TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2010
67
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY KHOAN CNC
A RESEARCH ON THE DESIGN AND MANUFACTURE OF THE CNC
DRILL MACHINE
Trần Xuân Tùy, Nguyễn Thanh Hải
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Hiện nay, máy CNC, các thiết bị tự động đang được sử dụng rộng rãi ở nước ta. Sử
dụng các máy công cụ CNC sẽ giúp ta dễ dàng gia công được các bề mặt phức tạp hoặc các
chi tiết yêu cầu về độ chính xác kích thước, hình dáng và vị trí tương quan cao đồng thời đạt
năng suất và ổn định cao. Nhưng việc đầu tư chúng cũng gặp không ít khó khăn do giá thành
quá cao cộng với linh kiện thay thế khan hiếm do phải nhập ngoại. Do đó việc nghiên cứu,
thiết kế và chế tạo các máy gia công tự động là vấn đề hết sức quan trọng, nhằm nâng cao
trình độ nền cơ khí để đáp ứng nhu cầu công nghiệp hóa đất nước. Bài báo này xin trình bày
phương pháp chế tạo máy khoan CNC đã được nghiên cứu, chế tạo và chạy thành công. Độ
chính xác chế tạo và chi phí chấp nhận được, t ừ đó có thể cải tiến những máy công cụ truyền
thống hay phát triển thành máy phay, máy cắt plasma …tự động để đáp ứng nhu cầu của các
doanh nghiệp.
ABSTRACT
Nowadays, CNC machines and automatic equipment are being used widely in our
country. With these tools, it becomes easier for us to process many complex surfaces and
details that require high accuracy with their sizes, shapes and correlative positions and that
obtain high stability and productivity. However, it is difficult to equip these tools in our factories
due to their high cost and their rare imported spare parts. Therefore, it is important to investigate
into the design and manufacture of automatic processing machines in view of improving the
quality of the national mechanical sector to meet the needs of our country’s industrialization.
This article deals with the manufacture of CNC drilling machines that have been successfully
made and used with acceptable accuracy and cost. Accordingly, some other conventional
machines can be improved and developed into automatic ones which meet the needs of these
manufacturing factories.
1. Giới thiệu
Không phải bất cứ một đơn vị hay doanh nghiệp nào cũng có khả năng đầu tư
một chiếc máy CNC để phục vụ cho nhu cầu của mình, trong khi các sản phẩm cơ khí
ngày càng có yêu cầu cao về chất lượng sản phẩm. Các linh kiện tự động, máy tính và
phần mềm ngày càng phát triển và dễ dàng tìm kiếm với giá thành không phải quá cao.
Điều này cho phép chúng ta ứng dụng để nghiên cứu cải tiến hay chế tạo mới các máy
công cụ có khả năng gia công tự động giúp nâng cao độ chính xác, năng suất và tính ổn
định của các sản phẩm. Với cách làm như trên chi phí sẽ giảm đi nhiều lần so với thiết
bị nhập ngoại, đồng thời có thể làm chủ được thiết bị khi cần sửa chữa, thay thế hoặc
nâng cấp. Báo cáo này giới thiệu cách giải quyết về vấn đề kỹ thuật khi thiết kế, chế tạo
một máy CNC mới tại trường Đại học Bách khoa -ĐH Đà Nẵng.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2010
68
Hình 3. Động cơ bước
Hình 1. Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển CNC.
Hình 2. Kết cấu cụm dẫn động theo 3 trục X,Y,Z
2. Nội dung nghiên cứu
Nội dung trình bày chủ yếu là giới thiệu các thành phần chính của máy và cách
nối kết các cơ cấu chấp hành, thiết bị điều khiển và phần mềm để máy hoạt động như
một khoan máy CNC.
2.1. Sơ đồ của một máy khoan CNC (hình 1)
1) Bộ phận xử lý và đi ều khiển
máy (Machine control unit): đây được coi
là trái tim của máy công cụ điều khiển số.
Nó có nhiệm vụ liên kết tất cả các chức
năng để điều khiển máy, xử lý các
chương trình gia công và xuất ra tín hiệu
để điều khiển động cơ đồng thời nhận tín
hiệu phản hồi từ các cảm biến để đưa tín
hiệu điều khiển phù hợp.
2) Tín hiệu điều khiển: tùy thuộc vào dạng động cơ điều khiển là động cơ biến
tần, động cơ bước, động cơ servo hay động cơ thuỷ lực .. mà MCU sẽ xuất tín hiệu điều
khiển phù hợp với loại động cơ đó.
3) Động cơ dẫn động: nhận tín hiệu từ bộ phận điều khiển để thực hiện dẫn
động thông qua bộ truyền vít me - đai ốc bi để dịch chuyển bàn máy.
4) Bộ truyền vít me - đai ốc bi: được dùng dẫn động biến chuyển động quay của
động cơ thành chuyển động tịnh tiến, dịch chuyển bàn máy. Bộ truyền này đảm bảo
được độ chính xác vị trí do có nhiều ưu điểm so với các bộ truyền cùng loại.
5) Bàn máy: dùng để kẹp và mang phôi trong suốt quá trình gia công
6) Bộ phận cảm biến vị trí: thường dùng cảm biến góc để xác định góc quay của
động cơ từ đó xuất tín hiệu phản hồi về bộ phận MCU để xác định chính xác vị trí của
chi tiết gia công trên bàn máy.
7) Tín hiệu phản hồi: dùng để phản hồi tín hiệu vị trí hiện tại của bàn máy, tín
hiệu này được đưa về bộ xử lý MCU để so sánh và đưa ra tín hiệu điều khiển phù hợp
với yêu cầu vị trí cần điều khiển
2.2. Nguyên lý dẫn động các trục X,Y và Z của máy khoan thiết kế (hình 2, hình 3)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009
69
Hình 4. Bộ truyền vít me - đai ốc bi
1) Động cơ dẫn động: Trong máy khoan CNC, hai trục X, Y mang bàn máy
trong quá trình dịch chuyển vị trí khi không thực hiện cắt gọt. Do đó để đơn giản ta
dùng động cơ bước. Còn đối với trục Z nếu lực dẫn đông không cao (doa lỗ đã có sẵn,
khoan các vật liệu mềm..) thì ta vẫn dùng động cơ bước, nếu lực khoan lớn ta có thể
dùng động cơ servo, động cơ thuỷ lực..(khoan lỗ không thông, taro ren… vật liệu cứng).
2) Bộ phận truyền động: Thực hiện biến chuyển động quay của động cơ thành
chuyển động tịnh tiến của bàn máy. Để truyền động chính xác vị trí trong máy CNC
thường sử dụng bộ truyền vít me–đai ốc bi (hình 4). Loại động cơ này có hiệu suất cao,
ma sát nhỏ và khử được khe hở dọc trục.
2.3. Nguyên lý của cụm dẫn động trục chính (hình 5)
Trong máy khoan thiết kế, hệ thống dẫn động trục chính được lựa chọn là động
cơ 1 chiều truyền đển trục chính thông qua bộ truyền đai răng.
2.4. Mạch điều khiển động cơ bước (hình 7)
Thường sử dụng mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển hoặc IC logic. Để đơn
giản ta chọn mạch điều khiển sử dụng IC logic do khả năng đáp ứng nhanh (do máy vi
tính có tốc độ xử lý cao), không cần phải lập trình đ ồng thời kết nối với máy tính
dễ dàng.
Hình 5. Kết cấu cụm dẫn động trục chính
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009
70
Hình 7. Mạch điều khiển động cơ bước sử dụng IC logic
Hình 8. Cổng song song(LPT)
Hình 9. Giao diện phần mềm lập trình và điều khiểnKCAM
Tín hiệu vào
(Dir, step): đây là 2
chân đầu vào của
mạch điều khiển, tín
hiệu đầu vào có dạng
xung. Chân Dir có
tác dụng điều chỉnh
chiều quay của động
cơ. Chân Step có tác
dụng cấp xung để
điều khiển động cơ
quay đúng số bước điều khiển.
Tín hiệu ra: là 4 dây đấu vào để điều khiển
động cơ.
2.5. Cổng giao tiếp với máy tính (hình 8)
Thường sử dụng cổng nối tiếp (serial
port hay com port) hoặc cổng song song
(LPT) để kết nối với máy tính. Ta chọn cổng
song song làm cổng kết nối với máy tính do
việc truyền dữ liệu song song nên việc nội
suy dễ dàng và các phần mềm CAM hiện nay
đều hỗ trợ kết nối qua cổng này.
2.6. Phần mềm điều khiển
Hiện có nhiều phần mềm CAD/CAM chuyên nghiệp cho phép ta vừa thiết kế và
xuất ra các máy CNC để gia công như ProEngineer, MasterCAM…nhưng giá thành của
chúng rất đắt và sử dụng chúng thành thạo không phải là một điều dễ dàng. Trong khi
Q1
IRFZ44
Q2
IRFZ44
Q3
IRFZ44
Q4
IRFZ44
4013
D
5
CLK
3
Q1
Q2
VDD 14
S
6
GND 7
R
4
4013
D
9
CLK
11
Q13
Q12
VDD 14
S
8
GND
7
R
10
RED
ORANGE
YELLOW
BLUE
4030
1
23
4030
5
64
VCC
VCC
DIR
STEP
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009
71
Hình 10. Sơ đồ tổng thể hệ thống điều khiển 3 động cơ qua cổng LPT
Hình 11. Sơ đồ kết nối chân qua cổng LPT
đó có một số phần mềm CAM đơn giản, có hỗ trợ điều khiển thông qua cổng LPT như
KCam, CNCpro, Mach, Turbo CNC, EMC…chỉ cần đấu dây vào cổng LPT và khai báo
đúng chân đã đ ấu để phần mềm xuất tín hiệu điều khiển chính xác cho động cơ đó là
chúng ta có thể điều khiển động cơ một cách dễ dàng, công việc còn lại là lập trình mã
G và cho máy chạy.
Ở đây ta chọn phần mềm KCam dùng để điều khiển cho máy vì ngoài việc hỗ
trợ lập trình mã G và mã M nó còn có nhiều tùy chọn nâng cao như nhập các tệp định
dạng từ ứng dụng khác để chuyển sang mã G (như t ệp DXF, HPGL…). Phần mềm có
giao diện tương đối rõ ràng và dễ sử dụng.
2.7. Sơ đồ tổng thể hệ thống điều khiển và sơ đồ kết nối qua cổng LPT
- Sơ đồ tổng thể hệ thống điều khiển 3 trục của động cơ (hình 10)
Sơ đồ kết nối qua cổng LPT
(hình 11). Dựa vào sơ đồ ta có thể
đấu các chân vào cổng LPT sau đó
khai báo chính xác trong phần mềm
để đảm bảo phần mềm xuất tín hiệu
điều khiển được chính xác.
Hình 12 là ảnh của máy
khoan CNC đã ch ế tạo theo giới
thiệu trên tại trường Đại học Bách
khoa -Đại học Đà Nẵng
3. Kết luận
CNC là một lĩnh v ực hết
sức mới, rộng nên đòi hỏi phải đầu
tư rất nhiều về con người và kinh
phí mới có thể bắt nhịp với sự phát