Thiết kế, chế tạo máy phay CNC ba chiều gia công đồ gỗ mỹ nghệ

Luận văn thạc sỹ khoa học Chân vi điều khiển kết nối với dao động thạch anh Gia tốc của bàn máy Đường kính chân ren của trục vít me bi Hệ số ma sát Thời gian làm việc của máy Khối lượng

Trang 1

Luận văn thạc sỹ khoa học

I

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn với đề tài: “Thiết kế chế tạo máy phay ba chiều CNC gia công đồ gỗ mỹ nghệ” do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Vũ Lê Huy Các số liệu và kết quả hoàn toàn trung thực

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu điều đó không đúng sự thật

Học viên thực hiện

Phạm Biên Thùy

Trang 2

II

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

DANH MỤC BẢNG 3

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 10

1.1 Lịch sử phát triển máy CNC 10

1.2 Cấu trúc Máy CNC 13

1.2.1 Trục tọa độ máy CNC 13

1.2.2 Các điểm gốc 16

1.2.3 Cấu trúc máy CNC 18

1.3 Lựa chọn phương án thiết kế 23

1.3.1 Khảo sát máy CNC gia công đồ thủ công mỹ nghệ 23

1.3.2 Lựa chọn phương án thiết kế 26

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ 30

2.1 Tính toán chế độ cắt 30

2.1.1 Chế độ gia công thô 30

2.1.2 Chế độ gia công tinh 31

2.1.3 Tính toán lực cắt khi gia công thô 32

2.2 Tính lực và công suất các trục X, Y, Z 33

2.3 Tính toán, lựa chọn trục vít me 35

2.3.1 Tính toán trục vít me 35

2.3.2 Kiểm nghiệm vít me 39

Trang 3

III

2.3.4 Tính toán ứng suất trên trục vít 43

2.3.5 Tính chọn ổ lăn 43

2.4 Tính toán trục dẫn hướng 48

2.5 Thiết kế và chế tạo máy CNC 50

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 54

3.1 Vi điều khiển AVR Atmega 16 55

3.1.1 Cấu trúc của vi điều khiển AVR Atmega 16 55

3.1.2 Mạch điều khiển sử dụng AVR Atmega 16 56

3.2 Mạch cống suất 59

3.2.1 Mô đun TB6560 60

3.2.2 Kết nối mạch công suất với mạch điều khiển và động cơ bước 62

3.3 Ghép nối máy tính 63

3.3.1 Ghép nối bằng Slot- Card 64

3.3.2 Ghép nối song song 65

3.3.3 Ghép nối nối tiếp 66

3.3.4 So sánh và lựa chọn cách ghép nối 68

3.4 Thiết lập gốc máy 68

3.5 Lập trình hệ thống điều khiển máy CNC 70

3.5.1 Phân mềm lập trình và biên dịch chíp AVR 71

3.5.2 Chương trình điều khiển 75

CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 80

4.1 Phân tích chương trình NC 81

4.1.1 Cấu trúc chương trình NC 81

Trang 4

IV

4.1.2 Định địa chỉ và cơ cấu từ 81

4.1.3 Cơ cấu câu lệnh 82

4.2 Thuật toán và chương trình biên dịch mã G 83

4.2.1 Thuật toán nội suy 83

4.2.2 Chương trình biên dịch mã G 86

4.3 Chương trình mô phỏng và điều khiển máy CNC 89

4.3.1 Chương trình điều khiển máy CNC 89

4.3.2 Chương trình mô phỏng hoạt động máy phay CNC 3 chiều 93

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

PHỤ LỤC 101

Trang 5

Computer aided quality Flexible manufacturing factory Cực nối đất

Method unman manufacturing Industrial Robot

Integrated Circuit, vi mạch hay mạch tích hợp

Two-Wire-Serial , truyền dữ liệu song song của vi điều khiển

Cổng tín hiệu vào ra của vi điều khiển Serial Peripheral Interface, giao tiếp nối tiếp

Bộ nhớ lưu trữ trong ROM, có thể lập trình được

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh

Pulse Width Modulation, điều chế biên độ rộng xung

Trang 6

Chân vi điều khiển kết nối với dao động thạch anh

Gia tốc của bàn máy Đường kính chân ren của trục vít me bi

Hệ số ma sát Thời gian làm việc của máy Khối lượng phôi gia công Khối lượng cụm truyền động theo các trục X, Y, Z

Mô men xoắn trên trục Hiệu suất động cơ Tốc độ quay trục chính Công suất cần thiết Công suất động cơ Thành phần lực hướng kính của dao phay Thành phần lực tiếp tuyến của dao phay Tốc độ cắt

Trang 7

3

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Lịch sử phát triển của CNC 12

