Báo cáo tổng kết Đề tài thiết kế và lắp Đặt máy phay cnc

Chương 1: Giới thiệu các thiết bị điều khiển thường sử dụng trong máy CNC.. Chương 1 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN THƯỜNG SỬ DỤNG TRONG MÁY CNC.. - Bộ điều khiển DDCSV phù hợp cho t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT MÁY PHAY CNC

Giảng viên HD: Ts Đỗ Văn Cần Môn học: Tự động hoá quá trình sản xuất

Sinh viên thực hiện: Trần Đình Pháp

Lâm Chuẩn

Lương Văn Thành

Quy Nhơn, 2025

Khái niệm và việc sử dụng máy CNC đã vô cùng phổ biến từ các nhà máy, các tiệm cơ khí, các tiệm làm biển quảng cáo,… Nhưng các máy CNC được sử dụng cần được nhập khẩu từ nước ngoài như: Trung Quốc, Nhật Bản, Hoa Kỳ,… với giá thành rất cao Thiết kế, chế tạo thành công máy CNC chính là cơ sở, là tiền đề quan trọng để

có thể thiết kế chế tạo máy CNC trong nước phục vụ sản xuất, từng bước làm chủ kỹ thuật công nghệ cao, giảm giá thành sản phẩm, giảm chi phí đầu tư, tăng năng suất sản xuất

Với mong muốn đó chúng em đã lựa chọn đề tài “Chế tạo hệ thống điều khiển máy phay CNC 3 trục, 1 đầu phay” làm đồ án môn học ở kỳ này

5 Cấu trúc bài luận

Báo cáo có 3 chương, nội dung tóm tắt như sau:

Chương 1: Giới thiệu các thiết bị điều khiển thường sử dụng trong máy CNC Chương 2: Thiết kế và lắp đặt mô hình cho máy CNC

Chương 3: Vận hành thử nghiệm

Sinh viên thực hiện đề tài

Chương 1 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN THƯỜNG SỬ DỤNG

TRONG MÁY CNC

1.1 Giới thiệu bộ điều khiển

1.1.1 Giới thiệu MACH 3 USB CNC

Hình 1 1 Bộ điều khiển MACH 3 USB CNC

- Có 4 ngõ vào IN1, IN2, IN3, IN4

- Có 4 ngõ ra OUT1, OUT2, OUT3, OUT4

- Toàn bộ ngõ vào và ra được cách ly quang đảm bảo an toàn tuyệt đối

Thông số kỹ thuật:

- Giao tiếp với máy tính qua cổng USB

- Nguồn sử dụng: 5VDC USB

- Tần số xung tối đa: 100Khz

- Điều khiển 4 hoặc 5 trục X, Y, Z, A, B

- Số ngõ vào: 4 ngõ IN1, IN2 IN3, IN4

- Số ngõ ra: 4 ngõ OUT1, OUT2, OUT3, OUT4

1.1.2 Mạch điều khiển NC studio

- Mạch Điều Khiển CNC NC Studio V5 được sử dụng chính trong ứng dụng máy tiện CNC

- NcStudio sẽ chịu trách nhiệm chính trong việc ra lệnh cho máy CNC thực hiện những công việc theo ý muốn của thợ

- Nhiệm vụ chính của phần mềm này chính là mô tả những chuyển động của trục chính trên bề mặt của vật liệu để máy CNC có thể hiểu và thực hiện theo lập trình có sẵn

Hình 1 2 Mạch điều khiển NC studio

- Hệ thống không có máy tính, không cần thiết bị điều khiển khác

- Nội suy đồng thời 4 trục

- 15 ngõ đầu vào, bao gồm cả dừng khẩn cấp, giới hạn hành trình và các chức năng khác

- 4 ngõ đầu ra có thể lập trình, bao gồm làm mát dạng xối, làm mát bằng sương mù và các thiết bị ngoại vi được điều khiển khác

- Tốc độ trục chính điều chỉnh theo (0- 10V)

- Phần mềm hệ thống thiết kế độc lập

- Giao diện USB, hỗ trợ cho USB

- Chuẩn cách điện DCDC

- Điện áp vào: 18- 32VDC1A DC

- Tần số xung phát ra tới 500 Khz, phù hợp với cả động cơ AC servo độ phân giải cao

