Tài liệu Thiết kế và chế tạo máy phay cnc mini 3 trục

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHAY CNC MINI 3 TRỤC Người hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: TS. ĐẶNG PHƯỚC VINH PHAN XUÂN BẰNG TRẦN QUANG HIẾU Đà Nẵng, 07/2020 TÓM TẮT Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo máy phay CNC mini 3 trục. Sinh viên thực hiện: Phan Xuân Bằng - MSSV: 101150198 - Lớp: 15CDT2 Trần Quang Hiếu - MSSV: 101140180 - Lớp: 14CDT2 Giảng viên hướng dẫn Giảng viên duyệt : TS. Đặng Phước Vinh : TS. Đỗ Thế Cần 1. Nhu cầu của đề tài Hiện nay, nhu cầu về một chiếc máy CNC mini chi phí thấp, nhỏ gọn để tăng tính tự động hóa trong quá trình giám sát nhân công của các ngành như: may mặc, giày da, điện tử, ... ngày càng gia tăng. Nắm bắt được xu hướng này nhóm chúng em đã lên ý tưởng cho đề tài và áp dụng những kiến thức được học ở trường vào thực tế để chế tạo ra mô hình một chiếc máy CNC mini 3 trục đảm bảo độ chính xác, dễ dàng sử dụng, phạm vi hoạt động tương đối rộng và cơ cấu gọn nhẹ. Đây là sản phẩm được điều khiển bằng máy tính, công cụ gia công tinh tế tạo ra các chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệ hiện đại. Máy CNC là sản phẩm phổ biến trong lĩnh vực tự động hóa, giúp tiết kiệm thời gian gia công, mang lại hiệu quả kinh tế cao, rất phù hợp với các sản phẩm có hình dạng phức tạp. Thuyết minh nói về quá trình nghiên cứu, thiết kế và lắp ráp máy phay CNC mini 3 trục, trình bày đầy đủ các bước thiết kế, chế tạo từng cụm chi tiết, cách lắp ráp các cụm chi tiết với nhau, cách vận hành máy và an toàn lao động khi vận hành máy. 2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài Đề tài nghiên cứu và chế tạo máy phay CNC cở nhỏ 3 trục để gia công những sản phẩm là gỗ với kích thước 100x100x10 mm. Ngoài ra cũng có thể gia công 3d để làm ra những bức tranh gỗ nghệ thuật. 3. - Nội dung đề tài đã thực hiện Số trang thuyết minh: 60-70 trang Số bản vẽ: 6 bản vẽ A0 Mô hình: 1 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TT Họ tên sinh viên Số thẻ SV Lớp Ngành 1 Phan Xuân Bằng 101150198 15CDT2 Kỹ thuật Cơ điện tử 2 Trần Quang Hiếu 101140180 14CDT2 Kỹ thuật Cơ điện tử 1. Tên đề tài đồ án: Thiết kế và lắp ráp mô hình máy phay CNC mini 3 trục 2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuậ n sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện 3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: Tham khảo các tài liệu và nghiên cứu máy từ thực tế. 4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: a. Phần chung: TT Họ tên sinh viên Nội dung 1 Phan Xuân Bằng 2 Trần Quang Hiếu Tìm kiếm nguồn tài liệu, tham khảo, hình ảnh minh họa, thuật ngữ giải thích; Kiểm tra chính tả, định dạng, nội dung và thiết kế hình ảnh mô hình chú thích. Thuyết minh chương vận hành và kiểm tra. b. Phần riêng: TT 1 Họ tên sinh viên Phan Xuân Bằng Nội dung Thiết kế mô hình, lập trình, tạo giao diện. 2 Trần Quang Hiếu Tính toán số liệu, làm báo cáo. 5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): a. Phần chung: TT Họ tên sinh viên Nội dung 1 2 Phan Xuân Bằng Trần Quang Hiếu b. Phần riêng: TT Họ tên sinh viên 1 2 Trần Quang Hiếu Phan Xuân Bằng 1 bản vẽ A0 tổng thể máy. 1 bản vẽ A0 hướng dẫn gia công bằng phần mềm Nội dung 1 bản vẽ A0 sơ đồ động 1 bản vẽ A0 bản vẽ lắp trục X, Y, Z 3 4 Trần Quang Hiếu Phan Xuân Bằng 1 bản vẽ A0 Mạch điều khiển và đấu nối 1 bản vẽ A0 sơ đồ khối 6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 1/2/2020 7. Ngày hoàn thành đồ án: 10/6/2020 Trưởng Bộ môn Cơ điện tử TS. Võ Như Thành Đà Nẵng, ngày 10 tháng 6 năm 2020 Người hướng dẫn TS. Đặng Phước Vinh LỜI NÓI ĐẦU Sau thời gian 4 năm được đào tạo về các phần lý thuyết cơ bản của “Thiết kế chi tiết máy”, “Cơ sở thiết kế máy”, “Điều khiển tự động”, “Hệ thống cơ điện tử”,...vv, kết hợp với quá trình tự tìm tòi học hỏi, chúng em đã rút ra, tích lũy được những kiến thức ban đầu hết sức quan trọng để bắt tay vào làm đồ án tốt nghiệp. Tuy nhiên sự non trẻ về kinh nghiệm thực tế khiến chúng em không khỏi lung túng trong quá trình thiết kế để có một hệ thống hoàn chỉnh, thẩm mỹ và hiệu quả kinh tế. Mặc dù sách tham khảo hiện nay khá nhiều tuy nhiên với thời gian thực hiện khá ngắn nên em khó có thể nắm bắt hết các kiến thức chuyên sâu cũng như các kinh nghiệm quý báu được đúc kết trong sách thiết kế máy, chế tạo máy,… Chính vì vậy việc vận dụng lý thuyết học được để giải quyết những vấn đề có liên quan đến yêu cầu thực tiễn sản xuất cũng như điều kiện làm việc, thị trường,... là rất hạn chế. Với sự hướng dẫn tận tình của thầy TS. Đặng Phước Vinh, cùng với nỗ lực của bản thân chúng em trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, cuối cùng chúng em đã hoàn thành tài liệu trình bày quá trình Thiết kế và chế tạo máy phay CNC mini 3 trục. Trong tài liệu chúng em đã trình bày các phần tính toán động học toàn máy, tính toán động học, động lực học cho hệ thống, thiết kế hệ thống điều khiển,... Khi thiết kế chúng em đã cố gắng để hoàn thiện bản thiết kế thông qua máy. Máy hoạt động ổn định, cho ra sản phẩm chất lượng tuy nhiên với những hạn chế về chủ quan cũng như khách quan thì tài liệu này sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự đóng góp của quý Thầy (Cô). Đà Nẵng, ngày 10 tháng 6 năm 2020 Sinh viên thực hiện Phan Xuân Bằng Trần Quang Hiếu ii LỜI CẢM ƠN Khi ai đó nói về Bách Khoa ta có thể tự hào rằng ta là một phần trong ngôi trường đáng kính ấy. Bách Khoa- là cả tuổi thanh xuân có thầy cô, bạn bè, những người đã sát cánh cùng ta đi qua những tháng năm rực rỡ. Xin được gửi lời cảm ơn đến Bách Khoa. Chặng đường 5 năm tuy không dài nhưng cũng đủ khắc sâu trong tim ta suốt đời để biết rằng ta đã có một tuổi trẻ thật đẹp. Cuộc vui nào cũng đến lúc tàn, hành trình với Bách Khoa có thể đi đến hồi kết nhưng hành trình của cuộc đời vẫn đang chờ ta phía trước. Để hoàn thành xong đề tài tốt nghiệp này, nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình đến các thầy cô bộ môn cơ điện tử, đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn TS. Đặng Phước Vinh. Chúng em xin kính chúc quý thầy cô dồi dào sức khỏe để có thể tiếp tục dẫn dắt các thế hệ sinh viên mai sau đến với bến bờ thành công. Cuối cùng là lời cảm ơn đối với các thành viên trong lớp 15CDT. Cảm ơn vì đã đồng hành trong suốt 4 năm qua. Chúc các bạn thành công trên con đường đã lựa chọn. Xin chân thành cảm ơn! Đà nẵng, ngày 10 tháng 6 năm 2020 iii CAM ĐOAN Máy móc ra đời và phát triển dựa trên sự kế thừa và cải tiến không ngừng. Tuy nhiên, ở mỗi sáng chế, cải tiến lại có một cách thực hiện khác nhau với mục đích chung là giúp giải quyết được vấn đề. Do vậy sẽ có rất nhiều ý tưởng với sự sáng tạo khác nhau. Trên tinh thần đó, nhóm tác giả chúng em gồm Phan Xuân Bằng và Trần Quang Hiếu thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo máy CNC mini 3 trục”, ý tưởng dựa trên những kiến thức thực tế cùng các tài liệu tham khảo. Trong đề tài tốt nghiệp của nhóm, chúng em cam đoan hoàn toàn tự làm dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Đặng Phước Vinh. Chúng em xin cam đoan các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và không sao chép từ một báo cáo khoa học nào. Đà Nẵng, ngày 10 tháng 6 năm 2020 Sinh viên thực hiện Phan Xuân Bằng Trần Quang Hiếu iv MỤC LỤC Chương 1: GIỚI THỆU VỀ MÁY CNC MINI 3 TRỤC ........................................... 1 1.1. Giới thiệu máy CNC ............................................................................................. 1 1.1.1. Khái niệm chung ............................................................................................ 1 1.1.2. Quá trình phát triển của máy CNC.................................................................6 1.1.3. Các thành cơ bản máy phay CNC ..................................................................8 1.1.4. Các hệ điều khiển số và các dạng điều khiển số ............................................9 1.1.5. Hệ tọa độ trên máy CNC và các điểm chuẩn ...............................................13 1.1.6. Những khái niệm cơ bản về lập trình gia công trên máy CNC ....................17 1.2. Giới thiệu ứng dụng của máy CNC trong điêu khắc gỗ .....................................21 Chương 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY...........................................................24 2.1. Các phương án chuyển động của dao .................................................................24 2.1.1. Phương án 1 .................................................................................................24 2.1.2. Phương án 2 .................................................................................................25 2.1.3. Chọn phương án chuyển động dao............................................................... 25 2.2. Các hướng chọn động cơ trục chính và các trục tọa độ ......................................26 2.2.1. Động cơ dẫn động trục chính .......................................................................26 2.2.2. Động cơ dẫn động các trục tọa độ ................................................................ 