Hình 1.2 Hệ trục toạ độ của máy CNC và quy tắc bàn tay phải 14

Hình 1.3 Điều khiển trục trên máy tiện và máy phay CNC 14

Hình 1.4 Hệ toạ độ trên máy CNC 15

Hình 1.5 Hệ toạ độ của máy CNC 16

Hình 1.6 Điểm gốc M của máy 17

Hình 1.7 Điểm gốc của chi tiết (W) 17

Hình 1.8 Điểm gốc O của chương trình 18

Hình 1.9 Hệ thống điều khiển trục chính trên máy phay CNC 19

Hình 1.10 Máy phay CNC 21

Hình 1.11 Vít me – đai ốc bi 22

Hình 1.12 Hệ thống chạy dao trên máy CNC 23

Hình 1.13 Một số hình ảnh sản phẩm gia công trên máy phay CNC khắc gỗ 24

Hình 1.14 Hình ảnh máy phay CNC khắc gỗ JD – 2018 SV 25

Hình 1.15 Cụm truyền động của trục Y, kết cấu bánh răng- thanh răng 25

Hình 1.16 Cụm truyền động trục Z, kết cấu vit me – đai ốc bi 26

Hình 1.17 Kết cấu ray dẫn hướng trên máy phay CNC JD - 2018 SV 26

Hình 1.18 Sơ đồ động học máy phay CNC điêu khắc gỗ 28

Hình 2.1 Dao phay dùng trên máy phay gỗ CNC ba chiều 30

Hình 2.2 Sơ đồ tĩnh lực cắt khi phay 33

Hình 2.3 Khớp nối mềm động cơ 41

Hình 2.4 Sơ đồ đặt lực lên đai ốc 42

Trang 8

4

Hình 2.5 Sơ đồ lực tác dụng trên trục vít me Y 44

Hình 2.6 Sơ đồ lực tác dụng lên gối ổ trục Y 45

Hình 2.7 Sơ đồ lực tác dụng lên trục X 48

Hình 2.8 Mô hình thiết kế máy CNC ba chiều bằng phần mềm Solidwork 50

Hình 2.9 Cụm trục X của máy phay CNC ba chiều 51

Hình 2.10 Cụm trục Z của máy phay CNC ba chiều 52

Hình 2.11 Bàn máy phay CNC ba chiều 52

Hình 2.12 Máy phay CNC ba chiều đã được chế tạo 53

Hình 3.1 Sơ đồ ghép nối hệ thống điều khiển 54

Hình 3.2 Chíp AVR Atmega 16 55

Hình 3.3 Cách nối chân Vref 56

Hình 3.4 Khối nguồn 56

Hình 3.5 Sơ đồ mạch điểu khiển sử dụng chip AVR Atmega 16 58

Hinh 3.6 Mạch điều khiển sử dụng Atmega 16 58

Hình 3.7 Cổng và chân cắm kết nối mạch điều khiển và mạch công suất 59

Hình 3.8 Sơ đồ kết nối mạch công suất 59

Hình 3.9 Sơ đồ mạch công suất sử dụng chip TB6560 60

Hình 3.10 Sơ đồ kết nối module TB6560 với mạch điều khiển, động cơ bước 62

Hình 3.11 Sơ đồ dây điều khiển động cơ bước 63

Hình 3.12 Mạch công suất sử dụng chíp TB6560 63

Hình 3.13 Hai loại phích cắm cổng Com 67

Hình 3.14 Cấu tạo và sơ đồ nối tín hiệu điều khiển của công tắc hành trình 69

Hình 3.15 Vị trí gốc máy CNC ba chiều 70

Trang 9

5

Hình 3.16 Giao diện của phần mềm codevision 71

Hình 3.17 Tạo project mới trên codevision 71

Hình 3.18.Các thẻ trong giao diện 72

Hình 3.19 Thẻ thiết lập thông số về loại chip tần số hoạt động 73

Hình 3.20 Cài đặt các PORT và Timer 73

Hình 3.21 Thiết lập USART 74

Hình 3.22 Chế độ xem trước 74

Hình 3.23 Sơ đồ hoạt động của ngắt tràn 76

Hình 3.24 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển 78

Hình 4.1 Đồ thị mô tả nội suy (a) đường thẳng và (b) cung tròn trên quỹ đạo chuyển động của dụng cụ cắt 84

Hình 4.2 Lưu đồ tổng quát quá trình nội suy và điều khiển 87

Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán biên dịch mã G 88

Hình 4.4 Lưu đồ thuật toán chương trình 89

Hình 4.5 Tạo mẫu gia công trên phần mềm JDpaint 91

Hình 4.6 Kết quả tạo file gia công từ file ảnh 91

Hình 4.7 Lựa chọn chế độ gia công trong phần mềm JDpaint 92

Hình 4.8 Xuất file mã G trong phần mềm JDpaint 93

Hình 4.9 Giao diện điều khiển và mô phỏng máy phay gia công gỗ 3 chiều 93

Hình 4.10 Thanh menu điều khiển máy phay ba chiều 94

Hình 4.11 Menu thiết lập thống số hình học của phôi 94

Hình 4.12 Giao diện lựa chọn dụng cụ gia công 95

Hình 4.13 Menu lựa chọn hướng quan sát quá trình mô phỏng máy phay 95

Trang 10

6

Hình 4.14 Chức năng hiển thị tọa độ dụng cụ gia công 96Hình 4.15 Chức năng điều khiển các trục chính, thiết lập cổng liên kết máy tính 96Hình 4.16 Giao diện lựa chọn thiết lập tốc độ chạy dao 97Hình 4.17 Một số sản phẩm đã gia công trên máy phay CNC ba chiều 97

Trang 11

7

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Thông số của động cơ dẫn động 3 trục 34

Bảng 2.2 Chế độ làm việc của trục X 35

Bảng 2.3 Chế độ làm việc của trục Y 36

Bảng 2.4 Chế độ làm việc của trục Z 36

Bảng 2.5 Thông số Vít me 3 trục 39

Bảng 2.6 Tính chọn ổ lăn 43

Bảng 3.1 Điều chỉnh chế độ bước của động cơ bước (EXCT MODE) 61

Bảng 3.2 Điều chỉnh cường độ dòng điện của tải bằng công tắc (Torque) 61

Bảng 3.3 Điều chỉnh cường độ dòng điện dùng công tắc Decay 62

Bảng 3.4 Sơ đồ kết nối chân của hai loại cổng COM 67

Bảng 3.5 Bảng so sánh các dạng truyền thông điều khiển ghép nối máy tính 68

Bảng 4.1: Cơ cấu chương trình NC 81

Trang 12

8

MỞ ĐẦU

Hiện nay, tại các làng nghề đồ gỗ mỹ nghệ vẫn sử dụng phương pháp gia công

đồ gỗ truyền thống nên chất lượng sản phẩm phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của người thợ Quá trình chuyển sang sử dụng các máy công cụ điều khiển số CNC (Computer Numerical Control) đã bắt đầu được ứng dụng, tuy nhiên giá thành của các máy này còn quá cao so với khả năng đầu tư của các cơ sở sản xuất đồ gỗ mỹ nghệ Mặt khác các máy gia công đồ gỗ CNC này được điều khiển bởi các phần mềm bằng tiếng nước ngoài nên gây khó khăn rất lớn cho người thợ

Trước thực tiễn này tại các làng nghề, và trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ

khoa học với đề tài “Thiết kế chế tạo máy phay ba chiều CNC gia công đồ gỗ mỹ nghệ ” Đề tài này đi vào thiết kế chế tạo máy phay ba chiều CNC gia công đồ gỗ

mỹ nghệ phục vụ cho các làng nghề đồ gỗ truyền thống Sản phẩm của đề tài sẽ được ứng dụng thử nghiệm cụ thể tại làng nghề đồ gỗ Vạn Điểm, Thường Tín, Hà Nội

Dưới sự hướng dẫn tận tình của TS Vũ Lê Huy – Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy và Robot, cùng với sự giúp đỡ các sinh viên K55, K56 ngành Cơ điện tử - Đại học Bách Khoa Hà Nội và nỗ lực của bản thân, tôi đã hoàn thành luận văn thạc sỹ

khoa học với đề tài “Thiết kế chế tạo máy phay ba chiều CNC gia công đồ gỗ mỹ nghệ ” Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu khó tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất

mong được các đóng góp ý kiến để luận văn hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Vũ Lê Huy, các đồng nghiệp, bạn bè, các em sinh viên K55, K56 chuyên ngành Cơ điện tử - Đại học Bách Khoa Hà Nội và gia đình đã hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này

Hà Nội, ngày 06 tháng 08 năm 2015

Học viên

Trang 13

9

Phạm Biên Thuy

Trang 14

Năm 1808, Toseph M.Jacquard đã dùng những tấm bìa đục lỗ để điều khiển

tự động các máy dệt Những “vật mang tin thay đổi được” đã ra đời

Năm 1863, M.Fourneaux đăng ký bằng phát minh “đàn dương cầm tự động”, nổi tiếng thế giới với tên gọi Pianola, trong đó dùng một băng giấy có chiều rộng khoảng 30 cm đục các lỗ theo vị trí tương thích để điều khiển luồng khí nén tác động vào các phím bấm cơ khí Băng giấy đục lỗ dùng làm vật mang tin đó được phát kiến

Năm 1938, Claude Shannon bảo vệ luận án tiến sỹ ở Viện công nghệ MIT với nội dung tính toán chuyển giao dữ liệu dạng nhị phân là cơ sở khoa học cho các máy tính hiện nay

Năm 1946, tiến sỹ John W Mauchly đã cung cấp máy tính số điện tử đầu tiên

có tên ENIAC cho quân đội Mỹ chế tạo máy công cụ với 4 luận điểm:

- Lưu trữ các vị trí đã tính toán ở bìa đục lỗ

- Các bìa đục lỗ đọc tự động trên máy

- Các vị trí đọc phải thông báo liên tục và các giá trị trung gian bổ xung phải được tính toán

- Sử dụng động cơ SERVO điều khiển chuyển động của các trục

Năm 1954, Bendix đã mua bản quyền của Pasons và chế tạo ra bộ điều khiển

NC hoàn chỉnh đầu tiên có sử dụng các bóng điện tử và cũng vào thời điểm này sự phát triển của ngôn ngữ biểu trưng được gọi là ngôn ngữ lập trình tự động APT

Trang 15

11

Năm 1957, không quân Mỹ đã trang bị những máy NC đầu tiên ở xưởng Năm 1960, kỹ thuật bán dẫn thay thế cho hệ thống điều khiển xung rơle, đèn điện tử

Năm 1965, giải pháp thay dụng cụ tự động ATC (Automatic Tool Changer) được phát minh

Năm 1968, kỹ thuật mạch tích hợp IC ra đời có độ tin cậy cao hơn

Năm 1972, hệ điều khiển NC đầu tiên có lắp đặt máy tính nhỏ

Năm 1979, hình thành khớp nối liên hoàn CAD/CAM – CNC

Năm 1980, trong khi phát triển các công cụ trợ giúp lập trình tích hợp CNC, xuất hiện một “cuộc chiến lòng tin” ủng hộ hay chống đối giải pháp điều khiển qua cấp lệnh bằng tay

Năm 1984, hệ điều khiển CNC có công năng mạnh mẽ, được trang bị các công

cụ trợ giúp lập trình đồ họa tiến thêm một bước phát triển mới “lập trình tại phân xưởng”

Năm 1986-1987, các giao diện tiêu chuẩn hoá ( Inteface) mở ra con đường tiến tới các xí nghiệp tự động trên cơ sở một hệ thống trao đổi thông tin liên thông: CIM (Computer Integrated Manufacturing)

Năm 1990, các giao diện số giữa điều khiển NC và hệ truyền động cải thiện độ chính xác và đặc tính điều chỉnh của các trục điều khiển NC và trục chính của máy Năm 1992, các hệ thống CNC hở (Open – ended Control) tạo khả năng và biến đổi thích ứng theo yêu cầu sử dụng

Năm 1993, sử dụng theo tiêu chuẩn các hệ thống khởi động cơ tuyến tính ở các trung tâm gia công MC ( Manufacturing centers )

Năm 1994, khép kín chuỗi quá trình CAD/CAM/CNC bằng cách sử dụng hệ NURBS (Not Uniformed Rationale B – Splines) làm phương pháp nội suy (interpolation method ) trong các hệ CNC NURBS là phương pháp dùng để diễn tả

Trang 16

12

toán học đối với các bề mặt thông thường và các bề mặt đặc biệt bằng các điểm và các thông số (parameters) tạo thành mô hình lưới gồm nhiều nút để diễn tả bề mặt đạt độ mịn và độ sắc nét cao Những hệ thống CAD/CAM mới xử lý trực tiếp NURBS, được truy cập trực tiếp từ hệ CAD Trong hệ CNC, giải pháp này giảm được khối lượng dữ liệu, nâng cao độ chính xác và tốc độ xử lý tạo ra chuyển động đều đặn của máy, tăng tuổi thọ của máy và dụng cụ

Ngày nay các máy công cụ CNC đã hoàn thiện hơn với tính năng vượt trội có thể gia công hoàn chỉnh chi tiết trên một máy gia công, với số lần gá đặt ít nhất Đặc biệt chúng có thể gia công các chi tiết có bề mặt phức tạp Cùng với sự phát triển của điện tử, công nghệ thông tin các chức năng tính toán trong hệ thống CNC ngày càng hoàn thiện và đạt tốc độ xử lý cao nhờ ứng dụng những thành tựu phát triển của vi xử lý Các hệ thống CNC được chế tạo hàng loạt lớn theo phương thức xử lý

đa chức năng dùng cho nhiều mục đích điều khiển khác nhau

1945-1950 1960-1965 2000

CAQ ROBOT

MUM

Trang 17

Các trục quay tương ứng với X,Y, Z được kí hiệu là A, B, C chiều quay dương (positive) ứng với chiều quay thuận của kim đồng hồ khi nhìn dọc theo chiều dương của trục tịnh tiến

Để bố trí thứ tự các trục toạ độ hợp với các điểm chuyển động của máy, tiêu chuẩn DIN 66217 quy định như sau

* Trục Z:

Hầu hết ở tất cả các máy CNC trục Z luôn song song với trục chính của máy Nếu máy có trục chính cố định, không xoay nghiêng được, thì trục Z nằm song song với trục chính công tác hoặc chính là đường tâm trục đó

Nếu trục chính xoay nghiêng được và chỉ có một vị trí xoay nghiêng song song với một trục toạ độ nào đó, thì chính trục toạ độ đó là trục Z

Nếu trục chính xoay nghiêng được song song với nhiều trục toạ độ khác nhau thì trục Z là trục vuông góc với bàn kẹp chi tiết chính của máy

Nếu trục chính xoay nghiêng được theo một hướng nghiêng với chính nó thì trục này ký hiệu là W

