1
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LỰC CẮT QUÁ TRÌNH PHAY
TS.Thái Thị Thu Hà Th.s Hồ Minh Đạo
Khoa Cơ Khí - Trường Đại học bách Khoa - Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt : Bài báo trình bày hệ thống đo lực cắt
trên máy phay CNC . Đây là một phần của hệ thống đo
lường và điều khiển bằng máy tính . Tín hiệu lực cắt
thu được từ lực kế được truyền về máy tính , máy tính
sẽ phân tích , xử lý để phục vụ cho mục đích điều khiển
.Lực kế được thiết kế và chế tạo dựa trên nguyên tắc
đo lực bằng cảm biến biến dạng .Cũng trong bài báo
này , các kết quả thực nghiệm đo lực cắt với nhiều chế
độ cắt khác nhau sẽ được trình bày .Gíá trị lực cắt đo
được gần đúng với giá trị tính toán lý thuyết , điều này
cho thấy hệ thống đo lực cắt hoạt động ổn định , chính
xác .
Abtract : This paper presents a PC-based
monitoring method of cutting forces by a 3-component
strain gage based milling dynamometer designed and
manufactured . Experiments are carried out under end
milling operations for aluminum with different
combinations of cutting condition . The results was
compared with theorical calculation of cutting force .
Its is shown that the monitoring system is reliable ,
accurate and possible .

1. GIỚI THIỆU:
Điều khiển giám sát quá trình gia công trên máy
CNC đã và đang là trọng tâm nghiên cứu trong định

trong quá trình gia công sẽ cung cấp một tín hiệu được
sử dụng để phát hiện lưỡi cắt bị mòn hay gãy , hoặc để
phát hiện va đập . Thêm vào đó , bộ điều khiển thích
nghi với thông số điều khiển là lực cắt dùng thêm một
vòng điều khiển nữa bên cạnh các vòng hồi tiếp thông
thường trong điều khiển vị trí để hiệu chỉnh một cách
linh hoạt các thông số công nghệ trong quá trình gia
công .
Có nhiều phương pháp đo lực cắt trên máy CNC ,
phương pháp được sử dụng nhiều nhất là lực kế bàn
dạng áp điện ( như của hãng Kistler ) . Tuy nhiên , giá
thành của nó rất cao không phù hợp với điều kiện kinh
tế của nước ta . Với mục đích xây dựng bộ điều khiển
thích nghi quá trình phay trên máy CNC , trong đó
thông số điều khiển là lực cắt , chúng tôi đã thiết kế và
chế tạo thành công lực kế đo ba thành phần lực dựa
trên nguyên tắc đo lực bằng cảm biến biến dạng .
Trong phần còn lại của bài báo này chúng tôi sẽ trình
bày về lực kế được thiết kế và một số kết quả thực
nghiệm thu được .

2. LỰC KẾ BA THÀNH PHẦN
Hình 1: Sơ đồ hệ thống đo lực trên máy CNC

Sơ đồ hệ thống đo lực được trình bày trên hình 1 .
Lực kế được thiết kế bao gồm các thành phần : phần tử
đàn hồi , cảm biến biến dạng, mạch cầu Wheatstone ,

hoặc F
y
) tác dụng (hình 2a).
Hình 2 : Quá trình biến dạng của vòng đàn hồi.

Khi chỉ có lực F
r
tác dụng thì vòng đàn hồi biến
dạng như hình 2b , và khi chỉ có lực F
t
tác dụng thì
vòng đàn hồi biến dạng như hình 2c.
Theo lý thuyết đàn hồi với vòng mảnh, khi chỉ có
lực F
r
tác dụng ( hình 2b) thì độ biến dạng ở bề mặt
trong và ngoài của vòng tại điểm A là :

2
..
..09,1
tbE
rF
r

rF
t
B
=
ε
(2)

Với: ε
B
- Độ biến dạng tại điểm B ; F
t
- Lực hướng
kính (N)

Nếu độ biến dạng tại điểm A và B trong phạm vi
giới hạn đàn hồi của vật liệu thì phương trình (1) và (2)
sẽ tuyến tính với lực và vì thế vòng đàn hồi đáp ứng
được yêu cầu mong muốn về độ tuyến tính. Giá trị độ
cứng vững của vòng hình tròn mỏng theo phương
hướng kính và tiếp tuyến được tính như sau:

3
3
8,1 r
Ebt
F
K
r
r
r

biến dạng nhiều nhất bởi các thành phần lực đo . Cảm
biến biến dạng được dán trên vòng tám cạnh nơi mà
nó sẽ bị kéo hoặc nén lớn nhất . Từ các phân tích ở
trên , các cảm biến biến dạng được dán trên vòng tám
cạnh ở vị trí như hình 3 .

