Tài liệu Thiết kế và chế tạo máy phay cnc

  • Số trang: 115 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 172 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 27125 tài liệu

Mô tả:

1 LỜI NÓI ĐẦU Trong công cuộc đổi mới đất nước, với mục tiêu chiến lược Công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, nhằm đưa nền kinh tế phát triển với tốc độ cao nhằm sánh vai cùng với các quốc gia phát triển trên thế giới, trong đó lĩnh vực tự động hóa đóng vai trò rất quan trọng. Cơ - Điện tử là ngành khoa học tổng hợp liên ngành của cơ khí chính xác, điện tử, điều khiển và tư duy hệ thống trong thiết kế và phát triển sản phẩm. Đây là ngành rất quan trọng và không thể thiếu trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại. Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ điều khiển kỹ thuật số và điều khiển bằng máy tính vào trong các lĩnh vực công nghiệp đang trở nên ngày càng phổ biến đặc biệt là việc ứng dụng các máy CNC. Điều này dẫn đến việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các máy điều khiển số là một điều tất yếu trong công cuộc công nghệp hóa hiện đại hóa đất nước. Theo xu hướng đó, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công máy CNC là một việc vô cùng cấp thiết, để từ đó có thể thực hiện cải tiến các máy công cụ truyền thống vẫn còn đang tồn tại ở một số cơ sở sản xuất trở thành máy CNC với một giá thành chấp nhận được trong điều kiện nền công nghiệp còn non kém như ở nước ta. Hơn nữa, những công trình nghiên cứu như thế này còn cho phép ta nắm bắt được những công nghệ đang được sử dụng trong những máy CNC do các tập đoàn công nghiệp hàng đầu thế giới sản xuất; để từ đó có thể làm chủ được những chiếc máy này một cách toàn diện hơn. Từ những cơ sở trên, chúng em quyết định chọn mô hình máy phay CNC (2D) làm đề tài nghiên cứu. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô và bạn bè đã rất nhiệt tình giúp đỡ để em sớm hoàn thành đề tài này. Nha Trang, tháng 6 năm 2011 Sinh viên thực hiện: Trương Đình Luân 2 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................1 MỤC LỤC..........................................................................................................2 DANH MỤC CÁC HÌNH..................................................................................4 CHƯƠNG 1 .......................................................................................................8 TỔNG QUAN MÁY CNC.................................................................................8 1.1.GIỚI THIỆU CHUNG...................................................................................9 1.2. HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA MÁY CNC ......................................................9 1.3. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI MÁY CNC ĐANG DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP HIỆN NAY ........................................................................................10 1.3.1. Máy khoan CNC (Drilling Machine)........................................................10 1.3.2. Máy phay CNC (Milling Machine) ..........................................................11 1.3.3. Máy tiện CNC (Turning Machine) ...........................................................11 1.3.4. Máy doa CNC (Boring Machine) .............................................................12 1.3.5. Máy mài CNC (Grinding Machine)..........................................................13 CHƯƠNG 2 .....................................................................................................14 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU........................................14 2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...............................................................15 2.2. CÁC KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC ..................................................................................................................16 2.2.1. Các khái niệm máy CNC .........................................................................16 2.2.1.1. Định nghĩa máy và trục máy .................................................................16 2.2.2.2. Cấu trúc hệ trục máy CNC ....................................................................16 2.2.2.3. Tọa độ quy chiếu ..................................................................................18 2.2.2. Phân loại hệ thống điều khiển máy CNC..................................................18 2.2.2.1. Phân loại theo dạng điều khiển..............................................................18 2.2.2.2. Phân loại theo cấu trúc điều khiển.........................................................20 2.2.2.3. Phân loại theo kiểu điều khiển ..............................................................20 2.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .......................................................................22 2.3.1. Các phương án thiết kế ............................................................................22 2.3.1.1. Phương án 1:.........................................................................................22 2.3.1.2. Phương án 2:.........................................................................................23 2.3.1.3. Phương án 3:.........................................................................................25 2.3.1.4. Kết luận ................................................................................................26 2.3.2. Phân tích, lựa chọn động cơ và trục vít me...............................................26 3 2.3.2.1. Động cơ dẫn động hai trục chính X, Y và trục Z ...................................26 2.3.2.2. Động cơ phay........................................................................................27 2.3.2.3. Bộ truyền, biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến ............28 2.3.3. Thiết kế, chế tạo phần cơ khí ...................................................................29 2.3.3.1. Vật liệu chế tạo máy phay CNC ............................................................29 2.3.3.2. Thiết kế, chế tạo máy phay CNC...........................................................33 2.3.3.3. Khái niệm và tính toán, thiết kế bộ truyền trục vít – đai ốc....................39 2.3.4. Thiết kế, chế tạo phần điều khiển .............................................................44 2.3.4.1. Động cơ bước (stepping motor) ............................................................44 2.3.4.2. Giới thiệu về Vi điều khiển AVR ..........................................................52 2.3.4.3. Truyền thông : ......................................................................................62 2.3.4.4. Sơ lược các linh kiện dùng trong mạch .................................................65 2.3.4.5. Sơ đồ nguyên lý động cơ bước.............................................................67 2.3.4.6. Thiết kế mạch. ......................................................................................68 2.3.5. Lưu đồ giải thuật......................................................................................76 CHƯƠNG 3 .....................................................................................................82 THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ .............................................82 3.1. THỰC NGHIỆM KIỂM TRA KẾT CẤU CƠ KHÍ MÁY PHAY CNC ......83 3.2. THỰC NGHIỆM KIỂM TRA ĐỘNG CƠ ..................................................87 3.3. KIỂM TRA NGUỒN..................................................................................87 3.4. KIỂM TRA MẠCH ĐIỀU KHIỂN, CÔNG TẮC HÀNH TRÌNH ..............88 3.5. THỰC NGHIỆM KIỂM TRA CHƯƠNG TRÌNH. .....................................88 3.6. THỰC NGHIỆM SẢN PHẨM: ..................................................................89 CHƯƠNG 4 .....................................................................................................91 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT .............................................................................91 4.1. KẾT LUẬN ................................................................................................92 4.2. ĐỀ XUẤT ..................................................................................................92 TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................93 PHỤ LỤC.........................................................................................................94 4 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Máy khoan CNC ................................................................................10 Hình 1.2. Máy phay CNC .................................................................................11 Hình 1.3. Máy tiện CNC....................................................................................12 Hình 1.4. Máy doa ngang CNC.........................................................................13 Hình 1.5. Máy mài đứng CNC...........................................................................13 Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát ..................................................................................15 Hình 2.2. Quy tắc bàn tay phải..........................................................................16 Hình 2.3. Hệ tọa độ Descartes. ..........................................................................17 Hình 2.4. Ví dụ về việc xác định chiều dương cho các trục quay .......................17 Hình 2.5. Hai phương án chuyển động dụng cụ song song trục của hệ tọa độ ...19 Hình 2.6. Phương án chuyển động dụng cụ nghiêng góc 45 .............................19 Hình 2.7. Phương án chuyển động dụng cụ theo đường thẳng ...........................19 Hình 2.8. Sơ đồ khối hệ điều khiển hở dùng động cơ bước ................................21 Hình 2.9. Sơ đồ khối hệ điều khiển kín..............................................................22 Hình 2.10. Mô hình thiết kế 1 máy phay CNC. ..................................................22 Hình 2.11. Mô hình thiết kế 2 máy phay CNC. ..................................................23 Hình 2.12. Cơ cấu trượt(làm bằng phôi nhựa)....................................................24 Hình 2.13. Mô hình thiết kế 3 máy phay CNC. .................................................25 Hình 2.14. Một số loại động cơ bước kiểu lai. ...................................................26 Hình 2.15. Một số loại động một chiều DC........................................................26 Hình 2.16. Một số loại trục vít_đai ốc................................................................28 Hình 2.17. Kết cấu vít me – đai ốc bi chuyên dùng cho máy CNC....................28 Hình 2.18. Thép hình hộp ..................................................................................30 Hình 2.19. Thép ống..........................................................................................30 Hình 2.20. Thép V .............................................................................................30 Hình 2.21. que hàn ............................................................................................31 Hình 2.22. Các loại bulông – đai ốc...................................................................31 Hình 2.23. Kết cấu ổ lăn ....................................................................................32 Hình 2.24. Một số loại ổ lăn ..............................................................................32 Hình 2.25. Bản vẽ chế tạo của khung dưới máy phay CNC................................33 Hình 2.26. Khung dưới máy phay cnc vẽ bằng solidworks ................................33 Hình 2.27. Bản vẽ chế tạo của khung trên máy phay CNC................................34 Hình 2.28. Khung trên máy phay cnc vẽ bằng solidworks..................................34 Hình 2.29. Bản vẽ chế tạo của khung tịnh tiến theo trục Y máy phay CNC.......35 5 Hình 2.30. Bản vẽ thép ống dẫn hướng..............................................................35 Hình 2.31. Cơ cấu trượt .....................................................................................35 Hình 2.32. Cơ cấu kẹp .......................................................................................36 Hình 2.33. Cơ cấu giữ........................................................................................36 Hình 2.34. Cơ cấu trượt, kẹp, trục ống dẫn động trục chính ...............................37 Hình 2.35. Cơ cấu cố định động cơ....................................................................37 Hình 2.36. Cơ cấu giữ ổ lăn trục vít...................................................................37 Hình 2.37. Khớp nối ..........................................................................................38 Hình 2.38. Cơ cấu dẫn động động cơ phay tịnh tiến theo trục Z.........................38 Hình 2.39. Hình chiếu về trường công tác của máy phay CNC ..........................39 Hình 2.40. Trường công tác của máy phay CNC................................................39 Hình 2.41. Bộ truyền trục vít_đai ốc..................................................................40 Hình 2.42. Trục vít ren hình thang .....................................................................40 Hình 2.43. Trục vít ren hình chữ nhật ................................................................40 Hình 2.44. Trục vít ren hình răng cưa ................................................................41 Hình 2.45. Bộ truyền trục vít_đai ốc bi..............................................................41 Hình 2.46. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu..45 Hình 2.47. Sơ đồ cấu trúc động cơ bước nam châm vĩnh cửu 2 pha. ..................46 Hình 2.48. Động cơ bước biến từ trở ba pha, bốn cặp cực..................................46 Hình 2.49. Cấu trúc trong động cơ lai. ...............................................................48 Hình 2.50. Cách quấn dây trong động cơ lai. .....................................................48 Hình 2.51. Kết cấu thực tế của động cơ lai.........................................................49 Hình 2.52. Đồ thị quan hệ giữa momen – tần số bước........................................50 Hình 2.53. Giản đồ thời gian – điều khiển động cơ bước. ..................................52 Hình 2.54: Cấu trúc bộ nhớ của AVR ................................................................53 Hình 2.55: Thanh ghi 8 bit .................................................................................53 Hình 2.56: Register file .....................................................................................54 Hình 2.57. Cấu trúc bên trong của AVR ............................................................55 Hình 2.58: Cấu trúc chân trong PORT của Vi điều khiển AVR .........................56 Hình 2.59: Thanh ghi DDRA.............................................................................56 Hình 2.60: Thanh ghi PORTA............................................................................57 Hình 2.61: Thanh ghi PINA...............................................................................57 Hình 2.62: Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 8bit ....................................................57 Hình 2.63: Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 16 bit .................................................58 Hình 2.64: Thanh ghi TCCR0............................................................................58 Hình 2.65: Thanh ghi TCNT0............................................................................59 6 Hình 2.66: Thanh ghi 0CR0...............................................................................59 Hình 2.67: Thanh ghi mặt nạ ngắt......................................................................59 Hình 2.68: Thanh ghi cờ ngắt ............................................................................60 Hình 2.69: Sơ đồ thời gian của chế độ so sánh...................................................60 Hình 2.70: Sơ đồ chân của ATMEGA 32 ..........................................................61 Hình 2.71: Hình dạng bên ngoài của ATMEGA32 ............................................62 Hình 2.72. Tín hiệu tương đương của UART và RS232.....................................62 Hình 2.73. Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp.......................63 Hinh 2.74. Cấu tạo và hình dáng của Diode bán dẫn..........................................65 Hình 2.75. Ký hiệu của Transistor .....................................................................66 Hình 2. 76. Transistor ........................................................................................66 Hình 2.77. Linh kiện Opto .................................................................................66 Hình 2.78: Linh kiện IRF540.............................................................................67 Hình 2.79. Rơle 8 chân ......................................................................................67 Hình 2.80. Sơ đồ nối dây trong động cơ bước đơn cực 2 pha. ............................67 Hình 2.81. Nguồn máy tính ...............................................................................68 Hình 2.82. Nguồn nối giữa nguồn máy tính với vi điều khiển............................69 Hình 2.83. Nguồn nối giữa nguồn máy tính với mạch công suất ........................69 Hình 2.84. Sơ đồ mạch vi điều khiển và các header kết nối ...............................70 Hình 2.85. Sơ đồ mạch Max232 ........................................................................71 Hình 2.86. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước 1(trục X)................................71 Hình 2.87. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước 2(trục Y)................................72 Hình 2.88. Sơ đồ mạch điều khiển động theo trục Z ..........................................73 Hình 2.89. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ phay ...............................................73 Hình 2.90. Mạch kết nối công tắc hành trình .....................................................74 Hình 2.91. Sơ đồ mạch layout............................................................................74 Hình 2.92. Mạch điều khiển...............................................................................75 Hình 2.93. Khối nguồn và mạch điều khiển .......................................................75 Hình 2.94. Lưu đồ giải thuật điều khiển động cơ bước ......................................76 Hình 2.95. Lưu đồ giải thuật vẽ đường thẳng.....................................................77 Hình 2.96. Lưu đồ giải thuật vẽ đường tròn .......................................................78 Hình 2.97. Cách vẽ hình tròn .............................................................................79 Hình 2.98. Lưu đồ giải thuật chương trình VB...................................................80 Hình 2.99. Lưu đồ giải thuật vi điều khiển atmega32.........................................81 Hình 3.1. Hình ảnh máy phay CNC ...................................................................83 Hình 3.2. Cơ cấu trượt .......................................................................................83 7 Hình 3.3. Cơ cấu trục vít – đai ốc ......................................................................84 Hình 3.4. Ổ lăn của trục vít................................................................................84 Hình 3.5. Khớp nối động cơ ..............................................................................85 Hình 3.6. Cơ cấu giữ. ........................................................................................85 Hình 3.7. Cơ cấu cố định động cơ......................................................................86 Hình 3.8. Động cơ phay.....................................................................................86 Hình 3.9. Kiểm tra nguồn cho vi điều khiển ......................................................87 Hình 3.10. Giao diện VB ...................................................................................88 Hình 3.11. Hình cần gia công sản phẩm.............................................................89 Hình 3.12. Sản phẩm sau khi gia công ...............................................................90 8 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MÁY CNC 9 1.1.GIỚI THIỆU CHUNG Máy CNC – (CNC) là từ viết tắt cho Computer Numerical Control (điều khiển bằng máy tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc khác với mục đích sản xuất (có tính lập lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng kí hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G. CNC được phát triển vào khoảng đầu những năm 1950 ở phòng thí nghiệm Servomechanism của Học viện kĩ thuật Massachusetts Institute of Technology gọi tắt là M.I.T học viện nghiên cứu và giáo dục ở thành phố Cambridge, Massachusetts Hoa Kỳ và đã nhanh chóng ứng dụng vào việc chế tạo máy móc. Máy CNC xuất hiện đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp. Việc tiến hành tiện các đường cong, hình phức tạp được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác do con người thực hiện được giảm thiểu. Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát triển đáng kể về chính xác và chất lượng. Kĩ thuật tự động của máy tiện CNC giảm thiểu tối đa các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các công việc khác. Ngoài ra còn cho phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác. Trong môi trường sản xuất các máy CNC có thể kết hợp thành một tổ hợp gọi là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận. Máy CNC ngày nay được điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM (computer - aided design). Có thể nói máy CNC gần giống nhất với hệ thống robot công nghiệp, tức là chúng được thiết kế để thực hiện nhiều thao tác sản xuất. 1.2. HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA MÁY CNC Hiệu quả kinh tế do máy CNC đem lại có thể chỉ ra ở các khía cạnh dưới đây:  Tự động hóa sản xuất: Máy CNC không chỉ quan trọng trong ngành cơ khí mà còn trong nhiều ngành khác như may mặc, giày dép, điện tử v.v. Bất cứ máy CNC nào cũng cải thiện trình độ tự động hóa của doanh nghiệp: người vận hành ít, thậm chí không còn phải can thiệp vào hoạt động của máy. Sau khi nạp chương trình gia công, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, và như vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác. Thứ nữa, ít xảy ra hỏng hóc do lỗi vận hành, thời gian gia công được dự báo chính xác, người vận hành không đòi hỏi phải có kỹ năng thao tác (chân tay) cao như điều khiển máy công cụ truyền thống. 10  Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm: Các máy CNC thế hệ mới cho phép gia công các sản phẩm có độ chính xác và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được. Một khi chương trình gia công đã được kiểm tra và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo cho “ra lò” hàng loạt sản phẩm phẩm với chất lượng đồng nhất. Đây là yếu tố vô cùng quan trọng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn.  Linh hoạt: Chế tạo một chi tiết mới trên máy CNC đồng nghĩa với nạp cho máy một chương trình gia công mới. Được kết nối với các phần mềm CAD/CAM, công nghệ CNC trở nên vô cùng linh hoạt giúp các doanh nghiệp thích ứng với các thay đổi nhanh chóng và liên tục về mẫu mã và chủng loại sản phẩm của khách hàng. 1.3. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI MÁY CNC ĐANG DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP HIỆN NAY 1.3.1. Máy khoan CNC (Drilling Machine). Đặc điểm chính của máy khoan CNC là hệ tọa độ máy hình thành trên cơ sở hệ tọa độ Descartes vuông góc theo quy tắc bàn tay phải với ba trục vuông góc nhau đôi một. Hình 1.1. Máy khoan CNC 11 1.3.2. Máy phay CNC (Milling Machine) Đặc điểm chính của máy phay CNC là hệ tọa độ máy cũng được hình thành trên cơ sở hệ tọa độ Descartes vuông góc theo quy tắc bàn tay phải với ba trục vuông góc nhau đôi một như máy khoan CNC. Máy phay CNC có thể có nhiều 1 2 trục máy (trục chuyển động), số trục ít nhất của máy phay CNC là 2 D. Máy phay CNC được trang bị hệ thống lưu trữ dụng cụ, thiết bị thay dụng cụ, cơ cấu kẹp, tháo phôi và thay phôi tự động. Máy phay CNC có cấu trúc trục chính bố trí thẳng đứng được gọi là máy phay đứng. Máy phay CNC có cấu trúc trục chính bố trí nằm ngang được gọi là máy phay nằm ngang. Hình 1.2. Máy phay CNC 1.3.3. Máy tiện CNC (Turning Machine) Cấu trúc cơ bản của máy tiện CNC là trục chính thường được bố trí nằm ngang hoặc thẳng đứng, bàn máy có thể bố trí trên mặt phẳng ngang hoặc trên mặt phẳng nghiêng. Phôi được kẹp bằng mâm cặp hoặc được đặt trên hai đầu chống tâm mà một trong hai đầu có khía nhám để truyền momen xoắn. 12 Máy tiện CNC có thể có nhiều trục chính, nhiều bàn xe dao và đầu revonver; nó có khả năng công nghệ rất rộng như: tiện trơn, tiện ren, khoan, khoét, doa, khoan tâm, cắt đứt, tiện mặt đầu, phay… Hình 1.3. Máy tiện CNC 1.3.4. Máy doa CNC (Boring Machine) Trục chính máy doa CNC thường được bố trí nằm ngang hoặc thẳng đứng, tuy nhiên, khi nghiên cứu đặc trưng công nghệ thực hiện trên máy doa, người ta nhận thấy cấu trúc máy doa hợp lý nhất là trục chính nằm ngang. Đặc điểm của công nghệ doa đòi hỏi máy doa CNC phải có độ chính xác vị trí cao. Ngoài ra hệ điều khiển máy còn phải có khả năng tự động lựa chọn chế độ gia công phù hợp với vật liệu dao và vật liệu phôi, phải có khả năng tự động xác định lượng mòn dụng cụ để thực hiện hiệu chỉnh ngay trong lúc đang gia công và máy còn phải được trang bị phần mềm đồ họa đủ mạnh để mô phỏng quá trình gia công chi tiết trên máy. 13 Hình 1.4. Máy doa ngang CNC 1.3.5. Máy mài CNC (Grinding Machine) Dựa trên cơ sở công nghệ, máy mài CNC được phân chia thành các loại khác nhau như: máy mài phẳng, máy mài tròn ngoài, máy mài tròn trong, máy mài