Máy có nhiều trục chính công tác, ta sẽ chọn một trong số đó là trục chính theo cách ưu tiên, trục nào có đường tâm vuông góc với bàn kẹp chi tiết

Trang 18

14

+ Máy tiện: trục Z song song với trục chính của máy và có chiều dương chạy từ trái sang phải

Hình 1.2 Hệ trục toạ độ của máy CNC và quy tắc bàn tay phải

Máy phay đứng, máy khoan đứng: trục Z song song với các trục chính và có

chiều dương hướng từ phía bàn máy lên phía trục chính

Máy bào, máy xung điện: trục Z vuông góc với bàn máy và có chiều dương hướng từ phía bàn máy lên trên

Các máy phay có nhiều trục chính: trục Z song song với đường tâm trục chính vuông góc với bàn máy (chọn trục chính có đường tâm vuông góc với bàn máy làm trục Z) Chiều dương trục Z hướng từ bàn máy tới trục chính

Hình 1.3 Điều khiển trục trên máy tiện và máy phay CNC

Trang 19

15

* Trục X

Trục X là trục nằm trên mặt bàn máy và thông thường nó được xác định theo phương nằm ngang Chiều của trục X được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ngón tay cái chỉ chiều dương của trục X

Máy phay đứng, máy khoan đứng: nếu đứng ngoài nhìn vào thì chiều dương trục X hướng về phía bên phải

Máy phay ngang: nếu đứng ngoài nhìn thẳng vào trục chính thì chiều dương của trục chính hướng về phía bên trái, nếu đứng ở phía trục chính để nhìn vào chi tiết thì chiều dương của X hướng về phía bên phải

Máy tiện: trục X vuông góc với trục máy, chiều dương hướng về phía bàn kẹp dao

a, Máy tiện b,Máy phay ngang

Hình 1.4 Hệ toạ độ trên máy CNC

* Trục Y:

Trục Y được xác định sau khi các trục X, Z đã được xác định theo quy tắc bàn tay phải Ngón tay trỏ chỉ chiều dương của trục Y

Trang 20

Hình 1.5 Hệ toạ độ của máy CNC

Khi chi tiết gia công cùng bàn máy tham gia chuyển động thay cho dụng cụ

cắt thì các chuyển động ấy (tịnh tiến, quay quanh ba trục) đƣợc ký hiệu bằng X’, Y’,

Z’ và A’, B’, C’ Các chiều chuyển động này ngƣợc với chiều chuyển động của

dụng cụ

1.2.2 Các điểm gốc

a Điểm gốc O của máy (ký hiệu M)

Điểm O của máy M là điểm gốc của hệ toạ độ máy Nó đƣợc nhà chế tạo máy

quy định theo một quan điểm có mục đích (ví dụ ở các máy tiện CNC đó là giao

điểm của trục quay (trục Z) với mặt tỳ của mâm cặp trên mặt bích trục chính

Trang 21

17

Hình 1.6 Điểm gốc M của máy

b Điểm gốc O của chi tiết (ký hiệu W)

Điểm O của chi tiết W là điểm gốc của hệ toạ độ chi tiết Điểm W có thể được người lập trình lựa chọn tuỳ ý trên chi tiết

Đôi khi việc xác định trên chi tiết nhiều hệ toạ độ khác nhau có các điểm gốc O tương ứng của chi tiết là W1, W2, W3 lại có ưu điểm Trên các chi tiết đối xứng nó

có thể giúp cho đơn giản hoá công việc lập trình

Hình 1.7 Điểm gốc của chi tiết (W)

c Điểm O của chương trình (ký hiệu P 0 )

Điểm O của chương trình là điểm mà dụng cụ sẽ ở đó trước khi gia công Để hợp lý, điểm O của chương trình sẽ được chọn sao cho chi tiết gia công hoặc dụng

cụ có thể được thay đổi một cách dễ dàng

Trang 22

18

Hình 1.8 Điểm gốc O của chương trình

1.2.3 Cấu trúc máy CNC

Máy cộng cụ CNC gồm 2 cấu tử chính [8, 10]:

Máy công cụ thực hiện các nguyên công gia công phôi

Hệ thống CNC sẽ điều khiển các nguyên công gia công phôi: điều khiển trục chính và điều khiển chạy dao

a Hệ thống điều khiển trục chính

Trục chính công tác sản sinh ra:

Chuyển động quay phôi của máy tiện

Chuyển động quay dụng cụ của máy phay, máy khoan

Trục chính có thể quay bằng động cơ 3 pha AC hoặc bằng động cơ DC hoặc động cơ Servo Khi quay bằng động cơ 3 pha AC, tốc độ trục chính đƣợc lựa chọn

