Nghiên cứu tính toán và thiết kế máy phay CNC mini 4 trục ứng dụng gia công vật liệu phi kim loại

Dựa vào những tình hình và thực trạng trên, tác giả quyết định lựa chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo máy phay CNC 4 trục ứng dụng trong gia công phi ki

HỌC VIÊN: TỪ LUYỆN

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÁY PHAY CNC MINI 4 TRỤC ỨNG DỤNG GIA CÔNG VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là do bản thân Tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Đoàn Yên Thế Ngoài các phần tài liệu tham khảo đã được liệt kê và nêu rõ trong Luận văn, các số liệu và kết quả thực nghiệm là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Đoàn Yên Thế đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo khoa Cơ khí trường đại học Thủy Lợi đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả có thể hoàn thành bản Luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn khoa Cơ Khí trường cao đẳng nghề Ninh Thuận và các giáo viên thuộc khoa Cơ khí đã tạo điều kiện về thiết bị và giúp đỡ trong quá trình

sự dụng thiết bị để tiến hành thực nghiệm; đồng thời tác giả cũng chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp của các thầy, cô giáo thuộc khoa Cơ khí và các đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả tháo gỡ những vướng mắc trong thời gian thực hiện Luận văn

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, các nhà khoa học và

các bạn đồng nghiệp để Luận văn được hoàn thiện hơn và có ý nghĩa trong thực tiễn

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

LỜI MỞ ĐẦU 10

1 Lý do chọn đề tài 10

2 Tình hình,mục đích nghiên cứu của luận văn 12

2.1 Tình hình nghiên cứu 12

2.2 Mục đích nghiên cứu 12

3 Đối tượng nghiên cứu 12

4 Phạm vi nghiên cứu 12

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 14

1.1 Khái quát về các máy công cụ CNC 14

1.1.1 Sơ lược về máy CNC và quá trình phát triển 14

1.1.2 Cơ sở của máy CNC 15

1.1.3 Đặc điểm và phân loại máy CNC 16

1.2 Nguyên lý vận hành của máy công cụ điều khiển số 16

1.2.1 Chương trình gia công một chi tiết 16

1.2.2 Khối điều khiển 16

1.2.3 Điều khiển logic Error! Bookmark not defined 1.2.4 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC 17

1.3 Hệ thống tính toán và điều khiển 18

1.3.1 Khái niệm và phân loại 18

1.3.2 Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC 18

1.3.2.1 Chuẩn bị chương trình bằng tay 18

1.3.2.2 Chuẩn bị chương trình từ máy vi tính 19

1.3.3 Cấu trúc hệ điều khiển CNC 21

1.4 Đặc điểm, cấu tạo, ứng dụng máy CNC 22

1.4.1 Đặc điểm của máy CNC ngày nay 22

1.4.2 Cấu tạo chung máy CNC 22

1.4.2.1 Hệ tọa độ máy 23

1.4.3 Vai trò, ứng dụng và lợi ích của máy CNC mini 25

1.4.3.1 Vai trò của máy CNC mini trong sản xuất công nghiệp 25

1.4.3.2 Ứng dụng máy CNC trong sản xuất công nghiệp 26

1.5 Phân loại các loại máy phay CNC mini 27

1.5.1 Máy phay CNC 3 trục mini 27

1.5.2 Máy phay CNC 4 trục mini 28

1.6 Kết luận chương 1 28

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ MÁY PHAY CNC 4 TRỤC 29

2.1 Phân tích, lựa chọn máy phay CNC 4 trục 29

2.1.1 Các phương án lựa máy phay CNC 4 trục 29

2.1.2 Lựa chọn phương án thiết kế 31

2.2 Tính toán thiết kế các bộ phận máy 33

2.2.1 Quy trình tính toán máy phay CNC 33

2.3 Tóm tắt kết quả chương 2 49

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ KIỂM NGHIỆM TÍNH TOÁN MÁY PHAY CNC 4 TRỤC 50

3.1 Giới thiệu phần mềm SolidWorks 50

3.1.1 Thiết kế 3D 50

3.1.2 Chức năng CAE 51

3.1.3 Chức năng CAM 52

3.2 Thiết kế thân máy phay CNC 52

3.2.1 Tổng thể thiết máy 52

3.2.2 Thiết kế cụm trục Z 53

3.2.3 Thiết kế cụm trục X 56

3.2.4 Thiết kế cụm trục Y 59

3.2.5 Thiết kế cụm trục xoay (trục A) 62

3.2.6 Kết cấu khung đỡ máy 63

3.2.7 Mô hình máy CNC hoàn thiện 64

3.3 Kiểm nghiệm tính toán bộ phận kết cấu máy CNC 4 trục 64

3.3.1 Phân tích lựa chọn chi tiết 64

3.3.2 Tính toán kiểm nghiệm chi tiết 65

3.4 Tóm tắt kết quả chương 3 68

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

MÁY PHAY CNC 4 TRỤC 69

4.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển máy CNC mini 69

4.2 Tổng quan về các phần mềm điều khiển máy CNC 71

4.2.1 Phần mềm NC Studio 71

4.2.2 Giới thiệu phần mềm MACH 3 72

4.2.2.1 Trang Program Run 73

4.2.2.2 Trang MDI Alt-2 (Manual Data Input) 76

4.2.2.3 Trang Offsets(Alt-5) 77

4.2.2.4 Trang Setting (Alt6) 78

4.3 Phân tích lựa chon hệ thống điều khiển máy CNC 4 trục 81

4.3.1 Mạch điều khiển trung tâm Mach 3 CNC 81

4.3.2 Driver điều khiển động cơ 83

4.3.3 Biến tần và trục chính 86

4.4.3 Các linh kiện khác 88

4.4.4 Thiết kế hệ thống điều khiển máy CNC 89

4.4.5 Xây dựng nguyên lý hoạt động của mạch 92

4.4.6 Lựa chọn danh sach thiết bị cho hệ thống điều kiển máy CNC 94

4.4 Kết luận chương 4 97

CHƯƠNG 5: LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM MÁY PHAY CNC 4 TRỤC 97