răng, máy mài định hình…. Công nghệ mài đòi hỏi độ chính xác, độ bóng bề mặt rất cao vì vậy độ chính xác của máy mài CNC luôn cao hơn các loại máy CNC khác. Để đạt đúng điều kiện gia công, hệ thống điều khiển của máy mài CNC phải đảm bảo được: bàn máy dịch chuyển êm, lượng dịch chuyển nhỏ và chính xác hơn nhiều so với các máy khác. Để đạt được độ bóng cao thì tốc độ cắt của máy mài phải cao nên tốc độ trục chính có thể đạt đến vài chục nghìn vòng/phút, tốc độ tiến dao thường vào khoảng 0,002 mm/phút đến 6 mm/phút. Hình 1.5. Máy mài đứng CNC 14 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 15 2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Truyền thông Vi điều khiển ( atmega32 ) Máy tính Công tắc hành trình Cơ cấu truyền động ( Trục vít, trục dẫn động, ổ lăn,….) Khối công suất ( opto, irf540N ) Động cơ bước và động cơ DC Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát Phương pháp nghiên cứu và chế tạo máy phay CNC dựa những mô hình đã có sẵn trong thực tế và dựa vào tính toán và thiết kế, thực nghiệm. Cụ thể như sau: Phân tích các yếu tố chuyển động của máy phay CNC, các yếu tố gồm có: ma sát, chuyển động, cơ cấu trượt, tính ổn định, độ cứng vững…từ đó thiết kế và chế tạo máy phay CNC. Phân tích và đưa ra những phương án thiết kế, chế tạo hệ thống cơ khí, thiết kế mạch điều khiển cho phù hợp với hệ thống cơ khí. Nêu cụ thể ưu, nhược điểm của từng phương án thiết kế từ đó tổng hợp lại và lựa chọn phương án thiết kế tối ưu nhất. Sau khi lựa chọn được phương án thiết kế, sẽ tiến hành thiết kế kỹ thuật bao gồm: lựa chọn loại trục vít – đai ốc, ổ lăn, thép, bulông – đai ốc, động cơ truyền động, tính toán độ bền, lựa chọn phương pháp điều khiển, tiến hành làm mạch điều khiển và viết chương trình điều khiển cho hệ thống máy phay CNC. Thực nghiệm, kiểm tra và hoàn thiện hệ thống máy phay CNC. Phần cơ khí phải hoạt động ổn định, êm, độ cứng vững cao, đảm bảo độ chính xác cao, linh hoạt trong quá trình sửa chữa lắp ráp khi hư hỏng, mạch điều khiển phải hoạt động ổn định và đồng nhất với phần cơ khí. 16 2.2. CÁC KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 2.2.1. Các khái niệm máy CNC 2.2.1.1. Định nghĩa máy và trục máy a. Định nghĩa trục. Đoạn thẳng dùng để định hướng một không gian hoặc một đối tượng hình học gọi là trục. Trục được xem như là đường chuẩn dùng để xác định đối tượng nào đó trong không gian theo kích thước dài và kích thước góc. Ba trục bố trí vuông góc nhau từng đôi một hình thành hệ tọa độ Descartes vuông góc. Hệ tọa độ Descartes vuông góc có hai cách thiết lập: hệ tọa độ tuân theo quy tắc bàn tay phải và hệ tọa độ tuân theo quy tắc bàn tay trái. b. Định nghĩa trục máy Trục máy hay trục chuyển động là chuyển động tịnh tiến hoặc quay của dụng cụ cắt hay của chi tiết so với trục tọa độ trong hệ tọa độ Descartes vuông góc gắn với máy. Số lượng trục trong một máy thể hiện khả năng công nghệ của máy. 2.2.2.2. Cấu trúc hệ trục máy CNC a. Ba trục thẳng: X, Y và Z Hệ tọa độ Descartes vuông góc được gắn vào máy theo nguyên tắc sau: – Trục Z được bố trí trùng với trục chính của máy. – Trục X được xác định dựa vào hành trình của bàn máy; hành trình nào lớn hơn thì trục X được gắn vào đó. – Trục Y được xác định theo nguyên tắc bàn tay phải (nguyên tắc bàn tay trái ít dùng) như sau: + Xòe 3 ngón tay trỏ, giữa và ngón cái sao cho chúng vuông góc nhau đôi một. + Xoay bàn tay sao cho ngón giữa trùng với trục Z, ngón cái trùng với trục X; lúc đó ngón trỏ là phương trục Y. Chiều của các trục được xác định theo nguyên tắc: chiều dương là chiều làm cho khoảng cách giữa chi tiết và dụng cụ cắt tăng lên, ngược lại là chiều âm. Hình 2.2. Quy tắc bàn tay phải. 17 b. Ba trục quay: A, B và C Chuyển động quay quanh trục X được ký hiệu là A. Chuyển động quay quanh trục Y được ký hiệu là B. Chuyển động quay quanh trục Z được ký hiệu là C. Hình 2.3. Hệ tọa độ Descartes. Chiều dương của chuyển động quay được xác định theo nguyên tắc các ngón tay của bàn tay phải: + Đưa ngón cái sao cho chiều từ lòng bàn tay đến đầu ngón tay cái trùng với chiều dương của trục thẳng. + Chiều co vào của các ngón tay còn lại là chiều dương của trục quay (xem hình 1.9). + Ví dụ: Hình 2.4. Ví dụ về việc xác định chiều dương cho các trục quay 18 2.2.2.3. Tọa độ quy chiếu Trong máy công cụ điều khiển số thì điểm được sử dụng cho 2 mục đích: – Point: Để tính toán