Tài liệu Nghiên cứu tính toán và thiết kế máy phay cnc mini 4 trục ứng dụng gia công vật liệu phi kim loại

HỌC VIÊN: TỪ LUYỆN Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÁY PHAY CNC MINI 4 TRỤC ỨNG DỤNG GIA CÔNG VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, NĂM 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TỪ LUYỆN NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÁY PHAY CNC MINI 4 TRỤC ỨNG DỤNG GIA CÔNG VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 8520103 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Đoàn Yên Thế HÀ NỘI, NĂM 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là do bản thân Tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đoàn Yên Thế. Ngoài các phần tài liệu tham khảo đã được liệt kê và nêu rõ trong Luận văn, các số liệu và kết quả thực nghiệm là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Hà Nội, Ngày .... tháng ...... năm 2019 Người thực hiện Từ Luyện 1 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Đoàn Yên Thế đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo khoa Cơ khí trường đại học Thủy Lợi đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả có thể hoàn thành bản Luận văn này. Tác giả xin chân thành cảm ơn khoa Cơ Khí trường cao đẳng nghề Ninh Thuận và các giáo viên thuộc khoa Cơ khí đã tạo điều kiện về thiết bị và giúp đỡ trong quá trình sự dụng thiết bị để tiến hành thực nghiệm; đồng thời tác giả cũng chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp của các thầy, cô giáo thuộc khoa Cơ khí và các đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả tháo gỡ những vướng mắc trong thời gian thực hiện Luận văn. Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp để Luận văn được hoàn thiện hơn và có ý nghĩa trong thực tiễn. Hà nội, ngày ..... tháng .....năm 2019 Người thực hiện Từ Luyện MỤC LỤC 2 LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................1 LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................2 LỜI MỞ ĐẦU ..............................................................................................................10 1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................................... 10 2. Tình hình,mục đích nghiên cứu của luận văn ....................................................... 12 2.1. Tình hình nghiên cứu ................................................................................. 12 2.2. Mục đích nghiên cứu................................................................................... 12 3. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................... 12 4. Phạm vi nghiên cứu.................................................................................................. 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .....14 1.1 Khái quát về các máy công cụ CNC....................................................................... 14 1.1.1 Sơ lược về máy CNC và quá trình phát triển ................................................. 14 1.1.2 Cơ sở của máy CNC ...................................................................................... 15 1.1.3 Đặc điểm và phân loại máy CNC .................................................................. 16 1.2 Nguyên lý vận hành của máy công cụ điều khiển số ............................................ 16 1.2.1 Chương trình gia công một chi tiết ................................................................ 16 1.2.2 Khối điều khiển .............................................................................................. 16 1.2.3 Điều khiển logic ............................................. Error! Bookmark not defined. 1.2.4. Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC .................................................... 17 1.3 Hệ thống tính toán và điều khiển .......................................................................... 18 1.3.1 Khái niệm và phân loại .................................................................................. 18 1.3.2 Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC ............................................. 18 1.3.2.1 Chuẩn bị chương trình bằng tay ......................................................... 