Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

THÁI NGUYÊN 2008

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

4
MỤC LỤC
Trang
Mở đầu ………………………………………………………………………………………… 05
Chương I: TỔNG QUAN………………… ………………………………………………… 07
Chương II: NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CÁC THIẾT BỊ PHÂN ĐỘ TRUYỀN THỐNG…. 09
2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN ĐỘ …… …………………………………………… 09
2.1.1 Phân độ trực tiếp…………… …………………………………………… 10
2.1.2 Phân độ giản đơn…………… …………………………………………………… 10
2.1.3 Phân độ phức tạp …………… ……………………………………………………. 11
2.1.4 Phân độ vi sai…………… ………………………………………………………… 15
2.1.5 Phân độ vạn năng…………… …………………………………………………… 17
2.1.6 Phân độ theo trị số góc…………… ……………………………………………… 19
2.1.7 Phân độ trong trường hợp chia vòng tròn ra các phần không bằng nhau ………… 20
2.1.8 Phân độ theo theo trị số góc theo điều khiển gián tiếp bằng động cơ bước ……… 21
2.2 KẾT LUẬN CHƯƠNG II …… ……………………………………………………. 21
Chương III: NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC………………… 23
3.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEP MOTOR)……………………………. 23

nhiều trong quá sản xuất và chế tạo máy. Tuy nhiên, khi sử dụng đầu phân độ
truyền thống thường gặp nhiều phức tạp như việc tính toán gia công phải sử dụng
bảng tra, kết quả đôi khi chỉ mang tính gần đúng do trong quá trình tính toán, như
quy đổi số thập phân ra phân số thường chỉ lấy gần đúng. Những bất lợi đó làm hạn
chế nhiều về độ chính xác gia công, tính kinh tế và hiệu quả gia công.
Dựa trên cơ sở kế thừa những thiết bị truyền thống và kết hợp những thiết bị
công nghệ cao, luận văn chọn hướng cải tiến và áp dụng sản phẩm điện tử với nội
dung: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị dịch chuyển góc hai trục NC.
Nội dung luận văn chủ yếu với mục đích thiết kế mô hình đầu phân độ số, với
ý tưởng áp dụng sản phẩm cơ điện tử trong gia công cơ khí chính xác.
Tuy nhiên, mặc dù có cố gắng nhiều trong việc xây dựng ý tưởng mô hình
nhưng nội dung của luận văn còn nhiều thiếu sót và còn nhiều những điểm mới cần
được đề xuất và trao đổi, thảo luận thêm. Tác giả rất mong và trân trọng mọi sự
đóng góp, phê bình của các thầy giáo và đồng nghiệp đối với luận văn.
Em xin trân trọng cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Đào tạo sau Đại học Trường
Đại học KTCN, Ban Giám hiệu và Ban Chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật Công nghiệp
Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật đã hết sức tạo điều khiện thuận lợi cho em
trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo trong Hội đồng bảo vệ Đề cương luận văn
Thạc sỹ đã góp ý, chỉnh sửa và phê duyệt đề cương để luận văn của em được hoàn
thành với nội dung tốt nhất.
Đặc biệt, em xin trân trọng cảm ơn Tiến sỹ Hoàng Vị, Phó Chủ nhiệm Khoa
Cơ khí Trường Đại học KTCN đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình xây
dựng ý tưởng mô hình và hoàn thành nội dung luận văn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

6

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

7
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN

1.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:
Trong lĩnh vực gia công chế tạo cơ khí và đặc biệt là gia công các bề mặt phức
tạp để đạt được độ chính xác tương quan về hình dáng hình học thì chuyển động
phân độ có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Các thiết bị phân độ là một phần không thể
thiếu của các máy công cụ. Trong thực tế các cơ cấu phân độ đơn giản như: đầu
phân độ trực tiếp, đầu phân độ gián tiếp, đầu phân độ vạn năng, đầu phân độ quang
học… đã được sử dụng khá phổ biến và rộng rãi trong ngành chế tạo máy. Với ứng
dụng kỹ thuật số hiện nay, các thiết bị phân độ có ứng dụng kỹ thuật số cũng đã
được sử dụng nhiều trong cơ khí chế tạo chính xác và hiện đại.
Trong điều kiện thực tế ở Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu, thiết kế và phát
triển cơ cấu phân độ số đóng vai trò quan trọng trong việc chủ động sản xuất các
thiết bị phân độ cho ngành chế tạo máy của nước nhà.
Vì vậy, đề tài tập trung vào việc Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình
thiết bị dịch chuyển góc hai trục NC.
2.1 Mục tiêu của đề tài:
- Xây dựng cấu trúc, mô hình kết cấu của thiết bị phân độ số.
- Đánh giá độ chính xác dịch chuyển góc của thiết bị dịch chuyển góc hai trục
NC trên cơ sở các nghiên cứu về công nghệ chế tạo thiết bị đo số trong điều kiện
của Việt Nam.
3.1 Nội dung của đề tài:

Step motor + Encoder

Step motor + Encoder

hÖ thèng h·m

m©m cÆpSố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

9
CHƯƠNG II
NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CÁC THIẾT BỊ PHÂN ĐỘ TRUYỀN THỐNG

Đầu phân độ là một trong số những bộ phận quan trọng của máy công cụ, được
dùng để chia vòng tròn ra nhiều phần đều nhau hoặc không đều nhau, cách nhau
một góc độ nào đó. Công việc phân độ thường gặp trong khi gia công các chi tiết

2.1.1 Phân độ trực tiếp
Nguyên tắc của phương pháp phân độ
trực tiếp là từ mẫu chia (tức đĩa phân độ)
đến chi tiết gia công có quan hệ trực tiếp,
không thông qua một cơ cấu trung gian
chuyển tiếp nào. Đĩa phân độ quay bao
nhiêu thì chi tiết gia công quay bấy nhiêu.
Với phương pháp này, số phần chia cũng như sai số hoàn toàn phụ thuộc vào
đĩa phân độ, tính vạn năng kém và độ chính xác thấp (thường chỉ chia được 2, 4, 6,
12 phần đều nhau). Tuy nhiên ưu điểm của nó là đơn giản, giá thành rẻ, thao tác dễ
dàng. Trong các đồ gá quay chuyên dùng, thường áp dụng nguyên tắc này (ví dụ: gá
khoan các lỗ dầu ở rãnh pít tông ô tô).
Để mở rộng phạm vi sử dụng, có thể thay đổi các đĩa phân độ thay thế có số lỗ
khác nhau. Ví dụ: đĩa có 24 lỗ thì chia được 2, 3, 4, 6, 8, 12, 24 phần đều nhau; đĩa
có 30 lỗ thì chia được 2, 3, 5, 10, 15, 30 phần đều nhau, v.v…
Cũng có kiểu bố trí hệ thống trục vít – bánh vít với mục đích truyền động được
êm, đều, song về nguyên tắc vẫn là phân độ trực tiếp. 2.1.2 Phân độ giản đơn
Nguyên tắc của phân độ giản đơn là giữa chuyển động của tay quay phân độ
với chi tiết gia công có quan hệ giảm tốc nhằm mục đích thu nhỏ sai số biểu hiện
Gá đầu phân độ trực tiếp trên máy phay


Z- số phần cần chia đều.
Đĩa phân độ có nhiều hàng lỗ với số lượng lỗ khác nhau.

Cơ cấu mở góc dùng
làm chuẩn đánh dấu để khỏi nhầm lẫn trong khi phân độ.
Ví dụ: Ụ phân độ có N = 40, cần phay khối 7 cạnh đều. Như vậy mỗi lần phân
độ khởi phẩm phải quay 1/7 vòng. Tay quay ụ phân độ phải quay:
5
7
5
5
7
40
=+===
Z
N
n
vòng +
21
15
lỗ
Cụ thể là: Điều chỉnh cho chốt định vị nằm vào hàng lỗ có 21 lỗ. Mỗi lần phân
độ tay quay quay 5 vòng cộng thêm 15 lỗ nữa (cắm chốt vào lỗ thứ 16).
Trường hợp Z là ước số của N (ví dụ Z = 20, 10, 8, 5), không cần sử dụng đĩa
phân độ, vì mối lần phân độ thì tay quay chỉ phải quay số vòng nguyên. Ví dụ:
muốn phay bánh răng có 20 răng, mỗi lần phân độ phải quay tay quay
2
20
40
==n

