ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế chế tạo máy phay CNC 3 trục tích hợp phần mềm điều khiển NCStudio V5
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (15.9 MB, 136 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆTNAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên:
HỒNG ÁNH LINH
Viện:
CƠ KHÍ
Ngành:
KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Lớp:
KTCK 01-K57
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ
Thiết kế chế tạo máy phay CNC 3 trục tích hợp phần mềm điều khiển
NCStudio V5
Các yêu cầu kỹ thuật cần đạt được:
Sau khi kết thúc, kết quả cần đạt được thiết kế chế tạo thành công mô hình
máy phay CNC Router 3 trục:
-
Khơng gian làm việc 500x350x150 (mm)
Kích thước tổng thể của máy:
Tổng khối lượng máy khoảng 70 (kg)
Độ chính xác máy có thể gia cơng được 0,05 (mm)
Nguồn điện sử dụng khi vận hành máy: AC 220 (v) – 50(Hz)
Máy gia công được: Gỗ, Nhựa Mica..v..v
Máy vận hành được ở chế độ tự động dưới sự hỗ chợ của máy tính cùng
với phần mềm điều khiển NC Studio và chế đồ điều chỉnh thủ công.
NỘI DUNG THUYẾT MINH
Chương 1: Tổng quan về máy CNC và hệ thống điều khiển máy CNC
Chương 2: Thiết kế cơ khí
Chương 3: Quy trình cơng nghệ chế tạo và lắp ráp
Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển
Chương 5: Cài đặt các thông số điều khiển và gia công thử nghiệm
BẢN VẼ
Tên bản vẽ
Tổng quan về máy CNC
Lựa chọn phương án di chuyển
Sơ đồ kết cấu động học
Số lượng
01
01
01
Kích thước
A0
A0
A0
Bản vẽ tổng quan thiết kế
01
A0
Bản vẽ phân rã chi tiết
01
A0
Bản vẽ chi tiết
01
A0
Các chi tiết gia công
01
A0
Lựa chọn phương án điều khiển
01
A0
Vận hành máy và một số sản phẩm gia công
01
A0
trên máy
Tổng số bản vẽ:
09
Hà Nội, ngày ... tháng ... năm 20..
TRƯỞNG BỘ MÔN
CÁN BỘ HƯỚNGDẪN
NHÓM THIẾT KẾ
(Ký và ghi rõ họ tên)
(Ký và ghi rõ họ tên)
(Ký và ghi rõ họ tên)
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
- TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN:
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
- NỘI DUNG ĐỒ ÁN:
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
- HÌNH THỨC TRÌNH BÀY:
Thuyết minh:.................................................................................................................
........................................................................................................................................
Bản
vẽ:.......................................................................................................................... ........
................................................................................................................................
- NHẬN XÉT KHÁC:
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
- Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ:
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
Hà Nội, ngày ... tháng ... năm 20...
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ DUYỆT
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
- NỘI DUNG ĐỒ ÁN:
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
- HÌNH THỨC TRÌNH BÀY:
Thuyết minh:.................................................................................................................
........................................................................................................................................
Bản vẽ:...........................................................................................................................
........................................................................................................................................
- NHẬN XÉT KHÁC:
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
- Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ:
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
Hà Nội, ngày ... tháng ... năm…
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................1
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN.........................................................2
1.1 Khái niệm và lịch sử của máy CNC...............................................................2
1.2 Đặc điểm máy CNC......................................................................................4
1.3 Phạm vi ứng dụng...........................................................................................4
1.4 Cấu tạo chung của các máy CNC...................................................................6
1.5 Hệ tọa độ máy.................................................................................................6
1.5.1 Trục Z.............................................................................................................7
1.5.2 Trục X............................................................................................................. 7
1.5.3 Trục Y............................................................................................................7
1.6 Máy phay CNC 3 trục....................................................................................8
1.7 Kết luận........................................................................................................10
CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ CƠ KHÍ...................................................................12
2.1 Thiết kế chi tiết...........................................................................................12
2.1.1 Thiết kế trục Z.............................................................................................12
2.1.2 Thiết kế trục X.............................................................................................25
2.1.3 Thiết kế trục Y..............................................................................................35
CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ LẮP RÁP.................46
3.1. Quy trình cơng nghệ gia cơng chi tiết tấm nhơm trục.................................46
3.1.1 Chức năng làm việc của chi tiết................................................................46
3.1.2 Yêu cầu kỹ thuật của chi tiết.........................................................................47
3.1.3Thiết kế bản vẽ chi tiết...................................................................................47
3.1.4 Xác định đường lối cơng nghệ......................................................................48
Chọn phương pháp cơng nghệ..............................................................................48
3.1.5 Trình tự gia cơng hợp lý...............................................................................50
3.2 Quy trình lắp ráp...........................................................................................51
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
3.2.1 Kết cấu khung máy.......................................................................................51
3.2.2: Kết cấu cụm chuyển động trục Z...............................................................52
3.2.4 Kết cấu cụm chuyển động trục Y..................................................................54
3.2.5Kết cấu hệ thống khung đế và tưới nguội......................................................55
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN..........................................56
4.1 Cấu tạo chung của máy CNC.......................................................................56
4.1.1 Sơ đồ động học máy CNC 3 trục..................................................................58
4.1.2.Kết cấu máy phay CNC 3 trục......................................................................59
4.1.3.Sơ đồ nguyên lý điều khiển máy phay CNC 3 trục........................................62
4.2: Chọn động cơ truyền động cho các trục..................................................64
4.2.1: Động cơ bước.............................................................................................64
4.2.2.Động cơ một chiều (DC motor)....................................................................67
4.2.3.Động cơ Servo..............................................................................................67
4.2.4.Động cơ trục chính.......................................................................................67
4.3 Lựa chọn phương án điều khiển...................................................................69
4.3.1.Điều khiển chu trình hở................................................................................69
4.3.2.Hệ thống chu trình nửa kín...........................................................................71
4.3.3.Hệ thống chu trình kín..................................................................................72
4.3.4.Hệ thống chu trình hỗn hợp..........................................................................73
4.4.Lựa chọn phần mềm điều khiển...................................................................74
4.5.Thiết kế hệ thống điều khiển........................................................................76
4.5.1.Cổng giao tiếp card NCStudio V5................................................................76
4.5.2.Kết nối card NCstudio với máy tính.............................................................78
4.5.3.Driver động cơ TB6600................................................................................79
4.5.4.Động cơ bước mặt bích step trục X,Y...........................................................83
4.5.4.Động cơ bước mặt bích step trục Z..............................................................84
4.5.5: Bộ nguồn 24V 15A.....................................................................................88
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
4.5.6.Hệ thống lọc nhiễu.......................................................................................88
4.5.7.Cảm biến từ..................................................................................................90
4.5.8.Sơ đồ lắp đặt hệ thống điện máy phay CNC 3 trục.......................................91
4.5.9.Dạng sóng điều khiển động cơ Step.............................................................93
4.5.10.Hệ thống tủ điện – điều khiển máy CNC....................................................97
CHƯƠNG 5:THIẾT KẾ THÔNG SỐ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIA CÔNG THỬ
NGHIỆM...............................................................................................................99
5.1.Phần mềm điều khiển NC Studio V5...........................................................99
5.1.1.Tổng quan phần mềm NC-Studio V5............................................................99
5.1.2.Chế độ vận hành tự động...........................................................................100
5.1.3.Chế độ vận hành tay...................................................................................100
5.1.4.Giao diện phần mềm và chức năng............................................................101
5.1.5.Cài đặt thông số trong NcstudioV5 theo máy CNC 3 trục........................102
5.2.Phần mềm gia công CAM hỗ trợ máy phay CNC 3 trục............................106
5.2.1.Giới thiệu phần mềm ARTCAM..................................................................107
5.2.2.Tiến hành gia công trên phần mềm ARTCAM............................................108
5.3.Tiến hành gia công thử nghiệm..................................................................114
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
MỤC LỤC HÌNH Ả
Hình 1. 1 Gia cơng cắt gọt trên máy CNC............................................................6
Hình 1. 2 Cấu tạo chung của máy CNC................................................................6
Hình 1. 3 Phương án chuyển động 1 ( H-Frame).................................................8
Hình 1. 4: Phương án chuyển động 2...................................................................9
Hình 1. 5: Phương án chuyển động lựa chọn......................................................11
Y
Hình 2. 1: Sơ đồ tính tốn trục vit ne đai ốc.......................................................14
Hình 2. 2: Trục vỉ me đai ốc bi...........................................................................14
Hình 2. 3 Thơng số hình học vitme bi trục Z......................................................18
Hình 2. 4 Thơng số hình học ray trục Z..............................................................20
Hình 2. 5 Ray dân hướng hãng PMI...................................................................21
Hình 2. 6 Bảng thơng số ray dẫn hướng vng của hãng PMI...........................21
Hình 2. 7 Cụm trục Z..........................................................................................22
Hình 2. 8 Thơng số hình học vitme bi trục X.....................................................28
Hình 2. 9: Thơng số hình học ray dẫn hướng trục X..........................................30
Hình 2. 10: Ray dẫn hướng hãng TBI.................................................................31
Hình 2. 11 Bảng thơng số ray dân hướng vng TBI.........................................31
Hình 2. 12 Động cơ lắp cho trục X.....................................................................32
Hình 2. 13: Thơng sơ hình học vitme bi trục Y..................................................38
Hình 2. 14 Mơ hình hóa lực tác dụng lên phương Y..........................................40
Hình 2. 15: Thơng số hình học ray dân hướng hãng PMI..................................41
Hình 2. 16: Thơng số kĩ thuật ray dẫn hướng vng của hãng PMI...................41
Hình 2. 17: Kết cấu cơ khí hồnh chỉnh.............................................................45
Hình 3. 1: Tấm nhơm trợ lực 2...........................................................................46
Hình 3. 2 bản vẽ lồng phôi chi tiết tấm nhôm trục Y.........................................47
Hình 3. 3: máy phay CNC..................................................................................48
Hình 3. 4: Dao phay............................................................................................49
Hình 3. 5: Chọn dạo gia cơng.............................................................................49
Hình 3. 6 Thơng số kĩ thuật của chip dao...........................................................50
Hình 3. 7: Vật liệu làm chip dao.........................................................................50
Hình 3. 8: Sơ đồ lắp ráp khung máy..................................................................52
Hình 3. 9 Mơ hình khung máy............................................................................52
Hình 3. 10: Mơ hình cụm trục Z.........................................................................53
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
Hình 3. 11: Mơ hình cụm trục X.........................................................................54
Hình 4. 1: Cấu taoh chung của máy CNC..........................................................56
Hình 4. 2: Sơ đồ động học máy phay CNC 3 trục..............................................58
Hình 4. 3: Mơ hình keeys cấu máy 3D...............................................................59
Hình 4. 4: Bản vẽ 2D kết cấu máy......................................................................60
Hình 4. 5: Mơ hình máy thực tế..........................................................................61
Hình 4. 6: Sơ đồ nguyên lý điều khiển...............................................................64
Hình 4. 7: Cấu tạo cơ bản động cơ bước............................................................65
Hình 4. 8: Động cơ nam châm vĩnh cửu.............................................................67
Hình 4. 9: Đường cong momen của động cơ nam tram vĩnh cửu.......................67
Hình 4. 10: Động cơ trục chính làm mát bằng nước...........................................69
Hình 4. 11: Kích thước thật của động cơ trục chính...........................................69
Hình 4. 12: Hệ thống điều khiển theo chu trình hở............................................72
Hình 4. 13: Hệ thống điều khiển theo chu trình nửa kín....................................73
Hình 4. 14: Hệ thống điều khiển theo chu trình kín( có hồi tiếp vị trí và tốc độ)
............................................................................................................................74
Hình 4. 15: Sơ đồ điều khiển chu trình kín trên động cơ servo..........................75
Hình 4. 16: Hệ thống điều khiển theo chu trình hỗn hợp...................................76
Hình 4. 17: Mạch NCstudio V5..........................................................................79
Hình 4. 18: Sơ đồ điều khiển card NCstudio V5................................................79
Hình 4. 19: Rãnh PCI trên mainboard của PC....................................................81
Hình 4. 20: Cắm card NC studio V5 vào mainboard..........................................82
Hình 4. 21: Kết nối board chính và board phụ...................................................82
Hình 4. 22: Driver động cơ TB6600...................................................................83
Hình 4. 23: Sơ đồ đấu dây với động cơ..............................................................85
Hình 4. 24: Cổng kết nối driver TB6600............................................................86
Hình 4. 25: Thơng số động cơ bước trục X,Y....................................................87
Hình 4. 26: Động cơ bước step trục X,Y............................................................88
Hình 4. 27: Thơng số trục Z................................................................................89
Hình 4. 28: Động cơ bước trục Z........................................................................89
Hình 4. 29: Sơ đồ đấu dây kiểu song song.........................................................91
Hình 4. 30: Đấu dây động cơ kiểu nối tiếp.........................................................92
Hình 4. 31: Bộ nguồn 24V 15A..........................................................................92
Hình 4. 32: Bộ giảm nhiễu lưới điện..................................................................93
Hình 4. 33: Mạch điện hệ thống lọc nhiễu..........................................................94
Hình 4. 34: Cảm biến từ ROKO SN04_N NPN NO..........................................94
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
Hình 4. 35: Sơ đồ nguyên lý mạch điện máy CNC 3 trục..................................96
Hình 4. 36: Một ví dụ về hệ thống thủ điển của máy CNC 5 trục......................97
Hình 4. 37: Điều khiển dạng Wave-driver..........................................................98
Hình 4. 38: Dạng sóng điều khiển kiểu Wave-driver..........................................98
Hình 4. 39: Điều khiển full – step 2 phase driver...............................................99
Hình 4. 40: Dạng sóng điều khiển full – step 2 phase driver..............................99
Hình 4. 41: Điều khiển dạng half - step............................................................100
Hình 4. 42: Dạng sóng điều khiển dạng half - step..........................................100
Hình 4. 43: hệ thống tủ điện máy CNC 3 trục do nhóm thiết kế......................102
Hình 5. 1: Giao diện phần mềm NC Studio V5..................................................99
Hình 5. 2: Giao diện đọc chương trình gia cơng trên NCStudio V5................100
Hình 5. 3: Giao diện vận hành máy bằng tay...................................................100
Hình 5. 4: Thanh cơng cụ và giao diện tùy chỉnh tọa độ, tốc độ dao...............102
Hình 5. 5: Giao diện cài đặt parameter phần Machining..................................103
Hình 5. 6: Giao diện cài đặt Parameter phần Machining..................................103
Hình 5. 7: Giao diện cài đặt Parameter phần Manufactory..............................104
Hình 5. 8: Giao diện cài đặt parameter phần Manufactory...............................104
Hình 5. 9: Hiệu chỉnh chương trình gia cơng trong phần mềm NC Studio......106
Hình 5. 10: Chức năng điều khiển tín hiệu.......................................................106
Hình 5. 11: Giao diện ban đầu..........................................................................108
Hình 5. 12: Chọn file cần mở chọn Open.........................................................108
Hình 5. 13: Thiết lập kích thước phơi, phơi gốc...............................................109
Hình 5. 14: Thiết kế biên dạng chi tiết.............................................................109
Hình 5. 15: Hình ảnh 3D của chi tiết sau khi đã thiết kế xong.........................110
Hình 5. 16: Thiết lập chế dộ gia cơng...............................................................110
Hình 5. 17: Cài đặt thơng số dao.......................................................................111
Hình 5. 18: cài đặt thơng số phơi......................................................................111
Hình 5. 19: Giao diện hộp thoại Save Toolpaths..............................................112
Hình 5. 20: Xác định gốc phơi trong phần mềm NCStudio..............................112
Hình 5. 21: Giao diện gia cơng trong phần mềm NCstudio.............................113
Hình 5. 22: Sản phẩm thực tế từ máy CNC 3 trục hỗ trợ từ Artcam................113
Hình 5. 23: Hình ảnh gia cơng thực tế..............................................................115
Hình 5. 24: Sản phẩm 1....................................................................................116
Hình 5. 25: Sản phẩm 2....................................................................................117
Hình 5. 26: Sản phẩm 3....................................................................................118
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay máy CNC khơng cịn là khái niệm xa lạ tại Việt Nam. Máy CNC
xuất hiện tại hầu hết các lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là trong công nghiệp. Tuy
nhiên hầu hết các máy CNC trong nước đều là nhập từ một số nước như Đức,
Nhật và Trung Quốc, và giá thành các máy CNC đều rất cao. Những máy CNC
thiết kế và sản xuất tại việt nam còn rất ít và hầu như chỉ dừng lại ở mức độ
“chế máy CNC chạy được”. Do vậy chúng em đã quyết định chọn đề tài thiết kế
hệ thống điều khiển cho máy CNC, để mong rằng trong một tương lai gần,
những máy CNC được thiết kế và sản xuất tại Việt Nam sẽ có chất lượng tốt
hơn và ngày càng phổ biến hơn, từ đó thúc đẩy sự phát triển của nền khoa học
công nghệ trong nước.
Trong đề tài đồ án môn tốt nghiệp, mục tiêu trước tiên mà chúng em hướng
tới là chế tạo được mơ hình máy CNC hoạt động ổn định với sai số nhỏ, sau đó
chúng em hướng tới khắc phục dao động, sai số và nâng cao tính tự động của
máy như khả năng thay dao tự động, hệ thống cấp phôi tự động... Tuy nhiên do
kinh nghiệm còn hạn chế và thời gian thực hiện có hạn, nên đồ án của chúngem
cịn những thiếu xót, và mục tiêu ổn định dao động và thiết kế modun thay dao
tự động và hệ thống cấp phôi tự động em chưa thể hoàn thiện. Chúng em mong
nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cơ để hoàn thiện hơn để tài.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS.BÙI TUẤN ANH, cùng các
thầy cô trong bộ môn Máy và ma sát học đã hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện
tốt để chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này
1
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1 Khái niệm và lịch sử của máy CNC
CNC – viết tắt cho Computer Numeric Controlled (điều khiển bằng máy
tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các loại máy móc với mục
đích sản xuất bằng cách sử dụng các chương trình viết kí hiệu chuyên biệt . Ta
có thể bắt gặp CNC dưới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia
nước có hạt mài, máy đột rập và nhiều cơng cụ công nghiệp khác.
Thiết kế máy CNC hiện đại bắt nguồn từ tác phẩm của John T. Parsons cuối
những năm 1940 và đầu những năm 1950. Sau Thế chiến II, Parsons tham gia
sản xuất cánh máy bay trực thăng, một công việc địi hỏi phải gia cơng chính
xác các hình dạng phức tạp. Parsons sớm nhận ra rằng bằng cách sử dụng máy
tính IBM thời kì đầu, ơng đã có thể tạo ra những thanh dẫn đường mức chính
xác hơn nhiều khi sử dụng các phép tính bằng tay và sơ đồ. Dựa trên kinh
nghiệm này, ông đã giành được hợp đồng phát triển một “máy cắt đường mức tự
động” cho Không quân để tạo mặt cong cho cánh máy bay. Sử dụng một đầu
đọc thẻ máy tính và các bộ điều khiển động cơ trợ động (servomotor) chính xác,
chiếc máy được chế tạo cực kì lớn, phức tạp và đắt đỏ. Mặc dù vậy, nó làm việc
một cách tự động và sản xuất các mặt cong với độ chính xác cao đáp ứng nhu
cầu của ngành công nghiệp máy bay.
Đến những năm 1960, giá thành và tính phức tạp của những chiếc máy tự
động giảm đến một mức độ nhất định để có thể ứng dụng trong các ngành cơng
nghiệp khác. Những chiếc máy này sử dụng các động cơ truyền động điện một
chiều để vận dụng vô lăng và vận hành dao cụ. Các động cơ này nhận chỉ dẫn
điện từ một đầu đọc băng từ – đọc một băng giấy có chiều rộng khoảng 2,5cm
có đục một hàng lỗ. Vị trí và thứ tự lỗ cho phép đầu đọc sản xuất ra những xung
điện cần thiết để quay động cơ với thời gian và tốc độ chính xác, trong thực tế
nó điều khiển máy giống như nhân viên vận hành. Các xung điện được quản lý
bởi một máy tính đơn giản khơng có bộ nhớ. Chúng thường được gọi là NC hay
máy điều khiển số.
2
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
Năm 1947, John Parsons quản lý một hãng sản xuất hàng không ở thành phố
Traverse, Michigan. Đối mặt với tính phức tạp ngày càng cao của hình dạng chi
tiết và những vấn đề về toán học và kỹ thuật mà họ gặp phải, Parsons đã tìm ra
những biện pháp để giảm chi phí kỹ thuật cho cơng ty. Ơng đã xin phép
International Business Machine sử dụng một trong những chiếc máy tính văn
phịng trung ương của họ để thực hiện một loạt các phép toán cho một cánh máy
bay trực thăng mới. Cuối cùng, ông đã dàn xếp với Thomas J. Watson, chủ tịch
huyền thoại của IBM, nhờ đó IBM sẽ làm việc với tập đoàn Parsons để tạo ra
một chiếc máy được điều khiển bởi các thẻ đục lỗ. Nhanh chóng, Parsons cũng
ký được hợp đồng với Air Force để sản xuất một chiếc máy được điều khiển
bằng thẻ hay băng từ có khả năng cắt các hình dạng đường mức giống như
những hình trong cánh quạt và cánh máy bay. Sau đó, Parsons đã đến gặp các kĩ
sư ở Phịng thí nghiệm cơ cấu phụ thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT)
nhờ hỗ trợ dự án. Các nhà nghiên cứu MIT đã thí nghiệm nhiều kiểu q trình
khác nhau và cũng đã làm việc với các dự án Air Force từ thời Thế chiến II.
Phịng thí nghiệm MIT đã nhận thấy đây là một cơ hội tốt để mở rộng nghiên
cứu sang lĩnh vực điều khiển. Việc phát triển thành công các công cụ máy CNC
đã được các nhà nghiên cứu của trường đại học đảm trách.
Các máy CNC hiện đại hoạt động bằng cách đọc hàng nghìn bit thơng tin
được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính chương trình. Để đặt thơng tin này vào bộ
nhớ, nhân viên lập trình tạo ra một loạt lệnh mà máy có thể hiểu được. Bộ điều
khiển cũng giúp nhân viên lập trình tăng tốc độ sử dụng máy. Ví dụ, trong một
số máy, nhân viên lập trình có thể đơn giản chỉ cần nhập dữ liệu về vị trí, đường
kính và chiều sâu của một chi tiết và máy tính sẽ lựa chọn phương pháp gia
cơng tốt nhất để sản xuất chi tiết đó dưới dạng phơi. Thiết bị mới nhất có thể
chọn một mẫu kỹ thuật được tạo ra từ máy tính, tính toán tốc độ dao cụ, đường
vận chuyển vật liệu vào máy và sản xuất chi tiết mà không cần bản vẽ chương
trình.
Sự tiến bộ trong máy tính và trí thơng minh nhân tạo sẽ làm cho những chiếc
3
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
máy CNC tương lai nhanh hơn và dễ vận hành hơn. Các loại máy CNC chắc
chắn sẽ có một tương lai bùng nổ mạnh mẽ
1.2 Đặc điểm máy CNC
Theo định nghĩa của Hiệp hội Công nghiệp Điện Tử, điều khiển số
(Numerical Control – NC) là hệ thống trong đó các hoạt động được điều khiển
trực tiếp bởi dữ liệu số.
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 thơng báo thường xun về tình trạng của máy, cảnh báo lỗi nguy hiểm có
thể xảy ra, thực hiện mô phỏng để kiểm tra trước q trình gia cơng.
+ 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 vịng 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 thơng tin trong mạng
máy tính các loại, từ mạng cục bộ(LAN) đến mạng diện rộng (WAN) và
Internet.
1.3 Phạm vi ứng dụng
Những lợi ích khi sử dụng máy công cụ điều khiển số CNC so với máy công
cụ thường
4
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
+ Tự động hóa sản xuất: Máy CNC khơng chỉ quan trọng trong ngành cơ
khí mà cịn trong nhiều ngành khác như may mặc, giày dép, điện tử,… Bất cứ
máy CNC nào cũng cải thiện trình độ tự động hóa của doanh nghiệp: người vận
hành ít, thậm chí khơng cịn phải can thiệp vào hoạt động của máy. Sau khi nạp
chương trình gia cơng, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi
kết thúc, giải phóng nhân lực cho cơng việc khác.
+ ít xuất hiện phế phẩm do lỗi vận hành, thời gian gia cơng được dự báo
chính xác, người vận hành khơng địi hỏi phải có kỹ năng thao tác (chân tay)
cao như điều khiển máy công cụ truyền thống.
+ Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm: Các máy CNC thế hệ mới cho
phép gia cơng các sản phẩm có độ chính xác và phức tạp cao mà máy công cụ
truyền thống không thể làm được. Khi chương trình gia cơng đã được kiểm tra
và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo sản xuất hàng loạt sản phẩm phẩm với
chất lượng đồng nhất. Đây là yếu tố vô cùng quan trọng trong sản xuất công
nghiệp quy mô lớn.
+ Thời gian lưu thông ngắn hơn do tập trung nguyên công cao: một máy
CNC đảm nhận gia cơng nhiều bước tại một vị trí. Qua đó thời gian phụ giảm,
thời gian sản xuất tăng.
+ Linh hoạt: Chế tạo một chi tiết mới trên máy CNC đồng nghĩa với nạp cho
máy một chương trình gia cơng mới. Được kết nối với các phần mềm
CAD/CAM, công nghệ CNC trở nên vơ cùng linh hoạt giúp các doanh nghiệp
thích ứng với các thay đổi nhanh chóng và liên tục về mẫu mã và chủng loại
sản phẩm của khách hàng. Do có khả năng tự động hóa cao, máy CNC thích
hợp với các dây chuyền sản xuất linh hoạt.
+ Chi phí kiểm tra và chi phí cho phế phẩm giảm.
+ Tốc độ xử lý cao, kết cấu gọn.
5
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
Hình 1. 1 Gia công cắt gọt trên máy CNC
1.4 Cấu tạo chung của các máy CNC
Các máy CNC thông thường hiện nay gồm có cấu tạo chung như trong hình
vẽ dưới đây.
Hình 1. 2 Cấu tạo chung của 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.
1.5 Hệ tọa độ máy
6
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
1.5.1 Trục Z
máy phay có chiều trục chính: Trục Z song song với đường tâm của trục
chính và vng góc với bàn máy (chọn trục chính có đường tâm vng góc với
bàn máy làm trục Z). Chiều dương của trục Z trong trường hợp này hướng từ
bàn máy tới trục chính
1.5.2 Trục X
Trục X là trục nằm trên mặt bàn máy và thông thường nó được xác định theo
quy tắc bàn tay phải (ngón tay cái chỉ chiều dương của trục X).
Máy phay đứng, máy khoan đứng: Nếu đứng ngồi nhìn vào trục chính thì
chiều dương của trục X hướng về bên phải.
1.5.3 Trục Y
Trục Y được xác định bằng quy tắc bàn tay phải sau khi các trục X, Z đã
được xác định. Ngón tay trỏ chỉ chiều dương của trục Y.
Điểm gốc, điểm chuẩn trên máy
- Điểm gốc của máy M: để đảm bảo việc gia cơng đạt được độ chính xác cao
thì các dịch chuyển của dụng cụ phải được so sánh với điểm gốc của máy.
- Điểm chuẩn của máy R: là các điểm để so sách với điểm gốc được đặt để
theo
dõi các tọa độ thực của dụng cụ trong q trình dịch chuyển.
- Điểm gốc của phơi W: là điểm mà người lập trình chọn tùy ý trong phạm
vi
không gian làm việc của máy
- Điểm gốc chương trình P: tùy thuộc vào bản vẽ chi tiết mà người ta sẽ có
một haymột số điểm chuẩn để xác định tọa độ của các bề mặt khác, thường
chọn điểm P trùng với điểm W để thuận lợi cho quá trình lập trình.
- Điểm chuẩn của dao: là điểm mà từ đó ta lập chương trình chuyển động
trong qtrình gia công.
- Điểm gốc của dao E.
- Điểm thay dao N: khi sử dụng nhiều dao cần phải có điểm thay dao để khi
thay dao tự động sẽ tránh được dao chạm vào phôi và máy
7
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
Khi sử dụng ta cần quan tâm đến điểm chuẩn R,điểm gốc của máy M,W,N là
rất quan trọng vì nó liên quan đến q trình gia cơng một chi tiết thực mà trong
khi thiết lập chương trình gia cơng người ta đã tạm bỏ qua các giá trị đó để cho
q trình lập trình được thực hiện đơn giản hơn. Vấn đề bỏ qua này sẽ được đưa
vào một lượng điều chỉnh trong khi tiến hành gia công là dịch điểm chuẩn và
lượng bù dao.khi đó vị trí của lưỡi cắt của dao sẽ được đồng nhất với các tọa độ
được lập trình mà chúng ta đã tiến hành khi lập chương trình gia công.
1.6 Máy phay CNC 3 trục
Phân loại máy theo đặc tính chuyển động của máy
a. Phương án chuyển động phôi gắn trên trục Y di chuyển, dụng cụ gia
công di chuyển theo trục X và Z, trục thứ 4 nằm trên vùng gia cơng
bàn máy XY
Hình 1. 3 Phương án chuyển động 1 ( H-Frame)
Đặc điểm :
- Phần cố định bao gồm khung máy ( hay bệ đỡ), các trục trượt, động cơ và
cơ cấu truyền động của trục X và trục Y gắn cố định và khung máy.
- Trục X và trục Y đều trượt trên các thanh trượt gắn cố định ở khung, trục Z
trượt trên trục X, nên trên trục X có gắn các thanh trượt, động cơ và cơ cấu
truyền động của trục Z.
8
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
- Ưu điểm: Phương án truyền thống bộ phận đỡ trục chính cố định tăng độ
cứng vững chắc chắn hơn khi gia công
- Nhược điểm: Trong q trình gia cơng phơi di chuyển sẽ cần không gian
phạm vi làm việc rộng xung quanh máy gấy chiếm diện tích và khơng an tồn
khi gia cơng. Trục thứ 4 có kích thước gia cơng hạn chế, khó khăn trong lắp ráp,
bảo dưỡng.
b. Phương án trục Z cố định, phôi di chuyển
Đặc điểm:
- 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 phơi 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 tồn khi gia cơng.
- ưu điểm: độ cứng vững máy có thể đạt mức cao, độ chính xác tốt là lựa
chọn ưu tiên cho các máy CNC gia công công nghiệp
- nhược điểm: kết cấu máy phải tương đối lớn, hành trình di chuyển bị bó
hẹp và phụ thuộc vào khoảng cơng xơn của đầu trục chính
Hình 1. 4: Phương án chuyển động 2
c. Phương án phôi cố định trên bàn máy, trục Y di chuyển mang theo trục
X và Z mang dụng cụ gia cơng di chuyển, trục thứ 4 nằm phía ngồi
vùng gia công bàn máy XY
9
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
Trục Y chuyển động trên bệ máy , trục X chuyển động trên trục Y , trục Z
chuyển động trên trục X :
Đặc điểm :
- Như trên hình, để trục Y có thể trượt được trên bệ đỡ vừa nâng được các
trục X và Z thì nó thường phải có kết cấu vũng chắc và có các thanh giằng
ngang, để tồn 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 khơng bị rơ, đảm bảo trượt ổn định và không sai số.
- Trục X trượt trên trục Y có gắn các hệ số các thanh trượt, cơ cấu truyền
động, động cơ ... tất cả các bộ phận này chuyển động cùng với trục Y.
- Trên trục Z có bắt các cơ cấu bắt động cơ chạy di chuyển bút vẽ. Trục Z
trượt trên trục X nên trên bộ phận trượt trục X có các thanh trượt, động cơ, cơ
cấu truyền động cho trục Z.
- Trên bệ đỡ có các thanh trượt trục Y và phôi cần gia công.
- Ưu điểm: sử dụng phương án này máy sẽ hoạt động trong một khơng gian
xác định. Trục thứ 4 có không gian gia công lớn hơn.
- Nhược điểm: Phần trên của máy đỡ trục chính di chuyển khó đảm bảo độ
cứng vững bền trong q trình gia cơng và sử dụng lâu dài.
1.7 Kết luận
Với mục đích sử dụng, để đảm bảo kết cấu và không gian làm việc của máy
nhỏ gọn, máy làm việc đạt độ chính xác cao, ta lựa chọn phương án bàn máy
mang phôi di chuyển trục Y với sơ đồ chuyển động như sau:
10
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
Z
spindle
X
Bàn máy
Y
Hình 1. 5: Phương án chuyển động lựa chọn
11
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Từ những ý tưởng thiết kế động học, lựa chọn dạng kết cấu ở chương 1, thì ở
chương 2 này sẽ đi vào thiết kế chi tiết các cụm chi tiết của máy.
Mục tiêu của chương 2:
- Tính tốn, thiết kế cụm trục Z với các thơng số đầu vào cho trước, bao
gồm: tính tốn trục vít me; tính tốn lựa chọn đường hướng; tính tốn chọn
động cơ theo modun.
- Tính tốn, thiết kế cụm trục X với các thơng số đầu vào cho trước, bao
gồm: tính tốn trục lựa chọn trục vít me; tính tốn lựa chọn đường hướng; tính
tốn lựa chọn động cơ theo modun.
- Tính tốn, thiết kế cụm trục Y với các thơng số đầu vào cho trước, bao
gồm: tính tốn trục lựa chọn trục vít me; tính tốn lựa chọn đường hướng; tính
tốn lựa chọn động cơ theo modun.
2.1 Thiết kế chi tiết
2.1.1 Thiết kế trục Z
- Vật liệu gỗ trong tự nhiên rất đa dạng độ cứng và đặc tính khác nhau , phôi
gỗ dùng trong gia công trên máy CNC hướng đến chủ yếu là các loại gỗ có tính
chất mềm,dai. lực cắt tối đa tương ứng với loại gỗ cứng nhất là: 20 [N]
2.1.1.1 Tính tốn chọn trục vít me
Trong máy CNC người ta thường 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 loại vít me và đai ốc tiếp
xúc nhau theo dạng đường, cịn vít me đai ốc bị có thêm các viên bi ở giữa nên
tiếp xúc giữa vít me và đai ốc là dạng tiếp xúc điểm, do đó vít me đai ốc bi có
hệ số ma sát nhỏ. Vít me đai ốc bi cịn có thể điểu chỉnh được lực căng ban đầu
để loại trừ khe hở giữa trục vít me với đai ốc, đảm bảo độ cứng vững dọc trục.
Do đó để đảm bảo được độ chính xác làm việc của máy, nhóm thiết kế sẽ sử
dụng trục vít me đai ốc bi.
12
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh
Hình 2. 1: Sơ đồ tính tốn trục vit ne đai ốc
Hình 2. 2: Trục vỉ me đai ốc bi
13
