là ISO 40 ; ISO 50 ; ISO . Phần cuối của chuôi côn còn
được chế tạo khác nhau tuỳ theo hệ thống kéo , rút và thường là kết cấu tháo lắp
được .
Để thay đổi dụng cụ dùng trên một trung tâm gia công nhanh và an toàn cần phải
đảm bảo sao cho các dụng cụ có phần tử tiếp nhận dụng cụ như nhau . Kết cấu của
phần tử tiếp nhận dụng cụ được tạo lập theo các hướng chính sau :
+ Tương ứng với lỗ côn thì tiếp nhận dụng cụ ở trục chính của máy công cụ .
+ Tương ứng với các rãnh khía để ngàm , kẹp vào dùng cho cơ cấu thay đổi
dụng cụ tự động , kể cả vạch chuẩn để định hướng dụng cụ .
+ Tương ứng với loại hệ thống kẹp mà với nó phần tử tiếp nhận dụng cụ được
giữ chặt bằng lực vào trục chính của máy công cụ , để truyền lực cắt an toàn .
Để giảm chi phí về các phần tử tiếp nhận dụng cụ khi sử dụng nhiều trung tâm
gia công cần phải dùng các phần tử tiếp nhận dụng cụ có kết cấu thống nhất .
Các hệ thống dụng cụ dùng cho trung tâm gia công đã dược quy định trong tiêu
chuẩn quốc gia của các nước công ngiệp phát triển , ví dụ : DIN 69871 ( Đức )

được coi là bản khởi tạo của một tiêu chuẩn quốc tế ISO . Trong thực tế cũng có
nhiều giải pháp tổ hợp về trang bị phụ và dụng cụ dùng cho các trung tâm gia công
CNC đứng hoặc ngang . Hệ thống dụng cụ khoan có dùng các mảnh lưỡi cắt có

GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 20


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
khả năng đảo cạnh (mảnh lưỡi cắt không mài sắc lại ) cũng đã được thiết kế và chế
tạo cho sản xuất .

Hình1. 13 Các kích thước chủ yếu của giá đơ dụng cụ (mm)
theo tiêu chuẩn ISO 3110
Bảng 1.1 Các kích thước chủ yếu của giá đỡ dụng cụ (chuôi) theo tiêu chuẩn
ISO
Tiêu chuẩn

ISO40

ISO45

ISO50

A

68.25

82.55


101.6

B

71.43

85.73

104.78

C

44.45

59.15

69.85

D

63.5

82.55

98.48

E

44.45


57.15

69.85

Kích thước mm

1.2 Quy trình tính toán thiết kế hệ thống thay dao tự động
Bước 1: Tính toán tang chứa dao
GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 21


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
+ Xác định các thông số hình học của Tang
+ Tính toán cơ cấu Man cho Tang chứa dao
Bước 2: Tính toán và lựa chọn ổ lăn
Bước 3: Tính toán trục đỡ Tang
Bước 4: Tính toán hệ thống dẫn động cho hệ thống thay dao
+ Tính toán chọn động cơ điện
+ Tính toán chọn xy lanh khí nén

CHƯƠNG II : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ
THỐNG THAY DAO DÙNG CHO MÁY CNC
2.1 Xây dựng sơ đồ động hệ thống thay dao tự động
2.1.1 Khái niệm sơ đồ động
Sơ đồ động của máy là những hình vẽ quy ước biểu diễn các bộ truyền, các cơ
cấu liên kết với nhau tạo nên các xích truyền động, xác định những chuyển động
cần thiết của máy. Đồng thời trên đó còn chỉ rõ công suất và số vòng quay của

động cơ điện, đường kính bánh đai, số răng của bánh răng, số đầu mối của trục vít,
số răng của bánh vít
2.1.2 Sơ đồ động của toàn hệ thống thay dao tự động
Từ định nghĩa sơ đồ động như trên và phân tích các chuyển động cần thiết của
hệ thống thay dao CNC, cùng với các hình vẽ quy ước ta xây dựng nên sơ đồ động
của toàn hệ thống thay dao tự động bằng Cad như sau :

GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 22


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Hình 2.1: Sơ đồ động của hệ thống

GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 23


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

2.1.3 Nguyên lý hoạt động của bộ thay dao tự động
Khi chương trình gia công đọc đến dòng lệnh thay dao, thì bộ phận điều khiển
lập tức phát lệnh dừng các chuyển động chạy dao X, Y và dừng động cơ trục
chính.
Động cơ dẫn động trục ụ trục chính quay dao về vị trí thay dụng cụ đã được xác
định (vị trí chốt của dao trên trục chính đúng hướng với chốt của đài dao). Trục
chính dừng quay. Bộ điều khiển phát lệnh điều khiển cho trục Z cho ụ trục chính đi

xuống vị trí thay dao (vị trí mà đài dao nằm ngang với cổ dao). Đài dao quay sao
cho tay kẹp dụng cụ tới vị trí thay dao để chuẩn bị kẹp dụng cụ trên trục chính, ụ
thay dao tiến từ trái sang phải hai tay kẹp mở ra và giữ chặt lấy dao lò xo nén bị
nén kẹp chặt lấy dao trên ụ trục chính, bộ điều khiển phát lệnh cho thanh kéo trong
ụ trục chính đi xuống nhả kẹp, đầu trục chính đi lên trả dao vào vị trí của dao đã
được nhớ trong bộ điều khiển. Bộ điều khiển phát lệnh cho động cơ dẫn động đài
dao quay phân độ sao cho dao cần thay đến đúng vị trí thay dao. Đầu trục chính
GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 24


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
tiến xuống nhận dao cần thay thanh kéo đi lên kẹp chặt dao mới, ụ thay dao tiến từ
phải qua trái kết thúc quá trình thay thế dao tự động.
2.2 Phân tích, lựa chọn giải pháp điều khiển
2.2.1 Nối dây và sử dụng rơle
Rơle là loại khí cụ điện tự động dùng để đóng-cắt mạch điều khiển, hoặc mạch bảo
vệ, để liên kết giữa các khối điều khiển khác nhau, thực hiện các thao tác logic
theo một quá trình công nghệ. Rơle có rất nhiều loại với các nguyên lý làm việc và
chức năng khác nhau như : rơle điện từ, rơle thời gian,...
Bộ điều khiển sử dụng dây nối và role là bộ điều khiển đơn giản nhất, được sử
dụng từ khá lâu và vẫn còn được ứng dụng khá nhiều trong các ngành khác nhau.
Ưu điểm của bộ điều khiển này là điều khiển đơn giản, dễ hiểu. Tuy nhiên nó lại có
nhược điểm là độ chính xác ko cao, độ quá nhiệt lớn gây tổn thất năng lượng, sơ đồ
đấu dây rờm rà, phức tạp, khó khăn trong quá trình bảo trì, bảo dưỡng hệ thống

Hình 2.2 Rơle điện từ
2.2.2 Điều khiển bằng vi xử lý.
Điều khiển sử dụng mạch vi xử lý là sử dụng các linh kiện điện tử : tranzito,điện

trở,tụ điện,diode,… tích hợp lên trên một vi mạch để điều khiển các thiết bị. Khối
GVHD: PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

SVTH: PHẠM VĂN QUỐC MSSV: 20110624 Page 25