Nghiên cứu tính toán động học và động lực học máy phay cnc mini 4 trục gia công trên các loại vật liệu phi kim loại

Khi nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy phay CNC 4 trục ta phải xem xét quan hệ động học giữa các cụm trục máy để xác định được không gian làm việc, giới hạn làm việc của máy.. 2.Các chủn

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Tác giả xin cam đoan đây là luận văn của riêng bản thân tác giả Tài liệu sử dụng từ sách, giáo trình và những số liệu & kết quả được dùng trong luận văn đã được xem xét trích dẫn kiểm tra cẩn thận Các số liệu sử dụng cho luận văn từ các đề tài, công trình công bố tập thể đã được trích dẫn đầy đủ và được sự hướng dẫn của tác giả hoặc sự đồng ý của tác giả cho phép sử dụng

Tác giả luận văn

Nguyễn Thịnh

LỜI CẢM ƠN

Thực tế đã chứng mình rằng, “không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự trỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học lớp Cao học tại trường Đại học Thủy Lợi đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa Cơ khí, Khoa Đào tạo sau Đại học, Viện Đào tạo và Khoa học ứng dụng Miền Trung – Trường Đại học Thủy Lợi, đã cùng với chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường Và đặc biệt, cảm ơn gia đình, vợ và các con yêu quý đã tạo mỗi điều kiện thuận lợi đểtôi hoàn thành khóa học này

Em xin chân thành cảm ơn TS Đoàn Yên Thế đã tận tâm hướng dẫn

qua từng buổi học trên lớp cũng như những buổi nói chuyện, thảo luận về lĩnh

vực liên quan đến đề tài và cảm ơn PGS TS Nguyễn Đăng Tộ đã tạo điều

kiện thuật lợi cho lớp chúng em hoàn thành khóa học này

Trân trọng!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 8

MỞ ĐẦU 9

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 9

1.2 Tình hình nghiên cứu 9

1.3 Mục đích nghiên cứu 13

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 13

1.5 Phương pháp nghiên cứu 13

1.6 Tóm tắt nội dung thực hiện 13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 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 Đặc điểm, cấu tạo và ứng dụng của máy CNC 17

1.2.1 Đặc điểm của máy CNC ngày nay 17

1.2.2 Cấu tạo chung máy CNC 17

1.2.3 Ứng dụng của máy CNC mini 21

1.3 Phân loại máy phay CNC mini 22

1.3.1 Kiểu máy phay trục A chuyên động trên trục Z 22

1.3.2 Kiểu máy phay trục A cố định trên bàn máy 23

1.4 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế 25

1.4.1 Lý do và đặc điểm 25

1.4.2 Sơ đồ kết cấu động học của máy 27

1.5 Các bước tính toán và chọn các mô đun cho máy phay CNC 4 trục 27

1.5.1 Tính chọn vít me 27

1.5.2 Tính chọn ổ bi 32

1.5.3 Tính chọn động cơ 35

1.5.4 Tính chọn ray dẫn hướng và bàn máy 36

1.6 Thiết kế 3D máy CNC 4 trục 39

1.6.1 Thiết kế thân máy phay CNC 39

1.6.2 Bài toán tính bền 48

Kết luận chương 1 49

CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA MÁY PHAY CNC 4 TRỤC 50

2.1 Mô hình 3D của máy 50

2.2 Mô hình cơ học và phương trình chuyển động của máy phay CNC 4 trục 51

2.2.1 Mô hình cơ học 51

2.2.2 Cơ sở lý thuyết 52

2.2.3 Thiết lập phương trình chuyển động của máy CNC 4 trục 57

Kết luận chương 2 61

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP SỐ GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY PHAY CNC 4 TRỤC 62

3.1 Bài toán động lực học thuận 62

3.1.1 Các phương pháp biến đổi hệ phương trình vi phân – đại số về hệ phương trình vi phân thường 63

3.1.2 Phương pháp tách các nhân tử Lagrange 66

3.1.3 Phương pháp khử các nhân tử Lagrange 69

3.1.4 Mô phỏng số bài toán động lực học thuận 72

3.2 Bài toán động lực học ngược 76

3.2.1 Phát biểu bài toán 76

3.2.2 Thuật toán giải bài toán động lực học ngược 77

3.2.3 Giải bài toán động lực học ngược trong máy CNC 4 trục 83

Kết luận chương 3 86

CHƯƠNG 4: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TRONG MÁY CNC 87

4.1 Nguyên lý vận hành của máy công cụ điều khiển số 88

4.1.2 Chương trình gia công một chi tiết 88

4.1.3 Khối điều khiển 88

4.1.4 Điều khiển logic 88

4.1.5 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC 88

4.2 Hệ thống tính toán và điều khiển 89

4.2.1 Khái niệm và phân loại 89

4.2.2 Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC 90

4.2.3 Cấu trúc hệ điều khiển CNC 93

4.2.4 Hệ thống điều khiển trực tuyến DNC 94

4.2.5 Hệ thống gia công linh hoạt FMS 94

Kết luận chương 4 95

KẾT LUẬN 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Các dạng chủng loại máy CNC công nghiệp trên thế giới 10

Hình 1 2: Các chủng loại máy CNC để bàn đã có trên thị trường 11

Hình 1 3 Các sản phẩm thủ công sử dụng máy CNC 4 trục để bàn 12

Hình 1 4 Mô hình điều khiển DNC 14

Hình 1 5 Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM 15

Hình 1 6 Cơ sở của các máy CNC 15

Hình 1 7 Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các 16

Hình 1 8 Cấu tạo chung của các máy CNC 18

Hình 1 9 Quy tắc bàn tay phải 18

Hình 1 10 Hệ tọa độ máy CNC cùng các trục phụ 20

Hình 1 11 Gia công cắt gọt trên máy CNC 22

Hình 1 12 Máy CNC 4 trục với phương án dao cố định phôi xoay 22

Hình 1 13 Phương án dao chuyển động xoay 23

Hình 1 14 Phương án phôi di chuyển 2 24

Hình 1 15 Kết cấu khung chữ H 25

Hình 1 16 Sơ đồ kết cấu động học máy CNC 4 trục 27

Hình 1 17 Trình tự tính toán chọn vít me 28

Hình 1 18 Chọn kiểu vít me bi cho trục X, Y, Z 30

Hình 1 19 Sơ đồ tính toán chọn ổ bi 32

Hình 1 20 Sơ đồ lắp ổ bi 32

Hình 1 21 Chọn ổ bi đỡ trục Y 33

Hình 1 22 Chọn ổ đỡ chặn trục Y 33

Hình 1 23 Chọn ổ bi đỡ trục X 33

Hình 1 24 Chọn ổ đỡ chặn trục X 34

Hình 1 25 Chọn ổ bi đỡ trục Z 34

Hình 1 26 Chọn ổ đỡ chặn trục Z 34

Hình 1 27 Động cơ bước MotionKing 23HS1430 36

Hình 1 28 Trình tự tính chọn ray dẫn hướng 37

Hình 1 29 Bàn máy phay CNC 38

Hình 1 30 Mô hình cụm trục Z 42

Hình 1 31 Mô hình cụm trục X 43

Hình 1 32 Mô hình cụm trục Y 45

Hình 1 33 Mô hình cụm trục A 45

Hình 1 34 Kết cấu khung máy CNC 4 trục 47

Hình 1 35 Mô hình máy phay CNC 4 trục 47

Hình 1 36 Kết quả ứng suất, biến dạng, chuyển vị trục X 48

Hình 1 37 Kết quả ứng suất, biến dạng, chuyển vị tấm Z1 48

Hình 1 38 Kết quả ứng suất, biến dạng, chuyển vị tấm Z2 49

Hình 2 1 Mô hình 3D của máy 50

Hình 2 2 Mô hình cơ học của máy phay CNC 4 trục 51

Hình 3 1 Đồ thị dịch chuyển trên các trục 73

Hình 3 2 Dịch chuyển và vận tốc của cụm trục X 74

Hình 3 3 Dịch chuyển và vận tốc của cụm trục Y 74

Hình 3 4 Dịch chuyển và vận tốc của cụm trục Z 75

Hình 3 5 Đường chạy dao s(t) 83

Hình 3 6 Dịch chuyển của các cụm trục X, Y, Z 84

Hình 3 7 Vận tốc của các cụm trục X, Y, Z 85

Hình 3 8 Lực phát động của động cơ 86

Hình 4 1 Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC 88

Hình 4 2 Lưu đồ điểu khiển hệ CNC 89

Hình 4 3 Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay 91

Hình 4 4 Lưu đồ lập trình bằng máy 92

Hình 4 5 Cấu trúc của hệ CNC 94

Hình 4 6 Hệ thống gia công FMS 95

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Thông số kĩ thuật dự kiến của máy phau CNC 4 trục 27

Bảng 1 2 Bảng chế độ làm việc của máy đối với trục Y 29

Bảng 1 3 Bảng chế độ làm việc của máy đối với trục X 29

Bảng 1 4 Bảng chế độ làm việc của máy đối với trục Z 29

Bảng 1 5 Kích thước các ray dẫn hướng 38

Bảng 1 6 Bảng mô hình hóa các chi tiết của trục Z 41

Bảng 1 7 Bảng mô hình hóa các chi tiết của trục X 43

Bảng 1 8 Bảng mô hình hóa các chi tiết của trục Y 45

Bảng 1 9 Bảng mô hình hóa các chi tiết của trục A 46

MỞ ĐẦU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

- Lý do chọn đề tài ? Máy phay CNC mini ngày càng được ứng dụng nhiều

trong học tập, nghiên cứu và sản xuất Để tăng tính linh hoạt và khả năng gia công, các máy CNC nhiều trục ngày càng được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ Việc nghiên cứu bài toán động học và động lực học trong máy là cần thiết trong quá trình thiết kế và chế tạo máy phay CNC 4 trục

- Tính cấp thiết phải nghiên cứu đề tài? Khi nghiên cứu, thiết kế, chế tạo

máy phay CNC 4 trục ta phải xem xét quan hệ động học giữa các cụm trục máy để xác định được không gian làm việc, giới hạn làm việc của máy Đồng thời phải xét đến bài toán động lực học của máy để chọn được động cơ, hệ thống dẫn động phù hợp Thông thường trong các đề tài nghiên cứu về máy phay CNC nhiều trục gần đây việc tính toán thường sử dụng phương pháp kinh nghiệm và tính chọn Đề tài này sẽ xem xét vấn đề này một cách có quan hệ ràng buộc và liên tục với nhau giữa các cụm chi tiết và thể hiện dưới dạng các phương trình

- Sự phù hợp của đề tài với chuyên ngành đào tạo? Máy phay CNC 4 trục là

một sản phẩm đặc trưng của kĩ thuật Cơ khí Việc xem xét, nghiêm cứu về động học

và động lực học của máy phay CNC 4 trục là phù hợp với chuyên ngành đào tạo Kỹ thuật cơ khí, cũng là một trong những lĩnh vực đào tạo chính của Khoa Cơ khí nói riêng và đại học Thủy Lợi nói chung trong tương lai

1.2 Tình hình nghiên cứu

Trong nền sản xuất hiện đại ngày nay, 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

Ở Việt Nam, 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

Hình 1 1 Các dạng chủng loại máy CNC công nghiệp trên thế giới

Hình 1 2.Các chủng loại máy CNC để bàn đã có trên thị trường

Trong ngành công nghiệp gia công điêu khắc và chế tác mỹ thuật: yêu cầu về các sản phẩm với mẫu mã đa dạngđược 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 trườnglà cần thiết Các máy CNC 4 trục đang hiện hành trên thị trường là đủ để đáp ứngsản 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 tronghình ảnh bên dưới

Hình 1 3 Các sản phẩm thủ công sử dụng máy CNC 4 trục để bàn

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 Để tìm hiểu rõ hơn về máy CNC em quyết định lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tính toán động học và động lực học máy phay CNC mini 4 trục gia công trên các loại vật liệu phi kim loại” để làm luận văn tốt nghiệp Đối tượng nghiên cứu ở đây

là máy CNC 4 trục với khổ bàn máy tối đa có thể gia công là 400x600x70, công suất máy 2,2kW

1.3 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của học viên trong đề tài là nghiên cứu các bài toán động học và động lực học trong máy phay CNC 4 trục, ý nghĩa của bài toán động học, động lực học trong việc thiết kế chế tạo máy và các phương pháp để giải quyết các bài toán

đó

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là máy phay CNC 4 trục mini gia công trên các vật liệu phi kim loại

Phạm vi nghiên cứu: xem xét mối quan hệ động học và động lực học giữa các cụm chi tiết trong máy phay CNC 4 trục và các phương pháp giải quyết bài toán động học và động lực học của máy

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết để tính toán động học và động lực học của máy sử dụng phần mềm hỗ trợ Matlab, thiết kế máy trên phần mềm Solidworks và chế tạo thực tế

1.6 Tóm tắt nội dung thực hiện

Luận văn được chia làm 4 chương

Chương 1: Tổng quan về máy CNC

Chương 2: Thiết lập phương trình chuyển động của máy CNC

Chương 3: Phương pháp số giải bài toán động lực học của máy CNC

Chương 4: Bài toán điều khiển trong máy CNC

Mặc dù đã có nhiều cố gắng tuy nhiên do nhiều yếu tố khách quan, kinh nghiệm còn hạn chế và thời gian thực hiện có hạn nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và bạn đọc để em hoàn thiện hơn đề tài

Chân thành cảm ơn!

Hình 1 4 Mô hình điều khiển DNC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 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

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 6 Cơ sở của các máy CNC

Hình 1 5 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

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 7 Miêu tả các 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 goc 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 Đặc điểm, cấu tạo và ứng dụng của máy CNC

1.2.1 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

1.2.2 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 8 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 9 Quy tắc bàn tay phải

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

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 10 Hệ tọa độ máy CNC cùng các trục phụ

1.2.3 Ứng dụng 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 khácnhau

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 tập 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 côngnghiệp gỗ

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 nghành 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

- Cú 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 Thứ nữa, 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 truyềnthống

1.3Phân loại máy phay CNC mini

1.3.1 Kiểu máy phay trục A chuyên động trên trục Z

Hình 1 12 Máy CNC 4 trục với phương án dao cố định phôi xoay

Đặc điểm :

Trục Y chuyển động trên bệ máy , trục X chuyển động trên trục Y , trục Z chuyển động trên trục X, trục A trên gắn trê 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

Hình 1 11 Gia công cắt gọt trên máy CNC

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

1.3.2 Kiểu máy phay trục A cố định trên bàn máy

Phương án trục A lắp trên bàn máy cố định

Hình 1 13 Phương án dao chuyển động xoay

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 :

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,

Phương án trục Z cố định, trục A và bàn máy di chuyển

Hình 1 14 Phương án phôi di chuyển 2

Đặc điểm :

Do trục A gắn trên trục X, trục X di chuyển trên bệ máy, trục Y di chuyển trên trục X, trục Z cố định Phương án này không khả thi, khi gia công máy cần chuyển động cả bàn máy cùng phôi di chuyển Do đó máy cần động cơ trục X,Y với công suất lớn, giá thành cao và không đảm bảo độ cứng vững, an toàn khi gia công

1.4 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế

1.4.1 Lý do và đặc điểm

Trong khuôn khổ luận văn thiết kế máy CNC 4 trục phục vụ gia công gỗ mỹ nghệ, kim loại màu và phục vụ đào tạo Trong khuôn khổ của đồ án tốt nghiệp, để thỏa mãn và cân bằng các yếu tố: độ cứng vững, độ chính xác, kết cấu đơn giản…em quyết định chọn kết cấu khung chữ H

Hình 1 15 Kết cấu khung chữ H Đặc điểm :

Phần cố định bao gồm khung máy ( hay bệ đỡ trục Y), các trục trượt, động cơ

và cơ cấu truyền động của trục Y và trục Z gắn cố định vào khung máy

- Trục Y và trục Z đều trượt trên các thanh trượt gắn cố định ở khung, trục Z trượt trên trục X, trục X trượt trên trục Y

- Trục A được gắn cố định trên bàn máy giúp cho máy có độ cứng vững cao trong quá trình gia công

- Sử dụng động cơ bước với cơ cấu truyền động là vitme đai ốc bi

Nguyên lý hoạt động:

- Như trên Hình 1.15, 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…

Thông số kỹ thuật dự kiến và thông số đầu vào:

Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công V1 = 9m/ph

Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công V2 = 6m/ph

Đường kính dao tối đa (mm) 4

Bảng 1 1 Thông số kĩ thuật dự kiến của máy phau CNC 4 trục

1.4.2 Sơ đồ kết cấu động học của máy

Hình 1 16 Sơ đồ kết cấu động học máy CNC 4 trục

Dựa trên cơ sở đã chọn, nhóm đưa ra kích thước, khối lượng lớn nhất của chi tiết gia công của máy như sau:

+ Kích thước lớn nhất của chi tiết: tấm gỗ 370x340x90 (mm)

1.5Các bước tính toán và chọn các mô đun cho máy phay CNC 4 trục

1.5.1 Tính chọn vít me

Trong máy CNC người ta dùng hai loại vít me cơ bản là vít me đai ốc thường

và vít me đai ốc bi Vít me đai ốc thường là dạng vít me và đai ốc tiếp xúc với nhau theo mặt Vít me đai ốc bi có thêm các viên bi ở giữa, nên vít me và đai ốc sẽ tiếp xúc gián tiếp qua bi, dạng tiếp xúc điểm

Vít me đai ốc bi có ma sát nhỏ, đảm bảo chuyển động ổn định vì lực ma sát không phụ thuộc vào tốc độ Cũng có thể điều chỉnh lực căng ban đầu để loại trừ khe hở giữa vít me và đai ốc, đảm bảo độ cứng vững dọc trục Do đó, để đảm bảo

độ chính xác làm việc lâu dài, nhóm thiết kế chọn sử dụng vít me đai ốc bi cho máy CNC

Hình 1 17 Trình tự tính toán chọn vít me Ngoài ra các chế độ làm việc của máy đối với các trục X, Y, Z được cho theo các

bảng dưới đây

Thông số Chếđộ

làm việc

Lực dọc trục (N)

Tốc độ vòng (vg/ph)

Thời gian làm việc (%)

Tốc độ vòng (vg/ph)

Thời gian làm việc (%)

Tốc độ vòng (vg/ph)

Thời gian làm việc (%)

Bảng 1 4 Bảng chế độ làm việc của máy đối với trục Z

Dựa vào yêu cầu về tải trọng, đường kính trục vít me, ta chọn theo catalog của hãng TBI loại vít me bi có các thông số phù hợp với Ca max và dr để dùng chung cho cả ba trục X, Y, Z

+ Ổ bi loại lưu chuyển bi bên ngoài, mã SFU 01605-4

+ Kiểu: SFU (tiêu chuẩn DIN 69051 form B)

+ Số dòng lưu chuyển bi: 4

+ Đường kính trục vít me: dr = 16 (mm)

+ Bước vít me: l = 5mm

60 × 795

dr = 16 + 1,4 – 3,175 = 14,225 (mm)

Tốc độ này lớn hơn rất nhiều so với tốc độ quay lớn nhất được thiết kế Do vậy lựa chọn như trên thỏa mãn

Chọn ổ bi trục Y

Hình 1 21 Chọn ổ bi đỡ trục Y

Chọn ổ bi đỡ một dãy 16101 như trên hình vẽ

Chọn ổ đỡ chặn có kí hiệu: 7201BEP của SKF

Hình 1 22 Chọn ổ đỡ chặn trục Y

Chọn ổ bi trục X

Hình 1 23 Chọn ổ bi đỡ trục X

Chọn ổ bi đỡ một dãy 16101 như trên hình vẽ

Chọn ổ đỡ chặn có kí hiệu: 7201BEP của SKF

Hình 1 24 Chọn ổ đỡ chặn trục X

Chọn ổ bi trục Z

Hình 1 25.Chọn ổ bi đỡ trục Z

Chọn ổ bi đỡ một dãy 16101 như trên hình vẽ

Chọn ổ đỡ chặn có kí hiệu: 7201BEP của SKF

Hình 1 26 Chọn ổ đỡ chặn trục Z

+ Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống a= 0,4.g = 3,92 m/s2

+ Thời gian hoạt động: Lt = 14600h (khoảng 5 năm)

+ Chọn động cơ bước để điều khiển quỹ đạo chuyển động theo trục

Ta chọn sử dụng ba động cơ giống nhau cho cả ba trục Vì trục Y là trục chịu tải nặng nhất, nên ta tính theo trục Y

+ Hệ số ma sát trượt giữa thép và gang: ta chọn μ = 0,12

Mmach = μ × Fm

2 × π × i × η × v max= 0.12 × 131,87

2 × π × 1 × 0.9 × 1,67 = 1,35 N.m

Tính momen cần thiết để mở máy:

Mstat = Mfric + Mwz + Mmach

= 0,15 + 0 + 1,35

= 1,5 N.m Dựa vào momen khởi động của động cơ và tốc độ tối đa, ta chọn loại động cơ

bướcMotionKing 23HS1430 có momen khởi động là 2,5 N.m, tốc độ quay lớn nhất

là 2000 vg/ph(Dựa vào catalog của hãng MotionKing)

Hình 1 27.Động cơ bước MotionKing 23HS1430

1.5.4 Tính chọn ray dẫn hướng và bàn máy

Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động của bàn theo phương X,Y và chuyển động lên xuống theo trục Z của động cơ trục chính.Yêu cầu của hệ thống ray dẫn hướngphải thẳng, có khả năng tải cao, độ cứng vữngtốt, không có hiện tượng dính, trơn khi trượt

Hình 1 28 Trình tự tính chọn ray dẫn hướng

Tiến trình tính toán

Từ điều kiện làm việc như khối lượng phôi và bàn máy, vận tốc khi không gia công, gia tốc,…ta tính toán các thông số về thời gian, quãng đườngkhi cho cầu máy dịch chuyển trên hành trình, bao gồm :

- Các khoảng cách định vị:

+ Khoảng cách giữa hai con trượt cùng ray

+ Khoảng cách giữa hai con trượt khác ray

+Khoảng cách từ phần di trượt tới đế di trượt theo phương dọc ray dẫn + Khoảng cách từ phần di trượt tới tâm đế di trượt theo phương vuông góc ray dẫn

+ Khoảng cách từ ray dẫn hướng đến phần di trượt

- Tải trọng tác động lên từng con trượt

-Tải trọng tĩnh C0 , từ đó tính tải trọng động cho phép C

-Tính toán, kiểm nghiệm tuổi thọ danh nghĩa

Nếu không thỏa mãn tuổi thọ danh nghĩa, ta chọn lại ray dẫn hướng

Trong khuôn khổ của luận văn không trình bày các bước tính toán cụ thể, các kích

thước của các ray dẫn hướng được cho như trên bảng 1.5

Thông số kỹ thuật bàn mày:

1.6.1 Thiết kế thân máy phay CNC

Yêu cầu về thân và đế máy

Thân và đế máy là một bộ phận quan trọng của máy, nó dùng để chứa, đỡ các

bộ phận khác của máy như hộp tốc độ, hộp chạy dao, bàn máy… Chính vì vậy độ chính xác cũng như độ cứng vững của thân máy ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác gia công của máy Do đó khi thiết kế thân máy cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Thiết kế sao cho có độ cứng vững cao nhưng tiết kiệm vậtliệu

Đảm bảo tính công nghệ

- Tính đúc: độ dày của thành máy không được quá chênh lệch, dễ gây rạnnứt

- Chú ý các điều kiện công nghệ có thể hình thành các vách, thành, lỗ… đểtạo

thành chỗ để dụng cụ, đặt động cơ, bố trí dung dịch làm nguội…

- Lưu ý những điều kiện về công nghệ để gia công thânmáy

Kết cấu thânmáy

Kết cấu của thân máy có rất nhiều dạng khác nhau: kiểu thanh dầm, kiểu khung… và cũng có nhiều lực tác dụng lên thân máy (lực cắt, lực kẹp, lực quán tính…) Trong đề tài này chọn thiết kế thân máy phay CNC Router dạng khung hở Thân máy dạng khung thường được chế tạo và lắp ghép lại bằng bu lông Để tạo độ giảm chấn tốt, các mặt tiếp xúc cần gia công phải nhẵn và không được nối hai chi tiết có vật liệu khác nhau Ngoài ra loại khung hở dễ chế tạo, lắp ghép hơn khung kín và có độ cứng vững cao hơn loại thanhdầm

Vật liệu thân máy

Đế và bàn máy: Để tăng độ chịu tải, tăng độ cứng vững, khả năng tự cân bằng

và dễ cho quá trình chế tạo nờn chọn nhôm hợp kim làm vật liệu chế tạo

Thân máy: Là phần gánh cả kết cấu dẫn động và động cơ đầu cắt

Nhưng do máy chế tạo là loại nhỏ, vật liệu gia công có độ cứng không cao

nên ta chọn nhôm hợp kim là vật liệu chếtạo

Sử dụng phần mềm thiết kế Solidworks để thiết kế máy phay CNC 4 trục

Một số kết quả được thể hiện dưới bảng sau: