Nghiên cứu phát triển thiết kế và cải tiến hệ thống điều khiển máy phay CNC 5 trục phục vụ cho đào tạo

Vì vậy việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy phay CNC 5 trục với kích thước nhỏ gọn và giá thành thấp nhưng vẫn đảm bảo hoạt động hiệu quả, góp phần vào việc từng bước giải mã và làm chủ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT KẾ VÀ CẢI TIẾN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CNC 5 TRỤC PHỤC VỤ CHO ĐÀO TẠO

Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2019

SKC 0 0 6 5 1 9

MÃ SỐ: T2018 – 03TĐ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

Chủ nhiệm đề tài: ThS ĐẶNG MINH PHỤNG

TP HCM, Tháng 03/Năm 2019

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT KẾ

VÀ CẢI TIẾN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY

CNC 5 TRỤC PHỤC VỤ CHO ĐÀO TẠO

Mã số: T2018 – 03TĐ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ MÁY

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH

MÁY CNC 4 TRỤC ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG

NHÔM VÀ KIM LOẠI MÀU

Mã số: T2018 – 03TĐ

Chủ nhiệm đề tài: ThS ĐẶNG MINH PHỤNG

Thành viên đề tài: ThS DƯƠNG THỊ VÂN ANH

TP HCM, Tháng 03/Năm 2019

TÓM TẮT NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT KẾ VÀ CẢI TIẾN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CNC 5 TRỤC PHỤC VỤ CHO ĐÀO TẠO

Ngày nay, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển thì máy móc hiện đại cũng ra đời ngày càng nhiều Chỉ xét riêng lĩnh vực gia công cơ khí, hàng loạt máy CNC ra đời, máy CNC 3 trục, 4 trục, 5 trục, trung tâm gia công, máy CNC cao tốc nhờ đó mà năng suất sản xuất cũng như chất lượng sản phẩm ngày càng được nâng cao Ngoài ra máy CNC còn

có các ưu điểm như: sự linh hoạt, khả năng tự động, độ chính xác cao, gia công những hình dạng phức tạp một cách nhanh chóng chỉ với một tập tin mã lệnh G-Code nhập cho máy Tuy nhiên giá thành nhập khẩu máy phay CNC 5 trục vẫn còn cao Vì vậy việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy phay CNC 5 trục với kích thước nhỏ gọn và giá thành thấp nhưng vẫn đảm bảo hoạt động hiệu quả, góp phần vào việc từng bước giải mã và làm chủ công nghệ chế tạo máy phay CNC 5 trục, từng bước thay thế các thiết bị nhập ngoại giá thành cao phục vụ trong việc đào tạo nghề cho các trường trung cấp, phục vụ cho việc nghiên cứu, giảng dạy trong các phòng thí nghiệm của các trường đại học, cao đẳng cũng như nhận gia công một số sản phẩm không cần độ chính xác cao như khuôn mẫu (có độ chính xác không quá cao), chi tiết cơ khí, sản phẩm nữ trang, sản phẩm điêu khắc, từng bước thử nghiệm, nâng cao độ cứng vững và độ chính xác của máy

Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu phát triển hoàn thiện thiết kế cơ khí cụm trục 4 (A) và cụm trục 5 (C) tích hợp trên máy phay CNC 5 trục, thiết kế và chế tạo cụm

đế máy, vỏ máy và toàn máy, cải tiến hệ thống điều khiển và chế tạo máy phay CNC 5 trục phục vụ cho đào tạo được thực hiện tại Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh

Máy phay CNC 5 trục (3+2) sau khi chế tạo có khả năng gia công các hình dạng phức tạp (phay, khoan, khắc), gia công biên dạng 2D, 3D, 4D và 5D trên vật liệu nhôm, kim loại màu với độ chính xác kích thước đạt mức 0.02 mm

T2018 – 03TĐ

ii

MỤC LỤC

TỔNG QUAN 1

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước thuộc lĩnh vực đề tài 1

1.1 Ngoài nước 1

1.2 Trong nước 2

2 Tính cấp thiết của đề tài 4

3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 5

4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 5

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5

5.1 Đối tượng nghiên cứu 5

5.2 Phạm vi nghiên cứu 5

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

1.1 Khái quát về máy CNC 7

1.1.1 Vài nét sơ lược về máy CNC 7

1.1.2 Cấu tạo chung và quy ước máy CNC 8

1.1.3 Các kiểu hệ thống điều khiển 11

1.2 Động cơ bước 12

1.3 Vitme – đai ốc 15

1.4 Thanh trượt bi 17

CHƯƠNG 2: Ý TƯỞNG VÀ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ 18

2.1 Lựa chọn phương án di chuyển cho X, Y, Z 18

2.2 Các phương án thiết kế máy phay CNC 5 trục 19

2.3 Lựa chọn kiểu điều khiển 21

2.4 Lựa chọn vitme - đai ốc 21

2.5 Lựa chọn cơ cấu dẫn hướng 22

2.6 Lựa chọn bộ truyền và khớp nối trục 24

2.7 Lựa chọn động cơ 25

2.7.1 Động cơ truyền động cho trục X, Y, Z 25

2.7.2 Sử dụng động cơ bước 26

2.7.3 Điều khiển động cơ bước 26

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN 29

3.1 Giới thiệu tổng quan một số linh kiện điện tử 29

3.1.1 Biến áp 29

3.1.2 Cổng kết nối song song 25 chân (Parallel port) 30

3.2 Các loại khí cụ điện 35

3.3 Sơ đồ khối bố trí điều khiển động cơ máy phay CNC 5 trục 37

3.4 Lựa chọn phần mềm điều khiển Mach3 39

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 5 TRỤC 44

4.1 Mô hình thiết kế máy phay CNC 5 trục 44

4.2 Cụm trục X 45

4.3 Cụm trục Y 46

4.4 Cụm trục Z 46

4.5 Cụm trục A, C 46

4.6 Cụm đế máy và vỏ máy 47

4.7 Thiết kế đối trọng: 47

4.8 Tính toán, lựa chọn động cơ bước 50

4.9 Tính toán, lựa chọn động cơ trục chính 61

4.10 Kiểm tra bền (Autodesk Inventor 2018) 64

4.10.1 Kiểm bền phần đỡ trục A của thân cụm 64

4.10.2 Kiểm bền phần trục của Bích bàn quay 2 65

4.10.3 Kiểm bền 4 Lục giác M8 liên kết cụm Động cơ – Hộp số Trục A 65

4.10.4 Kiểm bền toàn Cụm trục 4, 5 66

CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO VÀ LẮP RÁP 68

5.1 Một số chi tiết cần gia công 68

5.2 Hình ảnh gia công, lắp ráp trong thực tế 72

CHƯƠNG 6: BIÊN SOẠN CÁC BÀI TẬP 2D, 3D, 4D, 5D TRÊN MÁY PHAY CNC 5 TRỤC (3+2) 76

6.1 Phần bài tập phay 2D 76

6.2 Phần bài tập phay 3D 101

6.3 Phần bài tập phay 4D 108

6.4 Phần bài tập phay 5D 114

CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ 128

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 131

KẾT LUẬN 131

KIẾN NGHỊ 132

TÀI LIỆU THAM KHẢO 133

Xuất phát từ ý tưởng điều khiển một dụng cụ thông qua một chuỗi lệnh kế tiếp, liên

tục như các máy công cụ Điều khiển số được thực hiện từ thế kỉ XIV Khi ở Châu Âu

người ta dùng các chốt hình trụ để điều khiển các chuyển động của các hình trang trí trên

Năm 1938, Claud E Shannon trong khi làm luận án tiến sĩ đã đi đến kết luận rằng

việc tính toán và truyền tải nhanh dữ liệu có thể thực hiện bằng mã nhị phân

Từ năm 1949 đến 1952, Jonh Parsons và Học viện kỹ thuật Massachusett

(Massachusett Institute Of Technology) đã thiết kế “Một hệ thống điều khiển dành cho

máy công cụ, để điều khiển trực tiếp vị trí của các trục thông qua dữ liệu đầu ra của một

máy tính, làm bằng chứng cho một chức năng gia công chi tiết” theo hợp đồng của không

lực Hoa Kỳ

Cũng trong thời gian này, Parsons cùng với đồng nghiệp của ông đã đưa ra 4 tiên đề

cơ bản sau:

1 Những vị trí được tính ra trên một biên dạng được ghi nhớ vào băng đục lỗ

2 Các vị trí đục lỗ được đọc trên máy một cách tự động

3 Những vị trí đã được đọc ra được liên tục truyền đi và được bổ sung thêm tính toán cho các giá trị trung gian nội tại

4 Các động cơ servo (vô cấp tốc độ) có thể điều khiển được chuyển động các trục

Năm 1952, chiếc máy phay điều khiển số đầu tiên ra đời mang tên là “Cincinnate Hydrotel” có trục thẳng đứng do Học viện kỹ thuật Masssachusett cung cấp Đơn vị điều khiển được lắp bằng các bóng đèn điện tử chân không, điều khiển 3 trục nhận dữ liệu thông qua băng đục lỗ mã nhị phân

Năm 1954, Bendix mua bản quyền phát minh của Parsons và chế tạo được thiết bị điều khiển NC công nghiệp đầu tiên, nhưng vẫn còn dùng bóng đèn điện tử chân không

Năm 1958, “Công cụ lập trình tự động G Code” (Automatically Programmed Tool)

ra đời Đánh dấu một bước phát triển mới về lập trình cho máy

1.2 Trong nước

Ở Việt Nam trước năm 1990 khi nhắc đến công nghệ NC, CNC quả là rất xa lạ và ít người biết đến nó

Bắt đầu từ năm 1991, thông qua một số dự án chuyển giao công nghệ, hợp tác với

nước ngoài như: Dự án “Chuyển giao công nghệ thiết kế, phát triển và chế tạo khuôn mẫu” Lúc đó các công nghệ CNC như: máy phay CNC, máy tiện CNC, đo lường CNC,

lần đầu tiên được giới thiệu và thu hút sự quan tâm của nhiều nhà chuyên môn cũng như của các doanh nghiệp trong nước và liên doanh với nước ngoài

Hiện nay, nhiều nhà máy cơ khí trong nước đã và đang có những dự án đầu tư các dây chuyền sản xuất với phần lớn thiết bị trong dây chuyền là các máy CNC

Mặc dù, công nghệ CNC du nhập vào Việt Nam trong một thời gian ngắn nhưng có thể nói công nghệ này đã có một chỗ đứng tại Việt Nam và tin chắc trong những năm tới đây công nghệ này sẽ được dùng nhiều trong các xí nghiệp, phân xưởng, nhà máy ở nước ta do

nó đem lại hiệu quả kinh tế rất cao Đặc biệt trong điều kiện sản xuất hiện nay ở nước ta

Do vậy, việc đẩy mạnh ứng dụng công nghệ CNC là một nhu cầu cần thiết đối với các cơ

sở sản xuất nói chung và ngành chế tạo máy nói riêng

Hiện nay, một số trường ĐH, CĐ đã chú trọng vào việc chế tạo mô hình máy CNC phục

vụ cho giảng dạy như mô hình máy phay CNC 4 trục của trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật

TP HCM, ĐH Bách Khoa TP HCM, máy tiện CNC, phay CNC, máy cắt plasma, khoan mạch in của ĐH Bách Khoa Hà Nội, mô hình máy khắc chữ của ĐH Bách Khoa Đà Nẵng,…

Tổng quan

3

Hình 2 Máy phay CNC ĐHBK TPHCM Hình 3 Máy phay CNC ĐHBK HN Bên cạnh các máy CNC được chế tạo với mục đích giảng dạy trong các trường học, một bộ phận sinh viên, kỹ sư chế tạo các máy CNC nhằm gia công gỗ, điêu khắc, cắt xốp, cắt kim loại bằng plasma…

Hình 4 Máy CNC TT GDTX Quy Nhơn Hình 5 Máy phay CNC gia công gỗ

Hình 6 Máy tiện CNC ĐHBK Hà Nội Hình 7 Máy cắt xốp

2 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển thì máy móc hiện đại cũng ra đời ngày càng nhiều Chỉ xét riêng lĩnh vực gia công cơ khí, hàng loạt máy CNC ra đời, máy CNC 3 trục, 4 trục, 5 trục, máy CNC cao tốc nhờ đó mà năng suất sản xuất cũng như chất lượng sản phẩm ngày càng được nâng cao

Hình 8 Máy CNC VMC 850 Hình 9 Máy tiện CNC Proton 660

Hình 10 Máy CNC 4 trục RMX 2100 Hình 11 Máy CNC 5 trục tốc độ cao Chính vì sự kỳ diệu của máy CNC (như gia công được những hình dạng phức tạp một cách nhanh chóng, tự động hóa sản xuất chỉ với một tập tin mã lệnh nhập cho máy), một

bộ phận giảng viên, sinh viên, kỹ sư cơ khí đã nghĩ đến việc chế tạo mô hình mô phỏng những hoạt động của máy CNC hiện đại, với kích thước nhỏ gọn và giá thành thấp nhưng vẫn đảm bảo hoạt động hiệu quả, đáp ứng được nhu cầu nghiên cứu, học tập, làm chủ công nghệ cũng như nhận gia công một số sản phẩm không cần độ chính xác cao như sản phẩm điêu khắc, sản phẩm gỗ tại nhà, từng bước thử nghiệm và nâng cao độ chính xác của máy Từ ý tưởng muốn nghiên cứu và từng bước chủ công nghệ chế tạo máy CNC 5 trục nhằm phục vụ cho công nghiên cứu và giảng dạy môn CAD/CAM CNC cơ bản và môn Máy và hệ thống điều khiển số Vì vậy, nhóm tác giả đã đề xuất đề tài

“NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT KẾ VÀ CẢI TIẾN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CNC 5 TRỤC PHỤC VỤ CHO ĐÀO TẠO”

Tổng quan

5

3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu, chế tạo máy CNC đòi hỏi các kiến thức tổng hợp về cơ khí, điện tử, tin học Đây cũng là cơ hội để nhóm tác giả nghiên cứu, tìm hiểu về những máy CNC hiện đại để

từ đó chế tạo ra máy CNC phù hợp với khả năng và nhu cầu sử dụng, đồng thời bổ sung kiến thức nhằm phục vụ cho việc giảng dạy môn CAD/CAM CNC cơ bản và môn Máy và

hệ thống điều khiển số

Sản phẩm sau khi hoàn thành có thể phục vụ cho nghiên cứu, giảng dạy hoặc gia công nhôm và kim loại màu dùng trong trang trí, đồ lưu niệm và có thể gia công các chi tiết lắp ráp không yêu cầu độ chính xác cao

4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Hiệu chỉnh cụm trục X, Y, Z

- Phát triển thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển cụm trục 4, 5

- Thiết kế và chế tạo cụm vỏ máy, cụm đế máy

- Biên soạn bài tập CAD/CAM – CNC cơ bản (bài tập 2D, 3D, 4D) trên máy phay CNC

5 trục

- Đề xuất thiết kế và chế tạo cụm trục 4, 5, thử nghiệm gia công chi tiết 5D

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

5.1 Đối tượng nghiên cứu

- Máy phay CNC 5 trục (3+2), sử dụng hệ thống điều khiển hở

- Phần mềm điều khiển Mach3

- Phần mềm thiết kế, tính toán (Inventor Professional 2018)

- Động cơ bước và phương pháp truyền động

- Chi tiết gia công: vật liệu nhôm, kim loại màu

- Các máy phay CNC 3 trục, 4 trục, 5 trục

5.2 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu phát triển thiết kế và hệ thống điều khiển cụm trục 4 và 5 tích hợp trên máy phay CNC 5 trục (3+2) sử dụng điều khiển hở, sử dụng động cơ bước ứng dụng cho gia công nhôm và kim loại màu

- Đề xuất thiết kế cụm trục 4, 5 tích hợp trên máy phay CNC 5 trục

- Biên soạn bài tập phục vụ cho việc giảng dạy môn CAD/CAM – CNC cơ bản trên máy phay CNC 5 trục

- Độ chính xác máy: 0,02 mm

6 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu

6.1 Cách tiếp cận

- Tìm hiểu nhu cầu thực tế, tính khả thi của đề tài

- Nghiên cứu các công trình đã thực hiện trong và ngoài nước, tham quan trung tâm CNC…

- Căn cứ yêu cầu điều khiển về máy phay CNC 5 trục (3+2), tiến hành phân tích, đề xuất phương án thiết kế thiết kế, tính toán và chế tạo, thực nghiệm cụm trục 4 và 5 tích hợp trên máy phay CNC 5 trục, phát triển thiết kế đế máy, vỏ máy, hệ thống điều khiển

6.2 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: tìm hiểu về máy phay CNC 5 trục

- Phương pháp thực nghiệm: phân tích và đề xuất phương án thiết kế, chế tạo và thử nghiệm cụm trục 4 và 5 tích hợp trên máy phay CNC 5 trục

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

7

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Khái quát về máy CNC

1.1.1 Vài nét sơ lược về máy CNC

Điều khiển số NC (Numerical Control) là phương pháp tự động điều chỉnh các máy công tác (máy công cụ, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu, chi tiết gia công, sản phẩm ) trong đó các chuyển động điều khiển được sản ra trên cơ sở cung cấp các dữ liệu ở dạng

mã nhị phân Nó được biểu diễn dưới dạng các con số thập phân, các chữ cái và ký hiệu đặc trưng tạo thành một chương trình làm việc của thiết bị hay của hệ thống

Trước đây, cũng đã có những quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theo chương trình bằng các kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình bằng hệ thống thuỷ lực Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật nhất là trong lĩnh vực điều khiển số

và tin học đã tạo điều kiện cho quá trình gia công với sự trợ giúp của máy tính

Việc sử dụng các máy CNC cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao

độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tế, đồng thời cho phép rút ngắn được chu kỳ sản xuất Do đó, hiện nhiều nước trên thế giới đã và đang ứng dụng rộng rãi công nghệ mới này vào lĩnh vực cơ khí chế tạo Đặc biệt là chế tạo các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết đòi hỏi độ chính xác và độ phức tạp cao

Trong thời gian đó, ngành công nghệp nói chung đã bắt đầu nhận ra những ưu thế tiềm tàng của kỹ thuật điều khiển số Điều đó buộc họ phải xem xét một cách nghiêm túc, chặt chẽ và kỹ càng những vấn đề về ngành chế tạo máy của chính họ Đồng thời, họ cũng phải suy nghĩ xem kỹ thuật công nghệ mới này có thể giúp đỡ họ như thế nào để cải tiến phương pháp hiện có của họ Người ta nhanh chóng nhận ra rằng, phần lớn các bài toán cắt gọt kim loại như: khoan lỗ, tiện, phay đường thẳng không nhất thiết đòi hỏi tới bộ điều khiển hiện đại, sử dụng những phương máy tính hoá Thế nhưng, việc ứng dụng ngay cả dạng cơ bản nhất của ngôn ngữ APT cho những thành phần hình học đơn giản cũng vừa cồng kềnh, vừa rắc rối và vừa đắt tiền

Do vậy, nhiều ngôn ngữ đơn giản hơn dùng cho mục đích đặc biệt đã được phát triển Tuy nhiên, đa số các ngôn ngữ này điều lấy APT làm gốc

Rồi cho đến giữa những thập niên 70, 80 với sự phát triển của công nghệ vi xử lí Lần dầu tiên nó được đưa vào thiết bị điều khiển số có sự hỗ trợ của máy tính, tạo một bước nhảy khổng lồ trong lĩnh vực điều khiển số Từ các máy điều khiển số NC trở thành những máy điều khiển số CNC (Computeized Numerical Control) tức là những máy công cụ điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính Mặc khác, cùng với những môđun điện tử dùng để lưu trữ dữ liệu và tạo xung, bộ vi xử lí hình thành trung tâm đóng ngắt và tính toán của tất

cả mọi điều khiển số CNC hiện đại Tốc độ chuyển nhanh của các phần tử này đủ để đưa

ra nhiều chức năng và nhiệm vụ tính toán khác nhau mà không làm ảnh hưởng đến nhịp độ

làm việc của các máy công cụ ghép nối với chúng Nhưng nếu một bộ vi xử lí nào đó tỏ ra không đủ thực hiện mọi chức năng yêu cầu trong chu trình thời gian cực đại cho phép, thì khi đó có thể thêm vào đơn vị xử lí thứ 2 hoặc thậm chí thứ 3 sử dụng song song hoặc luân phiên cho những nhiệm vụ đặc biệt

Từ thập niên 80 trở đi, với sự phát triển của công nghệ truyền số liệu, các mạng cục

bộ và liên thông đã tạo điều kiện cho các nhà chế tạo thực hiện việc nối kết giữa các máy CNC riêng lẽ (CNC Machine Tools) lại với nhau tạo thành các trung tâm gia công DNC (Direct Numerical Control) nhằm khai thác một cách có hiệu quả nhất như: cách bố trí, sắp xếp các công việc trên từng máy, tổ chức sản xuất Và cũng dựa trên nền công nghiệp này, một chuỗi các loại thiết bị, phần mềm và hệ thống được phát triển không ngừng bởi các viện nghiên cứu và công nghệ khác nhau trên thế giới Nhằm thoả mãn về nhu cầu thiết

kế và chế tạo đặc biệt

Đó là những phần mềm thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM (Computer Aided Design/ Computer Aided Manufacturing) theo hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System) và cao hơn là việc chế tạo, gia công chi tiết được thực hiện toàn bộ qua máy tính người ta gọi là tổ hợp CIM (Computer Intergraded Manufacturing)

Ngày nay máy CNC còn được dùng vào việc kiểm tra giám sát, điện báo điện tín và nhiều lĩnh vực khác đã đem lại chất lượng và hiệu quả kinh tế rất đáng kể Trong tương lai, với lợi thế về sự ghép nối các hệ thống CNC riêng lẽ với nhau để tạo thành mạng sẽ được phát huy trong chiến lượt gia công toàn cầu Trong đó, dòng thông tin được thu phát, chuyển giao bằng hệ thống vệ tinh, đảm nhiệm vụ liên kết giữa nhu cầu thị trường_ đơn đặt hàng_ nhà thiết kế_ nhà chế tạo_ nhà cung cấp_ nhà tiêu thụ trong mạng liên thông toàn cầu WAR (World Area Netword)

1.1.2 Cấu tạo chung và quy ước máy CNC

Hình 1.1 Mô hình khái quát của máy CNC

Máy gồm 2 phần chính:

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

9

a) Phần điều khiển: gồm chương trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển

Chương trình điều khiển là tập hợp các tín hiệu để điều khiển máy, được mã hóa dưới dạng chữ cái, chữ số và các kí hiệu khác như: dấu cộng, trừ, dấu chấm… chứa các lệnh chuyển động và hoạt động của máy Chương trình này được ghi lên cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã số (chẳng hạn mã nhị phân trong bộ nhớ máy tính)

Các cơ cấu điều khiển nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực hiện các phép biến đổi cần thiết để có được tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra sự hoạt động của chúng thông qua các tín hiệu gửi về từ các cảm biến liên hệ ngược Bao gồm các cơ cấu đọc, giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuếch đại, cơ cấu đo hành trình, cơ cấu đo vận tốc, bộ nhớ và các thiết bị xuất nhập tín hiệu

b) Phần chấp hành: gồm máy cắt kim loại và một số cơ cấu phục vụ vấn đề tự động hóa như các cơ cấu tay máy, ổ chứa dao, bôi trơn, vận chuyển phôi…

Cũng như các máy cắt kim loại khác đây là bộ phận cắt kim loại tạo hình chi tiết Tùy theo khả năng công nghệ của máy mà bao gồm các bộ phận: hộp tốc độ, hộp chạy dao, thân máy, sống trượt, bàn máy, trục chính, ổ chứa dao, các tay máy…

Kết cấu từng bộ phận chính như máy vạn năng thông thường, tuy nhiên có một vài khác biệt để đảm bảo cho quá trình điều khiển tự động được ổn định, chính xác, năng suất và

mở rộng khả năng công nghệ của máy

- Hộp tốc độ: phạm vi điều khiển tốc độ lớn thường là truyền động vô cấp, trong đó sử dụng các ly hợp điện từ để thay đổi tốc độ được dễ dàng

- Hộp chạy dao có nguồn dẫn động riêng thường là động cơ bước, sử dụng phương pháp khử khe hở của bộ truyền vitme - đai ốc bi…

- Thân máy cứng vững, kết cấu hợp lý để dễ thoát phoi, thay dao tự động.…

Trong các máy CNC có thể sử dụng các dạng điều khiển thích nghi khác nhau đảm bảo một hay nhiều thông số tối ưu như thành phần lực cắt, độ ồn, độ rung, chế độ cắt…

 Quy ước hệ tọa độ của máy CNC:

Hình 1.2 Hệ tọa độ máy CNC

Ba trục chuyển động tịnh tiến của máy CNC ký hiệu là X, Y, Z Trục Z vuông góc với

2 trục còn lại và tạo nên hệ trục tọa độ vuông góc theo quy tắc bàn tay phải (hình 1.3) Trục

Z thường được quy ước trùng với trục chính Chiều dương là chiều dụng cụ cắt rời xa khỏi chi tiết Chiều quay dương cùng chiều kim đồng hồ nhìn từ gốc tọa độ Trục X thường được chọn là trục tạo nên chuyển động tịnh tiến lớn nhất Trục Y là trục vuông góc với 2 trục còn lại theo qui tắc bàn tay phải

Hình 1.3 Qui tắc bàn tay phải

Bên cạnh 3 trục tịnh tiến X, Y, Z, 3 trục quay của máy ký hiệu A, B, C: chuyển động xoay quanh trục X là trục quay thứ nhất ký hiệu bằng chữ A, chuyển động quay quanh Y

ký hiệu B, chuyển động quay quanh trục Z ký hiệu chữ C, 3 trục phục song song U (//X),

V (//Y) và W (//Z)

Hệ tọa độ chuẩn:

* Điểm gốc của máy M (Machine Reference Zero)

Quá trình gia công trên máy điều khiển số được thiết lập bằng một chương trình biểu diễn mối quan hệ giữa dao và chi tiết Do vậy để đảm bảo độ chính xác gia công thì các chuyển động của dao phải được so sánh với điểm gốc của máy M Điểm M là điểm giới hạn vùng làm việc của máy Nó được các nhà chế tạo quy định

Ở máy phay thường nằm ở điểm giới hạn dịch chuyển của bàn máy

*Điểm chuẩn của máy R (Machine Reference Point)

Là điểm mà toạ độ của nó so với điểm gốc của máy M là không thay đổi và cũng do các nhà chế tạo qui định

Hình 1.4 Các điểm gốc và điểm chuẩn

* Điểm zero của phôi W (Workpiece Zero Point)

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

11

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

* Điểm gốc của chương trình P (Programmed)

Điểm gốc của chương trình thực tế là điểm P của dụng cắt (hình 2.5)

Hình 1.5 Các điểm gốc của chương trình P

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

* Điểm chuẩn của gá dao T và điểm gá dao N

Điểm T dùng để xác định hệ trục toạ độ của dao Thường khi gá dao trên máy thì điểm

T trùng với điểm N (hình1.6)

Hình 1.6 Điểm chuẩn gá dao T và điểm gá dao N

1.1.3 Các kiểu hệ thống điều khiển

 Hệ thống điều khiển hở: sử dụng động cơ bước Sử dụng động cơ bước là cách đơn giản để chuyển các xung điện thành lượng di chuyển tỉ lệ và cung cấp một giải pháp tương đối rẻ tiền cho việc điều khiển máy Bởi vì điều khiển hở nên không cần bộ dò và mạch điện phản hồi, nên cấu trúc điều khiển rất đơn giản

+ Độ chính xác của hệ thống phụ thuộc vào tính năng của động cơ bước, độ chính xác của vít me bi và bộ phận truyền động

Hình 1.7 Điều khiển vòng hở

 Hệ thống điều khiển vòng kín: sử dụng các động cơ servo Hệ điều khiển này đo lường vị trí và tốc độ thực của động cơ và đem các giá trị này so sánh với giá trị mong muốn thông qua đường hồi tiếp Nếu tín hiệu so sánh khác nhau thì tiếp tục điều khiển động cơ cho đến khi giá trị hai tín hiệu bằng nhau

T

N

Hình 1.8 Điều khiển vòng kín

1.2 Động cơ bước

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa

số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết

Về hoạt động, động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay

và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

Động cơ bước gồm 3 loại chính: Động cơ bước từ trở biến đổi (Variable – Reluctance stepper motor), động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Permanent Magner stepper motor),

động cơ bước kiểu lai (Hybride stepping motor)

 Động cơ bước từ trở biến đổi: Có rôto làm bằng thép non có khả năng dẫn từ cao và các cuộn dây của stato đối xứng nhau qua rôto có cùng cực tính Động cơ này hoạt động trên nguyên tắc: Khi cấp điện cho một cuộn dây pha, từ trở trong động cơ lớn, mômen từ tác dụng làm quay rôto sao cho từ trở đạt giá trị nhỏ nhất, khi đó mômen bằng không, động cơ dừng lại Tiếp tục cấp điện lần lượt cho các cuộn pha thì động cơ sẽ hoạt động liên tục theo một chiều nhất định Đảo chiều chuyển động bằng cách đảo ngược thứ tự cấp điện cho các cuộn dây pha Nhược điểm của loại động cơ này là rôto làm bằng thép non và khi mất điện rôto không có từ dư nên nó sẽ quay tự do dưới tác dụng của tải

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

Hình 1.10 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu

 Động cơ bước lai: Có đặc trưng cấu trúc của cả hai loại động cơ biến từ trở và nam châm vĩnh cửu Rôto của động cơ kiểu lai chia làm 2 đoạn, trục làm bằng nam châm vĩnh cửu và 2 rôto làm bằng thép non, tương ứng với 2 đoạn stato là các cuộn dây, trục rôto được đặt lên hai ổ bi như hình 1.11

Hình 1.11 Động cơ bước lai

 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu:

+ Động cơ bước đơn cực là một dạng động cơ nam châm vĩnh cửu có sơ đồ đấu dây như hình 1.12 với một đầu nối trung tâm trên các cuộn dây Khi sử dụng, các đầu nối trung tâm đấu với cực dương của nguồn cấp và hai đầu còn lại nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi cuộn dây Loại động cơ này có thể là 6 dây (hoặc 5 dây- nhập 2 dây power

1 và power 2 thành 1 dây duy nhất) và loại 8 dây

Hình 1.12 Động cơ bước đơn cực Hình 1.13 Loại đơn cực 8 dây Nguyên lý hoạt động được mô phỏng bằng hình 1.15 ở đây các cực của cuộn dây tạo ra bằng cách lần lượt cấp xung như sau: 1a, 2a, 1b, 2b thì động cơ quay hết một vòng với mỗi bước là 90o

+ Động cơ bước lưỡng cực có cấu trúc và nguyên lý hoạt động giống như động cơ đơn cực, tuy nhiên hai mấu của cuộn dây đấu đơn giản hơn, không có đầu trung tâm Động cơ thì đơn giản hơn nhưng mạch điều khiển để đảo cực mỗi cặp cực thì phức tạp hơn Nói chung về nguyên tắc điều khiển thì tương tự động cơ đơn cực, bằng cách cấp xung lần lượt cho các pha Tuy nhiên khác với động cơ đơn cực là dòng điện chỉ chạy theo một chiều nhất định qua các cuộn dây, còn đối với động cơ lưỡng cực phải đảo chiều dòng điện chạy qua cuộn dây để đảo cực từ Để điều khiển động cơ lưỡng cực thường dùng dạng cầu H

cho mỗi pha (trình bày ở mục Mạch điều khiển cho động cơ lưỡng cực - mạch cầu H)

Hình 1.14 Động cơ bước lưỡng cực

Động cơ lưỡng cực thường có loại 4 dây, 6 dây và 8 dây (hình 1.15) Đối với loại lưỡng

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

15

với độ tự cảm cao hơn nhưng dòng điện có cường độ thấp hơn, đối với dạng mắc song song thì ngược lại

Hình 1.15 Động cơ lưỡng cực loại 6 dây và 8 dây

+ Động cơ nhiều pha:

Hình 1.16 Động cơ nhiều pha

Một bộ phận không được phổ biến là động cơ nam châm vĩnh cửu nhiều pha với các cuộn dây mắc nối tiếp nhau thành một vòng kín phổ biến là dạng 3 pha và 5 pha

Bộ điều khiển cần nửa cầu H cho mỗi một đầu ra của động cơ, những động cơ này

có thể cung cấp mômen xoắn lớn hơn so với các loại động cơ bước khác cùng kích thước Một vài động cơ 5 pha có thể xử lý cấp cao để có được bước 0.720 (500 bước mỗi vòng)

Hình 1.17 Vítme bi

Vitme - đai ốc bi có cấu tạo gồm: trục vitme, đai ốc, bi và khe hồi bi (hình 1.18) Bề mặt ren của trục vitme được tôi cứng và hoạt động trên những viên bi đỡ Chính nhờ những viên bi này mà ma sát trượt trên vitme - đai ốc thường được thay thế bằng ma sát lăn trên vitme - đai ốc bi Kết quả là ma sát nhỏ hơn và hiệu suất vitme - đai ốc bi trên 90%

Hình 1.18 Cấu tạo vitme bi Vitme - đai ốc bi được thiết kế để khử khe hở và điều chỉnh sức căng ban đầu Có 3 phương pháp được áp dụng:

+ Trên mỗi phần đai ốc thiết kế dạng mặt bích, liên kết hai phần này với nhau thông qua mối ghép ren, khử khe hở bằng cách đặt tấm đệm giữa hai phần đai ốc (hình 1.19) Cách này có kết cấu đơn giản nhưng khó điều chỉnh

+ Cố định phần đai ốc trái, điều chỉnh lực lò xo tác dụng lên phần đai ốc phải thông qua các tấm đệm (hình 1.20)

+ Khử khe hở bằng vành răng (hình 1.21) khi xoay hai phần đai ốc sẽ quay hai góc khác nhau, nhờ đó khe hở và sức căng được điều chỉnh

Hình 1.19 Khử khe hở bằng tấm đệm Hình 1.20 Khử khe hở bằng lò xo

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

17

Hình 1.21 Khử khe hở bằng vành răng

1.4 Thanh trượt bi

Trong các hệ thống máy móc, các thanh trượt có nhiệm vụ chính là dẫn hướng chuyển động Có rất nhiều dạng thanh trượt được sử dụng, tuy nhiên đối với máy CNC thì chủ yếu sử dụng thanh trượt bi

Hình 1.22 Thanh trượt bi

Hình 1.23 Cấu tạo ổ trượt

Cấu tạo của thanh trượt bi gồm có: thanh ray (thanh dẫn hướng), ổ trượt, bi, rọ chứa bi, rãnh chứa bi

Khi tác dụng lực lên ổ trượt dọc theo chiều thanh dẫn thì có sự chuyển động tương đối giữa ổ trượt và thanh ray nhờ vào chuyển động lăn của các viên bi tiếp xúc giữa ổ trượt và thanh dẫn Chính nhờ những viên bi này cùng với lớp mỡ bôi trơn mà giảm đáng kể lực

ma sát, làm cho chuyển động trượt được dễ dàng

Ngoài ra còn có loại thanh trượt thường cũng gồm 2 phần chính là ổ trượt và thanh dẫn, tuy nhiên không có bi trong ổ trượt như thanh trượt bi Do vậy, ma sát được hình thành khi

có chuyển động là ma sát trượt - lớn hơn nhiều so với ma sát lăn trong thanh trượt bi

CHƯƠNG 2: Ý TƯỞNG VÀ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ 2.1 Lựa chọn phương án di chuyển cho X, Y, Z

Căn cứ vào khả năng chuyển động của bàn máy CNC có thể chia làm 3 loại mô hình máy CNC như sau:

+ Bàn máy đứng yên (hình 2.1a)

+ Bàn máy di chuyển theo một phương Y (hình 2.1b)

+ Bàn máy di chuyển theo hai phương X, Y (hình 2.1c)

a) b) c)

Hình 2.1 Các kiểu mô hình CNC

Mỗi loại kết cấu máy CNC trên đều có những ưu - nhược điểm riêng, tùy vào nhu cầu chế tạo mà lựa chọn kiểu mô hình phù hợp

 Loại bàn máy đứng yên - loại 1 (hình 2.1a):

Đối với loại kết cấu này thì chỉ có phần đế của máy CNC gồm bàn máy và cơ cấu mang động cơ trục Y thì được lắp cố định Phần di động gồm có ổ trục Z và ổ trục X

Ưu điểm lớn nhất của kết cấu này đó là không gian bàn máy lớn, có thể gia công được vật thể có kích thước xấp xỉ vùng chuyển động của các trục, vượt trội 2 loại mô hình trên Kết cấu máy loại này có phần di động lớn nên có thể mất cân đối giữa phần động và phần tĩnh từ đó làm cho máy bị rung, lắc trong quá trình chuyển động Để khắc phục vấn

đề đó có thể gia tăng khối lượng của bàn máy

Hầu hết các máy CNC tự chế đều thiết kế theo phương án này

 Loại bàn máy di chuyển theo một phương - loại 2 (hình 2.1b):

Cơ cấu mang động cơ trục chính sẽ trượt dọc theo trục Z thẳng đứng và toàn bộ ổ đỡ trục

Z thì di chuyển trên trục X Bàn máy thì di chuyển theo phương Y Cơ cấu mang động cơ trục X và Y được lắp cố định vào khung máy

Chương 6: Biên soạn bài tập trên máy phay CNC 5 trục

19

Nếu thiết kế mô hình theo kiểu này thì sẽ làm trục X chịu tải trọng lớn từ trục Z và có xu hướng bị lật và như vậy sẽ làm giảm độ chính xác khi gia công

 Loại bàn máy di chuyển theo cả 2 phương - loại 3 (hình 2.1c):

Phần di động gồm có bàn máy (di chuyển theo 2 phương X, Y trên một mặt phẳng nằm ngang) và ổ đỡ chứa động cơ trục chính (di chuyển theo phương thẳng đứng) Các cơ cấu lắp động cơ trục X, Y, Z được cố định vào khung máy

Khi thiết kế máy theo kiểu này thì trục chính ít bị rung hơn so với trường hợp 2 vì trục chính nó chỉ chuyển động theo một phương Ngoài ra kết cấu kiểu này sẽ làm bàn máy linh hoạt hơn trong quá trình chuyển động và khả năng chịu tải của bàn máy cũng không hề giảm so với trường hợp 2

Tóm lại, sau khi so sánh ưu - nhược điểm giữa 3 loại mô hình, tác giả đề xuất chọn mô hình máy CNC loại 3 - bàn máy di chuyển theo 2 hướng

2.2 Các phương án thiết kế máy phay CNC 5 trục

2.2.1 Máy phay CNC 5 trục dạng Đầu/Bàn

Máy phay CNC 5 trục dạng Đầu/Bàn bao gồm 3 trục tịnh tiến X, Y, Z thông dụng cùng

với trục A quay bàn máy và trục B quay đầu dao

Hình 2.2 Máy phay CNC 5 trục dạng Đầu/Bàn Máy phay CNC 5 trục dạng Đầu/Bàn có ưu điểm là gia công được các chi tiết máy có kích thước và khối lượng lớn Tuy nhiên đầu dao cần đảo bảo độ cứng vững khi thực hiện chuyển động quay và gia công, đồng thời dẫn đến phức tạp trong chế tạo

2.2.2 Máy phay CNC 5 trục dạng Đầu/Đầu

Máy phay CNC 5 trục dạng Đầu/Đầu gồm 3 trục tịnh tiến X, Y, Z thông dụng, tùy theo

mục đích sử dụng mà Đầu Dao có thể quay theo trục A;C, trục A;B hay trục B;C

Hình 2.3 Máy phay CNC 5 trục dạng Đầu/Đầu Máy phay CNC 5 trục dạng Đầu/Đầu là dạng máy phay CNC thông dụng trong các nhà máy sản xuất theo dây chuyền nhờ sự linh hoạt của đầu dao cũng như khả năng gia công không phụ thuộc vào kích thước và khối lượng của chi tiết Tuy nhiên do mọi khớp chuyển động đều tập trung ở Đầu Dao do đó thiết kế và gia công rất phức tạp

2.2.3 Máy phay CNC 5 trục dạng Bàn/Bàn

Máy phay CNC 5 trục dạng Bàn/Bàn bao gồm 3 trục tịnh tiến X,Y,Z thông dụng, Bàn

máy mang theo chi tiết đồng thời quay chi tiết theo trục A và trục C

Hình 2.4 Máy phay CNC 5 trục dạng Bàn/Bàn Máy phay CNC 5 trục dạng Bàn/Bàn có ưu điểm là dễ chế tạo nhờ khả năng tận dụng được không gian có sẵn của máy CNC 3 trục mà không tác động nhiều đến kết cấu của máy Tuy nhiên, dạng Bàn/Bàn có nhược điểm là góc quay và mặt phẳng gia công bị hạn chế, kết cấu cồng kềnh, phục thuộc nhiều vào kích thước và khối lượng của chi tiết gia công

Chương 6: Biên soạn bài tập trên máy phay CNC 5 trục

21

2.3 Lựa chọn kiểu điều khiển

Điều khiển máy CNC có thể sử dụng kiểu điều khiển vòng kín với động cơ servo có hồi tiếp được sử dụng nhiều trong các máy CNC hiện đại và đòi hỏi độ chính xác cao Ngoài ra, kiểu điều khiển vòng hở với động cơ bước không cần hồi tiếp dành cho các hệ thống đơn giản, không quá khắc khe về độ chính xác và đương nhiên giá thành cũng thấp hơn so với các hệ thống điều khiển vòng kín

Đối với đề tài chế tạo mô hình máy CNC phục vụ cho việc nghiên cứu, giảng dạy thì thích hợp là sử dụng động cơ bước với điều khiển vòng hở vừa tiết kiệm chi phí đồng thời vẫn đảm bảo yêu cầu tương đối về độ chính xác Bên cạnh đó, còn một lý do quan trọng khác là phần mềm điều khiển Mach3 không hỗ trợ điều khiển vòng kín

2.4 Lựa chọn vitme - đai ốc

Vítme - đai ốc được sử dụng trong mô hình máy CNC nhằm biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của tải Có 2 loại vítme - đai ốc được sử dụng đó

là vítme - đai ốc bi và vítme - đai ốc thường

+ Căn cứ vào cấu tạo thì việc chế tạo vít me-đai ốc bi đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao, phức tạp hơn nhiều so với vít me - đai ốc thường

+ Giá thành của vítme - đai ốc bi cao hơn nhiều so với vítme - đai ốc thường

Hình 2.5 Vítme - đai ốc bi

+ Nhờ có chuyển động lăn trên các viên bi mà ma sát trên vítme - đai ốc bi nhỏ hơn rất nhiều so với ma sát trên vítme - đai ốc thường, do đó việc truyền động dễ dàng hơn hay mômen cần thiết để quay vít me bi sẽ nhỏ hơn mômen cần cung cấp cho vítme thường

+ Trong vítme bi có kết cấu làm giảm khe hở, tạo sức căng ban đầu Nói chung, khe hở của vitme bi nhỏ hơn so với vitme thường nên sẽ giảm rung động khi truyền động cho tải

+ Hiệu suất truyền động của vítme - đai ốc bi cao hơn vítme thường (vítme bi trên 90%)

+ Vítme - đai ốc bi đảm bảo chính xác khi làm việc lâu dài

+ Vítme - đai ốc bi có lực ma sát nhỏ và ổn định, gần như không phụ thuộc vào tốc độ

Hình 2.6 Quan hệ giữa hệ số ma sát và tốc độ (vitme thường và vitme bi) Quan sát trên đồ thị, đối với vítme thường (ma sát bề mặt), khi mới khởi động thì hệ số

ma sát sinh ra rất lớn, vận tốc tăng lên thì nêm dầu dần dần được hình thành làm hệ số ma sát giảm xuống đến điểm b, sau đó lại tăng tuyến tính theo tốc độ Đối với vítme bi, khi tốc

độ còn nhỏ thì hệ số ma sát nhỏ hơn nhiều so với vítme thường, tốc độ càng tăng thì hệ số

ma sát gần như ổn định

Nếu xét tại thời điểm khởi động thì vítme bi cần một mômen nhỏ hơn nhiều so với vít

me thường mà trong điều khiển CNC thì cần khởi động trục X, Y, Z nhanh với mômen càng nhỏ càng tốt Rõ ràng, khi cân nhắc sử dụng giữa vítme - đai ốc thường và vítme - đai

ốc bi (bỏ qua yếu tố giá thành) thì vítme - đai ốc bi là lựa chọn phù hợp

2.5 Lựa chọn cơ cấu dẫn hướng

Để thực hiện dẫn hướng cho các trục trên mô hình máy CNC có thể nghĩ đến phương án

sử dụng rãnh trượt mang cá Theo phương án này trục vítme được nối với động cơ và gắn chặt vào phần cố định của mang cá, đai ốc được gắn chặt vào phần di động Khi động cơ quay trục vítme - đai ốc sẽ mang phần di động trượt tịnh tiến theo rãnh mang cá

Nếu ứng dụng rãnh mang cá vào mô hình máy CNC thì có một số nhược điểm như sau:

- Việc gia công sống trượt mang cá phức tạp

- Phoi có thể rơi vào bề mặt trượt giữa 2 rãnh mang cá

- Ma sát trượt tạo ra độ mài mòn Bên cạnh đó hai rãnh mang cá trượt với nhau có các miếng nêm để điều chỉnh độ hở giữa 2 rãnh mang cá Máy sử dụng sau một thời gian phải thay thế các miếng niêm, việc thay thế miếng niêm này khá phức tạp

Chương 6: Biên soạn bài tập trên máy phay CNC 5 trục

+ Dẫn hướng với trục trơn (hình 2.8d) khó lắp đảm bảo độ song song giữa các trục,

có thể khiến cơ cấu bị kẹt, ma sát với trục trượt lớn

a) Ray trượt b) Ray trượt tự chế

c) Thanh dẫn hướng tự chế d) Dẫn hướng bằng trục trơn

Hình 2.8 Thanh dẫn hướng + Sử dụng thanh trượt bi (hình 2.9) có nhiều ưu điểm hơn so với các loại ray trượt trên Ưu điểm của phương án này là không cần phải chế tạo cơ khí nhiều vì thanh trượt

đã có sẵn trên thị trường Ma sát lăn trên rãnh bi làm cơ cấu trượt nhẹ nhàng hơn so với thanh trượt trơn Có độ cứng cao, chịu tải tốt, tuổi thọ cao, ít bị mài mòn, hoạt động

êm, chống rung động tốt, dễ dàng bảo trì và thay thế Tuy nhiên, giá thành khá cao và cần lắp ráp cho 2 thanh trượt song song với nhau

Hình 2.9 Thanh trượt bi

Để đảm bảo hai thanh trượt song song Trước hết ta bắt cố định 1 thanh trượt Đặt bàn máy lên hai thanh trượt rồi di chuyển bàn máy trượt dọc theo thanh trượt, khi đó thanh trượt còn lại sẽ tự điều chỉnh song song với thanh làm chuẩn ban đầu, hay để chính xác hơn nữa có thể dùng đồng hồ so để kiểm tra độ song song giữa hai thanh trượt

Tóm lại, thông qua những so sánh, phân tích về ưu - nhược điểm của các loại cơ cấu dẫn hướng thì thanh trượt bi đáp ứng đầy đủ những tiêu chí cần thiết cho mô hình máy CNC

2.6 Lựa chọn bộ truyền và khớp nối trục

Bộ truyền có tác dụng dẫn động, truyền công suất từ trục động cơ sang trục vítme Do

đó, hiệu suất bộ truyền càng cao càng tốt, đồng thời đòi hỏi hệ thống phải hoạt động ổn định trong một thời gian dài

Bộ truyền bánh ma sát thường bị mòn nhiều và không đều trên bề mặt tiếp xúc, lực tác dụng lên trục, ổ lớn và tăng kích thước bộ truyền Tỉ số truyền thay đổi do có hiện tượng trượt Bộ truyền bánh ma sát không thể sử dụng trong các cơ cấu mà ở đó không cho phép tích lũy sai số góc xoay do hiện tượng trượt gây ra

Bộ truyền xích thì do sự phân bố các nhánh xích trên đĩa xích không theo đường tròn,

mà theo hình đa giác, do đó khi vào khớp và ra khớp, các mắt xích xoay tương đối với nhau

và bản lề xích bị mòn, gây nên tải trọng động phụ, gây ồn khi làm việc Tỉ số truyền tức thời thay đổi, vận tốc tức thời của xích và bánh bị dẫn thay đổi, cần phải bôi trơn thường xuyên và phải có bộ phận điều chỉnh xích

Hình 2.10 Bộ truyền xích, bộ truyền bánh răng

Bộ truyền bánh răng có nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ, khả năng tải lớn, không có hiện tượng trượt trơn, hiệu suất cao tuy nhiên lại gây ồn khi làm việc với vận tốc lớn

Bộ truyền đai thì có kích thước bộ truyền lớn (kích thước lớn hơn khoảng 5 lần so với

bộ truyền bánh răng nếu truyền cùng công suất) Tỉ số truyền khi làm việc thay đổi do hiện tượng trượt (trừ đai răng) Tải trọng tác dụng lên trục và ổ lớn (lớn hơn 2÷3 lần so với bộ truyền răng) do phải căng đai với lực căng ban đầu Tuổi thọ thấp

Chương 6: Biên soạn bài tập trên máy phay CNC 5 trục

25

Hình 2.11 Bộ truyền đai, khớp nối mềm

Khớp nối mềm có hiệu suất truyền động cao, nhỏ gọn, kết cấu đơn giản, hoạt động êm, tuổi thọ cao, được lắp trực tiếp vào trục động cơ và trục vítme với tỉ số truyền 1:1, công suất từ động cơ gần như được truyền hoàn toàn sang vítme

Đây là phương án đơn giản nhất nên được lựa chọn sử dụng cho mô hình máy CNC

2.7 Lựa chọn động cơ

2.7.1 Động cơ truyền động cho trục X, Y, Z

Động cơ truyền động cho 3 trục của máy CNC thường được chọn là động cơ bước hoặc động cơ servo Trước hết, cần so sánh những đặc điểm của 2 loại động cơ này

Bảng so sánh động cơ bước và động cơ servo

Mạch driver Đơn giản (người dùng có thể

chế tạo chúng)

Phức tạp (người sử dụng phải mua mạch driver từ các nhà sản xuất)

Hiện tượng trượt

bước Có thể xảy ra Khó xảy ra (động cơ vẫn chạy trơn tru nếu tải đặt vào tăng) Phương pháp

điều khiển Vòng hở (không có encoder) Vòng kín (có encoder)

Thông thường việc lựa chọn loại động cơ cho máy CNC đi kèm với việc lựa chọn kiểu điều khiển, tác giả sử dụng kiểu điều khiển vòng hở, không có hồi tiếp tín hiệu Đồng thời giá thành của động cơ servo và driver khá cao nên động cơ bước là lựa chọn

phù hợp và đáp ứng được yêu cầu trong phục vụ nghiên cứu và đào tạo

2.7.2 Sử dụng động cơ bước

Thủ tục lựa chọn động cơ bước:

1

Xác định thành phần cơ cấu lái Trước hết hãy xác định các đặc

điểm thiết kế như cơ cấu, đường kính thô, khoảng cách di chuyển, và chu kỳ định vị

Xác định cơ cấu và các thông số kỹ thuật đòi

hỏi

2

Tính toán độ phân giải đòi hỏi Từ độ phân giải đòi hỏi, xác

định chỉ động cơ được dùng hay động cơ giảm tốc được dùng

Tìm kiếm độ phân giải góc bước cho động cơ

3

Xác định mẫu vận hành Tìm chu kỳ gia tốc (giảm tốc)

và tốc độ xung vận hành để tính toán mômen gia tốc

Xác định mẫu vận hành đáp ứng các thông số

kỹ thuật đòi hỏi

4

Tính toán mômen đòi hỏi Tính toán mômen tải, mômen

gia tốc và mômen đòi hỏi được yêu cầu bởi động cơ

Tính toán mômen tải

Tính toán mômen gia tốc

Tính toán mômen giảm tốc

5

Lựa chọn động cơ Chọn lựa một động cơ mà các

đặc tính mômen tốc độ của nó thỏa mãn yêu cầu

Đưa ra một lựa chọn tạm thời cho động cơ dựa

trên mômen đòi hỏi

Xác nhận tỉ số gia tốc / giảm tốc và hệ số quán

tính

2.7.3 Điều khiển động cơ bước

Nguyên lý điều khiển:

Để biết một động cơ bước làm việc như thế nào, hãy xem xét một động cơ bước đơn giản gồm có:

- Một rôtor nam châm vĩnh cửu có một cực Bắc – Nam (N - S)

- Một stator bốn răng được lái bởi một cặp hai cuộn dây A1 - A2 và B1 - B2

Khi A1 - A2 (và B1 - B2) được nối đến điện áp cung cấp DC và đất, một cách tương ứng, răng phía trên đỉnh (và răng phía bên phải) trở thành cực Bắc và răng đối diện trở thành cực Nam Điều này làm đẩy rotor sang vị trí ổn định + 45o, khi đó các cực rôtor nằm giữa các cực đối diện của hai cuộn dây Khi cực tính của cuộn A - A bị đảo lại nhờ chuyển

Chương 6: Biên soạn bài tập trên máy phay CNC 5 trục

27

mạch điện áp cung cấp và đất, rôtor tiến một góc 90o đến vị trí mới ổn định ở - 45o Điều này có nghĩa rằng nó có góc bước là 90o Một động cơ bước có thể được điều khiển theo trình tự kiểu đủ bước hoặc nửa bước Với góc bước 90o, một trình tự bốn bước sẽ liên tiếp

sẽ làm động cơ quay được một vòng Khi trình tự bước được lặp lại, động cơ sẽ quay tiếp tục Nếu trình tự bước bị đảo ngược, hướng động cơ cũng bị đảo theo Số lượng các bước trình tự và mẫu chuyển mạch sẽ thay đổi theo cấu tạo và nhà sản xuất động cơ

Dưới đây là các kiểu lái động cơ bước phổ biến nhất:

- Lái gợn sóng (cấp điện 1 pha)

- Lái đủ bước (cấp điện 2 pha)

- Lái nửa bước (cấp điện 1 pha và 2 pha)

- Lái vi bước (liên tục biến đổi dòng điện động cơ)

Bảng: Trình tự kích thích cho các kiểu lái khác nhau.

Trong kiểu lái gợn sóng, mỗi lần chỉ một cuộn dây được cấp năng lượng Stator được cấp năng lượng theo trình tự ABAB và rotor bước từ vị trí 8246 Đối với các động cơ quấn dây đơn cực và lưỡng cực với các tham số cuộn dây như nhau thì kiểu kích thích này sẽ sinh ra một vị trí như nhau Nhược điểm của kiểu lái này là trong kiểu lái này động cơ quấn dây đơn cực chỉ sử dụng có 25% và động cơ lưỡng cực chỉ sử dụng 50% của toàn bộ cuộn dây động cơ ở thời điểm đã cho Điều này có nghĩa là không

sử dụng hết mômen xuất ra từ động cơ

Ở kiểu lái đủ bước, mỗi lần hai pha được cấp năng lượng cùng lúc Stator được cấp năng lượng theo trình tự ABABABAB và rotor bước từ các vị trí 1357 Mômen tạo ra từ động cơ quấn dây đơn cực thấp hơn động cơ lưỡng cực (xét các động cơ

có cùng tham số cuộn dây) vì các động cơ đơn cực chỉ sử dụng 50% cuộn dây trong khi động cơ lưỡng cực thì dùng hết

Lái nữa bước kết hợp hai kiểu lái gợn sóng và đủ bước (cấp điện cho 1 và 2 cuộn) Trình tự cấp năng lượng ABBABAABBABA và rotor bước từ vị trí

876543

Ở kiểu lái vi bước, các dòng điện trong các cuộn dây biến thiên liên tục để có thể ngắt một bước đủ ra thành nhiều bước rời rạc nhỏ hơn

* Các chế độ hoạt động của động cơ bước:

Động cơ bước hoạt động ở 3 chế độ: full step, half step và micro step

+ Chế độ full step: động cơ bước tiêu chuẩn có rôtor 200 răng, hoặc 200 full step cho

mỗi trục xoay của động cơ Chia 200 bước cho 3600 sẽ được một góc full step 1,80 Thông thường, chế độ full được thực hiện bằng cách tiếp điện cho theo thứ tự liên tiếp theo số chẵn cuộn dây hoặc số lẻ cuộn dây, trong khi duy trì dòng thay đổi Về cơ bản mỗi đầu vào

từ trình điều khiển tương đương một bước

+ Chế độ half step: half step đơn giản chỉ có nghĩa là động cơ quay 400 bước mỗi vòng

Trong chế độ này, một trong những cuộn dây được tiếp điện và sau đó hai cuộn dây được tiếp điện thay phiên, làm các cánh quạt quay ở nữa khoảng cách, hoặc 0,90 (Các tác dụng tương tự có thể đạt được bằng cách điều khiển ở chế độ full step ở 400 bước cho vòng xoay động cơ) Tuy nhiên, nữa bước là một giải pháp thực tế hơn trong các ứng dụng công nghiệp Mặc dù nó cung cấp momen xoắn hơi ít hơn Chế độ nữa bước giảm số lượng “sự tăng vọt” vốn có trong vận hành chế độ full step

+ Chế độ micro step: công nghệ vi bước điều khiển dòng điện tại các cuộn dây đến một

mức độ mà số vị trí giữa các cực được chia nhỏ hơn nữa Bộ điều khiển vi bước AMS có khả năng luân phiên tại 1/256 của một bước (mỗi bước) tương ứng với 51.200 bước mỗi vòng xoay (đối với dòng động cơ 1,8 độ) Vi bước thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi phải định vị chính xác và sự chuyển hóa tốt hơn nhiều tốc độ

Chương 3: Hệ thống điều khiển điện

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN

3.1 Giới thiệu tổng quan một số linh kiện điện tử

3.1.1 Biến áp

+ Biến áp: biến áp là thiết bị để biến đổi điện áp xoay chiều, cấu tạo bao gồm một cuộn

sơ cấp (đưa điện áp vào) và một hay nhiều cuộn thứ cấp (lấy điện áp ra sử dụng) cùng quấn trên một lõi từ (có thể là lá thép hoặc lõi ferit)

Hình 3.1 Các loại lõi biến áp

Với: U1, U2 lần lượt là điện áp trên cuộn sơ cấp và thứ cấp

I1, I2 lần lượt là cường độ dòng điện trên cuộn dây sơ cấp và thứ cấp

n1, n2 lần lượt là số vòng dây trên cuộn sơ cấp, thứ cấp

+ Phân loại:

o Biến áp nguồn và biến áp âm tần

Hình 3.2 Biến áp nguồn, âm tần

Biến áp nguồn thường gặp trong cassete, amply , biến áp này hoạt động ở tần số điện lưới 50Hz, lõi biến áp sử dụng các lá thép có chứa silic hình chữ E và I ghép lại, biến áp này có tỷ số vòng dây / điện áp lớn

Biến áp âm tần sử dụng làm biến áp đảo pha và biến áp ra loa trong các mạch khuyếch đại công xuất âm tần Biến áp cũng sử dụng lá tôn silic làm lõi từ như biến áp nguồn, nhưng

lá tôn silic trong biến áp âm tần mỏng hơn để tránh tổn hao Biến áp âm tần hoạt động ở tần số cao hơn, khi thiết kế biến áp âm tần người ta thường lấy giá trị tần số trung bình khoảng 1kHz đến 3kHz

o Biến áp xung, cao áp:

Hình 3.3 Biến áp xung, cao tần

Biến áp xung là biến áp hoạt động ở tần số cao khoảng vài chục kHz như biến áp trong các bộ nguồn xung Lõi của biến áp xung làm bằng ferit Do hoạt động ở tần số cao nên biến áp xung cho công xuất rất mạnh, so với biến áp nguồn thông thường có cùng trọng lượng thì biến áp xung có thể cho công suất mạnh gấp hàng chục lần

 Máy biến áp cách ly của hãng Toyozumi: Biến áp cách ly là loại loại biến áp có cuộn

dây sơ cấp và (các) cuộn dây thứ cấp chỉ ghép với nhau bằng từ, không ghép bằng điện, nên cách biệt và độc lập nhau về điện (các cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp rời nhau)

3.1.2 Cổng kết nối song song 25 chân (Parallel port)

Ða số các máy vi tính trao đổi thông tin thông qua các cổng sau: cổng song song (Parallel port), cổng COM (Serial port), cổng USB và Network card Cổng song song được

sử dụng chủ yếu để giao tiếp giữa máy tính và máy in

Chương 6: Biên soạn bài tập trên máy phay CNC 5 trục

31

Cổng song song có tên như vậy bởi chúng có 8 hàng dữ liệu 1 bit (thành 1 byte) để chuyển đồng thời qua 8 dây dẫn Cổng song song sử dụng 3 thanh ghi 8 bit gồm thanh ghi trạng thái, thanh ghi dữ liệu và thanh ghi điều khiển

Cổng song song bao gồm 25 chân được bố trí theo sơ đồ dưới đây:

8 chân dùng để gởi và nhận dữ liệu (từ chân số 2 đến số 9) gọi là DATA Port Dữ

liệu trao đổi qua 8 pin này được gói gọn trong 1 byte

Hình 3.5 Cổng song song (LPT)

Hình 3.6 Bảng sơ đồ chân In/Out

5 chân dùng để hiển thị tình trạng hoạt động của cổng song song: đang bận, đang

gởi/nhận thông tin (các pin số 10 -13 và pin số 15) gọi là STATUS Port Dữ liệu trao

đổi qua 8 chân này dùng 5 bit cao của byte

4 chân dùng để điều khiển gọi là CONTROL Port là các pin số 1, 14, 16 và 17 Dữ

liệu trao đổi qua chân này dùng 4 bit thấp của byte

8 chân còn lại được dùng tùy theo ý người sử dụng, nếu không được sử dụng thì chúng

sẽ được nối đất

3.1.3 Mạch nguồn:

Trong mô hình máy CNC một bộ phận quan trọng khác cần được thiết kế, chế tạo một cách cẩn thận đó là các mạch điện tử Đầu tiên phải nói đến mạch nguồn, nó có nhiệm vụ

chuyển điện lưới xoay chiều 220V thành điện một chiều với điện áp thấp để cung cấp năng lượng cho các mạch điện và thiết bị điện khác hoạt động

Mạch nguồn thường có 2 loại mạch nguồn dùng biến áp thường và mạch nguồn xung Mạch nguồn biến áp thường không đủ dòng, đáp ứng rất chậm, sụt áp lại lớn Nếu sử dụng biến áp thường làm nguồn thì tụ điện sử dụng phải có trị số điện dung lớn nhằm giảm sụt áp và giảm độ nhấp nhô của dòng điện khi mạch hoạt động

Mạch nguồn xung thì nhỏ gọn hơn, đảm bảo đủ dòng và đáp ứng nhanh Vì vậy, sử dụng mạch nguồn xung là thích hợp nhất

Hình 3.7 Bộ nguồn Vai trò các linh kiện điện tử trong mạch điều khiển và động cơ bước không thể sử dụng trực tiếp điện xoay chiều 220V để hoạt động Vì vậy cần có một mạch điện có tác dụng biến đổi điện xoay chiều sang điện một chiều để cung cấp năng lượng cho hệ thống DC hoạt động

Thông số kĩ thuật của mạch nguồn: Đầu vào: AC 110V-240V, 50/60 Hz

Đầu ra: DC 24V, 10A

Hướng dẫn kết nối:

AC: Nối trực tiếp với điện lưới 220V

V-: Nối với chân Mass của mạch driver Mach3

V+: Nối với chân 24V của mạch Mach3

ADJ : Cho phép điều chỉnh điện áp nếu có sai số

Chương 6: Biên soạn bài tập trên máy phay CNC 5 trục

33

Hình 3.8 Biến tần Yaskawa V1000

Hình 3.9 Sơ đồ điều khiển biến tần

3.1.5 Driver điều khiển động cơ bước

Driver UDX5128: Đây là dòng driver tốc độ cao của hãng Vexta, dòng làm việc cao

2.8A, điều khiển động cơ ở chế độ đủ bước hay nửa bước, có chức năng giảm dòng khi không làm việc Là thiết bị dùng cho điều khiển động cơ của 3 trục X, Y, Z

Hình 3.10 Driver UDX5128

Driver UDK5114VN : Đây là dòng driver tốc độ cao của hãng Vexta, dòng làm việc

cao 2.5A, điều khiển động cơ ở chế độ đủ bước hay nửa bước, có chức năng giảm dòng khi không làm việc Dùng cho điều khiển trục 4 (A) của máy phay CNC 5 trục

Hình 3.11 Driver UDK5114VN

Các chân điều khiển driver:

Hình 3.12 Cơ bản về driver

1 CW: Ngõ vào xung lệnh CW Đầu vào lệnh xung theo hệ thống 1 xung Ngõ vào

CW nhận xung Dir từ mạch Mach3

2 CCW: Ngõ vào lệnh xung CCW Ngõ vào 1 xung, lệnh đầu vào cấp L quay chiều kim đồng hồ, cấp H ngược chiều kim đồng hồ Ngõ vào CCW nhận xung Step từ mạch Mach3

3 H-OFF: Tín hiệu vào ngăn chặn tín hiệu cho động cơ Trong khi tín hiệu ON, động

cơ không thể vận hành ngay cả khi có xung vào

4 TIM (TIMING): Tín hiệu trạng thái motor (ĐC) (dòng điện chạy qua những cuộn dây) phù hợp với các thiết bị ban đầu được thiết lập bởi ổ đĩa

5 O.HEAT: Tín hiệu quá nhiệt tại ngõ ra Tại 700C động cơ tự động ngừng

6 AC100/115V: Nguồn cung cấp cho driver 110 + 10%, tần số: 50/60Hz

7 FG: nối đất

Driver UDK5114MN: Đây là dòng driver tốc độ cao của hãng Vexta, dòng làm việc

cao 1.4A, điều khiển động cơ ở chế độ đủ bước hay nửa bước, có chức năng giảm dòng khi

không làm việc Dùng cho điều khiển trục 5 (C) của máy phay CNC 5 trục