Đề tài khoa học Thiết kế và chế tạo mô hình máy CNC ba trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY CNC BA TRỤC Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa học tự nhiên Đà Lạt, 05/2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY CNC BA TRỤC Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa học tự nhiên Sinh viên thực hiện: Phạm Hải Đăng Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: VTK 43 – Khoa Vật lý & KTHN Ngành học: CNKT Điện tử - Viễn thông Người hướng dẫn: TS Phan Văn Chuân Đà Lạt, 05/202 Năm thứ: 3/Số năm đào tạo: MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY CNC BA TRỤC CẤU TẠO CHUNG CỦA MÁY CNC BA TRỤC 2.1 Phần khí 2.1.1 Đế máy 2.1.2 Trục 2.1.3 Khung máy 2.1.4 Vít me bi đai ốc 10 2.1.5 Dao cắt 11 2.2 Phần điều khiển 11 2.2.1 Động bước – Step Motor 11 2.2.2 Hệ thống điều khiển 11 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG CỦA MÁY CNC 12 ỨNG DỤNG CỦA MÁY CNC 13 CÁC LOẠI MÁY CNC HIỆN NAY 13 5.1 Máy tiện CNC 13 5.2 Máy phay CNC 13 5.3 Máy mài CNC 13 5.4 Máy khoan CNC 14 5.5 Máy cắt CNC 14 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY CNC BA TRỤC 15 THIẾT KẾ MƠ HÌNH MÁY CNC BA TRỤC 15 1.1 Các thông số cho mơ hình máy CNC ba trục 15 1.2 Bản vẽ thiết kế mơ hình 15 XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÁY CNC BA TRỤC 16 2.1 Các thành phần khí 16 2.1.1 Trục vít me 16 2.1.2 Đế máy 17 2.1.3 Khung máy - Nhơm định hình 17 2.1.4 Thanh trượt vuông 18 2.2 Mô hình thực tế 19 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 20 3.1 Động bước – Step Motor 20 3.2 Mạch điều khiển CNC BOB MACH3 V2 22 3.3 Phần mềm điều khiển Mach3 24 3.4 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển 28 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ 30 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 30 CÁC THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ MƠ HÌNH 32 2.1 Thử nghiệm 32 2.2 Thử nghiệm 32 2.3 Thử nghiệm 35 KẾT LUẬN 36 DANH MỤC BẢNG Bảng Thông số loại vít me bi sử dụng 17 Bảng Thông số kỹ thuật động bước 57 21 Bảng Thông số đặc tính mơ hình máy CNC ba trục thực 31 Bảng Phím cứng điều khiển trục X-Y-Z 32 Bảng Kết thử nghiệm 34 Bảng Kết thử nghiệm 35 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Mơ hình trục máy CNC ba trục Hình Cấu tạo bên vít me bi 10 Hình Bản thiết kế 3D mơ hình máy CNC ba trục 16 Hình Bản thiết kế đế máy 17 Hình Nhơm định hình 4080 18 Hình Thanh trượt vng 19 Hình Mơ hình máy CNC ba trục thực tế 20 Hình Động bước 57 21 Hình Mạch điều khiển động bước TB6600 22 Hình 10 Mạch điều khiển CNC BOB MACH3 V2 23 Hình 11 Giao diện phần mềm Mach3 24 Hình 12 Trang MDI 25 Hình 13 Trang ToolPath 25 Hình 14 Trang Offsets 26 Hình 15 Trang Setting 27 Hình 16 Trang Diagostics 27 Hình 17 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển 28 Hình 18 Sơ đồ nối dây mạch điều khiển động bước 29 Hình 19 Mơ hình máy CNC ba trục hoàn thành 30 Hình 20 Chọn vị trí bắt đầu 32 Hình 21 Thiết lập điểm bắt đầu (Zero point) 33 Hình 22 Cho mũi cắt di chuyển trở lại vụ trí bắt đầu 33 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Chữ viết đầy đủ Computer Numberical Control Công nghệ kỹ thuật Ký hiệu chữ viết tắt CNC CNKT MỞ ĐẦU Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, máy móc có độ xác cao dần đưa vào thay người công việc địi hỏi xác gia cơng vật liệu, chế tạo chi tiết máy,… Trên tiến trình phát triển nâng cao công nghệ sản xuất, máy CNC đời để đáp ứng nhu cầu tự động hóa cơng việc sản xuất (có tính lặp lại) sản phẩm kim khí có độ xác cao Ưu điểm máy CNC việc chạy tự động liên tục thời gian dài mà sản xuất sản phẩm có độ xác cao Q trình tự động hóa sản xuất với máy CNC tạo nên phát triển đáng kể độ xác chất lượng sản phẩm Từ máy CNC đời giúp giải phóng nhân lực, giảm thiểu sai sót giúp người thao tác có thời gian cho cơng việc khác Chính lợi ích mà máy CNC đem lại, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo máy CNC nhiều trường kỹ thuật nước nước thực Chế tạo máy CNC đề tài phổ biến sinh viên chuyên ngành điều khiển tự động hóa Các đề tài nghiên cứu máy CNC ngày có tính sáng tạo, tính phức tạp bước chế tạo phần cứng hệ thống điều khiển Tại Trường Đại học Đà Lạt, với việc mở thêm ngành CNKT Điều khiển tự động hóa việc nghiên cứu chế tạo máy CNC hướng lĩnh vực nghiên cứu khoa học Chính lý nên nhóm định thực đề tài Mục tiêu nhóm thực đề tài theo ba mức độ từ đến phức tạp Thứ nhất, nhóm muốn hiểu sở lý thuyết mơ hình máy CNC, cấu tạo hoạt động máy CNC Thứ hai, nhóm đến thiết kế chế tạo thành công mơ hình máy CNC ba trục Và cuối cùng, nhóm muốn ứng dụng mơ hình đạt để tạo số sản phẩm cụ thể Ngoài ra, sau hồn thành, mơ hình máy CNC ba trục đưa vào việc học tập cho sinh viên khóa sau, từ bạn sinh viên tiếp tục nâng cấp, cải tiến mơ hình trở nên tốt CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY CNC BA TRỤC Máy CNC (viết tắt Computer Numberical Control) dạng máy điều khiển tự động máy tính Các thành phần máy lập trình để hoạt động nối tiếp nhằm tạo sản phẩm có hình dạng, kích thước cho trước Số lượng trục máy CNC thông số xác định hoạt động phay, cắt mà máy làm, mức độ phức tạp tối đa chi tiết mà máy phay, cắt vị trí phơi mà dụng cụ cắt thao tác Máy CNC ba trục tức dụng cụ cắt máy chuyển động theo ba trục X-YZ hệ tọa độ Descartes Trong đó, trục X trục dọc, trục Y trục ngang trục Z độ sâu Hình mơ tả mơ hình máy CNC ba trục, dụng cụ cắt mơ hình CNC di chuyển theo ba trục: di chuyển hướng trái (X-), phải (X+) theo trục X; di chuyển hướng trước (Y-), sau (Y+) theo trục Y; di chuyển hướng lên (Z+), xuống (Z-) theo trục Z Vì dụng cụ cắt di chuyển theo ba trục nên máy CNC ba trục tạo sản phẩm 2D, 3D theo hoạt động trục Z Hình Mơ hình trục máy CNC ba trục CẤU TẠO CHUNG CỦA MÁY CNC BA TRỤC Máy CNC ba trục gồm phần phần khí phần điều khiển 2.1 Phần khí 2.1.1 Đế máy Trong cấu tạo máy CNC đế máy quan trọng, có có cơng dụng giáp để bảo vệ máy Đế máy tảng trung tâm máy cần có độ nặng, kết cấu tốt chắn Đế máy chịu toàn khối lượng máy, đồng thời mặt phẳng ngang giúp trục máy hoạt động thẳng Khi hoạt động, tùy theo công suất máy CNC mà chuyển động trục làm rung lắc thân máy, vậy, đế máy có kết cấu chắn giúp giảm độ rung máy CNC hoạt động Thông thường, máy CNC có đế máy khối kim loại chắn 2.1.2 Trục Trục hay cịn gọi trục Spindle thành phần có tính định máy CNC Một trục ổn định hợp với điều khiển động với hệ thống bôi trơn nguồn điện cung cấp Đảm bảo độ xác đốn trước suất máy Trục nơi để gắn dụng cụ phay, cắt,… tùy theo loại vật liệu mà trục mang dụng cụ cắt khác nhau, có tốc độ phay, cắt khác Vì mà trục định sản phẩm mà máy CNC thực được, chất lượng sản phẩm vật liệu sản phẩm máy phay, cắt 2.1.3 Khung máy Khung máy phận sở để lắp tất thiết bị phận khác bàn máy, trục chính,… lên tạo thành máy hồn chỉnh Khung máy cần có độ xác cao q trình chế tạo Máy CNC hoạt động xác an tồn có khung chắn xác Các trục máy CNC ba trục chuyển động theo phương thẳng vng góc nên khung máy cần phải xác để trục chuyển động xác Khung máy với đế máy phải chịu tất tải trọng tĩnh động tác động lực cắt rung động trình cắt khối lượng chi hiệu IN1, IN2, IN3, IN4, IN5 xuất tín hiệu qua ngõ OUT1, OUT2, OUT3, OUT4, ngõ tín hiệu vào cách ly qua Opto IC đệm nên an tồn cho mạch, ngồi mạch cịn có ngõ xuất xung PWM để điều khiển tốc độ quay Mạch CNC BOB MACH3 V2 có giao tiếp USB, không cần cài driver, thiết lập đơn giản, dễ sử dụng Hình hình ảnh thực tế mạch CNC BOB MACH3 V2 Hình 10 Mạch điều khiển CNC BOB MACH3 V2 Thông số kỹ thuật mạch CNC BOB MACH3 V2  Giao tiếp với máy tính qua cổng USB  Nguồn sử dụng: 5VDC USB  Tần số xung tối đa: 100KHz  Điều khiển động bước qua trục X, Y, X, A, B  Số ngõ vào: ngõ vào IN1, IN2, IN3, IN4, IN5 cách ly Opto  Số ngõ ra: ngõ OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 cách ly IC đệm  Có ngõ xuất xung PWM điều khiển tốc độ Spindle  Kích thước 90x60mm 23 3.3 Phần mềm điều khiển Mach3 Mach3 phần mềm đóng gói để chạy máy tính cá nhân, hữu ích thuận tiện để thay điều khiển máy Để chạy phần mềm Mach3 cần có máy tính sử dụng hệ điều hành Window XP Window 2000 trở lên Driver điều khiển trục máy phải chấp nhận tín hiệu xung (pulse) hướng (direction) Hầu driver động bước làm giống Hình 11 Giao diện phần mềm Mach3  Giao diện Mach3 Khi chạy chương trình Mach3, hình hiển thị giao diện bên Màn hình điều khiển Mach3 khởi động máy gồm trang hình  Program Run (Alt-1): Hình 11 trang hình khởi động Mach3  MDI (Alt-2): chế độ điều khiển máy CNC lệnh NC chế độ MDI, chương trình thực vùng định dạng vùng G-Code 24 nhập vào lệnh vùng Input Hình 12 thể thành phần trang MDI Hình 12 Trang MDI  ToolPath (Alt-4): điều khiển đường chạy cơng cụ cắt (Hình 13) Hình 13 Trang ToolPath 25  Offsets (Alt-5): Cài đặt tọa độ cắt: hệ tọa độ cắt (work coordinate system) hệ tọa độ gắn liền với chi tiếp cần phay, hệ tọa độ thường sử dụng lập trình phay nên gọi hệ tọa độ phay (Hình 14) Hình 14 Trang Offsets  Setting (Alt-6): Trang cho phép ta cài đặt tham số cho máy, phần cài nhà sản xuất cài đặt (Hình 15) 26 Hình 15 Trang Setting  Diagnostics (Alt-7): Trang cho phép ta chuẩn đoán lối máy (Hình 16) Hình 16 Trang Diagostics 27 3.4 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển Hình 17 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển Hình 17 thể sơ đồ nguyên lý kết nối từ mạch CNC BOB MACH3 V2 tới động bước điều kiển trục mơ hình Phần mềm Mach3 điều khiển mạch CNC BOB MACH3 V2 thông qua cổng USB Mạch Mach3 thông qua driver điều khiển TB6600 để điều khiển tốc độ hướng động bước Các động bước nối vào trục vít me để chuyển chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Các động cấp nguồn riêng thông qua driver TB6600, tốc độ bước động bước điều khiển qua driver TB6600 Hình 18 thể sơ đồ nối dây từ mạch điều khiển đến động bước, động bước cịn lại nối tương tự 28 Hình 18 Sơ đồ nối dây mạch điều khiển động bước 29 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Nhóm xây dựng thành cơng mơ hình máy CNC ba trục thể hình Mơ hình giống thiết kế ban đầu đặt Hình 19 Mơ hình máy CNC ba trục hồn thành 30 Mơ hình có đặc tính kỹ thuật mô tả Bảng Các thông số đặc tính kỹ thuật đo trực tiếp mơ hình Bảng Thơng số đặc tính mơ hình máy CNC ba trục thực STT Thơng số - Đặc Mơ tả tính Mơ hình có chiều dài tổng cộng 1200 mm, chiều rộng khoảng Kích thước 900 mm, chiều cao khoảng 350 mm Trọng lượng mơ hình 30 kg Các trục X-Y-Z mơ hình sử dụng vít me bi Trục X sử dụng hai động bước với hai vít me bi SFU1605 để kéo hai trục lại dụng cụ cắt mơ hình Các trục X-Y-Z Trục Y sử dụng vít me bi, đặt hai trượt vng gắn với hai vít me trục X, sử dụng vòng đai GT2 để động bước kéo trục Trục Z sử dụng vít me bi, cố định lên trục Y Hành trình hoạt động trục: Trục X: 840 mm Hành trình hoạt Trục Y: 460 mm động Trục Z: 100 mm Diện tích hoạt động mũi cắt 386400 mm2 ( hay 0.3864 m2) Tốc độ chuyển Tốc độ chuyển động trục X 46,7 mm/s động Tốc độ chuyển động trục Y 9,2 mm/s trục Tốc độ chuyển động trục Z 3,3 mm/s 31 CÁC THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ MƠ HÌNH 2.1 Thử nghiệm Cho mơ hình chạy thử theo trục, sử dụng hệ thống điều khiển tay phần mềm Mach3 cho di chuyển độc lập trục X-Y-Z Bảng thể nút nhấn để điều khiển trục phần mềm Mach3 Bảng Phím cứng điều khiển trục X-Y-Z Điều khiển trục X Sử dụng hai nút phím tên phải trái bàn phím máy tính Điều khiển trục Y Sử dụng hai phím mũi tên lên xuống bàn phím máy tính Điều khiển trục X Sử dụng hai phím PageUp PageDown bàn phím máy tính Sau chạy thử, trục hoạt động bình thường, di chuyển hết hành trình hoạt động mà khơng gặp cố Phần mềm điều khiển có độ nhạy tốt, sử dụng phím nhấn để điều khiển trục hoạt động với độ trễ thấp (chưa đến giây) 2.2 Thử nghiệm Các bước thực cài đặt điểm bắt đầu (zero point) cho việc thực nghiệm: Bước 1: Tại trang Program Run, sử dụng phím điều khiển, cho mũi cắt vị trí mong muốn vị trí bắt đầu (Hình 20) Hình 20 Chọn vị trí bắt đầu Bước 2: Chọn nút Zero X, Zero Y, Zero Z để thiết lập điểm bắt đầu Các tọa độ trở giá trị 0, tức thiết lập điểm bắt đầu (Hình 21) 32 Hình 21 Thiết lập điểm bắt đầu (Zero point) Bước 3: Sử dụng phím di chuyển mũi cắt đến vị trí Sau nhấn nút GO TO ZERO, phần mềm tự động di chuyển mũi cắt trở lại điểm bắt đầu thiết lập trước (Hình 22) Hình 22 Cho mũi cắt di chuyển trở lại vụ trí bắt đầu Cho dụng cụ cắt đặt trục Z mơ hình chạy lên xuống để xem xét độ lệch dụng cụ cắt lần di chuyển xuống mặt bàn Cài đặt điểm bắt đầu (zero point) mũi cắt mặt bàn, sau cho mũi cắt di chuyển lên tự động hạ xuống điểm bắt đầu Đo độ lệch vị trí mũi cắt so với vị trí ban đầu để đánh giá độ xác mũi cắt Kết 30 lần đo trình bày Bảng Tính tốn độ lệch trung bình mũi cắt chuyển động theo trục Z 33 Bảng Kết thử nghiệm Lần đo Độ lệch so với điểm bắt Lần đo đầu (zero point) (mm) Độ lệch so với điểm bắt đầu (zero point) (mm) 16 0,5 17 18 19 20 0,5 21 0,8 22 0,7 23 24 10 25 11 26 12 27 13 0,5 28 14 29 15 30 x N  xi N i1 (1) Cơng thức (1) dùng để tính giá trị trung bình mẫu liệu Trong đó, x giá trị trung bình mẫu liệu, N số lần thực lấy mẫu, xi giá trị lấy lần thứ i ( i  1, N ) Sử dụng cơng thức (1), tính độ lệch trung bình mũi cắt so với điểm bắt đầu chuyển động theo trục Z 0,167 mm 34 2.3 Thử nghiệm Cài đặt điểm bắt đầu (zero point) cho dụng cụ cắt mơ hình tương tự thử nghiệm Sử dụng hệ thống điều khiển tay để di chuyển dụng cụ cắt đến vị trí ngẫu nhiên, sau sử dụng nút tự động trở vị trí ban đầu (GO TO ZERO) phần mềm Mach3 để đưa mũi cắt trở điểm bắt đầu thiết lập trước Do độ lệch mũi cắt so với vị trí ban đầu Kết 30 lần đo trình bày Bảng Bảng Kết thử nghiệm Lần đo Độ lệch so với điểm bắt Lần đo đầu (zero point) (mm) Độ lệch so với điểm bắt đầu (zero point) (mm) 1 16 17 18 19 20 0,5 21 22 23 24 10 25 0.5 11 0,5 26 12 27 13 28 14 29 15 30 Tương tự, sử dụng công thức 1, tính độ lệch trung bình mũi cắt so với điểm bắt đầu chuyển động ba trục 0,483 mm 35 KẾT LUẬN Nhóm chế tạo thành cơng mơ hình máy CNC ba trục Thiết lập hệ thống điều khiển mơ hình thơng qua mạch CNC BOB MACH3 V2 phần mềm điều khiển Mach3 Mơ hình hoạt động theo trục độc lập tự động trở điểm bắt đầu (zero point) thiết lập trước Độ lệch mũi cắt mơ hình hoạt động xem xét, tính tốn Mơ hình máy CNC ba trục nhóm thực nhiên số hạn chế Trong q trình thực nghiệm để kiểm tra độ xác mơ hình máy CNC ba trục, độ lệch trung bình mũi cắt so với điểm bắt đầu 0,167 mm chuyển động trục Z 0,483 mm chuyển động ba trục Từ mô hình máy CNC ba trục nhóm hồn thành nâng cấp, cải thiện nhiều cách Có thể thay đổi mũi cắt phương pháp khác cắt, phay, khắc laser,… để tạo sản phẩm khác Gia cơng phần cứng để có thêm độ xác cao, hướng tới sản phẩm xác cao mạch in PCB, hình ảnh,… Thêm chức tự động tự động thay mũi dao, tự động điều chỉnh vị trí mũi cắt bị lệch so với vị trí ban đầu,… Các nâng cấp, cải thiện giúp nâng cao suất hoạt động mơ hình 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần, V D (2007) Công nghệ CNC Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Nguyễn, T T T (2019) Thiết kế chế tạo mơ hình máy phay CNC trục Tạp chí Khoa học Nơng nghiệp Việt Nam 37 ... khoan CNC 14 5.5 Máy cắt CNC 14 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY CNC BA TRỤC 15 THIẾT KẾ MƠ HÌNH MÁY CNC BA TRỤC 15 1.1 Các thơng số cho mơ hình máy CNC ba trục. .. trước Máy cắt sử dụng rộng rãi ngành gia cơng kim khí Việt Nam 14 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY CNC BA TRỤC THIẾT KẾ MƠ HÌNH MÁY CNC BA TRỤC 1.1 Các thông số cho mô hình máy CNC ba trục. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY CNC BA TRỤC Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa học tự nhiên