18 1.3.2.2 Chuẩn bị chương trình từ máy vi tính ................................................ 19 1.3.3 Cấu trúc hệ điều khiển CNC .......................................................................... 21 1.4 Đặc điểm, cấu tạo, ứng dụng máy CNC ................................................................ 22 1.4.1 Đặc điểm của máy CNC ngày nay ................................................................. 22 3 1.4.2 Cấu tạo chung máy CNC ............................................................................... 22 1.4.2.1 Hệ tọa độ máy..................................................................................... 23 1.4.3 Vai trò, ứng dụng và lợi ích của máy CNC mini ........................................... 25 1.4.3.1 Vai trò của máy CNC mini trong sản xuất công nghiệp .................... 25 1.4.3.2 Ứng dụng máy CNC trong sản xuất công nghiệp .............................. 26 1.5 Phân loại các loại máy phay CNC mini ................................................................ 27 1.5.1. Máy phay CNC 3 trục mini ........................................................................... 27 1.5.2. Máy phay CNC 4 trục mini ........................................................................... 28 1.6. Kết luận chương 1 ................................................................................................. 28 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ MÁY PHAY CNC 4 TRỤC ...................................................................................................29 2.1 Phân tích, lựa chọn máy phay CNC 4 trục ........................................................... 29 2.1.1 Các phương án lựa máy phay CNC 4 trục .................................................... 29 2.1.2. Lựa chọn phương án thiết kế ...................................................................... 31 2.2 Tính toán thiết kế các bộ phận máy ....................................................................... 33 2.2.1 Quy trình tính toán máy phay CNC ............................................................... 33 2.3. Tóm tắt kết quả chương 2 ..................................................................................... 49 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ KIỂM NGHIỆM TÍNH TOÁN MÁY PHAY CNC 4 TRỤC ...................................................................................................50 3.1. Giới thiệu phần mềm SolidWorks ......................................................................... 50 3.1.1 Thiết kế 3D ..................................................................................................... 50 3.1.2 Chức năng CAE ............................................................................................ 51 3.1.3 Chức năng CAM ........................................................................................... 52 3.2 Thiết kế thân máy phay CNC ................................................................................. 52 3.2.1 Tổng thể thiết máy ......................................................................................... 52 3.2.2 Thiết kế cụm trục Z ........................................................................................ 53 3.2.3 Thiết kế cụm trục X ....................................................................................... 56 4 3.2.4 Thiết kế cụm trục Y ....................................................................................... 59 3.2.5 Thiết kế cụm trục xoay (trục A)..................................................................... 62 3.2.6 Kết cấu khung đỡ máy ................................................................................... 63 3.2.7 Mô hình máy CNC hoàn thiện ....................................................................... 64 3.3 Kiểm nghiệm tính toán bộ phận kết cấu máy CNC 4 trục .................................... 64 3.3.1. Phân tích lựa chọn chi tiết ............................................................................. 64 3.3.2 Tính toán kiểm nghiệm chi tiết ...................................................................... 65 3.4 Tóm tắt kết quả chương 3 ...................................................................................... 68 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CNC 4 TRỤC ........................................................................................69 4.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển máy CNC mini ............................................... 69 4.2 Tổng quan về các phần mềm điều khiển máy CNC ............................................ 71 4.2.1 Phần mềm NC Studio ................................................................................ 71 4.2.2 Giới thiệu phần mềm MACH 3 .................................................................... 72 4.2.2.1. Trang Program Run ........................................................................... 73 4.2.2.2. Trang MDI Alt-2 (Manual Data Input) ............................................. 76 4.2.2.3. Trang Offsets(Alt-5). ......................................................................... 77 4.2.2.4. Trang Setting (Alt6) .......................................................................... 78 4.3 Phân tích lựa chon hệ thống điều khiển máy CNC 4 trục ................................... 81 4.3.1 Mạch điều khiển trung tâm Mach 3 CNC ..................................................... 81 4.3.2 Driver điều khiển động cơ ............................................................................ 83 4.3.3 Biến tần và trục chính. .................................................................................. 86 4.4.3 Các linh kiện khác .......................................................................................... 88 4.4.4 Thiết kế hệ thống điều khiển máy CNC ........................................................ 89 4.4.5 Xây dựng nguyên lý hoạt động của mạch..................................................... 92 4.4.6 Lựa chọn danh sach thiết bị cho hệ thống điều kiển máy CNC..................... 94 4.4 Kết luận chương 4 .................................................................................................. 97 5 CHƯƠNG 5: LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM MÁY PHAY CNC 4 TRỤC .................97 5.1 Lắp ráp các chi tiết và gia công thử nghiệm ..................................................... 97 5.1.1 Lắp ráp, hiệu chỉnh máy phay CNC ............................................................ 97 5.1.2 Gia công thử nghiệm ..................................................................................100 5.1.3 Kết luận chương 5 .......................................................................................102 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ...................................................................................... 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 103 DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1 Bảng so sánh máy phay CNC 3 trục mini và 4 trục mini .............................28 6 Bảng 2. 1 Thông số kỹ thuật dự kiến của máy phay CNC ............................................32 Bảng 2. 2 Kết quả tính toán các bộ phận máy pháy CNC 4 trục mini ..........................48 Bảng 2. 3 Bảng tính toán lực .........................................................................................49 Bảng 3. 1 Thông số đầu vào trục Z ...............................................................................54 Bảng 3. 2 Bảng thống kê các chi tiết của trục Z ............................................................56 Bảng 3. 3 Bảng thông số đầu vào cụm trục X ...............................................................57 Bảng 3. 4 Bảng thông kê chi tiết cụm trục X ................................................................59 Bảng 3. 5 Bảng thông số đầu vào cụm trục Y ...............................................................60 Bảng 3. 6 Bảng thống kế chi tiết cum trục Y ................................................................61 Bảng 3. 7 Bảng thống kê chi tiết cụm trục A ................................................................63 Bảng 3. 8 Bảng lực tác dụng, thông số vật liệu của tấm X1, Z1 ...................................66 Bảng 4. 