175°

R 60

Trang 23

Hình 1.9 Hệ thống điều khiển trục chính trên máy phay CNC

Cũng như trên các máy thông thường, trục chính trên máy CNC đảm bảo chuyển động cắt chính Trên máy phay, đó là trục mang dao phay, còn trên máy tiện

là trục mang phôi Trên máy mài, trục chính mang đá mài Trục chính tiêu tốn công suất lớn nhất trên máy Vì vậy công suất trục chính thường được dùng làm chỉ tiêu đánh giá công suất gia công của máy

Yêu cầu cơ bản đối với trục chính là có khoảng thay đổi số vòng quay rộng với mô men lớn, ổn định và khả năng quá tải cao Để đảm bảo điều đó, trên các máy thông thường người ta hay dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ hoặc đồng bộ kèm hộp số cơ khí có cấp hoặc vô cấp

Trang 24

20

Trên máy CNC, tốc độ trục chính cần được điều khiển vô cấp, tự động theo chương trình, trong phạm vi rộng Điều đó rất cần thiết, nhất là khi thay đổi đường kính dao phay hoặc đường kính phôi tiện mà lại cần duy trì vận tốc cắt không đổi Một số công việc, ví dụ gia công ren bằng đầu ta rô cứng, gia công ren nhiều đầu mối, còn đòi hỏi phải định vị chính xác góc trục chính Từ các yêu cầu trên, người

ta sử dụng các loại động cơ dễ điều khiển tự động tốc độ, như động cơ một chiều, xoay chiều đồng bộ Gần đây, nhờ tiến bộ về kỹ thuật điều khiển số, các động cơ không đồng bộ điều khiển bằng biến tần được sử dụng rộng rãi Khi cần định vị góc trục chính, người ta dùng encoder

So với trục chính của máy thông thường, trục chính của máy CNC làm việc với tốc độ cao hơn (tới hàng vạn vòng/ph), thường xuyên có gia tốc lớn Vì vậy, yêu cầu cân bằng, bôi trơn đặc biệt cao hơn ở các máy CNC Ngoài ra, do nhu cầu thay dao nhanh, thay dao tự động, kết cấu kẹp dao trên máy phay CNC khác so với máy thông thường Cơ cấu kẹp dao, phôi trên các máy CNC thường được điều khiển tự động bằng khí nén hoặc thuỷ lực

b Hệ thống điều khiển chạy dao

Máy CNC được cung cấp một số trục chạy dao, các trục được phân biệt bởi các chữ cái X, Y, Z

Máy tiện có 2 trục chạy dao Ở máy tiện, hai trục X và Z được tác động bởi bàn trượt phức hợp mà trên đó có lắp đầu kẹp dao

Máy phay có 3 trục chạy dao Ở máy phay, hai trục (X, Y) là dịch chuyển của bàn, còn trục thứ ba (Z) là dịch chuyển của trục chính dụng cụ

Dùng cho các chuyển động chạy dao thường là các động cơ DC mà chúng được điều khiển điện tử từ bên ngoài, các động cơ này có thể quay và hãm trong cả hai chiều quay

Hệ thống chạy dao đảm bảo chuyển động tạo hình, nên nó quyết định khả năng công nghệ (tức là kích thước, hình dạng, độ chính xác của bề mặt gia công) của máy Trên thực tế, chuyển động tạo hình có thể do dao hoặc phôi (như bàn máy

Trang 25

Để đảm bảo độ chính xác và êm dịu chuyển động, trong các truyền động cơ khí của máy CNC đều dùng cơ cấu vít me – đai ốc bi (hình 1.11)

Trang 26

22

Hình 1.11 Vít me – đai ốc bi

Một đầu của trục vít me có lắp động cơ truyền động Động cơ thường được lắp

trực tiếp hoặc thông qua bộ truyền đai răng, có khả năng truyền động êm và chống

trượt Một đầu của trục có thể (nếu không dùng thước thẳng) được gắn thiết bị đo vị

trí, encoder quay Bàn máy được gắn trên đai ốc

Với mục đích khử khe hở, đảm bảo độ êm dịu chuyển động khi đảo chiều và

tăng độ cứng vững của hệ thống, người ta thường tạo sức căng trong cơ cấu nhờ lực

kẹp giữa hai nửa của đai ốc bi (hình 1.11) Lực căng và khe hở được hiệu chỉnh nhờ

thay đổi chiều dày của vòng cách

Kể cả sau khi đã áp dụng các biện pháp trên thì vẫn còn sai số chế tạo cơ khí,

ví dụ sai số bước vít me, hoặc sai số do biến dạng cơ và biến dạng nhiệt khi gia

công Phần lớn các bộ điều khiển hiện đại đều có khả năng bù khe hở và sai số cơ

khí nói trên Tuy nhiên, xác định giá trị các sai số và quy luật thay đổi của chúng là

việc làm phải rất tỷ mỷ và tốn công

Chuyển động của các trục được điều khiển tự động từ chương trình Trên các

máy không đòi hỏi độ chính xác cao thường dùng động cơ bước Hệ điều khiển

dùng động cơ bước được gọi là hệ điều khiển hở, vì không có mạch phản hồi vị trí

Góc quay của động cơ phụ thuộc số xung và tần số phát xung của bộ điều khiển Ưu

điểm của hệ điều khiển dùng động cơ bước là đơn giản và rẻ tiền Nhược điểm

chính của nó là độ chính xác thấp và công suất nhỏ Công suất truyền động có thể

Trang 27

23

tăng nếu dùng động cơ bước kết hợp với hệ thống thuỷ lực, nhưng độ chính xác thì không thể tăng được Trên các máy CNC công nghiệp thường dùng hệ thống điều khiển kín, tức là phải có hệ thống đo và phản hồi vị trí

Hình 1.12 Hệ thống chạy dao trên máy CNC

1.3 Lựa chọn phương án thiết kế

1.3.1 Khảo sát máy CNC gia công đồ thủ công mỹ nghệ

a Phân tích ưu nhược điểm, nhu cầu máy phay CNC tại các làng nghề điêu khắc gỗ

Hiện nay, máy CNC được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực: gia công cơ khí, điêu khắc hàng thủ công mỹ nghệ trên các chất liệu khác nhau ( đồng, gỗ …) Ở một số làng nghề thủ công mỹ nghệ ở Việt Nam việc sử dụng máy CNC trong điêu khắc gỗ trong nhiều năm gần đây là khá phổ biến Máy phay CNC điêu khắc gỗ có nhiều ưu điểm như: năng suất cao, sản phẩm có chất lượng đồng đều và không phụ thuộc vào tay nghề người thợ, do vậy làm giảm giá thành các sản phẩm mỹ nghệ trên gỗ dẫn đến tăng tính cạnh tranh của sản phẩm này

Nhưng việc sử dụng máy phay trên có những nhược điểm sau: Máy phay được nhập khẩu chủ yếu từ Trung Quốc có giá thành từ 200 đến 300 triệu đồng là tương đối cao Phần mềm chủ yếu là tiếng Trung Quốc lên khó khăn cho người vận hành Mặt khác để gia công các sản phẩm khác nhau cần phải có chương trình mã G nạp cho máy Các chương trình này chủ yếu là lấy từ công ty đối tác Trung Quốc cung

Trang 28

24

cấp cùng với máy do vậy khả năng sáng tạo và đưa các họa tiết mới gần gũi với văn hóa Việt gặp nhiều khó khăn

Hình 1.13 Một số hình ảnh sản phẩm gia công trên máy phay CNC khắc gỗ

Sản phẩm điêu khắc gỗ sau khi gia công trên máy phay CNC thường có độ bóng không cao, một số họa tiết phải sửa và đánh bóng thủ công bằng giấy giáp hoặc đá mài bóng Do đó yêu cầu về chế độ cắt và độ chính xác của máy là không cao

b Phân tích kết cấu máy phay CNC tại các làng nghề điêu khắc gỗ

Các máy phay CNC hiện nay được sử dụng tại các làng nghề chủ yếu là loại

có 3 trục chính X, Y, Z và có gắn từ 1 đến 6 đầu dao ( hình 1.14) để tăng năng suất

Trang 29

25

Hành trình các trục XxYxZ=1200x2000x350 mm, và có thể gia công đồng thời nhiều sản phẩm cùng một lúc trong một lần gá nhờ có nhiều đầu dao cùng gia công

Hình 1.14 Hình ảnh máy phay CNC khắc gỗ JD – 2018 SV

Do hành trình trục Y là tương đối lớn 2400 mm cho nên, truyền động của trục

Y sử dụng kết cấu bánh răng – thanh răng ( hình 1.15) Quá trình nội suy để hình thành sản phẩm chủ yếu là trên 2 trục X và Z, do vậy cần điều khiển chính xác với lượng dịch chuyển nhỏ ở mỗi bước vì vậy xích truyền động của trục X và Z sử dụng trục vít me bi – đai ốc Với ưu điểm của trục vít me – đai ốc bi là làm việc êm, giảm được ma sát, khử được khe hở giữa đai ốc và trục vít me do vậy đảm bảo được độ chính xác cho quá trình điều khiển nội suy trên máy phay CNC

Hình 1.15 Cụm truyền động của trục Y, kết cấu bánh răng- thanh răng

Trang 30

26

Hình 1.16 Cụm truyền động trục Z, kết cấu vit me – đai ốc bi

Cơ cấu dẫn hướng trên các trục sử dụng kết cấu dẫn hướng dạng rãnh vuông

Hình 1.17 Kết cấu ray dẫn hướng trên máy phay CNC JD - 2018 SV

1.3.2 Lựa chọn phương án thiết kế

a Lựa chọn kết cấu dẫn động cho máy phay CNC

Hiện nay, các sản phẩm gỗ đặc trưng gia công trên máy phay CNC chủ yếu có kích thước bao nằm trong khoảng (100÷300)x(300÷1000)x(50÷100) mm Do vậy,