27 2.3. Lựa chọn bộ truyền động ....................................................................................27 2.3.1. Bộ truyền đai ................................................................................................ 28 2.3.2. Bộ truyền vít me – đai ốc ............................................................................30 2.3.3. Cơ cấu dẫn hướng cho chuyển động các trục ..............................................32 2.3.4. Chọn cơ cấu dấn hướng ...............................................................................33 2.3.5. Một số chi tiết khác ......................................................................................34 Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY .............................................................35 3.1. Dao khắc .............................................................................................................36 3.2. Chiều sâu cắt t và chiều rộng phay B (mm) ........................................................37 3.3. Lượng dao chạy S ............................................................................................... 37 3.4. Tốc độ cắt V được tính theo công thức............................................................... 38 3.5. Lực cắt ................................................................................................................38 3.6. Công suất cắt ......................................................................................................39 3.7. Tính toán để chọn vít me đai ốc ..........................................................................39 v 3.7.1. Tính chọn vít me- đai ốc cho trục Z. ............................................................ 39 3.7.2. Chọn vít me- đai ốc cho trục X,Y ................................................................ 41 3.8. Tính toán để chọn công suất động cơ trục X và Y .............................................41 3.9. Tính toán để chọn công suất động cơ trục Z.......................................................43 Chương 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ...............................................45 4.1. Phần cứng............................................................................................................45 4.1.1. Arduino Uno R3 ........................................................................................... 45 4.1.2. Driver điều khiển động cơ trục chính .......................................................... 48 4.1.3. Driver điều khiển động cơ bước TB6560 ................................................. 49 4.2. Phần mềm ...........................................................................................................51 4.2.1. Phần mềm b-CNC ........................................................................................51 4.2.2. Phần mềm Vectric Aspire 9.5 ......................................................................53 4.2.3. Hướng dẫn tạo 2D và xuất G-code .............................................................. 54 Chương 5: KẾT LUẬN ....................................................................................... 60 1. Giới hạn của đề tài và đề xuất hướng nghiên cứu .................................................60 2. Kết quả và sản phẩm sau khi gia công thực tế. ......................................................60 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 61 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hệ thống điều khiển số vòng hở ......................................................................3 Hình 1.2: Hệ thống điều khiển số vòng kín .....................................................................4 Hình 1.3: Máy phay đầu tiên Cincinnate Hydrotel .........................................................7 Hình 1.4: Các thành phần cơ bản của máy CNC ............................................................. 