1 Sơ đồ chân tín hiệu của công tín hiệu LPT ...................................................90 Bảng 4. 2 Bảng các thanh ghi địa chỉ công LPT ...........................................................91 Bảng 4. 3 Danh sách thiết cho hệ thống điều khiển máy phay CNC 4 trục mini ..........97 Bảng 5. 1 Các thông số cơ bản của máy phay CNC 3 trục ........................................ 100 Bảng 5. 2 Bảng đánh giá kích thước đạt được sau gia công trên 2 máy CNC VMC850 (Mẫu 1) và máy CNC chế tạo (Mẫu 2) ....................................................................... 101 Bảng 5. 4 Bảng đánh giá kích thước đạt được sau gia công ...................................... 102 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 7 Hình 1. 1 Mô hình điều khiển DNC .............................................................................14 Hình 1. 2 Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM......................................................14 Hình 1. 3 Cơ sở của các máy CNC ................................................................................15 Hình 1. 4 Trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các .....................................15 Hình 1. 5 Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC .............................................................17 Hình 1. 6 Lưu đồ điểu khiển hệ CNC ............................................................................18 Hình 1. 7 Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay .....................................19 Hình 1. 8 Lưu đồ lập trình bằng máy ............................................................................20 Hình 1. 9 Cấu trúc của hệ CNC .....................................................................................21 Hình 1. 10 Cấu tạo chung của các máy CNC ................................................................23 Hình 1. 11 Quy tắc bàn tay phải ....................................................................................23 Hình 1. 12 Hệ tọa độ máy CNC cùng các trục phụ .......................................................25 Hình 1. 13 Gia công cắt gọt trên máy CNC .................................................................26 Hình 1. 14 Gia công cắt gọt trên máy CNC .................................................................27 Hình 2. 1 Máy CNC 4 trục với phương án trục A xoay trên trục Z ..............................29 Hình 2. 2 Phương án trục xoay A quay quanh trục y và thuộc mặt Oxy ......................30 Hình 2. 3 Mô hình thiết kế máy phay CNC 4 trục mini ...............................................31 Hình 2. 4 Sơ đồ kết cấu động học máy CNC 4 trục ......................................................33 Hình 2. 5 Các bộ phận cơ bản máy phay CNC 4 trục mini ...........................................33 Hình 2. 6 Quy trình tính toán máy phay CNC 4 trục mini ............................................34 Hình 2. 7 Trình tự tính toán chọn vít me .......................................................................35 Hình 2. 8 Sơ đồ tính toán chọn ổ bi ...............................................................................38 Hình 2. 9 Sơ đồ lắp ổ bi .................................................................................................38 Hình 2. 10 Trình tự tính chọn ray dẫn hướng ...............................................................41 Hình 2. 11 Sơ đồ lực tác dụng lên ray dẫn hướng trục Y ..............................................42 Hình 2. 12 Ray dẫn hướng tròn cho trục Y ...................................................................43 Hình 2. 13 Sơ đồ lực tác dụng lên ra dẫn hướng trục X ................................................44 Hình 2. 14 Ray dẫn hướng vuông cho trục X ...............................................................45 Hình 2. 15 Sơ đồ lực tác dụng lên trục Z ......................................................................46 Hình 2. 16 Bàn máy phay CNC .....................................................................................48 8 Hình 2. 17 Cụm trục thứ 4 máy phay CNC ...................................................................48 Hình 3. 1 Mô phỏng ứng suất ........................................................................................51 Hình 3. 2 Gia công bằng SolidCam ...............................................................................52 Hình 3. 3 Mô hình thiết kế 3D cụm trục Z ....................................................................55 Hình 3. 4 Mô hình thiết kế 3D cum trục X ....................................................................58 Hình 3. 5 Mô hình thiết kế 3D cụm trục Y ....................................................................60 Hình 3. 6 Mô hình thiết kế 3D cụm trục xoay A ...........................................................62 Hình 3. 7 Kết cấu khung máy CNC 4 trục ....................................................................63 Hình 3. 8 Mô hình máy phay CNC 4 trục .....................................................................64 Hình 3. 9 Chi tiết kiểm nghiệm Tấm đỡ X1 (bên trái), tấm Z1 (bên phải) ...................65 Hình 3. 10 Sơ đồ kiểm nghiệm kết cấu trong SolidWorks ............................................65 Hình 3. 11 Sơ đồ đặt lực tấm X1 (bên trái), tấm Z1(bên phải) .....................................66 Hình 3. 12 Kết quả kiểm nghiệm bền chi tiết tấm X1 ...................................................67 Hình 3. 13 Kết quả kiểm nghiệm bền chi tiết tấm Z1 ...................................................67 Hình 4. 1 Chức năng của từng khối. ..............................................................................69 Hình 4. 2 Sơ đồ chi tiết khối điều khiển ........................................................................69 Hình 4. 3 Sơ đồ chi tiết khối xử lý tìn hiệu và điều khiển.............................................69 Hình 4. 4 Sơ đồ chi tiết khối cơ cấu chấp hành .............................................................69 Hình 4. 5 Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phay CNC 4 trục. ........................................70 Hình 4. 6 Giao diện phần mềm NcStudio......................................................................71 Hình 4. 7 Giao diện chính của phần mềm Mach3. ........................................................73 Hình 4. 8 .Vị trí tọa độ của các trục khi máy chạy. .......................................................74 Hình 4. 9 Phần điều khiển chương trình. .......................................................................75 Hình 4. 10 Giao diện phần MDI ....................................................................................77 Hình 4. 11 Giao diện phần Offsets ................................................................................77 Hình 4. 12 Giao diện phần Setting ................................................................................78 Hình 4. 13 Hộp thoại cho phép thiết lập ứng các chân điều khiển LPT........................79 Hình 4. 14 Hộp thoại Pick Wizards ...............................................................................80 9 Hình 4. 15 Giao diện chương trình Cut a circular pocket .............................................81 Hình 4. 16 Mạch điều khiển Mach3 CNC .....................................................................81 Hình 4. 17 Động cơ step 57 ...........................................................................................83 Hình 4. 18 Mạch driver TB6560 ..................................................................................84 Hình 4. 19 Mạch driver MA860H .................................................................................85 Hình 4. 20 Sơ đồ biến tần gián tiếp ...............................................................................87 Hình 4. 21 Biến tần thực tế trên thị trường ...................................................................87 Hình 4. 22 Thông số kỹ thuật của Spindle ....................................................................87 Hình 4. 23 Cổng LPT 25 chân và bố chí các chân. .......................................................89 Hình 4. 24 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển máy CNC 4 trục ....................................92 Hình 4. 