- Hỗ trợ cho MPG tiêu chuẩn

- Hỗ trợ hệ thống mã G chuẩn

- Thiết kế hệ thống nhúng để dễ dàng cài đặt trên bất kỳ tủ điều khiển nào

- Hệ thống ổn định có thể chống nhiễu điện từ của động cơ trục chính

- Chip chuẩn công nghiệp để cải thiện sự ổn định của hệ thống

- Hỗ trợ lưu điểm dừng, có thể tiếp tục xử lý sau khi khởi động lại

- Hỗ trợ cài đặt công cụ tự động, thuận tiện và nhanh chóng

- Công nghệ đọc trực tuyến, hỗ trợ đĩa USB dung lượng lớn, hỗ trợ các tệp mã

G lớn, các tệp có kích thước bất kỳ, có thể đọc trong vài giây

- Bộ điều khiển DDCSV phù hợp cho tất cả các loại thiết bị và hệ thống tự động hóa vừa và nhỏ

1.2 Động cơ bước và thiết bị điều khiển động cơ bước

Hình 1 4 Động cơ bước Cấu tạo:

- Động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ

Hoạt động:

- Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định

- Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

- Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in,

1.2.2 Thiết bị điều khiển động cơ bước

Chọn động cơ bước HBS57 HYDRID SERVO DRIVE

Hình 1 5 Động cơ bước HBS57 HYDRID SERVO DRIVE

Giới thiệu chung:

- Thế hệ động cơ ac servo hybrid của hãng Leadshine danh tiếng, kết hợp giữa sức mạnh, độ bền, giá thành rẻ của động cơ bước và khả năng kiểm soát vị trí chính xác của động cơ servo

- Lĩnh vực ứng dụng: Trong máy cắt CNC, máy cắt khắc laser, máy cắt plasma CNC, máy phay tiện cnc và các hệ thống tự động chính xác khác

- Model: Ac servo driver HBS57

- Điện áp cấp: 18-80 VAC

- Dòng điện: 8A

- Bảo vệ: quá dòng, quá áp, thấp áp, ngắn mạch

- Độ phân giải: 51200 xung/vòng (Max )

- Ac servo motor 86HSM85-E1 (86HBM80-1000-01)

- Momen xoắn: 8.5 Nm (85 kg/cm)

- Chiều dài: 140mm

- Chiều dài trục đầu ra: 38mm, tốc độ: 3000 rpm

- Chọn mã sản phẩm phía dưới để biết giá chính xác

Thông số kỹ thuật:

- Nguồn đầu vào là 9V- 42V

- Dòng cấp tối đa là 4A

- Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao

- Có tích hợp đo quá dòng quá áp

- Cân nặng: 200G

- Kích thước: 96x71x37mm

Đặc điểm:

- Nhiệt độ thấp Sử dụng công nghệ điều khiển hiện đại tiên tiến, dòng điện đầu

ra của driver điều khiển có thể được điều chỉnh tự động theo tải, để giảm phát nhiệt của động cơ và driver, nâng cao hiệu quả hoạt động

- Có thể chạy trơn tru ở tốc độ cực thấp Việc sử dụng công nghệ vector tiên tiến, phù hợp với việc giảm tiếng ồn động cơ trong quá trình hoạt động, có tác dụng ức chế rất tốt đối với "cộng hưởng tần số thấp"

- Giảm độ rung khi phanh động cơ Hệ thống truyền động servo lại sử dụng các đặc tính mô-men xoắn giữ duy nhất của động cơ bước để ổn định đạt được vị trí thiết lập và tránh dao động

- Tăng mô-men xoắn hiệu quả Hiệu suất tốc độ cao của hệ thống truyền động servo cao hơn 20% so với động cơ bước và mô-men xoắn hiệu dụng có thể được tăng lên hơn 70% mô-men xoắn giữ, để động cơ có thể duy trì hoạt động mô-men xoắn cao trong chuyển động tốc độ cao