các điểm khác nhau trên chi tiết. – Reference point: Điểm tham chiếu để xác định vị trí của máy. Điểm tham chiếu trong máy công cụ điều khiển số thường được chia thành các loại sau: a. Điểm gốc máy (Machine Reference point) – Ký hiệu: M Đây là điểm gốc hệ tọa độ máy, nó được đặt cố định trên máy. Nhiệm vụ của điểm gốc máy là để tổ chức lại máy sau mỗi lần mất điện và nó cũng là điểm để xác định vị trí thay dao. b. Điểm gốc chương trình (Program Reference point) – Ký hiệu:P Trong nhiều trường hợp, tọa độ điểm gia công xác định theo điểm M không thuận lợi mà xác định theo một điểm khác sẽ thuận lợi hơn; điểm này được gọi là điểm gốc chương trình. c. Điểm gốc chi tiết (Workpiece Reference point) – Ký hiệu: W Điểm này có thể được chọn từ một điểm bất kỳ trên bàn máy. Trong nhiều trường hợp, người ta dùng một điểm W để gia công nhiều chi tiết cùng một chương trình con giống nhau trong một lần gia công. d. Điểm quay về (Reference point return) – Ký hiệu: R Đây cũng là một điểm cố định trên máy. Nó được xác định nhờ các công tắc hành trình (tiếp xúc hoặc không tiếp xúc). Điểm R được sử dụng trong 2 mục đích: được xem là một điểm gốc để xác định vị trí các điểm khác và làm vị trí để thay dao. Hệ điều khiển máy CNC thừa nhận điểm R như là một điểm gốc để tính toán các điểm khác trên máy. 2.2.2. Phân loại hệ thống điều khiển máy CNC 2.2.2.1. Phân loại theo dạng điều khiển a. Điều khiển theo vị trí Hệ điều khiển theo vị trí hay còn gọi là hệ điểu khiển điểm – điểm (point to point). Chức năng chính của hệ điều khiển theo vị trí là chuyển động nhanh dụng cụ từ điểm này đến điểm khác đã được định trước để gia công với độ chính xác vị trí cao. Quá trình gia công không xảy ra khi máy thực hiện việc dịch chuyển từ điểm này đến điểm khác. Hệ điều khiển kiểu này thường dùng trong các máy khoan, doa, đục lỗ… Để thực hiện chuyển động dụng cụ từ điểm này đến điểm khác tiếp theo, ta có thể có các cách như sau: 19 – Chuyển động dụng cụ song song với trục của hệ tọa độ Y YA Y A YB O Ñöôøng chuyeån ñoäng duïng cuï YB B XA A YA Ñöôøng chuyeån ñoäng duïng cuï X XB B XA O XB X Hình 2.5. Hai phương án chuyển động dụng cụ song song trục của hệ tọa độ – Chuyển động dụng cụ nghiêng góc 45 Y YA A 4 K Y B ,Y K O Ñ ö ô øn g c h u y e ån ñ o än g d u ïn g c u ï 5° XA B XK X XB Hình 2.6. Phương án chuyển động dụng cụ nghiêng góc 45 – Chuyển động dụng cụ theo đường thẳng Y YA A Ñöôøng chuyeån ñoäng duïng cuï YB O B XA XB X Hình 2.7. Phương án chuyển động dụng cụ theo đường thẳng 20 Để có thể điều khiển cho bàn máy dịch chuyển đưa dụng cụ đi theo phương một đường thẳng bất kỳ ta sẽ phải cần dùng đến thuật toán nội suy thẳng. Thuật toán nội suy bao gồm nội suy thẳng và nội suy tròn; có nhiều phương pháp để thực hiện được thuật toán này như phương pháp hàm đánh giá hay phương pháp tích phân số…và mỗi phương pháp ta có thể thực hiện bằng cả 2 cách là bằng phần cứng và bằng phần mềm. Ta sẽ bàn về vấn đề nội suy ở những chương sau kỹ hơn. b. Đường dẫn dụng cụ liên tục Kiểu dẫn dụng cụ liên tục là kiểu mà quá trình chuyển động dụng cụ từ điểm này đến điểm tiếp theo đồng thời với quá trình gia công. Hệ điều khiển dẫn dụng cụ liên tục còn được gọi là hệ contour. Với cách điều khiển đường dẫn dụng cụ liên tục, tất cả các trục đồng thời chuyển động nhưng tốc độ khác nhau. 2.2.2.2. Phân loại theo cấu trúc điều khiển Theo cấu trúc điều khiển ta có thể chia thành hai hệ: hệ NC và hệ CNC. Hệ NC thực hiện các hàm chức năng cơ bản bằng các mạch điện tử, muốn thay đổi cấu trúc điều khiển thì phải thiết kế lại mạch khác do đó hệ NC còn được gọi là hệ điều khiển cứng. Tín hiệu điều khiển dùng trong hệ NC là xung điện áp. Hệ CNC sử dụng một máy tính (có đầy đủ bộ nhớ ROM, RAM, thiết bị giao tiếp, thiết bị lưu trữ…) để điều khiển máy, các hàm chức năng của máy có thể được lập trình lại bằng những phần mềm chuyên dụng, khi cần thay đổi cấu trúc điều khiển thì ta chỉ cần thay đổi chương trình do đó hệ CNC mang tính linh hoạt rất cao và nó là một tế bào không thể thiếu trong FMS (Flexible Manufacturing System – Hệ thống sản xuất tự động linh hoạt). 2.2.2.3. Phân loại theo kiểu điều khiển a. Hệ điều khiển hở Hệ điều khiển hở là hệ không có mạch phản hồi và kết quả hoạt động của hệ không được kiểm soát. Ví dụ về sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển hở sử dụng động cơ bước:
- Xem thêm -