Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cnc 3 trục phục vụ trong công tác giảng dạy tại trường đại học công nghệ tp hcm

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cnc 3 trục phục vụ trong công tác giảng dạy tại trường đại học công nghệ tp hcm Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cnc 3 trục phục vụ trong công tác giảng dạy tại trường đại học công nghệ tp hcm Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cnc 3 trục phục vụ trong công tác giảng dạy tại trường đại học công nghệ tp hcm Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cnc 3 trục phục vụ trong công tác giảng dạy tại trường đại học công nghệ tp hcm

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH.

KHOA CƠ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ.

THỰC HIỆN: PHẠM BÁ KHIỂN.

TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2015

CHƯƠNG 1 1

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích của đề tài 2

1.3 Nhiệm vụ của đề tài 2

1.4 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn của đề tài 3

1.5 Phương pháp nghiên cứu 3

1.6 Nội dung đề tài: 3

CHƯƠNG 2 4

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 4

2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 4

2.2 Kết cấu cơ bản của máy CNC 5

2.2.1 Đầu trục chính 6

2.2.2 Băng dẫn hướng 7

2.2.3 Trục vít me đai ốc bi 7

2.3 Khái niệm cơ bản về điều khiển và điều khiển số 10

2.3.1 Khái niệm 10

2.3.2 Điều khiển theo kiểu truyền thống 10

2.3.3 Điều khiển số 11

2.3.4 Các hệ điều khiển số 11

2.3.5 Phân loại các phương pháp điều khiển 14

2.4 Hệ tọa độ trên máy CNC và các điểm chuẩn 16

2.4.1 Hệ tọa độ trên máy CNC 16

2.4.2 Hệ tọa độ của các loại máy phay 17

2.4.4 Những khái niệm cơ bản về lập trình gia công trên máy CNC 19

2.4.5 Thông số công nghệ (Technological Information) 20

2.5 Chương trình gia công 21

2.5.1 Quy ước kí tự địa chỉ 21

2.5.2 Cấu trúc một chương trình 22

2.6 Các phương pháp lập trình cho hệ điều khiển 22

CHƯƠNG 3 23

THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ PHẦN ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 23

3.1 Thiết kế cơ khí: 23

3.1.1 Thiết kế khung máy 23

3.1.2 Truyền động trục X 24

3.1.3 Truyền động trục Y 24

3.1.4 Truyền động trục Z 25

3.1.5 Tổng thể thiết kế cơ khí 26

3.2 Thiết kế điện và phần điều khiển 26

3.2.1 Chọn động cơ truyền động các trục 26

3.2.2 Chọn động cơ trục chính 29

3.2.3 Thiết kế mạch đệm tín hiệu 30

CHƯƠNG 4 32

GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 32

4.1 Giới thiệu phần mềm điều khiển máy CNC 32

4.2 Giao diện và một số chức năng của Mach3 33

4.2.1 Trang Program Run (Alt-1) 33

4.2.2 Trang MDI Alt2 (Manual Data Input) 37

4.3 Cách sử dụng các Mode trong Mach3 40

4.3.1 Mode Jog 40

4.3.2 Mode Handle (MPG) 42

4.4 Một số chức năng khác: 42

4.5 tín hiệu truyền từ Mach3 ra cổng LPT 44

4.6 Cách chuyển đổi file Autocad sang G-code 47

4.6.1 Làm việc trong Autocad : 47

4.6.2.Tạo file G-Code 49

CHƯƠNG 5 50

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 50

5.1 Kết quả chế tạo kết cấu cơ khí 50

5.1.1 Kết cấu khung máy 50

5.1.2 Cơ cấu chuyển động cơ khí 51

5.2 Kết quả thi công phần điều khiển 52

5.2.1 Động cơ Servo 52

5.2.2 Driver điều khiển động cơ Servo 53

5.2.3 Động cơ trục chính 54

5.2.4 Biến tần điều khiển động cơ trục chính 54

5.2.5 Mạch đệm tín hiệu 54

5.2.6 Cử hành trình 55

5.2.7 Tủ điện điều khiển 55

5.3 Kết quả ứng dụng mô hình máy CNC trong công tác giảng dạy 57

CHƯƠNG 6 65

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 65

Hình 2.1 Kết cấu chung của máy CNC 5

Hình 2.2 Cụm trục chính 6

Hình 2.3 Các dạng dẫn động trục chính 6

Hình 2.4 Băng dẫn hướng 7

Hình 2.5 Quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me thường và vít me bi 7

Hình 2.6 Cấu tạo vít me bi 9

Hình 2.7 Các phương pháp khử khe hở vít me bi 9

Hình 2.8 Khử khe hở vít me bi bằng lò xo 10

Hình 2.9 Hệ điều khiển NC 12

Hình 2.10 Hệ điều khiển CNC 13

Hình 2.11 Hệ điều khiển CNC 14

Hình 2.12 Điều khiển theo đường thẳng Hình 2.13 Điều khiển theo biên dạng 14

Hình 2.14 Phay túi trên máy 3D 15

Hình 2.15 Phay túi trên máy 4D 16

Hình 2.16 Quy tắc xác định tọa độ của máy CNC 17

Hình 2.17 Quy tắc bàn tay phải 18

Hình 2.18 Các điểm gốc và điểm chuẩn của máy 18

Hình 2.19 Điểm gốc chương trình 19

Hình 2.20 Điểm chuẩn của gá dao T và điểm gá dao N 19Y Hình 3 1 Thiết kế phần khung máy 23

Hình 3 2 Thiết kế truyền động trục X 24

Hình 3 3 Thiết kế truyền động trục Y 25

Hình 3 4 Thiết kế truyền động trục Z 25

Hình 3 5 Thiết kế tổng thể cơ khí 26

Hình 3 6 Hình dạng động cơ truyền động trục chính 27

Hình 3 7 Thông số bộ động cơ 27

Hình 3 8 Bộ driver cho ba trục động cơ X, Y và Z 28

Hình 3 9 Động cơ trục chính 29

Hình 3 10 Biến tần điều khiển 29

Hình 3 11 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm tín hiệu 30

Hình 4 2 Nhóm vị trí tọa độ các trục 34

Hình 4 3 Nhóm điều khiển chương trình 35

Hình 4 4 Hộp thoại Tool Information 36

Hình 4 5 Feed Rate 36

Hình 4 6 Spinde speed 37

Hình 4 7 Giao diện trang MDI 38

Hình 4 8 Giao diện trang Tool Path 38

Hình 4 9 Giao diện trang Offsets 39

Hình 4 10 Giao diện trang Settings 40

Hình 4 11 Hộp thoại sử dụng mode jog MPG (Handle) 41

Hình 4 12 Hộp thoại cho phép thiết lập các chân điều khiển LPT 42

Hình 4 13 Cam Funtion Addon 43

Hình 4 14 Giao diện chương trình Cut a Circular Pocket 43

Hình 4 15 Tiến hành chạy chương trình từ Cirular Pocket 44

Hình 4 16 Sơ đồ từng chân của cổng máy in (LPT) 44

Hình 4 17 Bảng hiệu chỉnh số chân tin hiệu cổng LPT 45

Hình 4 18 Hộp thoại cho phép hiệu chỉnh số xung encoder để di chuyển 46

Hình 4 19 Bảng thiết lập phím tắt di chuyển cho các trục 46

Hình 4 20 Bảng thiết lập các cử bằng phần mềm 46

Hình 4 21 Hộp thoại Import dxf Mach3 47

Hình 4 22 Các thiết lập trong hộp thoại 47

Hình 4 23 Hộp thoại thiết lập các lớp 48

Hình 4 24 hệ số Factors 4 Hình 5 1 Cấu trúc khung máy CNC 50

Hình 5 2 Bàn máy sau khi đặt lên khung máy 51

Hình 5 3 Trục Vitme – đai ốc bi trục X 51

Hình 5 4 Trục Vitme – đai ốc bi trục Y 52

Hình 5 5 Trục Vitme – đai ốc bi trục Z 52

Hình 5 6 Động cơ AC Servo trục X 52

Hình 5 8 Driver động cơ AC Servo 53

Hình 5 9 Động cơ trục chính 54

Hình 5 10 Biến tần động cơ trục chính 54

Hình 5 11 Bố trí mạch đệm trong tủ điện 55

Hình 5 12 Cử hành trình bảo vệ an toàn cho máy khi quá trục 55

Hình 5 13 CB và mạch điện áp một chiều hỗ trợ mạch đệm 56

Hình 5 14 Thi công tủ điện hoàn thiện điều khiển máy CNC 56

Hình 5 15 Hệ thống nút nhấn điều khiển 57

Hình 5 16 Thiết kế và lập trình trên phần mềm MasterCAM X5 58

Hình 5 17 Mô phỏng gia công trên phần mềm 58

Hình 5 18 Kết quả mô phỏng gia công trên vật liệu Mica 59

Hình 5 19 Hình lưu niệm cùng nhóm 59

Hình 5 20 Hình trường Đại học KT CN khắc trên Mica 60

Hình 5 21 Hình Logo Đại học KT CN khắc trên Mica 60

Hình 5 22 Hình Cơ sở Ung Văn Khiêm khắc trên Mica 61

Hình 5 23 Hình mỹ thuật được thiết kế và khắc trên Mica 62

Hình 5 24 Thiết kế sản phẩm trên phần mềm ArtCAM 63

Hình 5 25.Sản phẩm điêu khắc trên gỗ Thông 63

Hình 5 26 Sản phẩm điêu khắc trên gỗ đào 64

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Lý do chọn đề tài

Các máy công cụ là trụ cột của nền kinh tế sản xuất, nó không những làm ra cácsản phẩm mà còn làm ra các thiết bị và hệ thống khác phục vụ cho tất cả các ngànhkinh tế Nhu cầu về các thiết bị nói chung ngày càng tăng của các doanh nghiệp trongnước, đặc biệt là trong giai đoạn hội nhập và phát triển công nghiệp của đất nước Cácdoanh nghiệp phải đối mặt với việc cạnh tranh khốc liệt không những ở thị trườngnước ngoài mà còn ngay chính ở trong thị trường trong nước, do vậy nhu cầu thiết bịsản xuất đóng một vai trò sống còn đối với các doanh nghiệp Để phục vụ sản xuấtthường các doanh nghiệp nhập khẩu nhóm sản phẩm máy móc, thiết bị, dụng cụ vàphụ tùng phục vụ cho sản xuất chế tạo Dự kiến trong những năm tới, sau khủng hoảng

là giai đoạn các doanh nghiệp phải loại bỏ công nghệ cũ, đầu tư công nghệ mới nhằmnhanh chóng chiếm lĩnh thị trường Trong ngành cơ khí chính xác, nhu cầu các máycông cụ chính xác như CNC, các máy công cụ chuyên dùng gia công tự động hóa theonhu cầu doanh nghiệp sẽ rất lớn

Máy CNC đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất ởnước ta Đặc biệt, trong ngành cơ khí lĩnh vực tự động hoá và cơ khí chính xác, việcnghiên cứu ứng dụng các máy CNC tạo điều kiện cho quá trình tự động hoá, linh hoạthoá các dây chuyền sản xuất là rất quan trọng đang được các doanh nghiệp và cáctrường đạo tạo kỹ thuật quan tâm Đây là lĩnh vực mới và khó, cần có những bước đithích hợp từ đơn giản đến phức tạp để tiếp cận vấn đề Theo hướng đó, trong các nămqua nhiều đề tài nghiên cứu và chế tạo máy CNC phục vụ gia công cơ khí đã đượcthực hiện tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP.Hồ Chí Minh với mong muốn chếtạo các máy CNC đạt độ chính xác cao có thể ứng dụng vào sản xuất Bên cạnh đó,việc đào tạo sinh viên có nắm vững kiến thức về thiết kế CAD, lập trình gia côngCAM làm nền tảng vận hành điều khiển được các máy CNC công nghiệp cũng đượcđưa vào chương trình đào tạo chính khóa với thời lượng lý thuyết vừa thực hành.Chương trình đào tạo trường luôn quan tâm đến chất lượng đào tạo sinh viên vừa vững

về lý thuyết giỏi về thực hành Do đó, giờ thực hành trường thường ký các hợp đồng

liên kết đào tạo với các trường Cao đẳng nghề trên địa bàn Thành phố để đào tạo taynghề cho sinh viên trong môn học thực hành CAD/CAM/CNC cho sinh viên hai ngành

Kỹ thuật Cơ khí, kỹ thuật Cơ – Điện tử trong những năm qua

Vấn đề đào tạo nguồn nhân lực không thể có được chất lượng sinh viên sau khi ratrường tốt nếu hàng trăm học viên mà chỉ có từ 1 đến 2 chiếc máy để thực hành Giáthành cao, đồ thay thế đắt, người hướng dẫn không được đào tạo bài bản và tâm lý sợ

“làm hỏng” các thiết bị đắt tiền đã làm cho việc đưa máy CNC vào đào tạo gặp rấtnhiều khó khăn Do vậy nếu chúng ta chủ động chế tạo được máy CNC trong trườngthì sẽ là điểm tựa để việc đào tạo chất lượng cao được thuận lợi hơn, giảm chi phí khithuê khoán chuyên môn cho các cơ sở đào tạo bên ngoài

Từ những yếu tố trên trên, việc thiết kế, chế tạo máy CNC là cần thiết để phục vụcho công tác đào tạo, giảng dạy tại trường Kỹ thuật Công nghệ Tp HCM Sau khi chếtạo thử nghiệm thành công tại trường sẽ hướng đến đáp ứng các nhu cầu doanh nghiệp

cơ khí, tự động hóa, sản xuất thủ công mỹ nghệ… trong nước và ngoài nước với mứtgiá cạnh tranh so với các máy từ Đài Loan, Trung Quốc Do vậy, tác giả chọn đề tài:

“Thiết kế và chế tạo máy CNC 3 trục phục vụ trong công tác giảng dạy tại trường Đại học Công nghệ Tp HCM”

1.2 Mục đích của đề tài

Đề tài có các mục đích sau:

- Chế tạo mô hình máy CNC 3 trục gia công vật liệu mềm bằng mica, gỗ,nhôm v.v

- Độ chính xác yêu cầu khi gia công có sai số từ 0.05 đến 0.1mm

- Gia công được các chi tiết kích thước từ Dài x Rộng x Cao trong khoảng từ300x400x100mm

1.3 Nhiệm vụ của đề tài

- Thiết kế cơ khí kết cấu máy CNC với hành trình bàn máy X là 600mm, trục

Y 900mm, trục Z 300mm

- Thi công phần cơ khí, chế tạo và lắp ráp hoàn thiện mô hình máy CNC

- Thiết kế hệ thống mạch điện, board mạch đệm nối từ máy tính xuống hệthống Driver điều khiển các động cơ các trục công tác X,Y, Z; điều khiển cáctrục chính…

1.4 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn của đề tài

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là máy công cụ điều khiển bằng chươngtrình số CNC

- Người nghiên cứu chỉ tập trung nghiên cứu thiết kế, thi công hệ thống cơkhí và hệ thống điều khiển máy CNC

1.5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tính toán, thiết kế trên cơ sở các yêu cầu đặt ra

- Sử dụng phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình tính toán và thực hiện môphỏng kiểm tra kết quả tính toán quá trình trao đổi nhiệt

- Phương pháp tham khảo và tra cứu tài liệu qua thư viện, Internet…

1.6 Nội dung đề tài:

Nội dung đề tài gồm 6 chương chính:

- Chương 1: Đặt vấn đề

- Chương 2: Tổng quan đề tài nghiên cứu

- Chương 3: Thiết kế cơ khí và điều khiển máy

- Chương 4: Giao tiếp phần mềm điều khiển

- Chương 5: Kết quả thực hiện đề tài

- Chương 6:Kết luận và hướng phát triển

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trong bối cảnh phát triển ngành công nghiệp nước ta hiện nay hầu hết các côngnghệ chúng ta đang sử dụng đều phải nhập khẩu Trong quá trình sử dụng, sẽ có rấtnhiều hệ thống cần phải thay thế, sửa chữa, nâng cấp và chúng vẫn phải nhập khẩu vìtrong nước không có những thiết bị, dây chuyền để chế tạo ra các hệ thống đó MáyCNC chế tạo trong nước với chi phí thấp sẽ là chìa khoá để đảm bảo chúng ta có thểnhanh chóng có thể chế tạo được các hệ thống thay thế phù hợp vừa phục vụ cho côngnghiệp vừa đáp ứng nhu cầu các doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ

Nghiên cứu trên thế giới:

Hiện nay trên thế giới việc chế tạo ra máy công cụ tự động CNC đạt tới trình độrất cao Máy CNC được nghiên cứu và đầu tư để tạo ra các loại máy móc thiết bị, dâychuyền sản xuất để phục vụ tất cả các ngành công nghiệp khác Có thể phân loại cácmáy CNC như sau:

- Các máy CNC dùng để cắt gọt kim loại bằng dụng cụ cắt (theo công nghệtruyền thống): máy phay CNC, máy tiện CNC, các trung tâm tiện và phay CNC, máymài CNC

- Các máy CNC dùng để gia công theo công nghệ phi truyền thống: máy xungtia lửa điện, máy cắt dây tia lửa điện, máy cắt bằng Plasma, cắt bằng Laser, máy tạomẫu nhanh RP

- Các máy CNC dùng để gia công biến dạng bằng áp lực: máy đột tự động theochương trình, máy cán, máy ép, máy dập điều khiển số

- Các máy CNC chuyên dụng phục vụ cho các ngành công nghiệp sản xuất hàngloạt hoặc đặc biệt: sản xuất phụ tùng ô tô, đồ tiêu dùng, sản xuất vũ khí, hoá chất độchại…

Nghiên cứu trong nước:

Hiện nay các lĩnh vực ứng dụng của máy CNC trong nước khá đa dạng và phongphú Các sản phẩm do máy CNC tạo ra tập trung các lĩnh vực sau:

- Máy CNC dùng để chế tạo ra các máy móc, thiết bị và dây chuyền sản xuấtphục vụ toàn bộ các ngành kinh tế khác như: công nghiệp nặng (đóng tàu, khai thác

mỏ, điện, dầu khí, thiết bị vận chuyển như ô tô, tàu hoả,…), công nghiệp nhẹ (dệt may,đóng giày, thực phẩm,…), công nghiệp quốc phòng (dây chuyền sản xuất vũ khí,thuốc nổ,…), công nghệ thông tin (dây chuyền sản xuất vi mạch điện tử, lắp ráp máytính và thiết bị viễn thông,…), các thiết bị dùng cho giáo dục và đào tạo, các thiết bị yhọc…

- Máy CNC cũng có thể dùng để tạo ra các sản phẩm thông dụng và sản phẩmcông nghệ cao được sử dụng trong cuộc sống và trong công nghiệp: khuôn mẫu dùng

để tạo ra các chi tiết bằng nhựa dùng trong cuộc sống hàng ngày, các chi tiết để cấy vàchế tạo các ống nano, các chi tiết bằng vật liệu sinh học để thay thế xương trong y học,các đồ gá dùng trong sản xuất chíp điện tử…

2.2 Kết cấu cơ bản của máy CNC

Máy CNC cơ bản gồm hai phần chính:

Phần cơ khí: đế máy, thân máy, bàn máy, bàn xoay, trục vít me bi, ổ tích dụng

cụ, cụm trục chính và băng dẫn hướng Ở Việt Nam hiện nay chưa thể chế tạo ra hai

bộ phận quan trọng của máy là: cụm trục chính và băng dẫn hướng mà mới chỉ chế tạođược những cơ cấu đơn giản là: thân máy, bàn máy, bàn xoay

Phần điều khiển: các loại động cơ, các hệ thống điều khiển và máy tính trungtâm

Hình 2.1 Kết cấu chung của máy CNC

2.2.1 Đầu trục chính

Là nơi lắp dụng cụ, chuyển động quay của trục chính sẽ sinh ra lực cắt để cắt gọtphôi trong quá trình gia công (hình 1.2)

Hình 2.2 Cụm trục chính

Nguồn động lực điều khiển trục chính:

Trục chính được điều khiển bởi các động cơ Thường sử dụng động cơ Servotheo chế độ vòng lặp kín, bằng công nghệ số để tạo ra tốc độ điều khiển chính xác vàhiệu quả cao dưới chế độ tải nặng

Hệ thống điều khiển chính xác góc giữa phần quay và phần tĩnh của động cơtrục chính để tăng momen xoắn và gia tốc nhanh Hệ thống điều khiển này cho phépngười sử dụng có thể tăng tốc độ của trục chính lên rất nhanh

Hình 2.3 Các dạng dẫn động trục chính 2.2.2 Băng dẫn hướng

Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động của bàn theo X,Y và chuyển động lên xuống theo trục Z của trục chính (hình 2.4)

Yêu cầu của hệ thống thanh trượt trượt phải thẳng, có khả năng tải cao, độ cứngvững tốt, không có hiện tượng dính, trơn khi trượt

Hình 2.4 Băng dẫn hướng

2.2.3 Trục vít me đai ốc bi

2.2.3.1 Giới thiệu chung trục vít me đai ốc bi

Trong máy công cụ điều khiển số người ta sử dụng hai dạng vít me cơ bản đó là:vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi

+ Vít me đai ốc thường: là loại mà vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc mặt

+ Vít me đai ốc bi: là loại mà vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc lăn

Ta xét mối quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me đai ốc thường và vít međai ốc bi (hình 2.5):

Hình 2.5 Quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me thường và vít me bi

Đường cong trên là đường cong biểu thị mối quan hệ giữa lực ma sát và tốc độcủa vít me đai ốc thường Đường cong này chia làm hai phần:

+ Phần từ a đến b là vùng ma sát nửa ướt Vùng này có sự tiếp xúc trực tiếpgiữa vít me và đai ốc Khi vận tốc bằng không, lực ma sát lớn nhất, khi vận tốc tănglên dầu dần dần hình thành làm lực ma sát giảm dần tới b

+ Giai đoạn tiếp theo là quá trình bôi trơn giữa hai bề mặt thủy động và như đồthị thì lực ma sát tăng theo tốc độ

Khi điều khiển máy CNC hai hoặc nhiều trục đòi hỏi thời gian khởi động bànmáy nhanh và momen nhỏ Nhìn vào đường cong trên ta thấy vít me đai ốc thườngkhông đảm bảo được yêu cầu trên của máy CNC

Thay vì trạng thái tiếp xúc mặt như vít me đai ốc thường thì vít me đai ốc bi códạng tiếp xúc lăn bằng cách đưa vào các rãnh ren số lượng lớn bi hoặc bi trụ Do tiếpxúc giữa vít me và đai ốc là ma sát lăn nên ma sát có thể là coi là không đáng kể Từ

đồ thị trên ta thấy vít me đai ốc bi đã xóa bỏ được vùng ma sát khô và ma sát nửa khôcủa ma sát thường.

Ưu điểm của vít me đai ốc bi:

+ Mất mát do ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền lớn gần bằng 0.9

+ Đảm bảo chuyển động ổn định vì lực ma sát hầu như không phụ thuộc vàotốc độ

+ Có thể loại trừ khe hở và tạo sức căng ban đầu đảm bảo độ cứng vững dọctrục cao

+ Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài

2.2.3.2 Kết cấu bộ truyền vít me đai ốc bi

Vít me bi có kết cấu đa dạng nhưng chúng đều có cấu tạo chung như sau(H 1.6):

Khử khe hở và tạo sức căng

Kết cấu của bộ truyền vít me bi phải có khả năng khử khe hở dọc trục và điềuchỉnh sức căng ban đầu Khử khe hở và tạo sức căng nhờ việc điều chỉnh vị trí tươngquan giữa hai phần của đai ốc Khử khe hở và tạo sức căng có thể thực hiện bằng cácphương pháp sau(Hình 2.7):

+ Trên mỗi phần đai ốc thiết kế dạng mặt bích để liên kết hai phần đai với nhauthông qua mối ghép ren Để khử khe hở và tạo sức căng ban đầu cho bộ truyền bằngcách giữa hai mặt bích người ta đặt các tấm đệm Với chiều dày các tấm đệm khác

nhau cho phép thay đổi sức căng và vị trí vùng tiếp xúc giữa bi với đai ốc và vít me.Thực hiện điều chỉnh theo phương pháp này có kết cấu đơn giản nhưng việc điềuchỉnh khó khăn.

2.3 Khái niệm cơ bản về điều khiển và điều khiển số

2.3.1 Khái niệm

Là quá trình xảy ra trong môt hệ thống giới hạn, trong đó một hay nhiều đạilượng là đại lượng đầu vào, các đại lượng khác là đại lượng đầu ra, chúng tác động vàảnh hưởng đến hệ thống theo những quy luật riêng

Người ta chia hệ thống điều khiển máy công cụ thành hai loại:

− Điều khiển theo kiểu truyền thống

− Điều khiển số

2.3.2 Điều khiển theo kiểu truyền thống

Hệ thống điều khiển (HTĐK) theo kiểu này gồm: điều khiển bằng cam, điềukhiển theo quảng đường, điều khiển theo thời gian, điều khiển theo chu kì Nhìnchung các loại điều khiển này có chung các đặc điểm chính sau đây:

− Điều khiển máy có sự tham gia phần lớn của người vận hành từ khâu cấpphôi, gá phôi, hiệu chỉnh dụng cụ cho đến khâu kiểm tra sản phẩm

− Các thao tác của HTĐK thường khó thay đổi (chính xác là không thay đổiđược) Do vậy, nó không thích ứng với sự thay đổi sản phẩm

− Nếu không có sự tham gia của người vận hành thì cơ cấu máy thực hiện chutrình làm việc liên tục như các máy tự động Với các loại máy này không thayđổi được hoặc muốn thay đổi cũng rất phức tạp Do vậy, khuynh hướng pháttriển chung là người ta muốn có những HTĐK mà nó dễ dàng thích nghi với sựthay đổi của sản phẩm Nhìn chung, các HTĐK theo kiểu truyền thống tuy cànglúc càng được cải thiện tuỳ theo mức độ cơ khí hoá, tự động hoá của nhà máysản nhưng vẫn chưa thực sự đáp ứng được nhu cầu của thực tế

2.3.3 Điều khiển số

Điều khiển số (Numerical Control) là một quá trình tự động điều khiển các hoạtđộng của máy trên cơ sở các dữ liệu số được mã hoá đặc biệt tạo nên một chương trìnhlàm việc của thiết bị hay hệ thống”

Máy hiểu theo nghĩa rộng bao gồm: các máy cắt kim loại, robot, băng tải vậnchuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công…

Dữ liệu số được mã hoá bao gồm: các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một

số các ký tự đặc biệt

Các chữ số và ký tự đó đại diện cho các đặc tính gia công như kích thước của chitiết, các dụng cụ được yêu cầu, dung dịch trơn nguội, tốc độ vòng quay trục chính, tốc

độ chạy dao và được tổ hợp thành câu lệnh

2.3.4 Các hệ điều khiển số

2.3.4.1 Hệ điều khiển số NC (Numerical control)

Đặc tính của hệ điều khiển này là “chương trình hoá các mối liên hệ” trong đómỗi mảng linh kiện điện tử riêng lẻ được xác định một nhiệm vụ nhất định, liên hệgiữa chúng phải thông qua những dây nối hàn cứng trên các mạch logic điều khiển(hình 2.9)

Chức năng điều khiển được xác định chủ yếu bởi phần cứng

Hình 2.9 Hệ điều khiển NC

2.3.4.2 Hệ điều khiển số CNC (Computer Numerical Control)

Điều khiển CNC là một hệ điều khiển có thể lập trình và ghi nhớ Nó bao hàm một máy tính cấu thành từ các bộ vi xử lý kèm theo các bộ phận ngoại vi

Các chương trình CNC và các hàm logic được lưu trên các vi mạch máy tínhđặc biệt (các thanh ghi bộ nhớ của máy tính) dưới dạng các phần mềm thay vì đượcnối kết cứng (nối dây) do đócác chương trình làm việc có thể thiết lập trước.

Hình 2.10 Hệ điều khiển CNC

2.3.4.3 Các hệ điều khiển số khác

Hệ điều khiển số DNC (Direc Numerial Control) là hệ thống điều khiển trong

đó nhiều máy CNC được nối với một máy vi tính gia công trung tâm qua đường dẫn

dữ liệu

Hệ điều khiển thích nghi (Adaptive Control) là hệ thống điều khiển có tính đếntác động bên ngoài của hệ thống công nghệ để điều chỉnh chu kỳ gia công (quá trìnhgia công) nhằm loại bỏ ảnh hưởng của các yếu tố đó tới độ chính xác gia công

Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System) là hệ thốngsản xuất có mức độ tự động hoá cao bao gồm các máy CNC để gia công tự động, hệ

thống cấp và tháo phôi, hệ thống vận chuyển phôi tự động, các máy tính hệ thống cungcấp chương trình điều khiển toàn bộ công việc.

Hệ thống tích hợp CIM(Computer Integrated Manufacturing) là sự liên kết toàn

bộ giữa CAD(Computer Aided Design) và CAM(Computer Aided Manufacturing) vàomột quá trình giám sát và điều khiển hoàn toàn bằng máy tính

2.3.5 Phân loại các phương pháp điều khiển

Tùy theo yêu cầu của từng loại máy và từng cơ cấu điều khiển, hệ điều khiển cóthể phân thành 3 loại cơ bản: điều khiển điểm – điểm, điều khiển đoạn thẳng và điềukhiển đường (tuyến tính hoặc phi tuyến) Tất nhiên các máy điều khiển đường đều cóthể sử dụng hệ điều khiển điểm – điểm và đoạn thẳng

2.3.5.1 Điều khiển điểm – điểm

Được dùng để gia công các lỗ bằng các

phương pháp khoan, khoét, doa, và cắt ren lỗ

Trong quá trình gia công, chi tiết được cố định

trên bàn máy còn dụng cụ thực hiện việc chạy dao

nhanh đến vị trí đã được lập trình Trong khi dịch

chuyển nhanh dao cụ không thực hiện việc cắt gọt

Chỉ khi nào đạt được toạ độ theo yêu cầu thì nó

mới bắt đầu thực hiện các chuyển động cắt gọt

Hình 2.11 Hệ điều khiển CNC

2.3.5.2 Điều khiển theo đường thẳng

Là dạng điều khiển mà khi gia công dụng cắt được thực hiện lượng chạy dao theomột đường thẳng nào đó (hình 2.12a)

2.3.5.3 Điều khiển theo biên dạng ( Contour )

Là dạng điều khiển cho phép thực hiện chạy dao nhiều trục cùng một lúc, nghĩa

là nó có thể gia công một đường cong bất kì trên mặt phẳng hay trong không gian(hình1.12b)

2.3.5.5 Điều khiển 3D

Cho phép dịch chuyển dụng cụ trong 3 mặt phẳng đồng thời để tạo nên mộtđường cong hay một mặt cong trong không gian bất kỳ Điều này cũng tương ứng vớiquá trình điều khiển đồng thời cả 3 trục của máy theo một quan hệ ràng buộc nào đótại từng thời điểm để tạo nên vết quỹ đạo của dụng cụ theo yêu cầu

Hình 2.14 Phay túi trên máy 3D 2.3.5.6 Điều khiển 2.5D

Cho phép dịch chuyển 2 trục đồng thời để tạo nên một đường cong phẳng, còntrục thứ 3 để điều khiển chuyển động độc lập Điểm khác biệt giữa phương pháp nàyvới phương pháp điều khiển 2D ở chỗ 2 trục được điều khiển đồng thời có thể đượcđổi vị trí cho nhau, có nghĩa là hoặc trong mặt phẳng xoy, yoz hoặc xoz

2.3.5.7 Điều khiển 4D, 5D

Trên cơ sở của điều khiển 3D, người ta còn bố trí cho dụng cụ hoặc chi tiết cóthêm 1 chuyển động quay (hoặc 2 chuyển động quay) xung quanh 1 trục nào đó theomột quan hệ ràng buộc với các chuyển động trên các trục khác của máy 3D Với khảnăng như vậy, các bề mặt phức tạp hay các bề mặt có trục quay có thể được thực hiện

dễ dàng hơn so với khi gia công trên máy 3D

Hình 2.15 Phay túi trên máy 4D Mặt khác, vì lý do công nghệ nên có những bề mặt không thể thực hiện được việc gia công bằng 3D vì có thể tốc độ cắt sẽ khác nhau hoặc sẽ có những điểm có tốc

độ cắt bằng không (như tại đỉnh của dao phay đầu cầu) hay lưỡi cắt của dụng cụ không thể thực hiện việc gia công theo mong muốn (ví dụ như góc cắt không thuận lợi hay có thể bị vướng thân dao vào các phần khác của chi tiết ).

Tóm lại, tùy thuộc vào yêu cầu bề mặt gia công cụ thể mà có thể lựa chọn máythích hợp vì máy càng phức tạp thì giá thành máy càng cao và cần phải bổ sung themnhiều công cụ khác như các phần mềm CAD/CAM hỗ trợ lập trình

Hơn thế nữa, máy càng phức tạp (càng nhiều trục điều khiển) thì tính an toàntrong quá trình vận hành và sử dụng máy càng thấp (dễ bị va chạm dao vào phôi vàmáy) Vì thế để sử dụng được các máy này, người điều khiển trước hết đã sử dụng rấtthành thạo các máy điều khiển theo chương trình số 2D và 3D Cũng dễ thấy là máyphức tạp hơn có thể hoàn toàn đảm nhiệm được vai trò của máy đơn giản hơn, ví dụ nhưmáy 3D có thể đảm nhiệm cho máy 2D và 2,5D

2.4 Hệ tọa độ trên máy CNC và các điểm chuẩn

2.4.1 Hệ tọa độ trên máy CNC

Để xác định vị trí tương quan hình học trong vùng làm việc của máy, trong phạm

vi chi tiết gia công một cách rõ ràng thì cần thiết phải gắn nó vào một hệ tọa độ nàođó

Thông thường trên các máy CNC người ta sử dụng hệ tọa độ Decac Oxyz Cáchxác định các trục theo quy tắc bàn tay phải và nó luôn được gắn vào chi tiết gia công(hình 2.15).

Hình 2.16 Quy tắc xác định tọa độ của máy CNC

Khi tiếp xúc và làm việc với máy CNC phải tuân thủ theo quy ước:

- Chi tiết gia công được xem là cố định còn mọi chuyển động tạo hình và cắt gọt

do dao cụ thực hiện

- Phương trục chính là Oz, chiều dương là chiều dao tiến ra xa chi tiết

- Phương chuyển động của bàn xe dao là Ox và có chiều dương hướng ra xa chi tiết gia công

- Trục Oy được xác định theo quy tắc bàn tay phải

2.4.2 Hệ tọa độ của các loại máy phay

2.4.2.1 Máy phay đứng

- Trục z song song với trục chính và có chiều dương hướng lên trên

- Trục x nằm trên bàn máy, nếu nhìn vào trục chính thì chiều dương hướng về phía bên phải

- Trục y xác định theo quy tắc bàn tay phải

1.4.2.2 Máy phay nằm ngang

- Trục z nằm ngang và có chiều dương hướng vào trục máy

- Trục x nằm trên bàn máy, chiều dương là chiều mà khi nhìn vào trục chính thì

nó nằm phía trái

- Trục y xác định theo quy tắc bàn tay phải

Hình 2.17 Quy tắc bàn tay phải 2.4.3 Các điểm gốc và điểm chuẩn

2.4.3.1 Điểm gốc của máy M (Machine Reference Zero)

Quá trình gia công trên máy điều khiển số được thiết lập bằng một chương trìnhbiểu diễn mối quan hệ giữa dao và chi tiết Do vậy để đảm bảo độ chính xác gia côngthì các chuyển động của dao phải được so sánh với điểm gốc của máy M Điểm M làđiểm giới hạn vùng làm việc của máy, nó được nhà chế tạo quy định Ở máy phaythường nằm ở điểm giới hạn dịch chuyển của bàn máy

2.4.3.2 Điểm chuẩn của máy R (Machine Reference Point)

Là điểm mà tọa độ của nó so với điểm gốc M của máy không thay đổi, cũng donhà chế tạo quy định

2.4.3.3 Điểm zero của phôi W (Workpiece zero point)

Là gốc tọa độ của chi tiết và nó phụ thuộc vào người lập trình

Hình 2.18 Các điểm gốc và điểm chuẩn của máy

− Đối với chi tiết phay người ta thường chọn điểm W tại điểm gốc ngoài của đường viền chi tiết

2.4.3.4 Điểm gốc chương trình P (Programed)

− Điểm gốc của chương trình thực tế là điểm P của dụng cắt

− Chú ý khi chọn điểm P phải thuận tiện cho việc thay dao (không làm ảnh hưởng đến chi tiết và đồ gá)

Hình 2.19 Điểm gốc chương trình

2.4.3.5 Điểm chuẩn của gá dao T và điểm gá dao N(H 1.18)

Điểm T dùng để xác định hệ trục toạ độ của dao Thường khi gá dao trên máythì điểm T trùng với điểm N (H 1.18)

Hình 2.20 Điểm chuẩn của gá dao T và điểm gá dao N 2.4.4 Những khái niệm cơ bản về lập trình gia công trên máy CNC

Trên các máy CNC quá trình gia công được thực hiện một cách tự động Hệthống điều khiển số sẽ điều khiển quá trình gia công theo một chương trình đã lập sẵn.Trong đó, quá trình CNC đóng một vai trò rất quan trọng Nó là một mắc xích quantrọng của quá trình chuẩn bị sản xuất

Trên cơ sở này, cho phép ta định nghĩa lập trình là gì ? Lập trình là quá trình thiếtlập các lệnh cho dụng cụ cắt, trên cơ sở bản vẽ chi tiết và các thông tin công nghệ Nóđược tổng hợp rồi được chuyển sang bộ phận mang dữ liệu Tại đây nó được mã hóa

và sắp xếp theo dạng mà máy có thể hiểu được

2.4.4.1 Quỹ đạo gia công

Để gia công các chi tiết theo chương trình, trước hết phải xác định được quỹ đạochuyển động cắt gọt và quỹ đạo chuyển động của tâm dao P Quỹ đạo của tâm dao cóthể trùng với biến dạng của chi tiết, cụ thể theo đường cách đều biên dạng chi tiết hoặc

cụ thể thay đổi vị trí theo một quy luật xác định so với biến dạng của chi tiết

Để gia công toàn bộ các bề mặt của biên dạng chi tiết thì quỹ đạo chuyển độngcủa tâm dao phải liên tục Tuy nhiên, việc xác định quỹ đạo của tâm dao trong khônggian rất phức tạp Do đó, khi lập trình quỹ đạo của tâm dao thì ta thường lập trình theotừng phần biên dạng riêng biệt

2.4.4.2 Cách ghi kích thước chi tiết

Để lập trình gia công trên máy CNC thì kích thước trên bản vẽ phải được ghitheo toạ độ Đề Các Có hai cách ghi kích thước trên bản vẽ:

− Ghi kích thước tuyệt đối

− Ghi kích thước tương đối (theo gia số)

2.4.5 Thông số công nghệ (Technological Information)

2.4.5.1 Tốc độ chạy dao F (Feedrate)

− Được lập trình với địa chỉ F (mm/ph hoặc in/ph)

− Trong phạm vi lượng chạy dao, có thể lập trình với bất kì giá trị nào

− Chuyển động chạy dao chỉ có thể thực hiện khi trục chính quay

− Giá trị chạy dao sẽ hết hiệu lực khi có một giá trị khác của lượng chạy dao thaythế

2.4.5.2 Số vòng quay trục chính S (Speed)

− Được lập trình với địa chỉ S (v/ph)

− Chiều quay được xác định:

+ Quay theo chiều kim đồng hồ dùng lệnh M03 hoặc S+

+ Quay theo chiều ngược kim đồng hồ dùng lệnh M04 hoặc S-

− Giá trị vòng quay trục chính hiệu lực khi có giá trị khác thay thế

2.5 Chương trình gia công

Một chương trình được thiết lập để gia công một chi tiết gọi là chương trình chi tiết Nó bao gồm nhiều từ lệnh và các từ lệnh này nằm trong các câu lệnh

2.5.1 Quy ước kí tự địa chỉ

Các kí tự địa chỉ, những dấu hiệu đặt biệt (DIN 66025) và các chức năng dịch chuyển:

2.5.2 Cấu trúc một chương trình

Để viết chương trình gia công cho một biên dạng chi tiết Ta tiến hành chia biêndạng đó thành những biên dạng hình học đơn giản Nó có thể được điều khiển trong từng bước gia công hay trong một câu lệnh của chương trình

Cấu trúc cơ bản của một chương trình gia công gồm:

1 Chia biên dạng thành các yếu tố hình học đơn giản.

2 Chia quá trình gia công thành các bước gia công.

3 Lập chương trình.

4 Nạp vào bộ điều khiển.

5 Chạy mô phỏng.

6 Khởi động chương trình.

7 Cho thực hiện việc gia công chi tiết.

2.6 Các phương pháp lập trình cho hệ điều khiển

Xuất phát từ yêu cầu về tính linh hoạt và mức độ tự động hoá cao của tất cả các thiết bị gia công, dẫn tới bước nhảy vọt trong việc ứng dụng các hệ điều khiển CNC trong các phân xưởng, xí nghiệp sản xuất và chế tạo Sự phát triển đó tác động rất lớn đến khả năng thiết lập các chương trình CNC Các phương pháp lập trình :

+ Lập trình trực tiếp trên máy CNC: là quá trình tìm ra các thông số điềukhiển và nạp chúng vào hệ điều khiển, thực hiện trực tiếp trên máy thông qua bảng điều khiển

+ Lập trình với sự trợ giúp của máy tính: quá trình lập trình theo kiểu này tương tự lập trình bằng tay Tuy nhiên, thời gian lập trình và các lỗi được giảm xuống một cách đáng kể nhờ các bộ vi xử lí, bộ nội suy và một số khối lượng lớn các dữ liệu cần thiết được cài đặt sẵn trong máy khi cần chỉ việc truy cập theo địa chỉ và sử dụng

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ PHẦN ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 3.1 Thiết kế cơ khí:

3.1.1 Thiết kế khung máy

Chọn phương án thiết kế khung máy gia công các loại vật liệu mềm như Mica,

gỗ, nhôm phục vụ trong công tác đào tạo Thiết kế nhỏ gọn dễ di chuyển, hình ảnh thiết kế khung máy:

Hình 3 1 Thiết kế phần khung máy

Chiều cao khung : 556mm

Chiều dài khung: 700mm

- Khung máy dùng để chứa hệ thống điều khiển, động cơ của trục chính vàrất nhiều hệ thống khác.

- Đảm bảo độ chính xác khi gia công

- Chụi toàn bộ máy và khối lượng phôi tác dụng lên tạo sự ổn định và cânbằng cho máy

3.1.2 Truyền động trục X

Hình 3 2 Thiết kế truyền động trục X

Vùng làm việc của trục vitme như sau:

 Khoảng cách dịch chuyển theo phương X: 400mm

Chức năng:

 Di chuyển tịnh tiến trục chính theo phương X

3.1.3 Truyền động trục Y

Hình 3 3 Thiết kế truyền động trục Y

Vùng làm việc của trục vitme như sau:

 Khoảng cách dịch chuyển theo phương Y: 600mm

Vùng làm việc của trục vitme như sau:

Khoảng cách dịch chuyển theo phương Z: 200mm

3.2.1 Chọn động cơ truyền động các trục

Chọn động cơ AC Servo để đạt độ chính xác cao, máy hoạt động ổn định, hạnchế hiện mất bước so với sử dụng động cơ bước

Giới thiệu động cơ AC Servo Motor:

Động cơ AC Servo gồm có 2 loại: loại có chổi than và loại không có chổi than.

 Động cơ Servo AC có chổi than:

Động cơ servo chổi than gồm 4 thành phần cơ bản: stator của động cơ AC là một namchâm vĩnh cửu, cuộn day phần ứng lắp trên roto Trong quá trình hoạt động, từ trường

cố định được sinh ra từ nam châm vĩnh cửu gắn trên stator tương tác với dòng từ sinh

ra từ cuộn dây trên roto khi có dòng điện chạy qua nó

Động cơ Servo AC không có chổi than được sử dụng phổ biến trong máy công cụ điềukhiển số Cấu trúc của nó về cơ bản giống như động cơ Servo AC chổi than nhưngkhác ở chổ các cuộn pha của động cơ lắp trên Stato và Rôto là nam châm vĩnh cửu.Roto được chế tạo từ vật liệu ferit hoặc samari coban Rôto làm từ vật liệu samaricoban có khả năng tập trung từ cao và từ dư thấp Nhưng giá thành rôto loại này caohơn nhiều so với khi rôto làm từ vật liệu ferit Vì vậy, nó chỉ dùng để chế tạo rôto chođộng cơ công suất lớn Tương tự như động cơ xoay chiều, từ trường quay trong động

cơ AC không chổi than được sinh ra nhờ mạch điều khiển thứ tự cấp dòng cho cáccuộn pha Cuộn dây pha của động cơ không chuyển động vì vậy có thể sử dụngchuyển mạch bằng điện tử nên loại trừ bằng những nhược điểm tồn tại trong động cơ

AC Servo chổi than

Chọn Động cơ và Driver cho AC servo

Hình dáng bên ngoài của động cơ AC Servo được sử dụng:

Hình 3 6 Hình dạng động cơ truyền động trục chính

Các thông số của động cơ trục X,Y và Z:

Hình 3 7 Thông số bộ động cơ

Driver cho động cơ servo

Hình 3 8 Bộ driver cho ba trục động cơ X, Y và Z Ghi chú các thông số ghi trên driver

Hình 3 10 Biến tần điều khiển

Biến tầng được chọn của hãng Mitsubishi FR-E500 với thông số kỹ thuật như sau:

- Nguồn cung cấp: 1/3 pha 220V/380V, 50/60 Hz

- Dải tần đầu ra: 0.0 - 500 Hz

- Khả năng chịu quá tải: 150% trong 60s, 165% trong 2s

- Dải công suất : 0.4 - 75KW