1.3 Động cơ chính và thiết bị điều khiển động cơ chính (spindle)

1.3.1 Động cơ chính

Hình 1 6 Động cơ phay spindle

Khái niệm:

- Độg cơ spindle còn được gọi với nhiều cái tên khác nhau như: độnh cơ phay,

củ đục, củ đục spindle, Spindle là động cơ trục chính dùng để lắp dao thông qua một linh kiện là collet spindle để thực hiện cắt khắc

- Đường kính thân: 65mm

- Chiều dài: 195mm

- Loại vòng bi( 4 vòng bi): 2×7002C P4 DT&2×7000C P4 DT

- Giải nhiệt nước

- Dùng 4 củ phay công suất tương đương là 4x800= 32.000W tương đương là 3,2KW vì vậy ta phải chọn biến tần công suất lớn hơn 3,2KW

1.3.2 Thiết bị điều khiển động cơ chính (spindle)

- Chọn biến tần Best, 4KW, Input 3P (200 ~230VAC)

Hình 1 7 Hình ảnh thực tế biến tần

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp đầu vào: 3 pha 200 ~ 230V 50/60 Hz

- Tần số ngõ ra: 0.1 ~ 400 Hz

- Công suất ngõ ra: 4KW

- Ngõ vào Analog: ( 4 – 20mA, 0- 10V)

- Ngõ vào số

- Quá tải 150% ở 1 phút, 200% ở 30 giây

- Điều khiển 8 cấp tốc độ

- Truyền thông: RS485, Modbus

- Chức năng: PID, momet khởi động, DC Braking

- Bảo vệ: quá tải, quá áp, thấp áp, quá nhiệt, mất pha

Chương 2 THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT MÔ HÌNH CHO MÁY CNC

2.1 Thiết kế mô hình máy CNC

- Sau khi tham khảo các nguồn tài liệu về máy CNC, nhóm đã đưa ra các yêu

cầu về mặt cơ khí của mô hình máy CNC ba trục

- Mô hình sẽ có đế máy được làm bằng sắt

- Thân máy sẽ sử dụng nhôm định hình để chế tạo

- Sử dụng vít me bi để truyền động cho các trục X-Y-Z

- Thanh trượt vuông được dùng để nâng các bộ phận của dụng cụ cắt để giảm tải trọng lượng và ma sát cho vít me bi

- Vì là mô hình nên kích thước của máy không lớn, nhóm lựa chọn kích thước cho

mô hình là 600 x 400 x 500 mm

- Từ các thông số trên, nhóm đã xây dựng bản vẽ 3D của mô hình thông qua phần mềm Auto CAD

- Hình dưới thể hiện thiết kế 3D của mô hình máy CNC ba trục Bản thiết kế này

sử dụng một thanh vít me và hai thanh trượt để điều khiển trục dọc, trục ngang cũng sẽ được đặt trên hai thanh trượt để chịu tải Trục ngang sẽ di chuyển trên hai thanh trượt và cùng chạy với thanh vít me ở giữa Thân máy cấu tạo từ các thanh sắt và gỗ, các phần này có nhiệm vụ cố định các bộ phận như vít me bi, thanh trượt,… Tất cả các bộ phận thân máy của mô hình được cố định trên đế máy Thanh trượt được dùng để nâng các bộ phận của dụng cụ cắt để giảm tải trọng lượng và ma sát cho vít me bi

- Đây là một thiết kế cơ bản của một mô hình máy CNC ba trục Dụng cụ cắt sẽ di chuyển trên bề mặt vật liệu, vật liệu gia công sẽ được cố định trên bàn máy

Hình 2 1 Bản thiết kế 3D của mô hình máy CNC ba trục

Hình 2 1 Hình chiếu trục đứng của mô hình máy CNC

Hình 2 1 Hình chiếu trục cạnh của mô hình máy CNC

Hình 2 1 Hình chiêu bằng của mô hình máy CNC

2.2 Xây dựng mô hình máy CNC ba trục

- Sau khi có bản vẽ thiết kế, nhóm tiến hành xây dựng phần cơ khí cho mô hình máy CNC ba trục gồm các thành phần chính như sau