9 Hình 1.5: Hệ thống điều khiển DNC .............................................................................10 Hình 1.6: Điều khiển theo điểm ....................................................................................12 Hình 1.7a,b: Điều khiển theo đường và theo biên dạng ................................................14 Hình 1.8: Hệ tọa độ Đề-các Oxyz .................................................................................15 Hình 1.9: Khi trục Z thẳng đứng ...................................................................................15 Hình 1.10: Khi trục Z nằm ngang..................................................................................16 Hình 1.11: Các điểm gốc và điểm chuẩn .......................................................................17 Hình 1.12: Điểm gốc của chương trình .........................................................................17 Hình 1.13: Điểm chuẩn của gá dao T và điểm gá dao N ...............................................17 Hình 1.14: Ghi kích thước tuyệt đối ..............................................................................19 Hình 1.15: Ghi kích thước tương đối ............................................................................19 Hình 1.16: Gia công theo biên dạng .............................................................................19 Hình 1.17: Ví dụ lập trình.............................................................................................. 20 Hình 1.18: Khắc tranh gỗ .............................................................................................. 21 Hình 1.19:Khắc logo .....................................................................................................22 Hình 1.20:Khắc chữ lên vật liệu ....................................................................................22 Hình 1.21: Tạc tượng .....................................................................................................23 Hình 2.1: Phương án 1 ...................................................................................................24 Hình 2.2: Phương án 2 ...................................................................................................25 Hình 2.3: Động cơ phay spindle 0.5KW 4 ổ bi ER11 205mm ......................................27 Hình 2.4: Dây đai bắt vào puly răng..............................................................................28 Hình 2.5: Nguyên lý bộ truyền đai ................................................................................28 Hình 2.6: Vít me – đai ốc thường ..................................................................................30 Hình 2.7: Vít me – đai ốc bi .......................................................................................... 31 Hình 2.8: Thanh trượt tròn có đế dẫn hướng .................................................................33 Hình 2.9: Thanh trượt vuông .........................................................................................33 Hình 2.10: Khớp nối mềm ............................................................................................. 34 vii Hình 2.11: Đế cao su .....................................................................................................34 Hình 3.1: Mũi dao khắc 3D sử dụng .............................................................................36 Hình 3.2: Mũi dao khắc 4D sử dụng .............................................................................37 Hình 3.3: Thông số của Vitme và đai ốc .......................................................................39 Hình 3.4: Mô hình thực tế sau khi thiết kế ....................................................................44 Hình 4.1: Sơ đồ cấu trúc Arduino Uno R3 ....................................................................46 Hình 4.2: Driver Spindle 500W.....................................................................................48 Hình 4.3: Sơ đồ nối chân của Driver spindle 500W......................................................49 Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lí TB6560................................................................................50 Hình 4.5: TB6560 thực tế .............................................................................................. 50 Hình 4.6: Sơ đồ kết nối phần mềm B-CNC...................................................................52 Hình 4.7: Giao diện làm việc của B-CNC .....................................................................53 Hình 4.8: Biểu tượng phần mềm Aspire 9.5..................................................................53 Hình 4.9: Khởi động phần mềm ....................................................................................54 Hình 4.10: Chọn ảnh ......................................................................................................55 Hình 4.11: Xuất file ảnh ra 2D ......................................................................................55 Hình 4.12: Thiết lập dao và chế độ phay .......................................................................56 Hình 4.13: Thông số dao phay thô ................................................................................56 Hình 4.14: Thông số dao phay tinh ...............................................................................57 Hình 4.15: Thông số dao phay hốc ................................................................................57 Hình 4.16: Chế độ phay hốc .......................................................................................... 58 Hình 4.17: Mô phỏng chế độ phay ................................................................................58 Hình 4.18: Xuất Gcode ..................................................................................................59 Hình 4.19: Gcode thu được ........................................................................................... 59 Hình 5.1: Kết quả sản phẩm. .........................................................................................60 viii Thiết kế và chế tạo máy phay CNC mini 3 trục Chương 1: GIỚI THỆU VỀ MÁY CNC MINI 3 TRỤC 1.1 Giới thiệu máy CNC 1.1.1. Khái niệm chung a. Khái niệm CNC (Computer Numerical Control) là một dạng máy điều khiển tự động dưới sự trợ giúp của máy tính, mà trong đó các bộ phận tự động được lập trình để hoạt động theo các sự kiện nối tiếp nhau với một tốc độ được xác định trước để có thể tạo ra được mẫu vật với hình dạng và kích thước yêu cầu. b. Đặc điểm Nguyên lý cơ bản của việc điều khiển máy công cụ thông qua việc điều khiển số vẫn được duy trì không đổi từ khi nó bắt đầu xuất hiện. Tuy nhiên các chức năng và công việc của thiết bị điều khiển thì tăng lên liên tục qua các năm và hiện nay cho phép sử dụng ở mức tự động hóa cao. Máy công cụ NC khác máy công cụ thông thường một cách đáng kể vì máy thông thường được một người công nhân có tay nghề điều khiển bằng tay. Người công nhân đọc bản vẽ chi tiết rồi sử dụng các thông số của máy dựa trên kinh nghiệm bản thân, vì thế chất lượng và năng suất phụ thuộc rất lớn vào kỹ năng của người vận hành. Các máy công cụ NC là các thiết bị gia công có thể lập trình tự do và phù hợp với việc sản xuất tự động loạt nhỏ và trung bình. Ưu điểm chính của chúng chính là tính linh hoạt và tốc độ thay đổi nhanh các chương trình gia công với sự can thiệp tối thiểu bằng tay. Tính linh hoạt của máy NC đạt được là do: + Khả năng lặp lại trong các chương trình thực hiện. + Khả năng đưa vào trực tiếp các kích thước chi tiết và các số liệu hành trình dao trên máy công cụ khi yêu cầu. + Không còn yếu tố hạn chế hành trình cơ khí như cam rãnh, chốt dừng hay tấm mẫu, nghĩa là không cần mọi sự điều chỉnh cơ khí. + Khả năng đưa các giá trị công nghệ. c. Phân loại Các máy CNC có thể phân chia theo loại và theo hệ thống điều khiển: SVTH: Phan Xuân Bằng Trần Quang Hiếu GVHD: TS. Đặng Phước Vinh Trang 1 Thiết kế và chế tạo máy phay CNC mini 3 trục - Theo loại máy cũng như các máy công cụ truyền thống , chia ra các loại như máy khoan CNC, máy phay CNC, máy tiện CNC,...và các trung tâm CNC. Các trung tâm CNC có khả năng thực hiện gia công nhiều loại bề mặt và sử dụng nhiều loại bề mặt khác nhau. - Phân chia theo hệ thống điều khiển có thể chia ra các loại : + Các máy điều khiển điểm tới điểm (máy khoan, máy khoét, máy dập,...) + Các máy điều khiển đoạn thẳng : là các máy có khả năng gia công trong quá trình thực hiện di chuyển các trục. + Các máy điều khiển đường. * Điều khiển theo kiểu truyền thống Hệ thống điều khiển (HTĐK) theo kiểu này gồm: điều khiển bằng cam, điều khiển theo quãng đường, điều khiển theo thời gian, điều khiển theo chu kì,... Nhìn chung các loại điều khiển này có chung các đặc điểm chính sau đây: - Điều khiển máy có sự tham gia phần lớn của người vận hành từ khâu cấp phôi, gá phôi, hiệu chỉnh dụng cụ cho đến khâu kiểm tra sản phẩm. - Các thao tác của hệ thống điều khiển thường khó thay đổi (chính xác là không thay đổi được). Do vậy, nó không thích ứng với sự thay đổi sản phẩm. - Nếu không có sự tham gia của người vận hành thì cơ cấu máy thực hiện chu trình làm việc liên tục như các máy tự động. Với các loại máy này không thay đổi được hoặc muốn thay đổi cũng rất phức tạp. - Do vậy, khuynh hướng phát triển chung là người ta muốn có những hệ thống điều khiển mà nó dễ dàng thích nghi với sự thay đổi của sản phẩm. Nhìn chung, các hệ thống điều khiển theo kiểu truyền thống tuy càng lúc càng được cải thiện tuỳ theo mức độ cơ khí hoá, tự động hoá của nhà máy sản xuất nhưng vẫn chưa thực sự đáp ứng được nhu cầu của thực tế. d. Điều khiển số * Bản chất của điều khiển số Khi gia công trên các máy công cụ thì chi tiết và dụng cụ cắt thực hiện các chuyển động tương đối với nhau. Những chuyển động được lặp đi lặp lại nhiều lần khi gia công mỗi chi tiết gọi là chu kỳ gia công. Mỗi chu kỳ gia công được đặc trưng bởi hai thành phần đó là: phần kích thước và phần điều khiển. Hai thông tin không thể thiếu trong bất kỳ một máy điều khiển nào. Thông tin về kích thước cho phép chúng xác định hành trình của chu kỳ; trong khi đó thông tin về sự điều khiển cho phép xác định thứ tự của hành trình theo thời gian. SVTH: Phan Xuân Bằng Trần Quang Hiếu GVHD: TS. Đặng Phước Vinh Trang 2 Thiết kế và chế tạo máy phay CNC mini 3 trục * Điều khiển số và hệ thống điều khiển số + Điều khiển số Điều khiển số NC (Numerical Control) là một hình thức tự động hoá đặc biệt. Máy công cụ được lập trình để thực hiện một dãy có thứ tự các sự kiện với một tốc độ xác định trước nhằm gia công một chi tiết máy với toàn bộ những kết quả và tham số vật lí hoàn toàn có thể dự đoán được. Điều này được thực hiện là nhờ các bộ vi xử lý. Nó có thể tiếp nhận và chuyển đổi các dữ liệu gia công thành các tín hiệu điều khiển máy hoạt động và có thể thay đổi chức năng của nó bằng chương trình ngoài, chứ không phải chỉ thực hiện một số chức năng cố định như trước đây. + Hệ thống điều khiển số Là hệ thống mà trong đó các hoạt động được điều khiển là dữ liệu số đưa vào trực tiếp ở một điểm nào đó. Hệ thống đó phải tự động dịch chuyển tối thiểu một phần nào đó của dữ liệu này. Dữ liệu số là thông tin cung cấp bởi tín hiệu mã nhị phân. Nó được biểu diễn dưới dạng mã số hoặc kí tự. Đây là thông tin cần thiết để tạo ra một chương trình, gọi là chương trình gia công chi tiết. Có 2 loại hệ thống điều khiển (HTĐK): + Hệ thống hở và hệ thống kín. Hệ thống điều khiển hở Hình 1.1: Hệ thống điều khiển số vòng hở 1: Bộ đọc 2: Bộ giải mã 3: Bộ khuếch đại 4: Bàn máy M: Động cơ SVTH: Phan Xuân Bằng Trần Quang Hiếu GVHD: TS. Đặng Phước Vinh Trang 3 Thiết kế và chế tạo máy phay CNC mini 3 trục Đặc điểm của hệ thống điều khiển số vòng kín như sau: - Các hệ thống điều khiển được vận hành theo nhịp thời gian của một đồng hồ và độc lập với biến ra. - Không có cảm biến và bộ so sánh. Do đó, muốn đảm bảo chính xác cho biến ra của cơ cấu chấp hành thì cần có yêu cầ u cao về độ chính xác của hệ truyền động. - Cấu trúc đơn giản và giá thành thấp. Hệ thống kín: Hình 1.2: Hệ thống điều khiển số vòng kín 1: Bộ đọc 3: Bộ khuếch đại 5: Bộ so sánh M: Động cơ 2: Bộ giải mã 4: Bàn máy 6: Cảm biến đo vị trí Đặc điểm của hệ thống điều khiển số vòng hở như sau: - Độ chính xác của biến ra ít phụ thuộc vào hệ truyền động mà phụ thuộc vào cảm biến. - Làm việc chính xác và độ tin cậy cao. Do vậy, hầu hết các hệ thống điều khiển số hiện nay là hệ thống kín. Các hoạt động điều khiển được vận hành qua các sai lệch điều khiển giữa biến vào và biến ra. + Cấu trúc từng phần của hệ thống điều khiển số - Bộ đọc: bao gồm các dữ liệu gia công, mô tả các hoạt động của máy kể cả hiệu chỉnh dụng cụ dưới dạng từng câu lệnh của chương trình. Nó được in vào băng đục lỗ. SVTH: Phan Xuân Bằng Trần Quang Hiếu GVHD: TS. Đặng Phước Vinh Trang 4 Thiết kế và chế tạo máy phay CNC mini 3 trục Và chỉ khi nào mỗi một dòng lệnh được hoàn thành nhiệm vụ thì một dòng lệnh khác được đọc. - Bộ giải mã: Nhiệm vụ biến nội dung dòng lệnh thành tín hiệu điều khiển. - Bộ so sánh: So sánh giá thực của biến ra để chấp hành với giá trị biến vào của hệ điều khiển. Sai lệnh này nếu có sẽ được biến thành tín hiêụ điều khiển. - Bộ khuếch đại: Có nhiệm vụ dùng để biến đổi mức tín hiệu cần thiết cho mục đích điều khiển. - Cảm biến: Dùng đo giá trị thực của biến ra. Sau đó, cung cấp cho bộ so sánh dưới dạng tín hiệu, thường là tín hiệu điện. e. Ưu, nhược điểm của máy CNC * Ưu điểm cơ bản - So với các máy điều khiển công cụ bằng tay, sản phẩm từ máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung, chương được đưa vào máy. Người điều khiển chỉ chủ yếu theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động của máy. - Độ chính xác làm việc cao. Thông thường các máy CNC có độ chính xác máy là 0.001mm do đó có thể đạt được độ chính xác cao hơn. - Tốc độ cắt cao. Nhờ kết cấu cơ khí bền chắc của máy, những vật liệu hiện đại như kim loại cứng hay gốm oxit có thể sử dụng tốt hơn. - Thời gian gia công ngắn hơn. * Các ưu điểm khác - Máy CNC có tính linh hoạt cao trong việc lập trình, tiết kiệm thời gian chỉnh máy, đạt tính kinh tế cao trong việc gia công hàng loạt các sản phẩm nhỏ. - Ít phải dừng máy vì lỗi kỹ thuật, do đó chi phí dừng máy nhỏ. - Tiêu hao do kiểm tra ít, giá thành đo kiểm tra thấp. - Thời gian hiệu chỉnh máy nhỏ. - Có thể gia công hàng loạt. * Nhược điểm: - Giá thành chế tạo máy cao hơn. - Giá thành bảo dưỡng, sửa chữa máy cũng cao hơn. - Vận hành và thay đổi người đứng máy khó khăn hơn. SVTH: Phan Xuân Bằng Trần Quang Hiếu GVHD: TS. Đặng Phước Vinh Trang 5 Thiết kế và chế tạo máy phay CNC mini 3 trục 1.1.2. Quá trình phát triển của máy CNC a. Quá trình phát triển: Điều khiển số NC (Numerical Control) là phương pháp tự động điều chỉnh các máy công tác (máy công cụ, Robot, băng tải vận chuyển phôi liệu, chi tiết gia công, sản phẩm,...) trong đó các hành động bị điều khiển được tạo ra trên cơ sở cung cấp các dữ liệu ở dạng mã nhị phân. Nó được biểu diển dưới dạng các con số thập phân, các chữ cái và kí hiệu đặc trưng tạo thành một chương trình làm việc của thiết bị hay của hệ thống. Trước đây, cũng đã có những quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theo chương trình bằng các kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình bằng hệ thống thuỷ lực,... Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật, nhất là trong lĩnh vực điều khiển số và tin học đã tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà chế tạo máy nghiên cứu và ứng dụng đưa vào các máy công cụ truyền thống các hệ thống điều khiển tự động. Biến các máy công cu ̣ này thành các máy điều khiển theo chương trình số, gọi là các máy CNC (Computer Numerical Control). Việc sử dụng các máy CNC cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tế, đồng thời cho phép rút ngắn được chu kỳ sản xuất. Do đó, hiện nay rất nhiều nước trên thế giới đã và đang ứng dụng rộng rãi công nghệ mới này vào lĩnh vực cơ khí chế tạo. Đặc biệt là chế tạo các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết đòi hỏi độ chính xác và độ phức tạp cao. Xuất phát từ ý tưởng điều khiển một dụng cụ thông qua một chuỗi lệnh kế tiếp, liên tục như các máy công cụ điều khiển số ngày nay được thực hiện từ mãi thế kỉ XIV. Khi ở châu Âu người ta dùng các chốt hình trụ để điều khiển các chuyển động của các hình trang trí trên đồng hồ lớn của nhà thờ. Năm 1808, Joseph M. Jacquard dùng những tấm tôn đục lỗ để điều khiển tự động các máy dệt. Năm 1863, M. Fourneaux phát minh ra đàn Piano nổi tiếng thế giới với băng giấy đục lỗ làm vật mang tin. Năm 1938, Claud E. Shannon trong khi làm luận án tiến sĩ đã đi đến kết luận rằng việc tính toán và truyền tải nhanh dữ liệu có thể thực hiện bằng mã nhị phân. Từ năm 1949 đến 1952, Jonh Parsons và Học viện kỹ thuật Massachusett (Massachusett Institute Of Technology) đã thiết kế “ một hệ thống điều khiển dành cho máy công cụ, để điều khiển trực tiếp vị trí của các trục thông qua dữ liệu đầu ra của SVTH: Phan Xuân Bằng Trần Quang Hiếu GVHD: TS. Đặng Phước Vinh Trang 6 Thiết kế và chế tạo máy phay CNC mini 3 trục một máy tính, làm bằng chứng cho một chức năng gia công chi tiết ” theo hợp đồng của không lực Hoa Kỳ. Cũng trong thời gian này, Parsons cùng với đồng nghiệp của ông đã đưa ra 4 tiên đề cơ bản sau: 1. Những vị trí được tính trên một biên dạng được ghi nhớ vào băng đục lỗ. 2. Các đục lỗ được đọc trên