được một số lỗ nào đó đã tính toán thì dừng lại.
2.1.3.3 Công thức tính toán:
Có thể áp dụng một trong hai công thức sau:
- Nếu trong hai bước phân độ cùng quay tay quay theo một chiều thì:
2
2
1
1
40
n
H
n
H
Z
+=
(1)
- Nếu chiều quay của tay quay trong hai bước ngược nhau thì:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

13
2
2
1
1
40
n

là
ước số của số lỗ trên hai hàng lỗ có sẵn ở đĩa phân độ mà ta sẽ chọn.
Đặt:
2
2
1
1
40
Z
H
Z
H
Z
+=
(với Z1 . Z2 = Z)
Rút ra: 40 = Z
2
.H
1
+ Z
1
.H
2

Đặt H
2
= 1, ta có: 40 = Z
2
.H
1

Z
+=

Cuối cùng, làm lớn
2
1
Z
lên sao cho Z
2
là số lỗ có sẵn của một hàng lỗ nào đó
trên đĩa (lớn hơn Z
1
). Nếu cần thiết (cụ thể là nếu Z
1
chưa trùng với số lỗ có sẵn ở
đĩa) thì cũng phải làm lớn
1
1
Z
H
lên. Cách làm lớn một phân số để giữ nguyên trị số
cũ, như ta đã biết là nhân tử số và mẫu số với cùng một số nguyên nào đó.
Ví dụ: Chia 93 phần đều nhau, tính toán như sau:
21
21
.31.340
3
31
93
40

3
11.1
31
3
3
1
31
3
93
40
+=+=+=

Kết quả cuối cùng là:
Bước 1, phải quay tay quay đi 3 lỗ trên hàng lỗ 31.
Bước 2, phải quay đĩa (và tay quay) đi 11 lỗ trên hàng lỗ 33.
Cả hai bước cùng quay theo một chiều.
+ Áp dụng công thức (2) trình tự tính như sau:
Trước hết, phân tích Z ra hai thừa số Z
1
.Z
2
sao cho khi tăng chúng lên sẽ trùng
với số lỗ có sẵn trên đĩa phân độ.
Đặt:
2
2
1
1
40
Z

−=

Làm lớn hai phân số đó lên sao cho Z
1
và Z
2
trùng với số lỗ có trên hai hàng lỗ
ở đĩa phân độ.
Ví dụ: Chia 93 phần đều nhau, tính toán như sau:
21
21
.31.340
3
31
93
40
HH
HH
−=⇒−=

Đặt H
2
= 2, ta có: 40 = 3.H
1
- 31. 2
3.H
1
= 40 + 31.2 =102 => H
1
= 102/3 = 34

là một mặt tay quay cứ quay đi một số vòng số lỗ nào đó; mặt khác đĩa phân độ lại
quay thêm hoặc lùi lại để bù trừ phần sai. Điểm khác biệt là: ở phương pháp phân
độ vi sai thì hai bước phân độ đó xảy ra đồng
thời và bước 2 được thực hiện một cách tự động
nhờ truyền động của bộ bánh răng thay thế đã
tính chọn theo yêu cầu.
Cấu tạo của đầu phân độ vi sai thực hiện yêu
cầu trên như sau: quay tay quay làm bộ truyền
trục vít – bánh vít quay, truyền chuyển động đến
trục chính (chi tiết gia công) quay với với tỷ số giảm tốc
40
1
. Giữa trục chính 2 và
trục trục phụ 1 có lắp bộ bánh răng
d
c
b
a
.
làm cho trục phụ quay, thông qua cặp
bánh răng côn làm cho đĩa phân độ quay.
+ Cách tính toán phân độ vi sai:
Chi tiết gia công
ụ sau
cánh kéo
kim cài
dĩa chia
tay quay
ụ phân độ
mâm cặp

i
−
=
−
===

Bánh răng a lắp ở trục chính, b lắp ở trục phụ của
đầu phân độ.Nếu Z
*
> Z thì i > 0 tức là đĩa phân độ phải quay cùng chiều với trục chính để
bớt phần lẻ đi.
Nếu Z
*
< Z thì i < 0 tức là đĩa phân độ phải quay ngược chiều với trục chính để
bù thêm phần lẻ. Trường hợp này phải lắp thêm bánh răng trung gian vào xích
truyền động.
Ví dụ:
Muốn phay một bánh răng có 111 răng trên đầu phân độ có N = 40. Tính bánh
răng lắp ngoại ở xích truyền động, chọn đĩa phân độ và số vòng quay khi phân độ
như sau:
- Chọn Z
*
= 120
1
3
120
9