- Kích thước của mô hình máy CNC thể hiện độ dài các trục X-Y-Z Mà các trục này chuyển động theo các cây vít me bi nên nhóm tìm hiểu và quyết định sử dụng

ba loại vít me bi làm ba trục của máy

Hình 2 1 Vit-me-bi T8

- Bảng 1 thể hiện thông số của các loại vít me bi nhóm đã sử dụng Chiều dài của từng thanh vít me sẽ quyết định đến các bộ phận cơ khí như đế máy, thân máy, của mô hình máy CNC

Bảng 1 Thông số các loại vít me bi được sử dụng

Trục Loại vít me bi Đường kính

trục (mm) (mm/vòng) Bước ren

Chiều dài (mm)

2.2.2 Đế máy

- Đế máy là bộ phần để cố định thân máy và giúp thân máy cao hơn mặt bàn cắt

Đế máy cần phải chịu được khối lượng của thân máy cùng với việc khi các động

cơ bước hoạt động Thông thường đế máy thường sử dụng các vật liệu cứng như thép, nhôm định hình để chế tạo

Hình 2 1 Bản thiết kế đế máy

- Hình trên là đế máy được lắp đặt phần trên máy CNC, vật liệu sử dụng cho đế máy là thép V thanh có lỗ, độ rộng mỗi mặt là 30 mm, độ dày là 2 mm Nhóm sau khi xem xét kích thước trục vít me bi đã quyết định sử dụng thép V lỗ để làm

đế máy, kích thước 600x400x200mm

- Gỗ là một loại vật liệu phổ biến, dễ gia công, có chi phí thấp và sẵn có trên thị trường, phù hợp cho các dự án chế tạo thử nghiệm hoặc mô hình CNC quy mô nhỏ

- Với khả năng chịu lực tương đối tốt, gỗ hoàn toàn có thể đáp ứng được các yêu cầu cơ bản về độ ổn định trong cấu trúc khung máy Ngoài ra, gỗ cũng dễ dàng trong việc khoan, bắt vít và thay thế linh kiện khi cần điều chỉnh thiết kế

Hình 2 1 Bản thiết kế đế máy

- Trong dự án này, nhóm quyết định sử dụng vật liệu gỗ để làm khung thân máy CNC 3 trục Việc sử dụng gỗ giúp đơn giản hóa quy trình gia công cơ khí, tiết kiệm chi phí và thời gian chế tạo

- Dù không cứng vững bằng kim loại như nhôm, nhưng với thiết kế hợp lý, độ dày

đủ lớn và khung gia cố chắc chắn, khung máy bằng gỗ vẫn đảm bảo hoạt động

ổn định khi gia công các vật liệu nhẹ như gỗ, mica hoặc nhựa Đây là lựa chọn phù hợp cho mô hình CNC nhỏ, phục vụ học tập và thử nghiệm

- Thanh trượt tròn thường được làm bằng thép cứng mạ crôm hoặc inox, có bề mặt được mài nhẵn để giảm ma sát Thanh có tiết diện hình tròn, độ dài tùy biến, và hoạt động cùng với các gối đỡ có cơ cấu bi tiếp xúc bên trong để tạo chuyển động trơn tru

- Thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả, các cụm bạc trượt có thể dễ dàng cố định lên khung máy hoặc bàn trượt thông qua các lỗ ren tích hợp sẵn

Hình 2 1 Thanh trượt tròn

- Trong máy phay CNC 3 trục 1 đầu phay, thanh trượt tròn được sử dụng để dẫn hướng chuyển động cho các trục X, Y và Z Cụ thể, chúng hỗ trợ các cụm trượt như bàn máy (trục X-Y) và cụm đầu phay (trục Z) di chuyển một cách chính xác theo từng phương