máy một cách tự động. 3. Những vị trí đã được đọc ra được liên tục truyền đi và được bổ sung thêm tính toán cho các giá trị trung gian nội tại. 4. Các động cơ servo (vô cấp tốc độ) có thể điều khiển được chuyển động các trục. Hình 1.3: Máy phay đầu tiên Cincinnate Hydrotel [5] Cho đến năm 2003, lịch sử phát triển của máy công cụ điều khiển số đã được 51 năm tuổi. Nó đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Từ những ứng dụng gia công đơn giản như việc di chuyển từ điểm đến điểm của máy khoan đến những máy công cụ điều khiển 2 trục như máy tiện, điều khiển 3 trục như máy phay,... và cho đến những nhiệm vụ tự động gia công nhiều trục và độ phức tạp cao như: các khuôn rèn dập, các khuôn đúc áp lực, cánh tua bin và những chi tiết phức tạp của máy bay, tàu thuỷ,... Ngoài ra, ngày nay máy CNC còn được dùng vào việc SVTH: Phan Xuân Bằng Trần Quang Hiếu GVHD: TS. Đặng Phước Vinh Trang 7 Thiết kế và chế tạo máy phay CNC mini 3 trục kiểm tra giám sát, điện báo điện tín và nhiều lĩnh vực khác đã đem lại chất lượng và hiệu quả kinh tế rất đáng kể. Trong tương lai, với lợi thế về sự ghép nối các hệ thống CNC riêng lẽ với nhau để tạo thành mạng sẽ được phát huy trong chiến lược gia công toàn cầu. Trong đó, dòng thông tin được thu phát, chuyển giao bằng hệ thống vệ tinh, đảm nhiệm mối liên kết giữa nhu cầu thị trường - đơn đặt hàng - nhà thiết kế - nhà chế tạo - nhà cung cấp - nhà tiêu thụ ,... trong mạng liên thông toàn cầu WAR (World Area Netword). b. Trình độ hiện tại của máy CNC: Các chức năng tính toán trong hệ thống CNC ngày càng hoàn thiện và đạt tốc độ xử lý cao do tiếp tục ứng dụng những thành tựu phát triển của các bộ vi xử lý. Các hệ thống CNC được chế tạo hàng loạt lớn theo công thức xử lý đa chức năng, dùng cho nhiều mục đích điều khiển khác nhau. Việc cài đặt các cụm vi tính trực tiếp vào hệ NC để trở thành hệ thống CNC đã tạo điều kiện ứng dụng máy công cụ CNC ngay cả trong xí nghiệp nhỏ, không có phòng lập trình riêng, nghĩa là người điều khiển máy có thể lập trình trực tiếp ngay trên máy. Dữ liệu nhập vào, nội dung lưu trữ, các thông số, thông báo về tình trạng hoạt động của máy cũng như các chỉ dẫn cần thiết cho người điều khiển đều hiển thị trên màn hình. Màn hình lúc đầu chỉ là đen trắng với các ký tự chữ cái và các con số thì đến nay đã nâng cấp lên màn hình màu đồ họa, độ phân giải cao, có các hình vẽ mô phỏng tĩnh và động, biên dạng của chi tiết gia công, chuyển động của dao,...đều được hiển thị trên màn hình. Các hệ CNC riêng lẻ có thể ghép thành mạng cục bộ hay mạng mở rộng để quản lý điều hành một cách tổng thể hệ sản xuất tự động của một xí nghiệp hay một tập đoàn công nghiệp. 1.1.3. Các thành phần cơ bản máy phay CNC SVTH: Phan Xuân Bằng Trần Quang Hiếu GVHD: TS. Đặng Phước Vinh Trang 8 Thiết kế và chế tạo máy phay CNC mini 3 trục Hình 1.4: Các thành phần cơ bản của máy CNC 1.1.4. Các hệ điều khiển số và các dạng điều khiển số a. Các hệ điều khiển số  Hệ điều khiển NC ( Numerical Control ) Với hệ điều khiển này các thông số hình học của chi tiết gia công và các lệnh điều máy được cho dưới dạng dãy các con số. Tất cả được ghi vào băng đục lỗ dưới dạng các câu lệnh của chương trình. Các thông tin này được đưa vào hệ điều khiển, nó được mã hoá và tách thành các thông tin hình học và thông tin công nghệ. + Thông tin hình học (Geometrical Information): là hệ thống thông tin điều khiển các chuyển động giữa dao và chi tiết. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tạo hình bề mặt (hình thành đường sinh và đường chuẩn của bề mặt hình học). + Thông tin công nghệ (Technological Information): là hệ thống thông tin cho phép máy thực hiện gia công với những giá trị công nghệ yêu cầu: chiều sâu cắt, tốc độ chạy dao, số vòng quay trục chính,... + Nguyên tắc làm việc của hệ điều khiển NC là: Sau khi mở máy các lệnh thứ nhất và thứ hai được đọc. Khi quá trình đọc kết thúc thì máy bắt đầu thực hiện lệnh thứ nhất. Trong khi đó, thông tin của lệnh thứ hai nằm trong bộ nhớ của hệ điều khiển. Sau khi lệnh thứ nhất thực hiện xong thì lệnh thứ hai bắt đầu làm việc. Trong khi đó lệnh thứ ba được đọc và ghi vào bộ nhớ tại vị trí mà lệnh thứ hai vừa được giải phóng. Và quá trình đọc dịch như vậy cho đến hết chương trình. - Nhược điểm của hệ điều khiển NC là: SVTH: Phan Xuân Bằng Trần Quang Hiếu GVHD: TS. Đặng Phước Vinh Trang 9