Trang 31

Do các sản phẩm thủ công mỹ nghệ sau khi gia công trên máy phay CNC có yêu cầu về độ chính xác bề mặt, và độ bóng không yêu cầu cao ( hầu hết các sản phẩm sau khi gia công đều được đánh bóng bằng phương pháp thủ công), vì vậy nên chế độ cắt không yêu cầu cao Động cơ trục chính gia công sử dụng động cơ

DC

Trang 32

28

Hình 1.18 Sơ đồ động học máy phay CNC điêu khắc gỗ

b Lựa chọn thiết kế phần mềm và bộ điều khiển

Với việc điều khiển 3 trục chính X, Y, Z được dẫn động bởi 3 động cơ bước

và một trục công tác chạy dao bằng một động cơ DC, do đó bộ điều khiển cho máy phay CNC tôi đã lựa chọn sử dụng chíp Atmega 16 Ngoài ra, vi điều khiển Atmega

16 có 1 bộ chuẩn giao tiếp UART 8 bit, cho phép giao tiếp với máy tính thông qua cổng COM RS232

Trang 33

29

Giao diện điều khiển máy phay CNC đƣợc thiết kế bằng ứng dụng Windowform của Visual C# Đây là một phần mềm của Microsoft cho phép thiết kế giao diện điều khiển trên nền tảng Window của hãng Ngoài ra, ứng dụng này cho phép mô phỏng quá trình hoạt động của máy phay CNC khi gia công và biên dịch

mã G

Kết luận: với việc khảo sát nhu cầu và các sản phẩm thực tế của làng nghề đồ

gỗ Vạn Điểm, Thường Tín, Hà Nội kết hợp với việc phân tích kết cấu của máy CNC

đã được sử dụng tại làng nghề trên, một mô hình động học máy điêu khắc ba chiều ( hình 1.15) đã được đưa ra Máy điêu khắc ba chiều được điều khiển bằng bộ điều khiển được thiết kế dựa trên việc sử dụng chip AVR Atmega 16 Phần mềm giao diện điều khiển trên máy tính được thiết kế bằng ứng dụng Window form của Visual C#

Trang 34

30

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Từ những phân tích và sơ đồ dẫn động đã lựa chọn trong chương 1, cần lựa chọn các thông số cụ thể cho cơ cấu dẫn động của các trục X, Y, Z Các tính toán cụ thể như sau:

2.1 Tính toán chế độ cắt

Dao phay dùng gia công gỗ như trên hình 2.1, để thực hiện tính toán chọn dao một lưỡi cắt, D=12 mm Lượng chạy dao răng Sz=0.18 mm/răng ([5], bảng 5-146, trang 131)

2.1.1 Chế độ gia công thô

Chọn chế độ cắt thô có chiều sâu cắt t=3.5mm Bề rộng phay B=25mm Số lưỡi cắt Z=1

Hình 2.1 Dao phay dùng trên máy phay gỗ CNC ba chiều Tra bảng 5-149, trang 134 [5], ta có vận tốc cắt V=65 (m/ph)

Vận tốc cắt thực tế được tính theo công thức:

Trang 35

Thay các giá trị trên vào (2.2) ta cók v 0,63

Thay các số liệu trên vào công thức (2.1), vận tốc cắt là: V 41(m/ ph)

Tốc độ quay trục chính: 1000 1000.65

1724

V n

Trang 36

32

Chọn động cơ quay dao có tốc độ quay trục chính là n = 2400 (vòng/phút)

2.1.3 Tính toán lực cắt khi gia công thô

w

n

Z: số răng dao phay, Z=1;

n: số vòng quay của dao, n=2400 vòng/phút;

η: hiệu suất động cơ, chọn η=0,7

Thay các số liệu vừa tra đƣợc vào (2.3) ta có, P z 570 N

Moment xoắn M trên trục chính của máy: x

D

3, 42.1000

z x

z e

e dc

N



Trang 37

Tốc độ chạy nhanh các trục Y: V max=1000 (mm/phút)

Hình 2.2 Sơ đồ tĩnh lực cắt khi phay

Lực ma sát giữa bàn máy và ray dẫn hướng

  .9,81 50.0,15.9,81 73,6

Trang 38

687,6.1000

11, 4660.1000 60.1000

c e

e dc

(Kg)

Lực hướng kính

(N)

Lực ma sát

(N)

Lực cần thiết để di chuyển

(N)

Công suất động cơ

Trang 39

35

2.3 Tính toán, lựa chọn trục vít me

2.3.1 Tính toán trục vít me

- Điều kiện làm việc của máy [1]

Thời gian làm việc: L h =h.d.y.k=12.250.3.0,8 =7200(h)

(vòng/phút)

Lực cắt (N)

Lực ma sát (N)

Thời gian chạy (%)

Tổng lực (N)

Trang 40

vòng/ phút

Lực cắt (N)

Lực ma sát (N)

Thời gian chạy (%)

Tổng lực (N)

Lực cắt

(N)

Lực ma sát (N)

Thời gian chạy

(%)

Tổng lực(N)

Định dạng
Số trang	124
Dung lượng	3,53 MB