Hình 3 : Vị trí dán cảm biến biến dạng trên vòng
tám cạnh.

Bốn vòng tám cạnh được bố trí để đo lực theo 3
phương độc lập với nhau. Vị trí của 4 vòng tám cạnh
trên 2 tấm trên và dưới được thể hiện như trên hình 4 . Hình 4 : Vị trí 4 vòng tám cạnh

Khi chịu lực tác dụng , mạch cầu Wheatstone cho
ra một điện áp rất nhỏ . Do đó, trước khi được chuyển
đổi tương tự / số ( A/D ), tín hiệu này cần phải được
khuếch đại . Trên hình 5 là sơ đồ đơn giản của mạch
khuyếch đại được sử dụng trong hệ thống đo lực . Ưu
điểm của mạch khuyếch đại này là trở kháng lối vào
rất cao , khử được nhiễu do nhiệt độ của điện trở lối
vào và do dòng lối vào khuyếch thuật toán , độ không
tuyến tính của hệ số khuyếch đại không đáng kể , và
việc thiết lập hệ số khuyếch đại rất đơn giản . 3


năng xử lý , hiển thị tín hiệu hỗ trợ người sử dụng
trong việc thiết kế hệ thống đo lường bằng máy tính.

3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM :
Kết quả thực nghiệm được thực hiện trên máy phay
CNC hiệu ENSHU với bộ điều khiển FANUC 6M -
đây là máy phay đứng , điều khiển ba trục . Chức năng
điều khiển CNC được thực hiện trên máy tính, lập
trình trong môi trường Windows . Lực kế được lắp trên
bàn máy và chi tiết gia công ( nhôm , thép ) được gá
trên lực kế như hình 6.

Hình 6 : Mô hình thực nghiệm

Các chế độ cắt được thiết lập như sau : 4 mức tốc
độ trục chính ( 400,500, 600 , 700 vòng /phút) , bốn
mức lược chạy dao ( 100 , 120 ,150 , 200 mm/ phút )
và gia công ở 3 chiều sâu cắt khác nhau ( 1, 2, 3 mm )
. Trong bài báo này chỉ trình bày 4 kết quả thực
nghiệm thể hiện từ hình 7 đến hình 10 , đồng thời giá
trị lớn nhất , nhỏ nhất , trung bình và giá trị lực cắt tính
toán lý thuyết được trình bày từ bảng 1 đến bảng 4 .

Hình 7 : Lực cắt đo được với chế độ cắt : chiều sâu
cắt 1mm , tốc độ trục chính 400 vòng / phút , lượng
chạy dao 120 mm/ phút , đường kính dao 10 mm , vật
liệu nhôm.

Giá trị
nhỏ nhất

liệu nhơm.

Giá trị
nhỏ nhất
(N)
Giá trị
lớn nhất
(N)
Giá trị
trung bình
(N)
Giá trị
tính tốn
(N)
F
x
-61,90 -40,33 -51,83 -44,3
F
y
7,27 30,56 18,24 37,9
F
z
-69,15 -28,56 -49,09 -63,2
Bảng 2 : Lực cắt đo được và lực cắt tính tốn với chế
độ cắt : chiều sâu cắt 2mm , tốc độ trục chính 400
vòng / phút , lượng chạy dao 120 mm/ phút , đường
kính dao 10 mm , vật liệu nhơm.
Hình 9 : Lực cắt đo được với chế độ cắt : chiều sâu cắt
1mm , tốc độ trục chính 400 vòng / phút , lượng chạy
dao 120 mm/ phút , đường kính dao 20 mm , vật liệu

Hình 10 : Lực cắt đo được với chế độ cắt : chiều
sâu cắt 2mm , tốc độ trục chính 400 vòng / phút ,
lượng chạy dao 120 mm/ phút , đường kính dao 20 mm
, vật liệu nhơm. Giá trị
nhỏ nhất
(N)
Giá trị
lớn nhất
(N)
Giá trị
trung bình
(N)
Giá trị
tính tốn
(N)
F
x
-262,72 -9,87 -133,77 -122,8
F
y
-29,18 187,25 74,24 57,8
F
z
-205,46 44,12 -75,01 -92,8

Bảng 4 : Lực cắt đo được và lực cắt tính tốn với
chế độ cắt : chiều sâu cắt 2 mm , tốc độ trục chính 400