25 Sơ đồ đấu nối động cơ trục X, Y, Z, A........................................................93 Hình 4. 26 Sơ đồ đấu nối động cơ trục chính và EMG .................................................93 Hình 5. 1 Sơ đồ lắp ráp máy phay CNC 4 trục mini .....................................................98 Hình 5. 2 Máy phay CNC sau khi lắp ráp hoàn thiện ...................................................99 Hình 5. 3 Sản phẩm gia công trên máy phay CNC 3 trục .......................................... 101 Hình 5. 4 Thiết kế chi tiết 3D và các kích thước gia công và kiểm tra ...................... 101 Hình 5. 5 Sản phẩm gia công trên máy phay CNC 4 trục .......................................... 102 LỜI MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài 10 Tình hình ngoài nước: máy CNC là một sản phẩm công nghiệp kết hợp nhiều công nghệ tiên tiến khác nhau. Do đó, để sản xuất ra máy CNC cần vốn đầu tư lớn, kinh nghiệm sản xuất lâu năm, tức là cần một nền sản xuất vững chắc hỗ trợ. Việc sản xuất máy CNC công nghiệp hiện tại tập trung ở các nước phát triển như Đức, Nhật, Mỹ,… và do các tập đoàn sản xuất lớn có tính truyền thống như: Okuma, Dekel Maho, Doosan, Mitsubishi,… với nhiều chủng loại, kết cấu, mẫu mã và kiểu dáng khác nhau. Tình hình trong nước: tương lai của ngành sản xuất máy công cụ vẫn còn nhiều khó khăn, hạn chế, nên việc sản xuất máy CNC chưa đáp ứng được nhu cầu của nền công nghiệp, khó có khả năng cạnh tranh với sản phẩm nhập ngoại. Để thay đổi thực trạng này, cần một sự đầu tư lớn và quan tâm của các cấp các ngành, cùng chiến lược phát triển lâu dài. Tuy nhiên ngày nay, một thế hệ máy CNC cỡ nhỏ - table machine đang được quan tâm và đưa vào sử dụng trong các lĩnh vực gia công điêu khắc và chế tác mỹ thuật. Phạm vi kết cấu và điều khiển của dòng máy này có thể phù hợp với trình độ phát triển của Việt Nam. Trong ngành công nghiệp gia công điêu khắc và chế tác mỹ thuật: yêu cầu về các sản phẩm với mẫu mã đa dạng được chế tác từ các vật liệu khác nhau như gỗ, nhựa, vàng bạc, đá quý…ngày càng gia tăng, đi kèm với yêu cầu về độ tinh xảo và chính xác, dẫn đến chi phí cao cho thao tác bằng tay của người thợ thực hiện. Máy CNC mini có kích thước nhỏ gọn, cùng công nghệ điều khiển số hoàn toàn có thể đáp ứng được những yêu cầu này, giảm bớt chi phí trong chế tác các sản phẩm thủ công. Do đó, việc sản xuất các máy CNC mini phù hợp với trình độ phát triển của nền công nghiệp và thỏa mãn nhu cầu của thị trường là cần thiết. Các máy CNC 4 trục đang hiện hành trên thị trường là đủ để đáp ứng sản xuất, nên quyết định chọn đối tượng nghiên cứu là máy CNC mini 4 trục điều khiển. Các sản phẩm thủ công của máy CNC 4 trục để bàn có thể thấy như trong hình ảnh bên dưới. Máy CNC thường bao gồm nhiều chi tiết và cụm chi tiết, nên việc sản xuất máy được tối ưu hóa bằng cách sử dụng phương pháp thiết kế sản phẩm theo nguyên tắc module hóa: tiêu chuẩn hóa các chi tiết và cụm chi tiết có chức năng phức tạp. Thiết kế theo nguyên tắc module hóa giúp cải thiện về mặt kinh tế, thời gian và chi phí dành cho sản xuất, cũng như việc sản xuất máy mới được đa dạng, nhanh chóng và hiệu quả hơn, khả năng thay thế khi sửa chữa cao. 11 Sản phẩm máy CNC sau khi thiết kế cần đáp ứng nhanh được nhu cầu của thị trường, dự đoán trước phản hồi của khách hàng để cải tiến và nâng cấp cho dòng sản phẩm tiếp theo, nên việc trải nghiệm trên môi trường số là cần thiết. Việc cho khách hàng tiếp cận với sản phẩm trên môi trường ảo sẽ giúp nhà thiết kế cải tiến, thay đổi mẫu mã, tính năng của sản phẩm ngay trong khi thiết kế hoặc sản xuất. Để tiết kiệm thời gian cải tiến dòng máy mới, cần tận dụng những dữ liệu thiết kế cũ, bao gồm những tài liệu, bản vẽ cũng như thông tin về từng bộ phận, module của máy, thông số kỹ thuật. Với đề tài thiết kế máy phay gỗ CNC 4 trục để bàn nhằm phục vụ sản xuất các chi tiết mỹ nghệ phức tạp, tinh xảo, phục chế các mẫu điêu khắc. Dựa vào những tình hình và thực trạng trên, tác giả quyết định lựa chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo máy phay CNC 4 trục ứng dụng trong gia công phi kim loại ” để làm luận văn cao học. 2. Tình hình,mục đích nghiên cứu của luận văn 2.1. Tình hình nghiên cứu - Đầu tiên, tác giả đang công tác trong lĩnh vực cơ khí cụ thể thể là đang giảng dạy nghề Kỹ thuật cơ khí ô tô tại trường Cao đẳng nghề Ninh Thuận - Thứ hai, với điều kiện thuận lợi như trang thiết bị tại xưởng trường, nhiều giáo viên đã thí nghiệm thạc sỹ trong lĩnh vực Cơ khí,CN ô tô, điện, điện tử....sẽ hỗ trợ hiệu quả trong việc gia công, chế tạo các chi tiết để lắp ráp thiết bị 2.2. Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu về công nghệ chế tạo máy CNC - Chế tạo các máy phay CNC 4 mini trục để phục vụ công tác giảng dạy. - Chế tạo máy phay CNC 4 trục mini có giá thành phù hợp, phục vụ sản xuất thực tế ở địa phương như : máy gia công khắc gỗ, nhựa, mica….. 3. Đối tượng nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là máy phay CNC 4 trục mini - Các máy công cụ như máy phay cơ, máy tiện cơ, máy phay CNC…. 4. Phạm vi nghiên cứu - Tính toán, thiết kế, chế tạo mô hình máy phay CNC 4 trục mini - Thiết kế, lựa chọn thiết bị cho hệ thống điều khiển cho máy phay CNC - Lập trình gia công, vận hành máy phay CNC 4 trục mini 12 5. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết tính toán các bộ phận ( bộ dẫn động, bộ dẫn hướng….) của các hãng như TBI, Hiwin, KingMotor….. - Thiết kế, chế tạo máy phay CNC 4 trục mini phù hợp với nơi làm việc - Nghiên cứu các thiết bị, module điện điều khiển của máy phay CNC 6. Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả Nội dung nghiên cứu: - Tổng quan về máy phay CNC và hệ thống điều khiển - Tính toàn thiết kế hệ thống cơ khí máy phay CNC 4 trục mini - Ứng dụng phần mềm SolidWorks trong thiết kế và kiểm nghiệm tính toán máy phay CNC 4 trục mini - Thiết kế hệ thống điều khiển máy phay CNC 4 trục mini Những đóng góp mới: - Tính toán thiết kế, chế tạo máy phay CNC 4 trục mini phục vụ cho giảng dạy tại trường như gia công chi tiết ô tô, điêu khắc…. - Chế tạo các máy phay CNC 4 trục mini có giá thành hợp lý để phục vụ sản xuất tại địa phương 13 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1.1 Khái quát về các máy công cụ CNC 1.1.1 Sơ lược về máy CNC và quá trình phát triển Điều khiển số NC (Numerical Control) ra đời với mục đích điều khiển các quá trình công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ. Về thực chất, đây là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi và sản phẩm...) trên cơ sở các dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống. Hình 1. 1 Mô hình điều khiển DNC Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí đã phát triển và đạt đến trình độ rất cao như các phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ hợp CIM(Computer Integrated Manufacturing) với việc trang bị thêm các Robot cấp phôi liệu và vận chuyển, các hệ thống đo lường và quản lý chất lượng tiên tiến, các kiểu nhà kho hiện đại được đưa vào áp dụng đã mang lại hiệu quả kinh tế rất đáng kể. Hình 1. 2 Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM 14 1.1.2 Cơ sở của máy CNC Các trục của máy CNC được trang bị dụng cụ đo vị trí để xác định tọa độ các bàn máy và của dụng cụ cắt. Khi bàn máy di chuyển thì các dụng cụ đo lường phát ra tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu điện này và xác định vị trí chính xác của bàn máy trong hệ trục tọa độ. Hình 1. 3 Cơ sở của các máy CNC Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công chi tiết trên máy CNC phải nằm trong một hệ trục tọa đồ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải. Trong đó có ba chuyển động tịnh tiến theo các trục và ba chuyển động quay theo các trục tương ứng. Một máy công cụ CNC có thể điều khiển tới 6 trục gồm tịnh tiến theo X, Y, Z, và các trục A, B, C quay quanh các trục Z, Y, Z. Một điểm trong không gian hệ tọa độ Descarte được xác định tọa độ qua hình chiếu của nó lên ba trục X, Y, Z. Hình 1. 4 Trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các 15 1.1.3 Đặc điểm và phân loại máy CNC Một cách tổng quát các máy công cụ CNC có thể được phân loại theo các đặc điểm sau: - Truyền động : Thủy lực, khí nén và điện ..... - Phương pháp điều khiển : Tọa độ hay quỹ đạo ... - Hệ thống định vị : Định vị kich thước tuyệt đối và định vị nối tiếp - Các vòng lặp điều khiển: vòng hở, vòng kín, vòng nửa kín. - Số trục tọa độ : 3 trục, 4 trục, 5 trục..... Theo chức năng thì các máy công cụ CNC cũng như các máy công cụ vạn năng, có thể được chia thành các nhóm sau: - Nhóm máy tiện đại diện cho các máy tiện trong, tiện ngoài trên một phôi đang quay, cũng như cắt ren trong và ren ngoài.... - Nhóm máy khoan, doa để khoan, doa các phôi. - Nhóm máy phay để phay những chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo ra các bề mặt và các góc đa dạng và cũng có thể khoan, phay và doa. Thay đổi nguyên công bằng các thay dụng cụ cắt, có nghĩa là chỉ cần một lần gá kẹp. - Nhóm máy mài để gia công tinh. Nhóm này bao gồm các máy mài trục, mài lỗ, mài phẳng, mài răng, mài rãnh then, mài dụng cụ... - Nhóm trung tâm gia công: Khoan, phay, tiên, doa... 1.2 Nguyên lý vận hành của máy công cụ điều khiển số 1.2.1 Chương trình gia công một chi tiết Chương trình gia công chi tiết gồm có các chương trình điều khiển số và dữ liệu. Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lưu giữ trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ hoặc đĩa Compact CD) sau đó được nạp vào hệ điều khiển số qua cửa nạp tương thích. Dữ liệu gồm các giá trị hiệu chỉnh biên dạng, các dữ liệu hiệu chỉnh máy, các số liệu về dụng cụ cắt... được nạp vào từ bẳng điều khiển. 1.2.2 Khối điều khiển Chức năng của khối điều kiển là thực hiện chương trình gia công chi tiết trên cơ sở dữ liệu sẵn có và tín hiệu từ bên ngoài. Nhận các giá trị vị trí của các trục từ sensor đo vị trí encoder, và tốc độ của các trục. 16 Thực hiện các chương trình điều kiển các cơ cấu chấp hành, động cơ của trục chính, động cơ của các trục truyền động riêng lẻ để phối hợp tạo nên biên dang và điều khiển tốc độ các trục. 1.2.2 Khối điều khiển Điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ như sau: tốc độ chạy nhanh (không cắt) tối đa, bố trí xắp đặt các trục máy, các trạng thái đóng ngắt mạch của hệ điều khiển và giới hạn vùng làm việc của hệ thống công nghệ (bàn máy, gá lắp, dụng cụ), lệnh đóng ngắt bơm dung dịch làm mát và bôi trơn, lệnh tạo số vòng quay cho trục chính, lệnh thay dụng cụ. Đầu ra khối điều khiển logic điều khiển các cơ cấu chấp hành như: Van thủy lực, van khí nén, các rơ-le.. 1.2.4. Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC Hình 1. 5 Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC 1.Màn hình 2. Bảng điều khiển 3. Mạch ghép nối 4. Tay quay điện tử Màn hình (1) dùng để hiển thị tọa độ hiện tại của các trục truyền động, trạng thái làm việc của toàn hệ thống. Bảng điều khiển (2) để vào dữ liệu điều chỉnh máy, lập trình gia công, cài đặt hệ thống. Tay quay điện tử (4) dùng để vận hành máy trong các trường hợp để hiệu chỉnh máy, do chi tiết... mà phải mở cửa làm việc. Các khối vào ra (I/O), các bộ phận điều khiển truyền động ( BĐK) liên lạc với CPU thông qua một Bus hệ thống. Các khối Flash + Ram để lưu trữ các chương trình điều khiển, dữ liệu máy và liên lạc với CPU thông qua Bus trong của CPU. 17 1.3 Hệ thống tính toán và điều khiển 1.3.1 Khái niệm và phân loại Hệ điều khiển CNC thực hiện lưu đồ điều khiển như hình 1.9. Giai đoạn đầu tiên, những thông tin về kích thước công nghệ được đưa sang khâu chuẩn bị chương trình, sau đó là công việc lập trình điều khiển. Hình 1. 6 Lưu đồ điểu khiển hệ CNC Chương trình điều khiển được đưa vào thiết bị tính toán điều khiển, tạo tín hiệu điều khiển các hệ truyền động điện tự động. Cấu trúc của thiết bị tính toán điều khiển có thể chia ra làm hai nhóm: NC và CNC. Trong hệ CNC các chương trình điều khiển được đưa vào khối xử lí sao cho chương trình sau đó qua đầu vào đưa đến các khối giả mã nhằm tạo ra các mã tương thích của máy. Tín hiệu này hoặc đưa trực tiếp vào khối điều khiển hoặc đưa vào bộ nhớ đệm và cuối cùng đến bộ nội suy để tính toán phân ra các chuyển động trên các trục tọa độ. Mặt khác thông tin điều khiển còn đưa ra các lệnh điều kiển công nghệ như tốc độ cắt, xoay chi tiết, thay dao... 1.3.2 Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC 1.3.2.1 Chuẩn bị chương trình bằng tay Nhưng thông tin cần thiết để chuẩn bị chương trình là: Bản vẽ chi tiết và các điều kiện công nghệ. Người soạn thảo chương trình phải chuyền thông tin đó thành các chương trình điều khiển số cho máy gia công. 18