5.1 Lắp ráp các chi tiết và gia công thử nghiệm 97

5.1.1 Lắp ráp, hiệu chỉnh máy phay CNC 97

5.1.2 Gia công thử nghiệm 100

5.1.3 Kết luận chương 5 102

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

DANH MỤC BẢNG Bảng 1 1 Bảng so sánh máy phay CNC 3 trục mini và 4 trục mini 28

Bảng 2 1 Thông số kỹ thuật dự kiến của máy phay CNC 32

Bảng 2 2 Kết quả tính toán các bộ phận máy pháy CNC 4 trục mini 48

Bảng 2 3 Bảng tính toán lực 49

Bảng 3 1 Thông số đầu vào trục Z 54

Bảng 3 2 Bảng thống kê các chi tiết của trục Z 56

Bảng 3 3 Bảng thông số đầu vào cụm trục X 57

Bảng 3 4 Bảng thông kê chi tiết cụm trục X 59

Bảng 3 5 Bảng thông số đầu vào cụm trục Y 60

Bảng 3 6 Bảng thống kế chi tiết cum trục Y 61

Bảng 3 7 Bảng thống kê chi tiết cụm trục A 63

Bảng 3 8 Bảng lực tác dụng, thông số vật liệu của tấm X1, Z1 66

Bảng 4 1 Sơ đồ chân tín hiệu của công tín hiệu LPT 90

Bảng 4 2 Bảng các thanh ghi địa chỉ công LPT 91

Bảng 4 3 Danh sách thiết cho hệ thống điều khiển máy phay CNC 4 trục mini 97

Bảng 5 1 Các thông số cơ bản của máy phay CNC 3 trục 100

Bảng 5 2 Bảng đánh giá kích thước đạt được sau gia công trên 2 máy CNC VMC850

(Mẫu 1) và máy CNC chế tạo (Mẫu 2) 101

Bảng 5 4 Bảng đánh giá kích thước đạt được sau gia công 102

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 1 Mô hình điều khiển DNC 14

Hình 1 2 Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM 14

Hình 1 3 Cơ sở của các máy CNC 15

Hình 1 4 Trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các 15

Hình 1 5 Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC 17

Hình 1 6 Lưu đồ điểu khiển hệ CNC 18

Hình 1 7 Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay 19

Hình 1 8 Lưu đồ lập trình bằng máy 20

Hình 1 9 Cấu trúc của hệ CNC 21

Hình 1 10 Cấu tạo chung của các máy CNC 23

Hình 1 11 Quy tắc bàn tay phải 23

Hình 1 12 Hệ tọa độ máy CNC cùng các trục phụ 25

Hình 1 13 Gia công cắt gọt trên máy CNC 26

Hình 1 14 Gia công cắt gọt trên máy CNC 27

Hình 2 1 Máy CNC 4 trục với phương án trục A xoay trên trục Z 29

Hình 2 2 Phương án trục xoay A quay quanh trục y và thuộc mặt Oxy 30

Hình 2 3 Mô hình thiết kế máy phay CNC 4 trục mini 31

Hình 2 4 Sơ đồ kết cấu động học máy CNC 4 trục 33

Hình 2 5 Các bộ phận cơ bản máy phay CNC 4 trục mini 33

Hình 2 6 Quy trình tính toán máy phay CNC 4 trục mini 34

Hình 2 7 Trình tự tính toán chọn vít me 35

Hình 2 8 Sơ đồ tính toán chọn ổ bi 38

Hình 2 9 Sơ đồ lắp ổ bi 38

Hình 2 10 Trình tự tính chọn ray dẫn hướng 41

Hình 2 11 Sơ đồ lực tác dụng lên ray dẫn hướng trục Y 42

Hình 2 12 Ray dẫn hướng tròn cho trục Y 43

Hình 2 13 Sơ đồ lực tác dụng lên ra dẫn hướng trục X 44

Hình 2 14 Ray dẫn hướng vuông cho trục X 45

Hình 2 15 Sơ đồ lực tác dụng lên trục Z 46

Hình 2 16 Bàn máy phay CNC 48

Hình 2 17 Cụm trục thứ 4 máy phay CNC 48

Hình 3 1 Mô phỏng ứng suất 51

Hình 3 2 Gia công bằng SolidCam 52

Hình 3 3 Mô hình thiết kế 3D cụm trục Z 55

Hình 3 4 Mô hình thiết kế 3D cum trục X 58

Hình 3 5 Mô hình thiết kế 3D cụm trục Y 60

Hình 3 6 Mô hình thiết kế 3D cụm trục xoay A 62

Hình 3 7 Kết cấu khung máy CNC 4 trục 63

Hình 3 8 Mô hình máy phay CNC 4 trục 64

Hình 3 9 Chi tiết kiểm nghiệm Tấm đỡ X1 (bên trái), tấm Z1 (bên phải) 65

Hình 3 10 Sơ đồ kiểm nghiệm kết cấu trong SolidWorks 65

Hình 3 11 Sơ đồ đặt lực tấm X1 (bên trái), tấm Z1(bên phải) 66

Hình 3 12 Kết quả kiểm nghiệm bền chi tiết tấm X1 67

Hình 3 13 Kết quả kiểm nghiệm bền chi tiết tấm Z1 67

Hình 4 1 Chức năng của từng khối .69

Hình 4 2 Sơ đồ chi tiết khối điều khiển 69

Hình 4 3 Sơ đồ chi tiết khối xử lý tìn hiệu và điều khiển 69

Hình 4 4 Sơ đồ chi tiết khối cơ cấu chấp hành 69

Hình 4 5 Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phay CNC 4 trục .70

Hình 4 6 Giao diện phần mềm NcStudio 71

Hình 4 7 Giao diện chính của phần mềm Mach3 .73

Hình 4 8 Vị trí tọa độ của các trục khi máy chạy .74

Hình 4 9 Phần điều khiển chương trình .75

Hình 4 10 Giao diện phần MDI 77

Hình 4 11 Giao diện phần Offsets 77

Hình 4 12 Giao diện phần Setting 78

Hình 4 13 Hộp thoại cho phép thiết lập ứng các chân điều khiển LPT 79

Hình 4 14 Hộp thoại Pick Wizards 80

Hình 4 15 Giao diện chương trình Cut a circular pocket 81

Hình 4 16 Mạch điều khiển Mach3 CNC 81

Hình 4 17 Động cơ step 57 83

Hình 4 18 Mạch driver TB6560 84

Hình 4 19 Mạch driver MA860H 85

Hình 4 20 Sơ đồ biến tần gián tiếp 87

Hình 4 21 Biến tần thực tế trên thị trường 87

Hình 4 22 Thông số kỹ thuật của Spindle 87

Hình 4 23 Cổng LPT 25 chân và bố chí các chân .89

Hình 4 24 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển máy CNC 4 trục 92

Hình 4 25 Sơ đồ đấu nối động cơ trục X, Y, Z, A 93

Hình 4 26 Sơ đồ đấu nối động cơ trục chính và EMG 93

Hình 5 1 Sơ đồ lắp ráp máy phay CNC 4 trục mini 98

Hình 5 2 Máy phay CNC sau khi lắp ráp hoàn thiện 99

Hình 5 3 Sản phẩm gia công trên máy phay CNC 3 trục 101

Hình 5 4 Thiết kế chi tiết 3D và các kích thước gia công và kiểm tra 101

Hình 5 5 Sản phẩm gia công trên máy phay CNC 4 trục 102

LỜI MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Tình hình ngoài nước: máy CNC là một sản phẩm công nghiệp kết hợp nhiều công

nghệ tiên tiến khác nhau Do đó, để sản xuất ra máy CNC cần vốn đầu tư lớn, kinh nghiệm sản xuất lâu năm, tức là cần một nền sản xuất vững chắc hỗ trợ Việc sản xuất máy CNC công nghiệp hiện tại tập trung ở các nước phát triển như Đức, Nhật, Mỹ,…

và do các tập đoàn sản xuất lớn có tính truyền thống như: Okuma, Dekel Maho, Doosan, Mitsubishi,… với nhiều chủng loại, kết cấu, mẫu mã và kiểu dáng khác nhau

Tình hình trong nước: tương lai của ngành sản xuất máy công cụ vẫn còn nhiều khó

khăn, hạn chế, nên việc sản xuất máy CNC chưa đáp ứng được nhu cầu của nền công nghiệp, khó có khả năng cạnh tranh với sản phẩm nhập ngoại Để thay đổi thực trạng này, cần một sự đầu tư lớn và quan tâm của các cấp các ngành, cùng chiến lược phát triển lâu dài Tuy nhiên ngày nay, một thế hệ máy CNC cỡ nhỏ - table machine đang được quan tâm và đưa vào sử dụng trong các lĩnh vực gia công điêu khắc và chế tác mỹ thuật Phạm vi kết cấu và điều khiển của dòng máy này có thể phù hợp với trình độ phát triển của Việt Nam

Trong ngành công nghiệp gia công điêu khắc và chế tác mỹ thuật: yêu cầu về các sản phẩm với mẫu mã đa dạng được chế tác từ các vật liệu khác nhau như gỗ, nhựa, vàng bạc, đá quý…ngày càng gia tăng, đi kèm với yêu cầu về độ tinh xảo và chính xác, dẫn đến chi phí cao cho thao tác bằng tay của người thợ thực hiện Máy CNC mini có kích thước nhỏ gọn, cùng công nghệ điều khiển số hoàn toàn có thể đáp ứng được những yêu cầu này, giảm bớt chi phí trong chế tác các sản phẩm thủ công Do đó, việc sản xuất các máy CNC mini phù hợp với trình độ phát triển của nền công nghiệp và thỏa mãn nhu cầu của thị trường là cần thiết Các máy CNC 4 trục đang hiện hành trên thị trường

là đủ để đáp ứng sản xuất, nên quyết định chọn đối tượng nghiên cứu là máy CNC mini

4 trục điều khiển Các sản phẩm thủ công của máy CNC 4 trục để bàn có thể thấy như trong hình ảnh bên dưới

Máy CNC thường bao gồm nhiều chi tiết và cụm chi tiết, nên việc sản xuất máy được tối ưu hóa bằng cách sử dụng phương pháp thiết kế sản phẩm theo nguyên tắc module hóa: tiêu chuẩn hóa các chi tiết và cụm chi tiết có chức năng phức tạp Thiết kế theo nguyên tắc module hóa giúp cải thiện về mặt kinh tế, thời gian và chi phí dành cho sản xuất, cũng như việc sản xuất máy mới được đa dạng, nhanh chóng và hiệu quả hơn, khả năng thay thế khi sửa chữa cao

Sản phẩm máy CNC sau khi thiết kế cần đáp ứng nhanh được nhu cầu của thị trường,

dự đoán trước phản hồi của khách hàng để cải tiến và nâng cấp cho dòng sản phẩm tiếp theo, nên việc trải nghiệm trên môi trường số là cần thiết Việc cho khách hàng tiếp cận với sản phẩm trên môi trường ảo sẽ giúp nhà thiết kế cải tiến, thay đổi mẫu mã, tính năng của sản phẩm ngay trong khi thiết kế hoặc sản xuất Để tiết kiệm thời gian cải tiến dòng máy mới, cần tận dụng những dữ liệu thiết kế cũ, bao gồm những tài liệu, bản vẽ cũng như thông tin về từng bộ phận, module của máy, thông số kỹ thuật Với đề tài thiết

kế máy phay gỗ CNC 4 trục để bàn nhằm phục vụ sản xuất các chi tiết mỹ nghệ phức tạp, tinh xảo, phục chế các mẫu điêu khắc Dựa vào những tình hình và thực trạng trên,

tác giả quyết định lựa chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế

tạo máy phay CNC 4 trục ứng dụng trong gia công phi kim loại ” để làm luận văn cao

- Thứ hai, với điều kiện thuận lợi như trang thiết bị tại xưởng trường, nhiều giáo viên

đã thí nghiệm thạc sỹ trong lĩnh vực Cơ khí,CN ô tô, điện, điện tử sẽ hỗ trợ hiệu quả trong việc gia công, chế tạo các chi tiết để lắp ráp thiết bị

2.2 Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu về công nghệ chế tạo máy CNC

- Chế tạo các máy phay CNC 4 mini trục để phục vụ công tác giảng dạy

- Chế tạo máy phay CNC 4 trục mini có giá thành phù hợp, phục vụ sản xuất thực tế

ở địa phương như : máy gia công khắc gỗ, nhựa, mica…

3 Đối tượng nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là máy phay CNC 4 trục mini

- Các máy công cụ như máy phay cơ, máy tiện cơ, máy phay CNC…

4 Phạm vi nghiên cứu

- Tính toán, thiết kế, chế tạo mô hình máy phay CNC 4 trục mini

- Thiết kế, lựa chọn thiết bị cho hệ thống điều khiển cho máy phay CNC

- Lập trình gia công, vận hành máy phay CNC 4 trục mini

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết tính toán các bộ phận ( bộ dẫn động, bộ dẫn hướng….) của các hãng như TBI, Hiwin, KingMotor…