Hình 2 1 Mô hình máy CNC ba trục thực tế

2.3 Thiết kế sơ đồ điều khiển cho mô hình điều khiển máy CNC 3 trục (600x400mm) một đầu phay

Hình 2 1 Thiết kế sơ đồ điều khiển cho mô hình điều khiển máy CNC

- Sơ đồ khối bộ điều khiển máy CNC được biểu diễn như trên được chia thành

Động cơ step moter

Đổi nguồn 24V

Công tắc hành trình

Nguồn 220V

Spindle Biến Tần

2.3.1 Hướng dẫn đấu nối

- Cách đấu nguồn vào khởi

- Dùng khởi 3 pha sẵn có, nhưng dùng nguồn 1 pha nên ta chỉ cần đấu 2 chân tiếp điểm thường hở 1 dây mass và 1 dây pha đồng thời công 1 chân ra cuộn hút như dưới hình

Hình 2 3 Đấu nối nguồn khởi động từ

- Đấu công tắc nguồn

- Dây còn lại của nguồn 1 pha 220V ta đấu nối tiếp vào công tắc, từ công tắc đấu vào đầu cuộ hút của khởi

- Khi nhấn công tắc làm thông mạch cấp nguồn cho cuộn hút của khởi, khởi đóng tiếp điểm thường hở của khởi chuyển trạng thái sang đóng cấp nguồn cho hệ thống

Hình 2 4 Đấu công tắc nguồn

- Đấu khởi động từ với lọc nguồn

- Từ 2 đầu ra tiếp điểm của khởi ta đấu vào lọc nguồn như dưới hình

Hình 2 5 Đấu lọc nguồn với khởi động từ

- Đấu biến áp và quạt làm mát với khởi động từ

- Đầu vào 220V của biến áp và quạt làm mát đấu song song với lọc nguồn, để dễ dàng đấu trên mạch thật ta dùng cầu đấu để chia cho từng thiết bị

Hình 2 6 Đấu biến áp và quạt làm mát với khởi động từ

- Đấu nguồn 24V và DCSV với khởi động từ

- Đấu tiếp song song đầu vào bộ đổi nguồn 12V (Nguồn tổ ong 12V) với các thiết bị trên

- Đầu ra 12V của nguồn tổ ong đấu với DDCSV như hình

Hình 2 7 Đấu nguồn 24V và DCSV với khởi động từ

- Đấu biến tần với lọc nguồn

- Hai đầu ra của lọc nguồn đấu vào 2 chân L, N của biến tần

- Lọc nguồn giúp chống nhiễu của động cơ sinh ra, tránh ảnh hưởng đến nguồn cấp cho bộ điều khiển

Hình 2 8 Đấu biến tần với lọc nguồn

- Đấu động cơ phay với biến tần

- Đàu ra U, T, W của biến tần ta đấu với động cơ phay

- Khi đấu nếu động cơ quay ngược ta chỉ việc đảo 2 dây pha bất kì

Hình 2 9 Đấu động cơ phay với biến tần

- Đấu driver với động cơ step

- Ta đấu theo hướng dẫn của nhà sản xuất (Đây là loại driver HBS57 và động cơ

là đi theo bộ, khi hỏng driver hay step thì phải thay thế cùng loại)

Hình 2 10 Đấu driver với động cơ step

- Đấu dây động cơ:

Bảng 1 1 Đấu driver với động cơ step

- Nguồn: Bộ điều khiển 3, 4 trục DDCSV này sử dụng điện áp 18-32VDC

Hình 2 11 Đấu DDCSV với nguồn

Kết nối với bộ điều khiển cầm tay:

- Ta kết nối bộ điều khiển cầm tay với bộ điều khiển cầm tay thông qua các cổng trên DDCSV và màu dây tương ứng trên bộ điều khiển cầm tay

Bảng 2 1 Bảng đấu tay cầm điều khiển với bộ điều khiển DDCSV

Hình 2 12 Sơ đồ chân thực tế trên bộ điều khiển DDCSV

Kết nối với cảm biến các trục:

Hình 2 13 Cảm biến tiệm cận RKO SN04 NPN

- Cảm biến tiệm cận RKO SN04 NPN là loại cảm biến kim loại tiệm cận với khả năng phát hiện kim loại ở khoảng cách gần

- Ứng dụng cảm biến tiệm cận RKO SN04-N cao trong các lĩnh vực tự động, cơ điện tử, xác định kiểm dừng của cơ cấu trượt

Thông số kỹ thuật: