Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy phay cnc 3 trục mini

TÓM TẮT ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY PHAY CNC 3 TRỤC MINI Nội dung của đề tài nhằm mục đích tạo ra bảng mẫu tính toán chung cho loại pháy phay CNC cỡ nhỏ giúp đơn giản hóa qu

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

S K L 0 1 0 9 8 9

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

MÁY PHAY CNC 3 TRỤC MINI”

NGUYỄN THANH DANH 19144237 NGUYỄN NGỌC VĂN 19144326 GVC.TS ĐẶNG MINH PHỤNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Bộ môn: CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Học kì:II / năm học 2023

Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Bá Trương Đài

GVC.TS Đặng Minh Phụng

Sinh viên thực hiện: Lê Thanh Châu MSSV: 19144229 ĐThoại: 0377888476

Nguyễn Thanh Danh MSSV: 19144237 ĐThoại: 0963472934 Nguyễn Ngọc Văn MSSV: 19144326 ĐThoại: 0837713275

1 Mã số đề tài: 22223DT243

Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy phay CNC 3 trục mini

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Các tài liệu trong và ngoài nước

3 Nội dung chính của đồ án:

7 Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh  Tiếng Việt 

Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh  Tiếng Việt 

TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

 Được phép bảo vệ ………

LỜI CAM KẾT

- Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy phay CNC 3 trục mini

GVC.TS Đặng Minh Phụng

chính tôi nghiên cứu và thực hiện Tôi không sao chép từ bất kỳ bài viết nào đã được công bố nà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023

Ký tên

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô, các bạn, và người thân đã giúp đỡ, động viên trong quá trình học tập trong những năm vừa qua tại trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh Nhờ quá trình này mà chúng em đã trang bị được nhiều kiến thức và kỹ năng quý báu, tạo cơ hội áp dụng những kiến thức lý thuyết vào thực tiễn trong quá trình học tại đây Những điều này chính là điều kiện quan trọng giúp nhóm chúng em có thể hoàn thành đồ án này

Ngoài ra, nhóm chúng em xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến các giảng viên hướng dẫn, ThS Nguyễn Bá Trương Đài và TS Đặng Minh Phụng Trong suốt quá trình chúng em thực hiện đồ án, các thầy đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn Được làm việc với thầy, chúng em đã học được nhiều kiến thức thực tế trong quá trình gia công, học tập được tinh thần làm việc nhóm, phân chia, sắp xếp công việc sao cho hợp lý và kịp tiến độ và thái độ làm việc chuyên nghiệp, những điều này đã giúp chúng em có thể chuẩn bị với môi trường làm việc thực tế

Vì thời gian và kiến thức của chúng em còn hạn chế nên những thiếu sót là không tránh khỏi, chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp mang tính xây dựng của quý thầy

cô để củng cố, hoàn thiện hiểu biết của chúng em trong lĩnh vực này đồng thời có điều kiện

bổ sung, nâng cao ý thức bản thân

Cuối lời, chúng em xin chúng quý thầy cô nhiều sức khỏe và thành công trong sự nghiệp, tiếp tục dẫn bước các thế hệ sau trong lĩnh vực này

Chúng em xin trân trọng cảm ơn mọi người đã dành thời gian

LỜI MỞ ĐẦU

Với đà phát triển theo xu hướng “Công Nghiệp Hóa – Hiện Đại Hóa” của nước ta hiện nay thì ngành Cơ Khí đóng vai trò rất quan trọng Nó là cơ sở, là động lực cho các ngành công nghiệp khác phát triển Trong đó, lĩnh vực gia công tự động và chính xác đang chiếm một phần quan trọng trong ngành Cơ khí với vai trò cung cấp cho thị trường những chi tiết, thành phẩm chất lượng, có tính cạnh tranh Do đó, nhu cầu cho các thiết bị, máy móc phục vụ việc gia công với qui mô lớn và nhỏ đều rất lớn Ngoài ra, quá trình đào tạo, dạy học về lĩnh vực này cũng cần gắn liền với thực hành từ cơ bản đến nâng cao Nhận thấy được tầm quan trọng

đó, chúng em quyết định tìm hiểu và nghiên cứu đồ án tốt nghiệp của nhóm với đề tài là:

“Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy phay CNC 3 trục mini” Kế thừa những kinh nghiệm rút

ra từ nhóm thực hiện đề tài cũ, chúng em đã có những cải tiến những chi tiết không hợp lý, sửa chữa, thay thế những bộ phận lệch dung sai hoặc hư hỏng và hoàn thiện phần máy và phần điều khiển Trong quá trình nghiên cứu đề tài này, chúng em được đi sâu vào việc gia công và lắp đặt các bộ phận của máy, tìm hiểu các dạng máy CNC, hệ thống điều khiển trong lĩnh vực CNC, vận dụng được kiến thức đã học để thực hiện đề tài sao cho hoàn chỉnh nhất, nhằm mục đích phục vụ sản suất qui mô nhỏ, thử nghiệm và có thể hỗ trợ các bạn sinh viên trong bộ môn, giúp các bạn làm quen và thực hành tốt với máy CNC, nâng cao chất lượng môn học

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn GVHD ThS Nguyễn Bá Trương Đài và TS Đặng Minh Phụng cùng các thầy cô giáo trong bộ môn đã cho em lời khuyên quý báu để hoàn thành đồ án này

TP Hồ Chí Minh, ngày…tháng…năm 20…

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY PHAY CNC 3 TRỤC MINI

Nội dung của đề tài nhằm mục đích tạo ra bảng mẫu tính toán chung cho loại pháy phay CNC cỡ nhỏ giúp đơn giản hóa quá trình chọn lựa, gia công các chi tiết liên quan phục vụ cho việc tự chế tạo máy phay CNC tương tự Phần cơ sở lý thuyết căn bản được đề cập trong chương 1 cùng phần tính toán các bộ phận chính được giải thích từ chương 2 đến chương 7

sẽ giúp người đọc hiểu rõ về nguyên lý hoạt động của máy và các bước tính toán nhằm thiết kế một máy phay CNC đơn giản Cuối cùng, chương 8 sẽ đề cập quá trình lắp đặt và hiệu chỉnh máy nhằm đảm bảo độ chính xác như yêu cầu Tuy nhiên, đề tài còn gặp phải một số hạn chế mà trong quá trình thực hiện chưa giải quyết được, chẳng hạn như: Máy chưa có phần

vỏ giúp chặn và hứng phoi trong quá trình gia công, trọng tâm máy tương đối cao so với bệ máy khiến độ ổn định trong quá trình làm việc thấp Các hạn chế này có thể được khắc phục bằng cách thiết kế thêm tấm chắn và làm thêm bệ chân máy giúp dời trọng tâm xuống gần chân đế máy

ABSTRACT

STUDYING, DESIGNING AND BUILDING MINI CNC MILLING MACHINE

The content of the project aims to create a general calculation template for small-sized CNC milling machines, simplifying the process of selecting and machining related components to serve the self-made CNC milling machine The fundamental theoretical foundation is addressed in Chapter 1, while the calculation of key components is explained from Chapter 2 to Chapter 7, helping readers understand the operating principles of the machine and the steps to design a simple CNC milling machine Finally, Chapter 8 discusses the installation and calibration process to ensure accuracy as required However, the thesis still faces some limitations that have not been resolved during the implementation, such as the lack of a protective enclosure to prevent and collect chips during the machining process and the relatively high center of gravity, which affects stability during operation These limitations can be overcome by designing additional shielding and adding machine base to lower the center of gravity closer to the machine's base

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I LỜI CẢM ƠN III LỜI MỞ ĐẦU IV TÓM TẮT ĐỒ ÁN V MỤC LỤC VII MỤC LỤC HÌNH ẢNH XIII MỤC LỤC BẢNG XV DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT XVI

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN 1

1.1 Tính cấp thiết 1

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 2

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu, giới hạn đề tài 2

1.4.1 Phương pháp nghiên cứu 2

1.4.2 Giới hạn đề tài 2

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Tổng quan về máy CNC 3

2.1.1 Sơ lược về máy CNC 3

2.1.2 Qui ước hệ tọa độ 3

2.1.3 Điểm chuẩn trong gia công 3

2.1.4 Hệ thống điều khiển 6

2.1.5 Phân loại máy phay CNC 6

2.2 Các thành phần cơ khí 8

2.2.1 Hệ thống truyền động vít me 8

2.2.2 Hệ thống thanh trượt dẫn hướng 9

2.2.3 Cụm máy trục X 10

2.2.4 Cụm máy trục Y 11

2.2.5 Cụm máy trục Z 12

2.3 Hệ thống điện 13

2.3.2 Mạch điều khiển chung 14

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 15

3.1 Lựa chọn phương án kết cấu chung của máy 15

3.1.1 Máy CNC router 15

3.1.2 Máy phay CNC khung H 15

3.1.3 Máy phay CNC khung C 15

3.1.4 Kết luận phương án khung máy 16

3.2 Lựa chọn phương án truyền động 16

3.2.1 Dẫn động bằng bộ truyền đai 16

3.2.2 Dẫn động bằng trục vít 16

3.2.3 Dẫn động bằng trục vít me đai ốc bi 16

3.2.4 Kết luận phương án truyền động 17

3.3 Lựa chọn phương án truyền động từ trục động cơ 17

3.3.1 Dẫn trực tiếp dùng khớp nối mềm 17

3.3.2 Dẫn động thông qua dây curoa 17

3.3.3 Kết luận phương án nối trục động cơ 17

3.4 Phương án chọn truyền động trục chính 18

3.4.1 Trục chính dẫn động bằng dây đai 18

3.4.2 Trục chính dẫn động bằng bánh răng 19

3.4.3 Trục chính dẫn động trực tiếp 20

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ CẮT 21

4.1 Tính lực cắt của máy 21

4.1.1 Tính lực cắt cho dao phay ngón 21

4.1.2 Tốc độ quay của trục chính 22

4.1.3 Lượng chạy dao phút / bước tiến bàn 22

4.1.4 Lượng cắt gọt vật liệu 22

4.1.5 Công suất cắt thực tế 23

4.1.6 Moment cắt 24

4.1.7 Lực cắt chính của máy 24

4.1.8 Lực cắt thành phần 25

4.1.9 Công suất cắt tính toán 25

4.1.10 Lực cắt sinh ra từ quá trình cắt vật liệu 26

4.1.11 Lực cắt theo phương x, y sinh ra từ quá trình cắt vật liệu 27

4.2 Tính lực cắt cho dao khoan 30

4.2.1 Số liệu ban đầu 30

4.2.2 Tốc độ quay của trục chính 30

4.2.3 Lượng chạy dao 31

4.2.4 Lực chiều dọc trục 31

4.2.5 Moment cắt 31

4.2.6 Công suất cắt 31

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN TẢI TRỤC VÍT, CHỌN VÍT ME 32

5.1 Tính toán tải trục X 32

5.1.1 Số liệu ban đầu 32

5.1.2 Chọn sơ bộ bước vít me 32

5.1.3 Lực chống trượt 33

5.1.4 Các lực dọc trục 33

5.1.5 Tải trọng tĩnh 34

5.1.6 Tải trọng động 35

5.2 Tính toán tải trục Y 35

5.2.1 Số liệu ban đầu 35

5.2.2 Chọn sơ bộ bước vít me 36

5.2.3 Lực chống trượt 36

5.2.4 Các lực dọc trục 36

5.2.5 Tải trọng tĩnh 36

5.2.6 Tải trọng động 37

5.3 Đối trọng 37

5.3.1 Số liệu ban đầu 37

5.3.2 Kiểm nghiệm bền xích 37

5.4 Tính toán tải trục Z 38

5.4.1 Số liệu ban đầu 38

5.4.2 Chọn sơ bộ bước vít me 38

5.4.3 Lực chống trượt 38

5.4.4 Các lực dọc trục 39

5.4.5 Tải trọng tĩnh 39

5.4.6 Tải trọng động 39

5.5.1 Số liệu ban đầu 40

5.5.2 Chọn kiểu vít me bi 41

5.5.3 Chiều dài trục vít lý thuyết 42

5.5.4 Chọn bước trục vít 43

5.5.5 Chọn đường kính trục vít me 44

5.5.6 Chọn thông số kĩ thuật của trục vít 44

5.5.7 Kiểm nghiệm trục vít 46

5.5.8 Tính toán momen 50

5.5.9 Nghiên cứu về khả năng chịu lực của trục vít 53

5.6 Chọn vít me bi trục Y 56

5.6.1 Số liệu ban đầu 56

5.6.2 Chọn kiểu vít me bi 56

5.6.3 Chiều dài trục vít lý thuyết 57

5.6.4 Chọn bước trục vít 57

5.6.5 Chọn đường kính trục vít me 57

5.6.6 Chọn thông số kĩ thuật của trục vít 57

5.6.7 Kiểm nghiệm trục vít 58

5.6.8 Tính toán momen 60

5.6.9 Nghiên cứu về khả năng chịu lực của trục vít 61

5.7 Chọn vít me bi trục Z 63

5.7.1 Số liệu ban đầu 63

5.7.2 Chọn kiểu vít me bi 64

5.7.3 Chiều dài trục vít lý thuyết 64

5.7.4 Chọn bước trục vít 64

5.7.5 Chọn đường kính trục vít me 65

5.7.6 Chọn thông số kĩ thuật của trục vít 65

5.7.7 Kiểm nghiệm trục vít 66

5.7.8 Tính toán momen 68

5.7.9 Nghiên cứu về khả năng chịu lực của trục vít 69

CHƯƠNG 6: CHỌN RAY DẪN HƯỚNG, Ổ LĂN, KHỚP NỐI 71

6.1 Tính toán ray dẫn hướng trục X 71

6.1.1 Số liệu ban đầu 71

6.1.2 Tính toán các lực thành phần 74

6.1.3 Tính toán tải trọng tương đương 79

6.1.4 Hệ số an toàn tĩnh 80

6.1.5 Tải trọng trung bình 81

6.1.6 Tính tuổi thọ danh nghĩa 83

6.2 Tính toán ray dẫn hướng trục Y 84

6.2.1 Số liệu ban đầu 84

6.2.2 Tính toán các lực thành phần 86

6.2.3 Tính toán tải trọng tương đương 87

6.2.4 Hệ số an toàn tĩnh 87

6.2.5 Tải trọng trung bình 88

6.2.6 Tính tuổi thọ danh nghĩa 88

6.3 Tính toán ray dẫn hướng trục Z 88

6.3.1 Số liệu ban đầu: 88

6.3.2 Tính toán các lực thành phần 91

6.3.3 Tính toán tải trọng tương đương 92

6.3.4 Hệ số an toàn tĩnh 92

6.3.5 Tải trọng trung bình 93

6.3.6 Tính tuổi thọ danh nghĩa 93

6.4 Chọn ổ lăn cụm trục X 94

6.4.1 Số liệu ban đầu 94

6.4.2 Kiểm nghiệm 94

6.5 Chọn ổ lăn cụm trục Y 95

6.5.1 Số liệu ban đầu: 96

6.5.2 Kiểm nghiệm 96

6.6 Chọn ổ lăn cụm trục Z 97

6.6.1 Số liệu ban đầu 97

6.6.2 Kiểm nghiệm 98

CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN 99

7.1 Tính toán động cơ dẫn trục X 99

7.1.1 Số liệu ban đầu: 99

7.1.2 Momen quán tính của hệ 100

7.1.3 Momen xoắn quy đổi vào trục động cơ 101

7.1.5 Momen xoắn gia tốc (tăng tốc, giảm tốc) 102

7.1.6 Thông số kĩ thuật của động cơ điện 104

7.2 Tính toán động cơ dẫn trục Y 105

7.2.1 Số liệu ban đầu: 105

7.2.2 Thông số kĩ thuật của động cơ điện: 106

7.3 Tính toán động cơ trục Z 107

7.3.1 Số liệu ban đầu: 107

7.3.2 Thông số kĩ thuật của động cơ điện: 108

CHƯƠNG 8: THIẾT KẾ CƠ CẤU, KIỂM NGHIỆM BỀN 109

8.1 Mô hình động học 109

8.2 Thiết kế cụm cơ cấu chung 110

8.2.1 Thiết kế cụm trục Y 110

8.2.2 Thiết kế cụm trục X 114

8.2.3 Thiết kế cụm trục Z 117

8.2.4 Thiết kế cụm động cơ chính 120

8.3 Mô phỏng kiểm nghiệm bền 123

8.3.1 Kiểm nghiệm bền cụm đế trục Y 123

8.3.2 Kiểm nghiệm bền cụm động cơ chính 124

8.3.3 Kiểm nghiệm bền cụm đối trọng 126

CHƯƠNG 9: GIA CÔNG, LẮP RÁP VÀ HIỆU CHỈNH MÁY 128

9.1 Gia công và lắp ráp 128

9.1.1 Gia công các chi tiết, cụm máy 128

9.1.2 Lắp ráp các bộ phận máy 133

9.2 Chạy thử và hiệu chỉnh 137

9.2.1 Quá trình và phương pháp hiệu chỉnh 137

9.2.2 Quá trình thử nghiệm 140

9.2.3 Nhận xét quá trình thử nghiệm 142

CHƯƠNG 10: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 143

10.1 Kết luận 143

10.2 Kiến nghị 143

Tài liệu kham khảo 144

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 2 1 Ảnh hệ tọa độ Đề-các 3

Hình 2 2 Ảnh điểm gốc máy 4

Hình 2 3 Ảnh các điểm chuẩn chi tiết 5

Hình 2 4 Sơ đồ khối máy CNC 6

Hình 2 5 Mẫu máy phay đứng 7

Hình 2 6 Mẫu máy phay ngang 7

Hình 2 7 Cấu tạo chung của đai vít me 8

Hình 2 8 Mô hình cụm thanh dẫn hướng 9

Hình 2 9 Mô hình cụm máy trục X 10

Hình 2 10 Mô hình cụm máy trục Y 11

Hình 2 11 Mô hình cụm máy trục Z 12

Hình 2 12 Các loại động cơ điện 13

Hình 2 13 Bo mạch điều khiển sử dụng mach3 14

Hình 3 1 Bộ truyền đai 18

Hình 3 2 Bộ truyền bánh răng 19

Hình 3 3 Trục chính được dẫn động trực tiếp 20

Hình 4 1 Thông số kỹ thuật dao endmill 21

Hình 4 2 Minh họa phân tích lực cắt 26

Hình 4 3 Sơ đồ phân tích lực cắt 27

Hình 4 4 Biểu diễn hướng lực cắt theo phương X 28

Hình 4 5 Thông số kỹ thuật dao khoan 30

Hình 5 1 Sơ đồ tải tác động lên trục vít trục X 32

Hình 5 2 Sơ đồ tải trọng tác động lên vít me bi 40

Hình 5 3 Kích thước chung đai ốc bi 45

Hình 5 4 Ảnh biểu diễn tải trong xoắn 53

Hình 5 5 Ảnh biểu diễn tải trọng uốn 54

Hình 5 6 Sơ đồ tải trọng tác động lên vít me bi trục Z 63

Hình 6 1 Biểu đồ biến thiên vật tốc động cơ bước 72

Hình 6 2 Thông số khoảng cách ray dẫn hướng cụm trục X 73

Hình 6 3 Sơ đồ phân bố tải trọng 74

Hình 6 4 Phân tích lực thành phần cụm trục X 74

Hình 6 5 Hệ số độ cứng (ray dẫn hướng) THK 80

Hình 6 6 Hệ số nhiệt độ (ray dẫn hướng) THK 81

Hình 6 7 Thông số khoảng cách ray dẫn hướng cụm trục Z 90

Hình 6 8 Sơ đồ phân bố lực 91

Hình 6 9 Phân tích lực thành phần cụm trục Z 91

Hình 6 10 Thông số ổ lăn 94

Hình 7 1 Biểu đồ vận tốc động cơ bước 99

Hình 7 2 Mô hình hợp lực tác động trục vít 101

Hình 8 1 Mô hình động học máy 109

Hình 8 2 Mô hình cụm trục Y 110

Hình 8 3 Bậc định vị ray dẫn hướng 111

Hình 8 5 Chi tiết tấm gắn động cơ 112

Hình 8 6 Phần chân đế cụm trục Y 113

Hình 8 7 Mô hình cụm trục X 114

Hình 8 8 Mô hình tấm đế trục X 115

Hình 8 9 Phần lỗ bắt ốc tấm đế 115

Hình 8 10 Mặt sau tấm đế trục X 116

Hình 8 11 Mô hình cụm trục Z 117

Hình 8 12 Mô hình tấm đế trục Z 118

Hình 8 13 Mô hình khung đỡ trục Z 119

Hình 8 14 Mô hình cụm gắn động cơ chính 120

Hình 8 15 Các chi tiết cụm động cơ chính 121

Hình 8 16 Phần lỗ bắt cụm đối trọng 121

Hình 8 17 Chi tiết kẹp động cơ trục chính 122

Hình 8 18 Chia lưới chi tiết tấm đế trục Y và áp dụng lực 123

Hình 8 19 Mô phỏng kiểm nghiệm bền cụm trục Y 123

Hình 8 20 Chia lưới chi tiết nối động cơ chính và áp dụng lực 124

Hình 8 21 Mô phỏng kiểm nghiệm bền chi tiết nối trục động cơ 125

Hình 8 22 Chia lưới kết cấu chịu lực cụm trục Z và áp dụng lực 126

Hình 8 20 Mô phỏng kiểm nghiệm bền cụm trục Z 127

Hình 9 1 Chi tiết tấm nền trục Y 128

Hình 9 2 Chi tiết tấm nền trục X gia công 129

Hình 9 3 Chi tiết tấm nền trục Z 130

Hình 9 4 Chi tiết tấm cố định động cơ 131

Hình 9 5 Chi tiết khung đỡ tấm nền trục Z 132

Hình 9 6 Chi tiết bàn máy gia công 133

Hình 9 7 Cụm trục Y được lắp lên khung 134

Hình 9 8 Lắp phần cụm trục Z 135

Hình 9 9 Kiểm tra độ vuông góc trục động cơ 135

Hình 9 10 Sơ đồ mạch điện của máy 136

Hình 9 11 Lắp đặt tủ điện 136

Hình 9 12 Ảnh hoàn thiện máy phay CNC 3 trục 137

Hình 9 13 Lắp chi tiết bàn máy 138

Hình 9 14 Điều chỉnh số bước động cơ 139

Hình 9 15 Mẫu chạy thử kiểm tra độ chính xác máy 140

Hình 9 16 Đo kích thước mẫu chạy được 141

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 2 1 Đặc tính tương đối hai loại động cơ 13

Bảng 4 1 Bảng tra hệ số Kc 23

Bảng 4 2 Thông số động cơ chính 29

Bảng 5 1 Bảng hệ số an toàn ray dẫn hướng 34

Bảng 5 2: Bảng thành phần lực dọc trục Y 36

Bảng 5 3 Bảng thành phần lực dọc trục Z 38

Bảng 5 4 Bảng độ chính xác góc dẫn hướng 42

Bảng 5 5 Khoảng giá trị mức độ giao động 42

Bảng 5 6 Độ dài trục vít me tối đa theo cấp chính xác 43

Bảng 5 7 Thông số đai ốc bi trục X 45

Bảng 6 1 Thông số ray trượt dẫn hướng 74

Bảng 6 2 Thông số con trượt dẫn hướng 74

Bảng 6 3 Bảng hệ số tiếp xúc (ray dẫn hướng) THK 84

Bảng 6 4 Bảng hệ số tải (ray dẫn hướng) THK 86

Bảng 6 5 Kết quả lực thành phần trục Y 86

Bảng 6 6 Kết quả tải trọng tương đương trục Y 90

Bảng 6 7 Giá trị tải trọng trung bình của thanh dẫn hướng trục Y 91

Bảng 6 8 Giá trị tuổi thọ của thanh dẫn hướng trục Y 91

Bảng 6 9 Kết quả lực thành phần trục Z 92

Bảng 6 10 Kết quả tải trọng tương đương trục Z 92

Bảng 6 11 Giá trị tải trọng trung bình của thanh dẫn hướng trục Z 93

Bảng 6 12 Giá trị tuổi thọ của thanh dẫn hướng trục Z 93

Bảng 7 1 Bảng tra motor hãng Sumtor 102

Bảng 7 2 Thông số động cơ dẫn trục X 104

Bảng 7 3 Thông số động cơ dẫn trục Y 106

Bảng 7 4 Thông số động cơ dẫn trục Z 108

Bảng 9 1 Thông số chương trình chạy mẫu thử 140

Bảng 9 2 Thống kê sai lệch kích thước đo được 141

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CNC Computerized Numberical Control

MIT Massachusetts Institute of Technology

APT Automatically Programmed Tool

JIS Japan Industrial Standard

ISO International Organization for Standardization

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN

1.1 Tính cấp thiết

Theo cục thống kê lao động Mỹ, ước tính tới năm 2030 nhu cầu lao động liên quan đến lĩnh vực gia công cơ khí sẽ gia tăng khoảng 7%, bên cạnh đó sự phổ biến của dây chuyền tự động hóa, nhu cầu sản xuất chi tiết với độ chính xác cao và tính cạnh tranh của thương mại toàn cầu

đã tạo ra cơ hội để phát triển lĩnh vực này cho cả những doanh nghiệp lớn và nhỏ

Với tính linh hoạt và chuẩn xác do máy CNC mang lại cùng khả năng sản suất liên tục đã khiến cho các loại máy này trở thành một phần không thể thiếu trong gia công hiện nay Tuy nhiên đối với những doanh nghiệp nhỏ với nguồn vốn hạn chế, những chi tiết thử nghiệm cần sản xuất với số lượng nhỏ và những người muốn làm quen với lĩnh vực này qua việc thực hành thì việc mua các loại máy cnc dùng trong công nghiệp với công suất lớn là không phù hợp Do

đó máy CNC mini với hệ thống điều khiển được tận dụng từ máy tính cá nhân đã được tạo ra nhằm đáp ứng khía cạnh này

Việc chế tạo máy CNC cỡ nhỏ cần phải đảm bảo được độ chính xác theo nhu cầu, đáp ứng được khía cạnh nhỏ gọn và có giá cả phù hợp cho người dùng

Ngày nay, có nhiều người tham gia sản xuất máy CNC cỡ nhỏ để sử dụng tại nhà, trong các nhà máy nhỏ với chi phí thấp Tại các trường đại học và cao đẳng, cũng có nhiều máy CNC mini được sinh viên chế tạo để phục vụ việc học ở trường Nắm được tầm quan trọng đó, nhóm chúng

em đã làm đề tài "Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy CNC mini 3 trục phục vụ cho đào tạo" là cần thiết

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Việc nghiên cứu và thực hiện đồ án sẽ giúp hoàn thiện phần nào qui trình chế tạo máy CNC

cỡ nhỏ, tạo ra một bản mẫu hoàn thiện về quá trình tính toán lựa chọn các chi tiết và đưa ra các giả thuyết lắp đặt nhằm đảm bảo cơ cấu và độ chính xác của máy Đây cũng là cơ hội cho sinh viên tìm tòi, kiểm nghiệm, hiểu sâu rộng hơn về những máy CNC hiện đại để từ đó áp dụng và chế tạo được máy CNC và hoàn thiện chúng đúng theo những yêu cầu đã đặt ra

Mô hình hoàn thiện của máy có thể được sử dụng phục vụ mục đính giảng dạy, đào tạo nhằm nâng cao độ thành thạo của học viên trong việc vận hành máy, nâng cao khả năng thiết kế, vận dụng kiến thức đã học Ngoài ra, sản phẩm còn có thể được sử dụng để sản suất

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Chương trình điều khiển Mach3 và các phần cứng liên quan

Phần mềm phục vụ việc thiết kế, tạo mẫu, xuất bản vẽ

Kết cấu máy và các thông số tính toán liên quan

Động cơ, mạch điều khiển, các linh kiện điện tử cần thiết

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu và chế tạo hoàn thiện máy

Đảm bảo các thông số kỹ thuật đã đưa ra:

- Không gian làm việc: 300x200x200 (mm)

- Dung sai: ± 0.02mm

- Thời gian nghiên cứu: 6 tháng

1.4 Phương pháp nghiên cứu, giới hạn đề tài

1.4.1 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu cách thức hoạt động, phương pháp chế tạo dựa trên mẫu mã tương tự đã có trên thị trường

Dựa trên những số liệu thu được, tiến hành tính toán, đánh giá, chọn lựa các chi tiết chính, khung kết cấu và phương thức gia công, lắp đặt

1.4.2 Giới hạn đề tài

Lắp đặt hoàn thiện mô hình

Căn chỉnh độ chính xác máy

Tiến hành chạy thử kiểm tra dung sai

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về máy CNC

2.1.1 Sơ lược về máy CNC

CNC được phát triển cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950 ở phòng thí nghiệm Servomechanism của trường MIT sử dụng máy tính để điều khiển máy móc với mục đích sản xuất với việc áp dụng chương trình được viết bằng những ký hiệu mã hóa[1]

Năm 1958 những người tại phòng thí nghiệm Servomechanism đã phát triển phiên bản đầu tiên của ngôn ngữ APT, nó sử dụng một số từ tiếng Anh làm ký tự để hình thành chương trình điều khiển máy Hệ điều hành này gồm chương trình điều khiển, chương trình tính toán thông số hình học, tính toán lựa chọn chế độ gia công như tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt, bôi trơn làm mát

Ngày nay người ta sử dụng những chương trình được viết theo tiêu chuẩn EIA-274-D hay còn có tên gọi là mã G nhằm điều khiển các chuyển động của máy CNC

2.1.2 Qui ước hệ tọa độ

Các hệ tọa độ cho phép mô tả chính xác tất cả các điểm trên bề mặt gia công cũng như trong không gian Hiện nay các loại máy CNC 3 trục sử dụng Hệ tọa độ Đề-các (Descartes) Hệ tọa độ này xác định vị trí bởi 3 đường thẳng có hướng vuông góc với nhau theo qui tắc bàn tay phải Ngoài ra còn có các định nghĩa về hệ tọa độ liên quan đến máy và chi tiết gia công

Hình 2 1 Ảnh hệ tọa độ Đề-các

Điểm chuẩn của máy (M): hay còn gọi là điểm gốc O của máy, do nhà chế tạo quy định và không thể thay đổi được Điểm M là điểm giới hạn vùng làm việc của máy Điều đó có nghĩa là trong phạm vi vùng làm việc của máy các dịch chuyển của các cơ cấu máy có thể được dịch chuyển theo chiều dương các tọa độ Đối với máy phay, điểm M thường nằm ở giới hạn dịch chuyển của bàn máy[2]

Hình 2 2 Ảnh điểm gốc máy [3]

Điểm O của chi tiết (W): đây là gốc tọa độ của chi tiết do người lập trình quy định và có thể thay đổi được Khi gia công bề mặt chi tiết có thể chọn nhiều tọa độ khác nhau với các điểm gốc W1 và hệ tọa độ phụ W2,W3,…

Hình 2 3 Ảnh các điểm chuẩn chi tiết [3]

2.1.4 Hệ thống điều khiển

Nguyên lý cơ bản của phần điều khiển là nhận tín hiệu đầu vào từ người vận hành máy và chương trình và cung cấp tín hiệu đầu ra cho bộ phận chấp hành của máy thực hiện gia công Đặc điểm chính của hệ điều khiển CNC là sự tham gia của máy tính Hệ điều khiển CNC cho phép thay đổi và hiệu chỉnh các chương trình gia công chi tiết và cả chương trình hoạt động của bản thân nó Các chương trình có thể được ghi nhớ lại, được nạp toàn bộ vào bộ nhớ hay từng dòng lệnh bằng tay từ bảng điều khiển[4]

Hình 2 4 Sơ đồ khối máy CNC [5]

2.1.5 Phân loại máy phay CNC

Phân loai máy theo số trục máy:

- Máy phay CNC 2 trục X, Z hoặc X, Y

- Máy phay CNC 3 trục: di chuyển theo trục X, Y, Z

- Máy phay CNC 4 trục: gồm 3 trục X, Y, Z và một trục xoay

- Máy phay CNC 5 trục: gồm 3 trục X, Y, Z và hai trục xoay

Phân loại theo phương trục chính:

Máy phay đứng CNC: có cấu tạo trục chính vuông góc với bàn máy theo phương thẳng đứng Khi hoạt động, trục chính chứa dao cắt thường di chuyển lên xuống theo phương Z Bàn máy di chuyển qua lại theo phương ngang X, Y

Hình 2 5 Mẫu máy phay đứng [6]

Máy phay ngang CNC: cấu tạo trục chính song song với bàn máy theo phương ngang Máy

có bàn máy lớn hơn máy phay đứng nên có thể gia công các sản phẩm có kích thước lớn Được

sử dụng để thiết kế khuôn, gia công lốc máy, hay gia công hộp số, hộp động cơ,…

2.2 Các thành phần cơ khí

2.2.1 Hệ thống truyền động vít me

Kết cấu bộ truyền vít me - đai ốc bi hình trên bao gồm trục vít me, đai ốc, dòng bi Đai ốc làm cho bàn chuyển động tịnh tiến theo X, Y và điều chỉnh cao độ trục Z Tốc độ di chuyển của bàn X,Y phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vít

Hình 2 7 Cấu tạo chung của đai vít me [7]

2.2.2 Hệ thống thanh trượt dẫn hướng

Thanh trượt dẫn hướng là một bộ phận có nhiệm vụ dẫn một vật nặng hoặc chi tiết máy theo một đường thẳng nhờ vào chuyển động của vòng bi trong con trượt Cấu trúc của thanh trượt dẫn hướng gồm có: con trượt di chuyển theo đường thẳng, thanh ray dẫn hướng con trượt và vòng bi

Hình 2 8 Mô hình cụm thanh dẫn hướng [8]

2.2.3 Cụm máy trục X

Đây là cụm máy có nhiệm vụ dịch chuyển bàn máy theo phương x, được dẫn động nhờ động

cơ truyền chuyển động quay tới trục vít, hệ thống thanh trượt có nhiệm vụ dẫn hướng và chịu tải, đảm bảo độ thẳng khi di chuyển

Hình 2 9 Mô hình cụm máy trục X

2.2.4 Cụm máy trục Y

Đây là cụm máy có nhiệm vụ dịch chuyển cụm trục X và bàn máy theo phương x, được dẫn động nhờ động cơ truyền chuyển động quay tới trục vít từ đó biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến cho phần máy phía trên, hệ thống thanh trượt có nhiệm vụ dẫn hướng và chịu tải, đảm bảo độ thẳng khi di chuyển

Hình 2 10 Mô hình cụm máy trục Y

2.2.5 Cụm máy trục Z

Cụm máy trục Z có nhiệm vụ nâng đỡ động cơ trục chính, động cơ truyền chuyển động quay tới trục vít Khi kết hợp với các cụm trục khác, máy có thể gia công trên cả 3 trục X, Y, Z

Hình 2 11 Mô hình cụm máy trục Z

2.3 Hệ thống điện

2.3.1 Động cơ dẫn động các trục

Để có thể điều khiển với độ chính xác cao và tốc độ theo yêu cầu, có thể chọn hai loại động

cơ sau: động cơ bước và động cơ servo

Động cơ bước là loại động cơ đồng bộ, có khả năng biến đổi các tín hiệu điều khiển của máy móc dưới dạng các xung điện rời rạc được phát ra kế tiếp nhau, tạo thành các chuyển động góc quay Số điểm cực của động cơ thường rất lớn nhằm đảm bảo góc bước của motor đủ nhỏ để

Hình 2 12 Các loại động cơ điện [11]

2.3.2 Mạch điều khiển chung

Là mạch điện đã được tính hợp nhằm điều kiển các bộ phận trên máy bằng việc nhận tính hiệu từ chương trình điều kiển và xuất tín hiệu đầu ra Hiện nay trên thị trường có nhiều loại bo mạch điều khiển nhằm đáp ứng nhiều loại máy CNC với công suất và chất lượng khác nhau Những bo mạch công suất cao phục vụ cho các dòng máy công nghiệp thường được chế tạo phức tạp, được gắn thêm bộ phận tản nhiệt nhằm phục vụ cường độ làm việc cao Trong khi đó, các

bo mạch phục vụ dòng máy CNC cỡ nhỏ thường được chế tạo với kết cấu đơn giản và giá thành phải chăng, phù hợp cho việc tự lắp đặt hoặc nhu cầu sử dụng công suất nhỏ

Hình 2 13 Bo mạch điều khiển sử dụng Mach3 [12]

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

3.1 Lựa chọn phương án kết cấu chung của máy

Nhược điểm: Kết cấu máy khiến cho hành trình trục Z di chuyển rất hạn chế, để đạt độ chính xác mong muốn cần căn chỉnh nhiều do liên quan đến cách bố trí trục Z, điều này là quan trọng vì hướng thiết kế của đề tài phục vụ mục đích đào tạo, gia công sản phẩm nhỏ lẻ thử nghiệm, do

đó đòi hỏi hành trình của cả ba trục đáp ứng được nhu cầu

3.1.2 Máy phay CNC khung H

Đặt điểm: Một trong những kết cấu được sử dụng nhiều trong các dòng máy phay CNC từ các loại máy công nghiệp đến các máy cỡ nhỏ tự lắp đặt Trục chính được đặt trên thanh dầm ngang với hai cột đỡ hoặc lưng máy đối với các dòng máy công suất lớn

Ưu điểm: máy có trục chính được cố định với hai cột đỡ hai bên giúp việc bố trí bàn máy được tối ưu hơn So với máy CNC khung C, máy khung H thường có hành trình trục X hoặc trục

Y lớn hơn Ngoài ra đặt điểm hai cột đỡ giúp tăng tính ổn định khi làm việc, giúp giảm khối lượng máy so với khung C cùng hành trình

Nhược điểm: việc bố trí trục chính trên hai cột đỡ làm việc lắp ghép, căn chỉnh phức tạp

3.1.3 Máy phay CNC khung C

Đặc điểm: kết cấu máy được sử dụng phổ biến trong các dòng máy phay hiện nay, bàn trục

X được đặt lên bàn trục Y và trục chính di chuyển theo phương trục Z từ đó tạo ra chuyển động

theo ba trục X, Y, Z

Ưu điểm: do kết cấu đơn giản nên phần khung kết cấu có ít chi tiết hơn các loại máy khác Việc trục chính được bố trí trên một cột đỡ giúp đơn giản hóa quá trình căn chỉnh đảm bảo độ

Nhược điểm: so với loại khung H kích cỡ tương tự, máy có hành trình nhỏ hơn, việc bố trí trục chính cũng yêu cầu phần khung có kích thước to hơn để đảm bảo độ cứng vững, do đó trọng

lượng máy cũng nặng hơn

3.1.4 Kết luận phương án khung máy

Xét theo phương diện đối tượng đề tài, nhóm có thể chọn loại máy phay CNC khung H hoặc khung C

Xét theo tính đơn giản khâu lắp ghép, căn chỉnh nhóm quyết định chọn máy CNC khung C Nhược điểm của máy là không đáng kể xét theo kích thước nhỏ của máy

3.2 Lựa chọn phương án truyền động

3.2.1 Dẫn động bằng bộ truyền đai

Đặc điểm: sử dụng lực ma sát giữa dây đai và các bánh đai để truyền chuyển động moment quay từ trục động cơ đến trục công tác, từ đó dẫn động con trượt theo các phương tương ứng của cụm trục máy [14]

Ưu điểm: tiếng ồn gây ra trong quá trình truyền động rất thấp, tốc độ truyền tải cao, đóng vai trò là cơ cấu an toàn trong trường hợp quá cử hành trình

Nhược điểm: hiện tượng trượt trơn, dãn dây đai khiến cho độ chính xác máy không đảm bảo, kích thước bộ truyền to

Đặc điểm: tương tự về cách thức hoạt động của trục vít nhưng sử dụng ma sát lăn do các viên

bi trong rãnh xoắn đai ốc sinh ra

Ưu điểm: tỉ số truyền lực lớn, tiếng ồn gây ra nhỏ, có khả năng tự hãm, tuổi thọ cao

Nhược điểm: có độ rơ nhỏ do khoảng hở giữa những hàng bi và rãnh trượt

3.2.4 Kết luận phương án truyền động

Do yêu cầu về độ chính xác vị trí cao nên lựa chọn bộ truyền đai là không hợp lý Về các phương án còn lại, bộ truyền vít me đai ốc bi có ưu điểm đáng kể, khắc phục được hạn chế của

bộ truyền trục vít nên nhóm lựa chọn phương án này

3.3 Lựa chọn phương án truyền động từ trục động cơ

3.3.1 Dẫn trực tiếp dùng khớp nối mềm

Đặt điểm: khớp nối mềm là loại khớp nối có vòng cao su đàn hồi nằm ở giữa khớp có nhiệm

vụ chống va đập, chống rung tốt giúp kết nối các trục động cơ[14]

Ưu điểm: có hiệu quả truyền động cao so với các phương pháp khác, cấu tạo đơn giản, dễ thay thế

Nhược điểm: việc sử dụng khớp nối giới hạn vị trí đặt động cơ, cần đảm bảo lắp đặt hợp lí tránh lực dọc trục gây hư hai động cơ

3.3.2 Dẫn động thông qua dây curoa

Bộ truyền sử dụng lực ma sát giữa dây curoa và các pully để truyền chuyển động moment quay từ động cơ đến trục công tác

Ưu điểm: dây curoa đóng vai trò làm cơ cấu an toàn, đây là lựa chọn an toàn hơn so với khớp nối mềm xét theo trường hợp làm máy cỡ nhỏ, tránh lực dọc trục gây hư hỏng động cơ

Nhược điểm: có hiện tượng giãn nỡ, hiện tượng trượt trơn nên tỉ số truyền không ổn định

3.3.3 Kết luận phương án nối trục động cơ

Xét theo yêu cầu độ chính xác máy, nhóm sử dụng khớp nối mềm Các yêu cầu về sai lệch đồng tâm khi lắp trục sẽ được đảm bảo nhờ chi tiết cố định động cơ

3.4.2 Trục chính dẫn động bằng bánh răng

Hình 3 2 Bộ truyền bánh răng [16]

Tương tự như bộ truyền đai, động cơ dẫn truyền động được dẫn qua bộ bánh răng[14]

Ưu điểm: bộ truyền có khả năng truyền moment tốt, gần như không có độ trễ giữa động cơ

và trục chính

Nhược điểm: tiếng ồn sinh ra khi làm việc cao

3.4.3 Trục chính dẫn động trực tiếp

Hình 3 3 Trục chính được dẫn động trực tiếp [17]

Động cơ được nối trực tiếp với trục chính

Ưu điểm: bỏ qua phần cơ cấu truyền động giúp đơn giản hóa cơ cấu máy, triệt tiêu độ trễ giữ động cơ và trục

Nhược điểm: phụ thuộc vào thông số thiết kế động cơ do đó thường bị giới hạn bởi momen xoắn sinh ra

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ CẮT

4.1 Tính lực cắt của máy

4.1.1 Tính lực cắt cho dao phay ngón

- Loại máy CNC: máy phay

- Loại dao cắt: Solid Carbide Endmill

- Mã dao theo thông số kĩ thuật của hãng Kennamental: 4CH0800DK012A

Hình 4 1 Thông số kỹ thuật dao endmill [18]

- Vật liệu gia công: nhôm, mica

- Khối lượng lớn nhất của chi tiết: 𝑀𝑡 = 10kgf

- Trọng lượng trục X: 𝑀𝑥 = 15kgf

- Trọng lượng trục X: 𝑀𝑦 = 50kgf

- Trọng lượng trục X: 𝑀𝑧 = 16kgf

- Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công: V1 = 12m/ph

- Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công: V2 = 8m/ph

- Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 0,5g = 5m/s2

- Thời gian hoạt động 6 năm: Lt =17520 (365 ngày, 8h) Nmax = 2500 vg/ph

4.1.3 Lượng chạy dao phút / bước tiến bàn

- Theo tài liệu [19], trang 27, ta có công thức:

𝑆𝑝ℎ = 𝐹 𝑛 = 𝐹𝑧 𝑧 𝑛 = 0,064.4.9945 = 2545 (𝑚𝑚/𝑝ℎ) (2)

4.1.4 Lượng cắt gọt vật liệu