- Thiết kế, chế tạo máy phay CNC 4 trục mini phù hợp với nơi làm việc

- Nghiên cứu các thiết bị, module điện điều khiển của máy phay CNC

6 Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả

Nội dung nghiên cứu:

- Tổng quan về máy phay CNC và hệ thống điều khiển

- Tính toàn thiết kế hệ thống cơ khí máy phay CNC 4 trục mini

- Ứng dụng phần mềm SolidWorks trong thiết kế và kiểm nghiệm tính toán máy phay CNC 4 trục mini

- Thiết kế hệ thống điều khiển máy phay CNC 4 trục mini

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1.1 Khái quát về các máy công cụ CNC

1.1.1 Sơ lược về máy CNC và quá trình phát triển

Điều khiển số NC (Numerical Control) ra đời với mục đích điều khiển các quá trình

công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ Về thực chất, đây là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi và sản phẩm ) trên cơ sở các dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết

bị hay hệ thống

Hình 1 1 Mô hình điều khiển DNC

Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí đã phát triển và đạt đến

trình độ rất cao như các phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ hợp CIM(Computer

Integrated Manufacturing) với việc trang bị thêm các Robot cấp phôi liệu và vận chuyển,

các hệ thống đo lường và quản lý chất lượng tiên tiến, các kiểu nhà kho hiện đại được đưa vào áp dụng đã mang lại hiệu quả kinh tế rất đáng kể

Hình 1 2 Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM

1.1.2 Cơ sở của máy CNC

Các trục của máy CNC được trang bị dụng cụ đo vị trí để xác định tọa độ các bàn máy và của dụng cụ cắt Khi bàn máy di chuyển thì các dụng cụ đo lường phát ra tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu điện này và xác định vị trí chính xác của bàn máy trong hệ trục tọa độ

Hình 1 3 Cơ sở của các máy CNC

Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công chi tiết trên máy CNC phải nằm trong một hệ trục tọa đồ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải Trong đó có

ba chuyển động tịnh tiến theo các trục và ba chuyển động quay theo các trục tương ứng Một máy công cụ CNC có thể điều khiển tới 6 trục gồm tịnh tiến theo X, Y, Z, và các trục A, B, C quay quanh các trục Z, Y, Z Một điểm trong không gian hệ tọa độ Descarte được xác định tọa độ qua hình chiếu của nó lên ba trục X, Y, Z

Hình 1 4 Trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các

1.1.3 Đặc điểm và phân loại máy CNC

Một cách tổng quát các máy công cụ CNC có thể được phân loại theo các đặc điểm sau:

- Truyền động : Thủy lực, khí nén và điện

- Phương pháp điều khiển : Tọa độ hay quỹ đạo

- Hệ thống định vị : Định vị kich thước tuyệt đối và định vị nối tiếp

- Các vòng lặp điều khiển: vòng hở, vòng kín, vòng nửa kín

- Số trục tọa độ : 3 trục, 4 trục, 5 trục

Theo chức năng thì các máy công cụ CNC cũng như các máy công cụ vạn năng,

có thể được chia thành các nhóm sau:

- Nhóm máy tiện đại diện cho các máy tiện trong, tiện ngoài trên một phôi đang quay, cũng như cắt ren trong và ren ngoài

- Nhóm máy khoan, doa để khoan, doa các phôi

- Nhóm máy phay để phay những chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo ra các

bề mặt và các góc đa dạng và cũng có thể khoan, phay và doa Thay đổi nguyên công bằng các thay dụng cụ cắt, có nghĩa là chỉ cần một lần gá kẹp

- Nhóm máy mài để gia công tinh Nhóm này bao gồm các máy mài trục, mài lỗ, mài phẳng, mài răng, mài rãnh then, mài dụng cụ

- Nhóm trung tâm gia công: Khoan, phay, tiên, doa

1.2 Nguyên lý vận hành của máy công cụ điều khiển số

1.2.1 Chương trình gia công một chi tiết

Chương trình gia công chi tiết gồm có các chương trình điều khiển số và dữ liệu Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lưu giữ trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ hoặc đĩa Compact CD) sau đó được nạp vào hệ điều khiển số qua cửa nạp tương thích Dữ liệu gồm các giá trị hiệu chỉnh biên dạng, các dữ liệu hiệu chỉnh máy, các số liệu về dụng cụ cắt được nạp vào từ bẳng điều khiển

1.2.2 Khối điều khiển

Chức năng của khối điều kiển là thực hiện chương trình gia công chi tiết trên cơ sở

dữ liệu sẵn có và tín hiệu từ bên ngoài Nhận các giá trị vị trí của các trục từ sensor đo

vị trí encoder, và tốc độ của các trục

Thực hiện các chương trình điều kiển các cơ cấu chấp hành, động cơ của trục chính, động cơ của các trục truyền động riêng lẻ để phối hợp tạo nên biên dang và điều khiển tốc độ các trục

1.2.2 Khối điều khiển

Điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ như sau: tốc độ chạy nhanh (không cắt) tối đa,

bố trí xắp đặt các trục máy, các trạng thái đóng ngắt mạch của hệ điều khiển và giới hạn vùng làm việc của hệ thống công nghệ (bàn máy, gá lắp, dụng cụ), lệnh đóng ngắt bơm dung dịch làm mát và bôi trơn, lệnh tạo số vòng quay cho trục chính, lệnh thay dụng cụ Đầu ra khối điều khiển logic điều khiển các cơ cấu chấp hành như: Van thủy lực, van khí nén, các rơ-le

1.2.4 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC

Hình 1 5 Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC

1.Màn hình 2 Bảng điều khiển 3 Mạch ghép nối 4 Tay quay điện tử

Màn hình (1) dùng để hiển thị tọa độ hiện tại của các trục truyền động, trạng thái làm việc của toàn hệ thống Bảng điều khiển (2) để vào dữ liệu điều chỉnh máy, lập trình gia công, cài đặt hệ thống Tay quay điện tử (4) dùng để vận hành máy trong các trường hợp để hiệu chỉnh máy, do chi tiết mà phải mở cửa làm việc Các khối vào ra (I/O), các bộ phận điều khiển truyền động ( BĐK) liên lạc với CPU thông qua một Bus hệ thống Các khối Flash + Ram để lưu trữ các chương trình điều khiển, dữ liệu máy và liên lạc với CPU thông qua Bus trong của CPU

1.3 Hệ thống tính toán và điều khiển

1.3.1 Khái niệm và phân loại

Hệ điều khiển CNC thực hiện lưu đồ điều khiển như hình 1.9 Giai đoạn đầu tiên,

những thông tin về kích thước công nghệ được đưa sang khâu chuẩn bị chương trình, sau đó là công việc lập trình điều khiển