;
hoặc
20
50
.
25
30
; hoặc
40
100
.
25
30
; hoặc
20
100
.
50
30
; v.v…
- Vì 120 > 111 nên không cần bánh răng trung gian (đĩa phân độ sẽ quay cùng
chiều với trục chính). Bánh răng a lắp ở cuối trục chính, bánh răng d lắp ở cuối trục
phụ và hai bánh răng b và c lắp chung trên một trục trung gian ở cầu chuyển động.
- Số vòng quay của tay quay khi phân độ là:
3
1
120
4040
1
===

1
1
.
d
c
b
a
; bộ vi sai hình côn
4
3
2
1
.
Z
Z
Z
Z
có tỷ số
truyền là
1
2
=i
và bộ truyền trục vít –
bánh vít
k
Z
4
(thường là 2/1) còn cặp bánh
răng trung gian có tỷ số truyền 1/1 không
ảnh hưởng gì đến tính toán. Đồng thời

1
, qua bộ
vi sai côn đạt tỷ số truyền
1
2
, cuối cùng qua bộ truyền trục vít – bánh vít đạt tỷ số
truyền
40
1
để làm quay chi tiết gia công. Trường hợp này phải tháo bộ bánh răng a
2
,
b
2
, c
2
, d
2
ra để triệt bỏ xích truyền động thứ 2.
Bộ bánh răng lắp ngoài a
1
, b
1
, c
1
, d
1
tính như sau:
n
Z

1
====i

1
1
1
1
1
1

120
40
90
30
75
25
60
20
d
c
b
a
b
a
======

- Nếu muốn tay quay quay 2 vòng chẵn mỗi lần phân độ thì:
6
1
24

c
b
a
===

+ Phương pháp phân độ vi sai trên đầu phân độ vạn năng không đĩa:
Trường hợp này phải chia hai bước: phân độ giản đơn với phần chia giả thiết,
sau đó bù trừ phần lẻ. Muốn thế phải sử dụng cầu bánh răng
2
2
2
2
.
d
c
b
a
để làm cho tay
quay tự động quay thêm hay quay ngược lại một chút.Trên xích truyền động này bộ vi sai hình côn có tỷ số truyền là
1
1
. Trình tự phân
độ như sau:
Bước 1, Lấy Z
x
(phần chia giả thiết) xấp xỉ Z, tiến hành phân độ giản đơn theo
Z

Z
Z
Z
Z
i
ZZZ
x
=−

Rút ra:
x
x
Z
ZZ
d
c
b
a
i
−
== .40.
2
2
2
2
2

Nếu Z
x
> Z thì i

120
40
1
.
60
.
2
40
1
===i

1
1
1
1
1
1

120
40
90
30
75
25
60
20
d
c
b
a

1
1
1
1
vv
d
c
b
a
===

Bù trừ sai số bằng xích truyền động i
2
:
(
)
(
)
1
2
60
120
60
6360
.40.40
2
−=−=
−
=
−

9
0
θ
=Z
;
540
'
θ
=Z
;
32400
"
θ
=Z

Trong đó: Z - số vòng và số lỗ mà tay
quay của đầu phân độ phải quay.
θ
- góc cần quay của chi tiết gia công.
Ví dụ:
- Muốn phay hai rãnh cách nhau một
góc 81
0
, thì phải quay tay quay
9
9
81
0
==Z
vòng.

+

19
16
.18444,1
540
'996
≈==⇒ Z

Tức là khi phân độ, tay quay phải quay một vòng cộng thêm 16 lỗ trên vòng có
19 lỗ. Trong sổ tay kỹ thuật có bảng quy đổi số thập phân ra phân số. Trong ví dụ
trên, số 0,8444 không có trong bảng, ta lấy số xấp xỉ là 0,8421 tương đương
19
16
.
Nếu không có sẵn bảng, ta có thể tính bằng phương pháp ước lược phân số cho tới
khi mẫu số trùng với số lỗ của một vòng nào đó trên đĩa phân độ. Ví dụ: 0,8512 tạm
lấy là 0,85 và ta ước lược như sau:
20
17
5
:
100
5:85
100
85
85,0 ===
. Nếu đĩa phân độ có 20
vòng lỗ, ta phải quay 17 lỗ.
Ví dụ:


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

21
32 lỗ trên vòng có 49 lỗ






+
49
44
4
. Sang rãnh thứ 3 quay 4 vòng và 44 lỗ vẫn trên
hàng lỗ đó






+
49
44
4

49
6
5







+
49
16
15

Từ rãnh thứ 6 trở đi, lại tiếp tục như đầu.

2.1.8 Phân độ theo theo trị số góc (dịch chuyển góc) theo điều khiển gián
tiếp bằng động cơ bước
Phương pháp này sử dụng động cơ bước để phân độ và bộ encoder để hiển thị
trị số góc quay của chi tiết gia công thay cho sử dụng đĩa phân độ.
Cách phân độ dựa theo công thức sau:
ni
=

các lựa chọn sau:
- Chọn kiểu truyền động cơ khí là bộ truyền trục vít – bánh vít.
- Dùng động cơ bước để truyền động thay cho tay quay và đĩa chia độ.
- Dùng encoder để kiểm tra góc dịch chuyển của động cơ và đối tượng điều
khiển.
Phương pháp phân độ này giản lược được rất nhiều thời gian cho việc tính toán,
nâng cao độ chính xác, năng suất và hiệu quả gia công. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

23
CHƯƠNG III
NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC

quay hoặc các chuyển động của rôto và có khả năng cố định rôto vào những vị trí
cần thiết.
Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu
điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của
rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của
rôto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi một xung điện áp
đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) của động cơ
bước thì rôto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi
một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của
động cơ. Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn
dây phần ứng thay đổi liên tục thì rôto sẽ quay
liên tục (nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là
theo các bước rời rạc).
Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là
tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng
bộ giảm tốc công suất nhỏ.
Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng
bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ
chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số
nhất định. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như
chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số
chuyển đổi.
Trong khi động cơ một chiều
không tiếp xúc có rôto thường là một
nam châm vĩnh cửu (số đôi cực 2p = 2)
và cần có một cảm biến vị trí rôto (để
thực hiện chức năng tạo ra tín hiệu điều
khiển nhằm xác địh thời điểm và thứ tự

số (digital device) mà ở đó các thông tin số hoá đã thiết lập sẽ được chuyển thành
chuyển động quay theo từng bước. Động cơ bước sẽ thực hiện trung thành các lệnh
đã số hoá mà máy tính yêu cầu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

26
3.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Khác với động cơ đồng bộ thông thường, rôto của động cơ bước không có cuộn
dây khởi động (lồng sóc mở máy) mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số.
a, b, c,
Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rôto 2 cực và các lực điện từ khi điều khiển
bằng xung 1 cực

Rôto của động cơ bước có thể được kích thích (rôto tích cực) hoặc không được
kích thích (rôto thụ động).
Xung điện áp cấp cho m cuộn dây stato có thể là xung một cực (hình d) hoặc
xung hai cực (hình e)
d, e,
Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stato

kết hợp giữa hình b và c), có nghĩa là số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn
thay đổi từ chẵn sang lẻ và từ lẻ sang chẵn thì số vị trí cân bằng của rôto sẽ tăng lên
gấp đôi là 2m, độ lớn của một bước sẽ giảm đi một nửa bằng
m2
2
π
. Trường hợp này
được gọi là điều khiển không đối xứng hay điều khiển nửa bước (half step).
Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi (một số chẵn cuộn
dây hoặc một số lẻ cuộn dây, ví dụ hình b hoặc c) thì rôto có m vị trí cân bằng và
được gọi là điều khiển đối xứng, hay điều khiển cả bước (full step).
Một các tổng quát, số bước quay của rôto trong khoảng 0 ÷ 360
0
là:
pnnmK
21
=
(1)
Trong đó: p - số đôi cực của rôto;
m - số cuộn dây điều khiển trên stato (số pha);
n
1
- hệ số