Hình 1 6 Lưu đồ điểu khiển hệ CNC

Chương trình điều khiển được đưa vào thiết bị tính toán điều khiển, tạo tín hiệu điều khiển các hệ truyền động điện tự động

Cấu trúc của thiết bị tính toán điều khiển có thể chia ra làm hai nhóm: NC và CNC Trong hệ CNC các chương trình điều khiển được đưa vào khối xử lí sao cho chương trình sau đó qua đầu vào đưa đến các khối giả mã nhằm tạo ra các mã tương thích của máy Tín hiệu này hoặc đưa trực tiếp vào khối điều khiển hoặc đưa vào bộ nhớ đệm và cuối cùng đến bộ nội suy để tính toán phân ra các chuyển động trên các trục tọa độ Mặt khác thông tin điều khiển còn đưa ra các lệnh điều kiển công nghệ như tốc độ cắt, xoay chi tiết, thay dao

1.3.2 Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC

1.3.2.1 Chuẩn bị chương trình bằng tay

Nhưng thông tin cần thiết để chuẩn bị chương trình là: Bản vẽ chi tiết và các điều kiện công nghệ Người soạn thảo chương trình phải chuyền thông tin đó thành các chương trình điều khiển số cho máy gia công

Hình 1 7 Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay

- Chọn hệ toạ độ (Tương ứng với hướng dẫn của ISO) sao cho điểm toạ độ ban đầu cần phải trùng với điểm xuất phát của dụng cụ cắt hoặc chi tiết gia công

- Dựa trên quỹ đạo chuyển động giữ các điểm tựa, viết chương trình quỹ đạo chuyển động (đường thẳng, đường tròn, Parabol, ) Nếu như dùng phương pháp gần đúng thì phải tính sai số

- Dựa vào các thông tin về công nghệ như chế độ cắt, dụng cụ cắt, tốc độ cắt, thành lập biểu đồ công nghệ

1.3.2.2 Chuẩn bị chương trình từ máy vi tính

Chuẩn bị chương trình điều khiển thực hiện bằng tính toán trực tiếp với chi tiết gia công phức tạp mất nhiều thời gian và độ chính xác không đảm bảo Ngày nay người ta thường thực hiện chuẩn bị chương trình nhờ máy tính Đặc trưng của lập trình bằng máy

là việc ứng dụng một ngôn ngữ lập trình định hướng đối tượng

Hình 1 8 Lưu đồ lập trình bằng máy

Với sự trợ giúp của ngôn ngữ lập trình như vậy ta có thể:

- Xác định những nhiệm vụ gia công tương đối đơn giản và không thực hiện các tính toán bằng tay Chỉ cần truy nhập một số ít dữ liệu có thể sản sinh một số khối lượng lớn các số liệu cho nhiệm vụ gia công

- Những tính toán cần thiết đều do máy tính thực hiện

- Dùng một ngôn ngữ biểu tượng tương đối dễ học mà các từ của nó hợp thành bởi những khái niệm phổ biến Trong ngôn ngữ chuyên môn của kỹ thuật gia công

- Tiết kiệm phần lớn thời gian trong khi mô tả chi tiết cần gia công và các chu trình công tác cần thực hiện

- Hạn chế được các lỗi lập trình, vì so với lập trình bằng tay chỉ cần cấp ít dữ liệu vào máy tính và hầu như không cần phải tính toán

Trong việc thực hiện tự động hoá chuẩn bị chương trình điều khiển máy tính sẽ đảm nhận các bài toán về kích thước hình học và công nghệ tính toán các toạ độ điểm tựa, tiệm cận hoá các đường cong, tính toán các tham số khoảng cách đẳng trị Tính toán lượng ăn dao và tốc độ cắt, cụ thể gồm các bước sau:

1 Chọn ngôn ngữ để mô tả quỹ đạo chuyển động, ngôn ngữ này phải có đủ khả năng mô tả được các kích thước tham số của quỹ đạo chuyển động với lời diễn tả đơn giản dễ sử dụng

2 Gia công thuật biến đổi thông tin về kích thước hình học sao cho có thể phối hợp với ngôn ngữ của máy gia công

3 Tạo các thuật toán giải các bài toán mẫu theo các quỹ đạo gia công đặt ra

4 Gia công các thuật toán đẻ phục vụ cho các đối tượng cụ thể

1.3.3 Cấu trúc hệ điều khiển CNC

Máy tính có nhiệm vụ quản lý, quan sát, lập trình Ngoài ra nhờ có khối ghép nối (Interface Bus) để hệ có thể nối mạng với các máy tính bên ngoài với mục đích để truyền

dữ liệu, quản lý, theo dõi hoặc điều khiển DCN Bảng điều khiển và tay quay điện tử dùng để vận hành máy, vào các dữ liệu, chọn các chế độ làm việc, lập trình gia công Khối NC có nhiệm vụ thu thập và xử lý dữ liệu, nội suy, tính toán quỹ đạo, điều phối Chức năng của PLC là điều khiển quá trình công nghệ của toàn hệ Trong một số trường hợp cả ba khối (NC, PLC, và khối vi điều khiển) được chế tạo thành một khối (hình 1.11), nó đảm bảo toàn bộ chức năng điều khiển của hệ

Khối vi điều khiển gồm các Controller (bộ điều khiển vị trí, bộ điểu chỉnh tốc độ thực hiện tất cả các bước cho chuyển động tuyến tính, các chuyển động phi tuyến để đạt được biên dạng lập trình

Hình 1 9 Cấu trúc của hệ CNC

1.4 Đặc điểm, cấu tạo, ứng dụng máy CNC

1.4.1 Đặc điểm của máy CNC ngày nay

Với tiến trình phát triển của máy CNC thì các máy CNC ngày nay có các đặc điểm sau:

- Có màn hình, bàn phím và nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin với người dùng Nhiều hệ CNC chạy trong nền Windows dễ hiểu và dễ sử dụng, thao tác đơn giản, hiển thị đồ hoạ tốt, giao diện thân thiện với người dùng, giảm thiểu khả năng sai sót cũng như dễ dàng tìm lỗi chương trình Người sử dụng được thông báo thường xuyên

về tình trạng của máy, cảnh báo lỗi nguy hiểm có thể xảy ra, thực hiện mô phỏng để kiểm tra trước quá trình gia công

- Cho phép hiệu chỉnh dụng cụ cắt, hiệu chỉnh toạ độ,nội suy đường thẳng, đường tròn hay bất kì đường bậc ba nào

- Độ chính xác: Các vòng lặp khép kín có phản hồi vị trí và tốc độ cho phép tạo

ra chuyển động êm ái và chính xác với tốc độ ổn định

- Chống nhiễu: Các vi mạch và linh kiện điện tử, dây truyền dẫn tín hiệu được

chống nhiễu về điện hoặc xung điện phát ra từ các nguồn như tia plasma, máy hàn

- Tiêu chuẩn hoá các thiết bị thay thế: giúp giảm giá thành chế tạo và giảm thời

gian bảo dưỡng sửa chữa Có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác như robot, băng tải, thiết bị đo,… trong hệ thống sản xuất Có thể trao đổi thông tin trong mạng máy tính các loại, từ mạng cục bộ(LAN) đến mạng diện rộng (WAN) và Internet

1.4.2 Cấu tạo chung máy CNC

Các máy CNC thông thường hiện nay gồm có cấu tạo chung như trong hình vẽ dưới đây:

Hình 1 10 Cấu tạo chung của các máy CNC

Các cụm trục chính của máy CNC được đặt theo các trục tọa độ, cho phép xác định chiều chuyển động của các cơ cấu máy và dụng cụ cắt Các trục tọa độ cơ bản là X, Y,

Z với chiều dương được xác định theo quy tắc bàn tay phải Các trục quay tương ứng với các trục X, Y, Z được ký hiệu bằng các chữ cái A, B, C Chiều dương là chiểu quay theo chiều kim đồng hồ nếu nhìn theo chiều dương của các trục X, Y, Z Các trục cơ bản này tạo nên hệ tọa độ máy CNC

Hình 1 11 Quy tắc bàn tay phải

1.4.2.1 Hệ tọa độ máy

Trục Z

Nhìn chung ở các máy CNC, trục Z luôn song song với trục chính của máy Ở máy tiện: Trục Z song song với trục chính của máy và có chiều dương chạy từ mâm cặp tới

dụng cụ (chạy xa khỏi chi tiết gia công được cặp trên mâm cặp) Hay nói cách khác, chiều dương của trục Z chạy từ trái sang phải

Máy khoan đứng, máy phay đứng, máy khoan cần: Trục Z song song với các trục chính và có chiều dương hướng từ bàn máy lên phía trục chính

Máy bào, máy xung điện: Trục Z vuông góc với bàn máy và có chiều dương hướng

từ bàn máy lên phía trên

Các máy phay có chiều trục chính: Trục Z song song với đường tâm của trục chính

và vuông góc với bàn máy (chọn trục chính có đường tâm vuông góc với bàn máy làm trục Z) Chiều dương của trục Z trong trường hợp này hướng từ bàn máy tới trục chính

Máy tiện: Trục X vuông góc với trục máy và có chiều dương hướng về phía bàn kẹp dao (hướng về phía dụng cụ cắt) Như vậy, nếu bàn kẹp dao ở phía trước trục chính thì chiều dương của X hướng vào người thợ, còn nếu bàn kẹp dao ở phía sau trục chính thì chiều dương đi xa phía người thợ

Máy bào: Trục X nằm song song với mặt định vị chi tiết trên bàn máy và chiều dương hướng từ bàn máy tới thân máy

Trục Y

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

Các trục phụ

Trên máy CNC, ngoài các trục X, Y, Z còn có các trục song song với chúng (các

bộ phận máy dịch chuyển song song với các trục X, Y, Z) Các trục phụ là U, V, W,

trong đó U//X, V//Y, và W//Z Nếu có các trục khác nữa song song với toạ độ chính X,

Y, Z thì các trục này được ký hiệu là P, Q, R trong đó P//X, Q//Y, R//Z Các trục U, V,

W được gọi là các trục thứ hai, còn các trục P, Q, R được gọi là các trục thứ ba

Khi chi tiết gia công cùng bàn máy tham gia chuyển động thay cho dụng cụ cắt thì các chuyển động ấy (chuyển động tịnh tiến theo ba trục và chuyển động quay quanh ba trục) được kí hiệu bằng các chữ X’, Y’, Z’ và A’, B’, C’ (hình 2.3) Các chiều chuyển động này ngược với chiều chuyển động của dụng cụ

Các trục phụ cùng hệ tọa độ này cung cấp cho máy CNC một khả năng gia công lớn, thực hiện được những chi tiết có độ phức tạp và tinh xảo khác nhau Dựa vào độ phức tạp của từng sản phẩm mà người ta yêu cầu máy CNC phải có một số trục tối thiểu nhất định

Hình 1 12 Hệ tọa độ máy CNC cùng các trục phụ

1.4.3 Vai trò, ứng dụng và lợi ích của máy CNC mini

Ta có thể thấy được khả năng và vai trò của CNC mini đối với nhiều ứng dụng quan trọng của thực tiễn công nghiệp Điều cũng rất dễ dàng thấy là các ứng dụng đó vô cùng đa dạng, thậm chí rất khác nhau

1.4.3.1 Vai trò của máy CNC mini trong sản xuất công nghiệp

Máy công cụ CNC là bước phát triển lớn trong lĩnh vực tụ động hoá ngành chế tạo tranh điêu khắc, nó tạo ra những khả năng đặc biệt và có những ưu điểu vượt trội so với máy công cụ vạn năng thông thường Máy cho phép cắt với tốc độ cao, chính xác, linh hoạt, giảm thời gian phụ tới mức tối đa do tính năng tự động, tính phức tạp của chi tiết

và máy CNC đạt năng suất rất cao Chính vì vậy nó giữ một vai trò vô cùng quan trọng trong sản suất công nghiệp gỗ

1.4.3.2 Ứng dụng máy CNC trong sản xuất công nghiệp

Xuất phát từ các ứng dụng ban đầu của công nghệ chế tạo máy, chủ yếu là công nghệ cắt gọt kim loại, hiện tại CNC được dùng trong nhiều loại máy thuộc các lĩnh vực khác nhau: trải dài từ chế tạo máy tới ngành dệt may, điều khiển robot hay chế tạo thiết

bị điện tử Bao gồm các loại máy cơ bản

Ưu điểm của máy CNC:

- Năng suất lao động cao

- Chất lượng sản phẩm ổn định

- Chế tạo sản phẩm cú tinh phức tạp và tinh tế

- Dựng trong những nơi độc hại thay thế con người

- Cụ thể gia công được những sản phẩm rất nhỏ với độ chính xác cao

- Tự động hoá quá trình sản xuất

Máy CNC không chỉ quan trọng trong ngành cơ khí mà cũn trong nhiều ngành khác như may mặc, giày dép, điện tử v.v Bất cứ máy CNC nào cũng cải thiện trình độ tự động hóa của doanh nghiệp: người vận hành ít, thậm chỉ không cũng phải can thiệp vào hoạt động của máy Sau khi nạp chương trình gia công, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, và như vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác Ngoài ra, máy phay CNC ít xảy ra hỏng hóc do lỗi vận hành, thời gian gia công được

dự báo chính xác, người vận hành không đòi hỏi phải có kỹ năng thao tác (chân tay) cao như điều khiển máy công cụ truyền thống

Hình 1 13 Gia công cắt gọt trên máy CNC

1.5 Phân loại các loại máy phay CNC mini

1.5.1 Máy phay CNC 3 trục mini

Hình 1 14 Gia công cắt gọt trên máy CNC

Trục Y chuyển động trên bệ máy , trục X chuyển động trên trục Y , trục Z chuyển động trên trục X, trục A trên bàn máy :

Đặc điểm :

Như trên hình 1.18, để trục Y có thể trượt được trên bệ đỡ vừa nâng được các trục

X và Z thì nó thường phải có kết cấu vũng chắc và có các thanh giằng ngang, để toàn

bộ phần trượt Y không bị vênh Xộc xệch khi di chuyển Đồng thời 2 tấm đỡ 2 bên phải

đủ độ dày để khi cắt vào trục trượt của bệ đỡ thì khớp trượt không bị rơ, đảm bảo trượt

ổn định và không sai số

Trục X trượt trên trục Y có gắn các hệ số các thanh trượt, cơ cấu truyền động, động

cơ tất cả các bộ phận này chuyển động cùng với trục Y

Trên trục Z có bắt các cơ cấu bắt động cơ chạy di chuyển bút vẽ Trục Z trượt trên trục X nên trên bộ phận trượt trục X có các thanh trượt, động cơ, cơ cấu truyền động cho trục Z

Trên bệ đỡ có các thanh trượt trục Y và phôi cần gia công

Ưu điểm: sử dụng phương án này máy sẽ hoạt động trong một không gian xác

định, giảm lực cắt, công suất động cơ trên trục Z

Nhược điểm: Phần trên của máy đỡ trục chính di chuyển khó đảm bảo độ cứng

vững bền trong quá trình gia công và sử dụng lâu dài Không gian hoạt động rộng rãi

1.5.2 Máy phay CNC 4 trục mini

Ưu điểm: Phương án truyền thống bộ phận đỡ trục chính cố định tăng độ cứng

vững chắc chắn hơn khi gia công

Nhược điểm: Trong quá trình gia công phôi di chuyển sẽ cần không gian phạm vi

làm việc rộng xung quanh máy gấy chiếm diện tích và không an toàn khi gia công Trục thứ 4 có kích thước gia công hạn chế, khó khăn trong lắp ráp, bảo dưỡng

Bảng 1 1 Bảng so sánh máy phay CNC 3 trục mini và 4 trục mini

1.6 Kết luận chương 1

Chương 1 đã chỉ ra được những phân tích bao gồm:

- Lịch sử phát triển, nhu cầu và ứng dụng của máy CNC trong sản xuất ngành cơ khí

- Hiểu được cấu tạo về hệ thống cơ khí và hệ thống điều khiển máy phay CNC

- Các loại máy phay CNC mini phổ biến trên thị trường như máy CNC 3 trục, 4 trục…

- Với những yêu cầu về kỹ thuật, điều kiện công tác, nhu cầu tại địa phương nên rác giả chọn máy phay CNC 4 trục làm luận văn thạc sĩ

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

MÁY PHAY CNC 4 TRỤC 2.1 Phân tích, lựa chọn máy phay CNC 4 trục

2.1.1 Các phương án lựa máy phay CNC 4 trục

 Phương án trục xoay A chuyển động quay trên mặt phẳng 0xz

Hình 2 1 Máy CNC 4 trục với phương án trục A xoay trên trục Z

Nguyên lý hoạt động :

Trục Y chuyển động tịnh tiến theo phương y và gá trên bệ máy , trục X chuyển động

tịnh tiến theo phương x và gá trên trục Y , trục Z chuyển động lên xuống theo phương

Z trên trục X, trục xoay A chuyển động quay trên mặt phẳng Oxz và được gá trên trục

Z

Đặc điểm :

Như trên hình, để trục Y có thể trượt được trên bệ đỡ vừa nâng được các trục X

và Z, A thì nó thường phải có kết cấu vũng chắc và có các thanh giằng ngang, để toàn

bộ phần trượt Y không bị vênh Xộc xệch khi di chuyển Đồng thời 2 tấm đỡ 2 bên phải

đủ độ dày để khi cắt vào trục trượt của bệ đỡ thì khớp trượt không bị rơ, đảm bảo trượt

ổn định và không sai số

Trục X trượt trên trục Y có gắn các hệ số các thanh trượt, cơ cấu truyền động,

động cơ tất cả các bộ phận này chuyển động cùng với trục Y Trên trục Z có bắt trục

A Trục Z trượt trên trục X nên trên bộ phận trượt trục X có các thanh trượt, động cơ,

cơ cấu truyền động cho trục Z Trục A gắn trên trục Z

Ưu điểm: Không gian gia công rộng rãi, gia công chuyên biệt một bề mặt gia công

Nhược điểm: Kết cấu trục Y cứng vững để chịu toàn bộ tải trong của các trục X,

Z, A Gia công lắp đặt chi tiết trục Z, A khó khăn

 Phương án trục xoay A quay quanh trục y và thuộc mặt phẳng Oxy

Hình 2 2 Phương án trục xoay A quay quanh trục y và thuộc mặt Oxy

Nguyên lý hoạt động:

Trục Y chuyển động tịnh tiến theo phương y và được gá trên bàn máy, trục X chuyển động tịnh tiến theo phương y và được gá trên trục Y , trục Z chuyển động lên xuống theo phương z và gá trên trục X, trục xoay A được gá trên bàn máy

Đặc điểm :

- Như trên hình, để trục Y có thể trượt được trên bệ đỡ vừa nâng được các trục X

và Z thì nó thường phải có kết cấu vũng chắc và có các thanh giằng ngang, để toàn bộ phần trượt Y không bị vênh Xộc xệch khi di chuyển Đồng thời 2 tấm đỡ 2 bên phải đủ

độ dày để khi cắt vào trục trượt của bệ đỡ thì khớp trượt không bị rơ, đảm bảo trượt ổn định và không sai số

- Trục X trượt trên trục Y có gắn các hệ số các thanh trượt, cơ cấu truyền động, động cơ tất cả các bộ phận này chuyển động cùng với trục Y

- Trên trục Z có bắt các cơ cấu bắt động cơ chạy di chuyển bút vẽ Trục Z trượt trên trục X nên trên bộ phận trượt trục X có các thanh trượt, động cơ, cơ cấu truyền động cho trục Z

- Trên bệ đỡ có các thanh trượt trục Y và phôi cần gia công

- Trục A gá phôi xoay quanh trục, trục A được gá cố định trên bàn máy

Ưu điểm: sử dụng phương án này máy sẽ hoạt động trong một không gian xác

định, giảm lực cắt, công suất động cơ trên trục Z

Nhược điểm: Phần trên của máy đỡ trục chính di chuyển khó đảm bảo độ cứng

vững bền trong quá trình gia công và sử dụng lâu dài, lắp đặt trục A khó khăn

 Kết luận

Trong khuôn khổ luận văn thiết kế máy phay CNC 4 trục phục vụ gia công phi kim loại và phục vụ đào tạo, thỏa mãn và cân bằng các yếu tố như độ cứng vững, độ chính

xác, kết cấu đơn giản… Tác giả lựa chọn mô hình máy phay CNC 4 trục như hình 2.2

2.1.2 Lựa chọn phương án thiết kế

Như trên Hình 2.3, để trục Y có thể trượt được trên bệ đỡ vừa nâng được các trục

X và Z thì nó thường phải có kết cấu vũng chắc và có các thanh giằng ngang, để toàn

bộ phần trượt Y không bị vênh Xộc xệch khi di chuyển Đồng thời 2 tấm đỡ 2 bên phải

đủ độ dày để khi cắt vào trục trượt của bệ đỡ thì khớp trượt không bị rơ, đảm bảo trượt

ổn định và không sai số

Trục X trượt trên trục Y có gắn các hệ số các thanh trượt, cơ cấu truyền động, động cơ tất cả các bộ phận này chuyển động cùng với trục Y

Trên trục Z có bắt các cơ cấu bắt động cơ chạy di chuyển dụng cụ cắt Trục Z trượt trên trục X nên trên bộ phận trượt trục X có các thanh trượt, động cơ, cơ cấu truyền động cho trục Z

Trên bệ đỡ có các thanh trượt trục Y và phôi cần gia công

Trên mặ bàn máy được gắn cố định trục A Trục A chuyển động quay 0o – 180o

giúp gia công các chi tiết tròn…

 Các thông số thiết kế máy phay CNC mini 4 trục

Bảng 2 1 Thông số kỹ thuật dự kiến của máy phay CNC

Từ hình 2.3 ta mô hình hóa kết cấu động học máy phay CNC 4 trục như sau:

Hình 2 4 Sơ đồ kết cấu động học máy CNC 4 trục

2.2 Tính toán thiết kế các bộ phận máy

2.2.1 Quy trình tính toán máy phay CNC

Hình 2 5 Các bộ phận cơ bản máy phay CNC 4 trục mini

Để tính toán thiết kế các bộ phận máy tiêu chuẩn máy phay CNC 4 trục mini, tác giả dựa theo catalog thiết kế máy của hãng như TBI, Hiwin…:

Hình 2 6 Quy trình tính toán máy phay CNC 4 trục mini

 Các thông số đầu vào của máy

Dựa vào bảng 2.1 bảng thông số đầu vào của máy

Chọn chiều sâu cắt và chiều rộng cắt tối đa cho máy là 2 (mm) và 1 (mm) Với vật liệu gia công là nhôm

Theo sổ tay CNCTM tập 2 (tr.28) ta có lực cắt chính của máy:

- Bước 1: Tính chiều dài bước vítme

Dựa vào vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công V1 và tốc độ vòng lớn nhất của động cơ Nmax, tính được chiều dài bước vít me cần chọn:

1 max

V l N



- Bước 2: Tính lực dọc trục

Do máy CNC của em thiết kế gia công vật liệu tối đa làm nhôm, nên có lực cắt, trọng lực và lực của phôi tác dụng lên bàn máy Em thiết kế dựa vào các công thức sau để tính lực dọc trục:

+ Khi tăng tốc: Fa1 = μmg + ma + f

+ Khi chạy đều: Fa2= μmg + f

+ Khi gia công: Fa3= Fm + μ(mg + Fqt) + f

Với: f là lực ma sát, m.g là biểu thức của trọng lực

μ là hệ số ma sát lan bề mặt

Fm là lực cắt

Từ đó ta suy ra được lực dọc trục lớn nhất Fmax cho hai trục X và trục Y trong tất cả các trường hợp

- Bước 3: Tính tốc độ động cơ bước

Dựa vào Bước 1 ra chọn được bước vít me, từ đó tính được tốc độ vòng của động

cơ Với chế độ thời gian t1=30%, t2=70%, ta tính được tốc độ vòng trung bình của động

cơ (Nm)

- Bước 4: Tính tải trọng động

Từ bước 3 và bước 4, ta áp dụng công thức tính tải trọng động C a của vít me bi :

Ca = (60 x Nm x Lt)1/3 x Fmax x fw x 10-2

- Bước 5: Chọn phương án lắp vòng bi một đầu cố định và một đầu tùy chỉnh

Từ các yếu tố trên ta tính được đường kính trục vít thỏa mãn:

dr𝑛 𝐿2

𝑓 10-7

Với L: chiều dài trục vít

n: tốc độ vòng quay của động cơ

f=15 hệ số của phương án lắp vòng bi

- Bước 6: Từ Bước 4 và Bước 5, ta chọn được vít me bi phù hợp theo catalog của hãng

TBI

- Bước 7: Tính chiều dài trục vít me:

L= Tổng chiều dài dịch chuyển + chiều dài ổ bi + chiều dài vùng thoát

- Bước 8: Sau khi chọn xong ta tiến hành kiểm tra sơ bộ:

- Bước 9: Độ dịch chuyển do thay đổi nhiệt độ (mức điều chỉnh 3 độ C)

2×π)2Trên phần ghép nối: GD𝑗2 = 𝜌×𝜋×𝑙′×𝐷4