ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế chế tạo máy phay CNC 3 trục tích hợp phần mềm điều khiển NCStudio V5

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

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 công 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 đòi hỏi phải gia công chính xác các hình dạng phức tạp Parsons sớm nhận ra rằng bằng cách sử dụng máy tính IBM thời kì đầu, ông 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 công 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 không có bộ nhớ Chúng thường được gọi là NC hay máy điều khiển số.

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 công ty Ông đã xin phép International Business Machine sử dụng một trong những chiếc máy tính văn phòng 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 Phòng 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 quá trình khác nhau và cũng đã làm việc với các dự án Air Force từ thời Thế chiến II. Phòng 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 thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính chương trình Để đặt thông 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 công tốt nhất để sản xuất chi tiết đó dưới dạng phôi 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 thông minh nhân tạo sẽ làm cho những chiếc 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

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 thông báo thường xuyên về tình trạng của máy, cảnh báo lỗi nguy hiểm có thể xảy ra, thực hiện mô phỏng để kiểm tra trước quá trình gia công.

+ Cho phép hiệu chỉnh dụng cụ cắt,hiệu chỉnh toạ độ,nội suy đường thẳng, đường tròn hay bất kì đường bậc ba nào.

+ Độ chính xác: Các vòng lặp khép kín có phản hồi vị trí và tốc độ cho phép tạo ra chuyển động êm ái và chính xác với tốc độ ổn định.

+ Chống nhiễu: Các vi mạch và linh kiện điện tử, dây truyền dẫn tín hiệu được chống nhiễu về điện hoặc xung điện phát ra từ các nguồn như tia plasma, máy hàn.

+ Tiêu chuẩn hoá các thiết bị thay thế: giúp giảm giá thành chế tạo và giảm thời gian bảo dưỡng sửa chữa.

+ Có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác như robot, băng tải,thiết bị đo,… trong hệ thống sản xuất Có thể trao đổi thông tin trong mạng máy tính các loại, từ mạng cục bộ(LAN) đến mạng diện rộng (WAN) vàInternet.

Phạm vi ứng dụng

Những lợi ích khi sử dụng máy công cụ điều khiển số CNC so với máy công cụ thường

+ Tự động hóa sản xuất: Máy CNC không chỉ quan trọng trong ngành cơ khí mà còn 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 không còn phải can thiệp vào hoạt động của máy Sau khi nạp chương trình gia công, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, giải phóng nhân lực cho công việc khác.

+ ít xuất hiện phế phẩm do lỗi vận hành, thời gian gia công được dự báo chính xác, người vận hành không đòi hỏi phải có kỹ năng thao tác (chân tay) cao như điều khiển máy công cụ truyền thống.

+ Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm: Các máy CNC thế hệ mới cho phép gia công 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 công 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 công 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 công mới Được kết nối với các phần mềm CAD/CAM, công nghệ CNC trở nên vô 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.

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.

Hệ tọa độ máy

1.5.1 Trục Z máy phay có chiều trục chính: Trục Z song song với đường tâm của trục chính và vuông góc với bàn máy (chọn trục chính có đường tâm vuông góc với bàn máy làm trục Z) Chiều dương của trục Z trong trường hợp này hướng từ bàn máy tới trục chính

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 ngoài nhìn vào trục chính thì chiều dương của trục X hướng về bên phải.

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 công 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 quá trình dịch chuyển.

- Điểm gốc của phôi 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 quátrình gia công.

- 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

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 quá trình gia công một chi tiết thực mà trong khi thiết lập chương trình gia công người ta đã tạm bỏ qua các giá trị đó để cho quá 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.

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 công bàn máy XY

Hình 1 3 Phương án chuyển động 1 ( H-Frame)

- 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.

- 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 quá trình gia công phôi di chuyển sẽ cần không gian phạm vi làm việc rộng xung quanh máy gấy chiếm diện tích và không an toàn khi gia công Trục thứ 4 có kích thước gia công hạn chế, khó khăn trong lắp ráp, bảo dưỡng. b Phương án trục Z cố định, phôi di chuyển

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

- 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 công xôn 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 công di chuyển, trục thứ 4 nằm phía ngoài vùng gia công bàn máy XY

Trục Y chuyển động trên bệ máy , trục X chuyển động trên trục Y , trục Z chuyển động trên trục X :

- 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 toàn bộ phần trượt Y không bị vênh Xộc xệch khi di chuyển Đồng thời 2 tấm đỡ 2 bên phải đủ độ dày để khi cắt vào trục trượt của bệ đỡ thì khớp trượt không bị rơ, đảm bảo trượt ổn định và không sai số.

- Trục X trượt trên trục Y có gắn các hệ số các thanh trượt, cơ cấu truyền động, động cơ tất cả các bộ phận này chuyển động cùng với trục Y.

- Trên trục Z có bắt các cơ cấu bắt động cơ chạy di chuyển 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 không 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 quá trình gia công và sử dụng lâu dài.

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:

Hình 1 5: Phương án chuyển động lựa chọn

THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Thiết kế chi tiết

- 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 toán 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, còn 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 còn 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.

Hình 2 1: Sơ đồ tính toán trục vit ne đai ốc

Hình 2 2: Trục vỉ me đai ốc bi

- Tính bước trục vít me

+ l là bước trục vít me

+ V1 là vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công, chọn V1 = 9 m/phút + Nmax là tốc độ vòng lớn nhất của động cơ, giả sử chọn Nmax = 2000 vòng/phút

=> Chọn bước của trục vít me l = 4

Chọn lực cắt cho 3 trục Fx = Fy = Fz = 20 N

- Xác định lực ma sát

+ μ là hệ số ma sát lăn: μ = 0,005 [6]

+ W khối lượng của các trục: Wz = 5 kg

Lực ma sát theo trục Z: F z  0,005 *5 0,025 (kgf)   0,25 (N)

Dựa vào các trường hợp chạy của bàn máy: Tăng tốc, giảm tốc, chạy đều, gia công Xác đinh lực dọc trục tác lớn nhất.

Khi tăng tốc: F a1  wg wa F  

Khi giảm tốc: F a3  wg wa F  

+ W là khối lượng: Wz = 5 kg

+ a gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ: a = 0,4g = 0,4*9,8 = 3,92 m/s 2 + g là gia tốc trọng trường: g = 9,8 m/s 2

+ Fm là lực cắt theo các trục: Fx = Fz = Fy = 20 N

Khi gia công F a2  F mz   (w g F ) F z  mz  z

Lực dọc trục lớn nhất:

Fz = max (Fa1, Fa2, Fa3, Fa4) = 20 N

- Tính toán tốc độ trung bình của động cơ

Khi máy chạy với tốc độ V1 = 9 m/min thì bước trục vít me: v 1 9000 l 4,5 mm

Chọn l = 4 mm, ta có tốc độ vòng chính xác của động cơ:

Khi máy chạy với tốc độ V2 = 6 m/min thì bước vít me: v 2 6000 l 3 mm

Chọn l = 5 mm ta có tốc độ vòng chính xác của động cơ:

Với chế độ thời gian t1 = 30%, t2 = 70% ta có:

Thông số Lực dọc trục (N)

Bảng 2-3 Chế độ làm việc trục vít me trục Z

- Tính toán tải trọng động Ca

Chọn bán kính trục vít

+Ta chọn phương án bố trí ổ bi là một đầu cố định, một đầu tùy động.

+ L = (tổng chiều dài di chuyển max + chiều dài vùng thoát) + (chiều dài

1 gối đỡ + chiều dài khớp nối)

+ Kiểu ổ bi là một đầu cố định, một dãy tùy động -> f = 15,1

+ Tốc độ quay vòng của động cơ 2000 rpm Đường kính trục vít:

Hình 2 3 Thông số hình học vitme bi trục Z

Dựa vào yêu cầu về tải trọng, đường kính trục vít me, ta chọn trong catalog của hang TBI loại vít me bi có các thông số phù hợp với Ca max và dr để dùng cho trục Z.

+ Ổ bi loại lưu chuyển bi bên ngoài, mã SFU 01204-4

+ Kiểu SFU (tiêu chuẩn DIN 69051 form B)

+ Số dòng lưu chuyển bi: 4

+ Đường kính trục vít me: dr = 12 mm

Dựa vào yêu cầu về tải trọng, đường kính trục vít me, ta chọn trong catalog của hang TBI loại vít me bi có các thông số phù hợp với Ca max và dr để dùng cho trục Z.

Tốc độ quay cho phép:

Với drm là đường kính lõi ren trục vít. r d  16 3,175 8,825 mm  

Tốc độ này lớn hơn tốc độ quay được thiết kế.do vậy lựa chọn như trên thỏa mãn.

- Tính lực tác dụng lên trục vít max 2

Vật liệu làm trục chọn: có thành phần là 50CrMo4

+ Ứng suất kép giới hạn là 110*106 N/m2> max

+ Ứng suất đàn hồi giới hạn là:

- Tính tải trọng tới hạn của trục vít

Do vậy, trục vít me đảm bảo ban toàn

+ L: Chiều dài trục vít me

+ J: Momen quán tính hình học của trục vít me

+ m: Hệ số phụ thuộc kiểu lắp, m = 10,2

2.1.1.2 Tính toán đường dẫn hướng cho trục Z

Xác định điều kiện làm việc:

Hình 2 4 Thông số hình học ray trục Z

Chọn sơ bộ khoảng cách c= 20 mm, d= 60mm, h= 20mm, l = 60mm.

Khối lượng cụm đầu dao: Wz = 6 (kg).

Lực tác dụng lên mỗi Block của ray trượt được tính theo sơ đồ:

Trong đó: ngoại lực F = 20 (N); Wz = 6 (kgf)

Do đó tải trọng tính toán:

 1 3  f SL   là hệ số an toàn tĩnh cho tải trọng đơn Lấy f SL  3

Do tải trọng đặt lên Block ray dẫn hướng là tải trọng nặng, cần độ chính xác cao nên ta chọn loại dẫn hướng vuông model MSD 9

Hình 2 5 Ray dân hướng hãng PMI

Hình 2 6 Bảng thông số ray dẫn hướng vuông của hãng PMI

Tải trọng động cho phép: C = 2.79 (kN).

Tuổi thọ danh nghĩa của ray :

+ Ray được tôi tới độ cứng 58-60 HRC thì hệ số độ cứng f h  1

+ Nhiệt độ môi trường làm việc 100ºC thì hệ số nhiệt độ f t  1

+ Hệ số tải trọng với tốc độ làm việc v =< 15 (m/ph): f w 1 1,2   lấy w 1,2 f 

Chiều dài thanh ray : L&5 (lấy bằng chiều dài vitme)

+ Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công Vmax = 9 m/ph

+ Ngoại lực tác dụng FA = 10 N

+ Hệ số ma sát của bàn máy μ 0,04 

+ Hệ số ma sát đai ốc μ o  0,3

+ Hiệu suất của trục vít me η 0,9 

+ Đường kính trục vít me DB = 12 mm

+ Chiều dài trục vít me LB = 265 mm

+ Bước trục vít me l = 4 mm

+ Hệ số vật liệu làm trục vít me ρ 7,9*10 kg / m  3 3

+ Thời gian tăng tốc, giảm tốc t = 0,1 s

- Tính toán độ phân giải của động cơ o o

- Tính tốc độ vòng lớn nhất max

- Tính toán mô men xoắn TL

Lực dịch chuyển bàn máy:

Mô men của động cơ : o o

+ Fo = 1/3F , tải trọng đặt trước lên trục vít me.

Lực quán tính của trục vít me

Mô men quán tính của bàn máy khí làm việc

Tổng mô men quán tính

Lấy hệ số an toàn Sf = 2

Mô men động cơ cần

Tổng mô men quá tính

Tốc độ vòng quay tối đa

Với các thông số ban đầu đã cho và thông số đã tính toán ta chọn động cơ bước cho hệ chuyền động.

57HS7630A4 3A 1.8Nm Theo tài liệu [5] ta chọn được loại động cơ bước Với thông số:

+ Tốc độ vòng quay tối đa N = 2000 vg/ph

+ Lực mô men xoắn TM = 1,8 N.m

+ Mô men quán tính rotor Jo = 4,4*10 -5 kg.m 2

- Tính toán mô men khi tăng tốc và khi giảm tốc

Mô men quán tính khi tăng tốc T a

- Tính tổng mô men cần thiết cho động cơ

Với T T hay 0,163 1,8 N.m  M  động cơ thỏa mãn điều kiện chạy cho máy.

Sử dụng sơ đồ tính toán theo

, tương tự như tính trục Z

Chọn bước của trục vít me l = 5

+ W khối lượng của các trục: Wx = 10 kg

Lực ma sát theo trục X:

+ W là khối lượng:Wx = 10 kg

+ Fm là lực cắt theo các trục: Fx = Fz = Fy = 20 N

Khi gia công F a3  F mx   (w *g F ) F x  mx  x

Lực dọc trục lớn nhất: Fa= 40,19 N

- Tính toán tốc độ vòng trung bình của động cơ

Khi máy chạy với tốc độ V1 = 9 m/min thì bước vít me: v 1 9000 l 4,5 mm

Chọn l = 5 mm, ta có tốc độ vòng chính xác của động cơ:

Chọn l = 5 mm ta có tốc độ vòng chính xác của động cơ:

Bảng 2-5 Chế độ làm việc trục ít me trục X Tính toán tải trọng động Ca

Chọn bán kính trục vít Ta chọn phương án bố trí ổ bi là một đầu cố định, một đầu tùy động.

+ L = (tổng chiều dài di chuyển max + chiều dài vùng thoát) + chiều dài 2 gối đỡ + chiều dài khớp nối

+ Kiểu ổ bi là một đầu cố định, một dãy tùy động f = 15,1

Dựa vào yêu cầu về tải trọng, đường kính trục vít me, ta chọn trong catalog của hang TBI loại vít me bi có các thông số phù hợp với Ca max và dr để dùng cho trục X.

Hình 2 8 Thông số hình học vitme bi trục X

+ drm là đường kính lõi ren trục vít. r d  16 3,175 1, 4 14, 225 mm   

+ m: Hệ số phụ thuộc kiểu lắp, m,2

2.1.2.2 Tínhchọn ray dẫn hướng trục X

Hình 2 9: Thông số hình học ray dẫn hướng trục X

Chọn sơ bộ khoảng cách c 0 mm, d = 20 mm, h = 30mm, l = 170mm.

Do thực tế chỉ có 3 block nên tải trọng tính toán:

Do tải trọng đặt lên Block ray dẫn hướng là tải trọng nặng, cần độ chính xác cao nên ta chọn loại dẫn hướng vuông Tra sách catalog Linear Guideway của hãng TBI ta chọn được kích thước Block và ray theo tải trọng tĩnh C0 như sau:

Model: TRH15VL  Tải trọng động cho phép: C = 1343(kN).

Hình 2 10: Ray dẫn hướng hãng TBI

Hình 2 11 Bảng thông số ray dân hướng vuông TBI

+ ray được tôi tới độ cứng 58-60 HRC thì hệ số độ cứng f h  1

+ nhiệt độ môi trường làm việc 100ºC thì hệ số nhiệt độ f t  1

+ Hệ số tải trọng với tốc độ làm việc v < 15 (m/ph): f w 1 1,2  =>lấy w 1,2 f 

Chọn chiều dài thanh ray bằng với chiều dài vitme là: Lx = 807 mm

Hình 2 12 Động cơ lắp cho trục X

Mô men của động cơ :

+ Fo = 1/3F , tải trọng đặt trước lên trục vít me.

Lấy hệ số an toàn Sf = 1,5

Với các thông số ban đầu đã cho và thông số đã tính toán, ta chọn động cơ bước cho hệ chuyền động.

57HS7630A4 3A 1.8Nm Theo tài liệu [5] ta chọn được loại động cơ bước

Sử dụng sơ đồ tính toán theo

, tương tự như tính trục Z

Chọn bước của trục vít me l = 5

+ W khối lượng của các trục: Wy = 15 kg

Lực ma sát theo trục Y:

+ W là khối lượng:Wy = 15 kg

+ Fm là lực cắt theo các trục: Fy = Fz = Fx = 20 N

Khi gia công : F a3  F my   (w *g F ) F y  my  y

Lực dọc trục lớn nhất: Fa= 40,44 N

- Tính toán tốc độ vòng trung bình của động cơ

Khi máy chạy với tốc độ V1 = 9 m/min thì bước vít me: v 1 9000 l 4,5 mm

+ Chọn l = 5 mm, ta có tốc độ vòng chính xác của động cơ:

+ Chọn l = 5 mm ta có tốc độ vòng chính xác của động cơ:

Thông số Lực dọc trục (N) Tốc độ vòng Thời gian làm

Bảng 2-7 Chế độ làm việc trục ít me trục Y

- Tính toán tải trọng động Ca

Chọn đường kính trục vít Ta chọn phương án bố trí ổ bi là một đầu cố định, một đầu tùy động.

+ L = (tổng chiều dài di chuyển max + chiều dài vùng thoát) + chiều dài 2 gối đỡ + chiều dài khớp nối: L = 625 + 11 + 51 = 687 mm

+ Kiểu ổ bi là một đầu cố định, một dãy tùy động -> f = 15,1

Dựa vào yêu cầu về tải trọng, đường kính trục vít me, ta chọn trong catalog của hang TBI loại vít me bi có các thông số phù hợp với Ca max và dr để dùng cho trục Y.

Hình 2 13: Thông sô hình học vitme bi trục Y

Với drm là đường kính lõi ren trục vít. d r  16 3,175 1, 4 14, 225 mm   

+ m : Hệ số phụ thuộc kiểu lắp, m,2

2.1.3.2 Tính chọn ray dẫn hướng trục Y

Khối lượng bàn máy, các cột liên kết dẫn động theo trục Y :

Tốc độ chạy không lớn nhất: v = 9m/ph

Lực tác dụng lên mỗi Block của ray trượt được tính theo sơ đồ sau:

Chọn sơ bộ khoảng cách c = 60 mm, d = 80 mm.

Hình 2 14 Mô hình hóa lực tác dụng lên phương Y

Trong đó: Ngoại lực F = 20 (N); Wy = 15 (kgf)

Do tải trọng đặt lên Block ray dẫn hướng là tải trọng nặng nên ta chọn loại ray dẫn hướng vuông Tra catalog Linear Guideway của hãng PMI ta chọn được kích thước Block và ray theo tải trọng tĩnh C0 như sau: MSD15M

Hình 2 15: Thông số hình học ray dân hướng hãng PMI

Hình 2 16: Thông số kĩ thuật ray dẫn hướng vuông của hãng PMI

Tải trọng động cho phép: C = 9.5 (kN).

+ Ray được tôi tới độ cứng 58-60 HRC thì hệ số độ cứng f h  1

+ Với nhiệt độ môi trường làm việc 100ºC thì hệ số nhiệt độ f t  1 + Hệ số tải trọng với tốc độ làm việc v < 15 (m/ph) => lấy fW = 1,2.

Chọn chiều dài thanh ray bằng chiều dài vitme là: Lx = 687

Hình 2.14 Động cơ lắp cho trục Y

Mô men của động cơ : o o

Trong đó: Fo = 1/3F , tải trọng đặt trước lên trục vít me.

Lấy hệ số an toàn Sf = 1,5

Với các thông số ban đầu đã cho và thông số đã tính toán, ta chọn động cơ bước cho hệ truyền động.

57HS7630A4 3A 1.8Nm Theo tài liệu [5] ta chọn được loại động cơ bước Với thông số:

Kết Luận: kết cấu cơ khí hoàn chỉnh :

Hình 2 17: Kết cấu cơ khí hoành chỉnh

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ LẮP RÁP

Quy trình công nghệ gia công chi tiết tấm nhôm trục

3.1.1 Chức năng làm việc của chi tiết

Dựa vào bản vẽ chi tiết, ta thấy chi tiết tấm nhôm trục Y là một chi tiết dạng tấm (hình chữ nhật), kích thước 63x100x18mm.Chi tiết có các lỗ vít.

Tấm nhôm trợ lực 2 phải làm việc trong điều kiện chịu tải trọng trực tiếp từ cụm trục X và cụm trục Z Do vậy, trong quá trình làm việc tấm nhôm trục Y luôn phải chịu momen uốn lớn.Với điều kiện làm việc như vậy tấm nhôm phải có độ dày khá lớn để có đủ bền vững.

3.1.2 Yêu cầu kỹ thuật của chi tiết

- Yêu cầu độ nhám bề mặt lắp ghép: Rz = 20

- Yêu cầu độ vuông góc của các lỗ với bề mặt tấm

- Yêu cầu độ song song giữa các lỗ

3.1.3 Thiết kế bản vẽ chi tiết

Chọn vật liệu: Hợp kim nhôm A1050

Al Si Mn Cr Mg Cu Ti

Chọn phôi có chiều dày 15 mm, dạng tấm phẳng hai bề mặt đạt độ bóng yêu cầu.

Hình 3 2 bản vẽ lồng phôi chi tiết tấm nhôm trục Y

3.1.4 Xác định đường lối công nghệ

Chọn phương pháp công nghệ

- Khi gia công các bề mặt nhôm tấm: Sử dụng phương pháp phay trên máy CNC.

- Gia cụng cỏc chi tiết lỗ ứ8, ứ 14, ứ7 sử dụng phương phỏp khoan trờn mỏy CNC.

- Chi tiết được sản xuất đơn chiếc và gia công trên máy CNC nên chọn đường lối công nghệ là tập trung nguyên công.

Giới thiệu máy CNC và dụng cụ gia công

- Vận tốc cắt tối đa: 12,000 rpn

Hình 3 5: Chọn dạo gia công

Hình 3 6 Thông số kĩ thuật của chip dao

Hình 3 7: Vật liệu làm chip dao

3.1.5 Trình tự gia công hợp lý

T Tên nguyên công Bề mặt gia công Định vị

Bảng 3-1 Bảng phương án công nghệ

Quy trình lắp ráp

Khung máy là một trong những hệ thống cơ bản được chế tạo từ những thanh thép tấm lắp ghép lại với nhau bằng bulong và ren.Trước quá trình găn khung được định vị bằng các mặt bậc đã được gia công hoặc chốt định vị có thể điều chình phù hợp Trong đó kết cấu khung cần đảm bảo những yêu cầu cũng như tiêu chuẩn cơ bản sau:

- Phải đảm bảo độ song song cũng như vuông góc giữa các chân lại với nhau.

- Đảm bảo độ đồng tâm giữa các lỗ bắt ổ lăn và trục vít me.

- Đảm bảo chuẩn bị trước các lỗ công nghệ để thực hiện cho quá trình lắp nhôm bàn máy lên khung máy.

- Cần tính toán thiết kế các vị trí để bố trí đường đi của dây điện hệ thống trục Y, trục X và trục Z.

- Đảm bảo thiết kế các vị trí lắp hệ thống hệ thống tưới nguội làm mát lên khung máy và bố trí bắt đế.

- Đảm bảo độ phẳng của khung ngang bàn máy trươc khi lắp ráp các chi tiết nhôm bàn máy lên khung máy.

Như vậy khung máy không chỉ cần đảm bảo độ cứng vững mà còn phải đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật, các tiêu chuẩn kĩ thuật để gắn kết cấu máy, là nền tảng cơ bản cho quá trình thiết kế các cụm về sau.Bao giờ khung cũng là hệ thống cơ bản và quan trọng trong quá trình chế tạo, lắp ráp và hiệu chỉnh.

Do đó nhóm đã quyết định kết cấu máy được tính toán và chế tạo thông qua các thông số cụ thể như sau:

Khung máy được thiết kế bằng thép CT3, với kích thước

- Kích thước biên máy: 750x750x750 mm

Quá trình láp ráp của cụm khung được cụ thể bằng sơ đồ sau:

GANY-CNC 2 Thanh tro luc 3 GANY-CNC 1 tro luc ban may

Hình 3 8: sơ đồ lắp ráp khung máy

Hình 3 9 Mô hình khung máy

3.2.2: Kết cấu cụm chuyển động trục Z

Cụm trục Z cần đảm bảo các tiêu chuẩn kĩ thuật sau:

 Độ không đồng tâm giữa khớp nối và trục động cơ là 0.03

 Động không đồng tâm giữa vít me và khớp nối là 0.03

 Độ không song song giữa 2 ray dẫn hướng là 0.02 trên 100 mm chiều dài

 Độ không vuông góc giữa động cơ và dẫn hướng là 0.03

 Chế độ lắp giữa khớp nối và vít me cũng như khớp nối và độngc cơ là lắp chặt

 Chế độ lắp giữa vít me và ổ lăn là lắp trung gian H7/k6

 Quá trình lắp ghép cụm trục Z lên trục X cần đảm bảo độ song song giữa cụm trục Z với cụm trục X là 0.03 trên 100mm chiều dài.

Hình 3 10: Mô hình cụm trục Z 3.2.3 : Kết cấu cụm truyền động trục X

Kết cấu trục X cần đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật sau :

 Độ không song song giữa 2 ray dẫn hướng là 0.02 trên 100mm chiều dài.

 Độ không vuông góc góc giữa dẫn hướng và các phía cánh gà là 0.02

 Độ không đồng tâm giữa đai ốc bi với tấm đỡ cánh gà là 0.02

 Độ không song song giữa cánh gà với 2 thanh dẫn hướng là 0.03 trên 100mm chiều dài

 Độ không song song giữa vít me mà dẫn hướng là 0.03 trên 100mm chiều dài

 Độ không song song giữa đai ốc bi dẫn hướng với thanh dẫn hướng là 0.03

 Độ không đồng tâm giữa khớp nối và vít me trục X là 0.03

 Độ không đông tâm giữa động cơ và khớp nối trục X là 0.03

Trong quá trình lắp ghép hiệu chỉnh trục X cần đảm bảo những yêu cầu sau :Quá trình hiệu chỉnh lắp ráp được thực hiện và bảo đảm bởi chốt định vị. Quá trình này được thực hiện sao cho đảm bảo độ song song các ray dẫn hướng và độ song song của cụm trục Z với chân của bàn máy,trước khi xiết bulong của trục Z và của trục X.

Hình 3.14: Mô hình hóa cụm trục X

Hình 3 11: Mô hình cụm trục X

3.2.4 Kết cấu cụm chuyển động trục Y

 Truyền độngtrục Y: Sử dụng trục Vítme đai ốc bi.

 Có thể thấy rằng trục Y là một kết cấu quan trọng mang chuyển động của phôi Đỏi nhiều nhiều tiêu chuẩn kĩ thuật như độ song song, độ phẳng của dẫn hướng cũng như là của vít me và của cụm chi tiết với các cụm chuyển động khác Quá trình điều khiển điện đồng thời đòi hỏi hệ thống cơ khí phải đảm bảo chính xác và phù hợp Chính vì thế kế cấu cụm trục Y cần đảm bảo những tiều chuẩn cơ bản sau:

 Độ không đồng tâm của vít me mới khớp nối là 0.03

 Độ không song song giữa tâm của vít me với mặt phẳng của thanh dẫn hướng là 0.03 trên 100mm chiều dài

 Độ không đồng tâm giữa trục của động cơ với khớp nối là 0.03

 Độ không song song giữa dẫn hướng và vít me là 0.03 trên 100mm chiều dài

 Chế độ lắp trung gian giữa vít me và ổ lăn, lắp chặt giữa khớp nối và động cơ.

 Độ không vuông góc giữa các chân trục đứng so với nhôm định hình và thanh dẫn hướng trục Y là 0.03

 Chế độ lắp trung gian cho các chốt định vị

3.2.5: Kết cấu hệ thống khung đế và tưới nguội

Hệ thống khung đế có tác dụng nâng cao chiều cao thao tác cho người vận hành máy đơn giản hơn đồng thời có không gian để bố trí các hệ thống điện, hệ thông tưới nước làm mát, hệ thống cửa chắn phoi bắn và văng dung dịch

Hệ thống tưới nguội tuần hoàn, dầu tưới được phun vào vùng gia công sau đó chảy xuống bể dầu và được bơm qua lọc dầu quay trở lại tưới tiếp tục vào chi tiết

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Cấu tạo chung của máy CNC

Các máy CNC thông thường hiện nay gồm có cấu tạo chung như trong hình vẽ dưới đây:

Hình 4 1: Cấu taoh 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.

Nhìn chung ở các máy CNC, trục Z luôn song song với trục chính của máy. Ở máy tiện: Trục Z song song với trục chính của máy và có chiều dương chạy từ mâm cặp tới dụng cụ (chạy xa khỏi chi tiết gia công được cặp trên mâm cặp). Hay nói cách khác, chiều dương của trục Z chạy từ trái sang phải.

Máy khoan đứng, máy phay đứng, máy khoan cần: Trục Z song song với các trục chính và có chiều dương hướng từ bàn máy lên phía trục chính.

Máy bào, máy xung điện: Trục Z vuông góc với bàn máy và có chiều dương hướng từ bàn máy lên phía trên.

Các máy phay có chiều trục chính: Trục Z song song với đường tâm của trục chính và vuông góc với bàn máy (chọn trục chính có đường tâm vuông góc với bàn máy làm trục Z) Chiều dương của trục Z trong trường hợp này hướng từ bàn máy tới trục chính

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 ngoài nhìn vào trục chính thì chiều dương của trục X hướng về bên phải.

Máy khoan cần: Nếu đứng ở vị trí điều khiển máy, ta có chiều dương của trục X hướng vào trục máy.

Máy phay ngang: Nếu đứng ngoài nhìn thẳng vào trục chính, ta có chiều dương của trục X hướng về bên trái Nếu đứng ở phía trục chính để nhìn vào chi tiết, ta có chiều dương của trục X hướng về bên phải.

Máy tiện: Trục X vuông góc với trục máy và có chiều dương hướng về phía bàn kẹp dao (hướng về phía dụng cụ cắt) Như vậy, nếu bàn kẹp dao ở phía trước trục chính thì chiều dương của X hướng vào người thợ, còn nếu bàn kẹp dao ở phía sau trục chính thì chiều dương đi xa phía người thợ.

Máy bào: Trục X nằm song song với mặt định vị chi tiết trên bàn máy và chiều dương hướng từ bàn máy tới thân máy.

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.

Trục thứ 4 thường là trục xoay tròn, có đường tâm trục song song với trục X hoặc trục Y.

4.1.1 Sơ đồ động học máy CNC 3 trục

Hình 4 2: Sơ đồ động học máy phay CNC 3 trục

4.1.2.Kết cấu máy phay CNC 3 trục

Hình 4 3: Mô hình kết cấu máy 3D Hình 4.3.Mô hình kết cấu máy 3D

Hình 4 4: Bản vẽ 2D kết cấu máy

Hình 4 5: Mô hình máy thực tế

Dựa trên cơ sở đã chọn, nhóm em đưa ra kích thước, khối lượng lớn nhất của chi tiết gia công và các thông số đầu vào của máy như sau:

- Kích thước lớn nhất của chi tiết: tấm gỗ 500 x 350 x 150 (mm)

- Kích thước của bàn máy: 500 x 350 (mm)

- Hành trình của các trục vít me:

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

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

- Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 0,04g =0,392 m/s 2

- Thời gian hoạt động: 5-7 năm→ Lt = 17520h ( 6năm x 365ngày x 8giờ).

- Hệ số ma sát lăn bề mặt: μ = 0,005.

- Tốc độ vòng động cơ trục chính: Nmax= 24000 vg/ph.

- Độ chính xác vị trí(không tải): ±0,05/1000mm.

- Độ chính xác lặp: ±0,07mm.

4.1.3.Sơ đồ nguyên lý điều khiển máy phay CNC 3 trục

Phần điều khiển máy phay CNC 3 trục: 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, số và môt số ký hiệu khác như dấu cộng, trừ, dấu chấm, gạch nghiêng … Chương trình này được ghi lên cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã số (cụ thể là mã thập – nhị phân như băng đục lỗ, mã nhị phân như bộ nhớ của 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 được gửi về từ các cảm biến liên hệ ngược Bao gồm các cơ cấu đọc, cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuyếch đại, cơ cấu đo hành trình, cơ cấu đo vận tốc, bộ nhớ và các thiết bị xuất nhập tín hiệu.

Phần chấp hành máy phay CNC 3 trục:Gồm máy phay và một số cơ cấu phục vụ vấn đề tự động hóa như các cơ cấu tay máy, ổ chứa dao, bôi trơn, tưới trơn, hút thổi phoi, cấp phôi …

Cũng như các loại máy phay khác, đây là bộ phận trực tiếp tham gia cắt gọt kim loại để tạo hình chi tiết Tùy theo khả năng công nghệ của loại máy mà có các bộ phận : Hộp tốc độ, hộp chạy dao, thân máy, sống trược, bàn máy, trục chính, ổ chứa dao, các tay máy …

Kết cấu từng bộ phận chính chủ yếu như máy vạn năng thông thường, nhưng có một vài khác biệt nhỏ để đảm bảo quá trình điều khiển tự động được ổn định, chính xác, năng suất và đặc biệt là mở rộng khả năng công nghệ của máy.

- Hộp tốc độ: Phạm vi điều chỉnh 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 các động cơ bước. Trong xích truyền động, sử dụng các phương pháp khử khe hở của các bộ truyền như vít me - đai ốc bi…

- Thân máy cứng vững, kết cấu hợp lý để dễ thải phoi, tưới trơn, dễ thay dao tự động Nhiều máy có ổ chứa dao, tay máy thay dao tự động, có thiết bị tự động hiệu chỉnh khi dao bị mòn.Trong các máy CNC có thể sử dụng các dạng điều khiển thích nghi khác nhau bảo đảm một hoặc nhiều thông số tối ưu như các thành phần lực cắt, nhiệt độ cắt, độ bóng bề mặt, chế độ cắt, độ ồn, độ rung.

Chọn động cơ truyền động cho các trục

4.2.1: Động cơ bước Động cơ bước là một thiết bị cơ-điện dùng để biến đổi xung điện một chiều thành chuyển động quay cơ học rời rạc.

Góc quay và tốc độ quay tương ứng với số xung và tần số xung điện cấp cho động cơ.

Mỗi vòng quay của trục động cơ được thiết lập bằng một số lượng hữu hạn các góc bước, là góc quay của roto khi cuộn dây stato bị đảo cực tính.

Có nhiều loại động cơ với các độ phân giải góc quay (góc bước) khác nhau:

Những động cơ “thô” thường có góc bước 90 độ, 30 độ, 15 độ hoặc 7.5 độ.

Những động cơ mịn thường có góc bước 1.8 độ hoặc 0.72 độ Ngoài việc điều khiển các tín hiệu xung điện một chiều với những tuần tự và giá trị thích hợp có thể điều khiển động cơ quay được nửa bước hay vi bước tùy thuộc vào số xung đặt trên driver (phần điều khiển của động cơ) Trong đồ án này, nhóm em đặt số xung cho driver là 1600 pulse, vi bước đạt được với số xung này là0.003125 mm/pulse.

Hình 4 7: Cấu tạo cơ bản động cơ bước Ưu điểm:

Góc bước tương ứng với số xung tín hiệu điều khiển, sẽ dễ dàng cho việc thực hiện các chuyển động phân độ, gián đoạn, cũng có thể thực hiện các chuyển động liên tục mịn với các góc vi bước.

Vị trí góc quay chính xác vì không có sai số tích lũy ở mỗi góc bước.

Thích hợp với các thiết bị điều khiển số Với khả năng điều khiển số trực tiếp, động cơ bước trở thành thông dụng trong các thiết bị cơ điện tử hiện đại.

Có một dải rộng độ phân giải về góc quay.

Dễ xảy ra hiện tượng trượt bước khi gặp vấn đề quá tải

Tốc độ quay không cao

Phạm vi ứng dụng là ở vùng công suất nhỏ và trung bình Việc nghiên cứu nâng công suất động cơ bước đang là vấn đề rất được quan tâm hiện nay.

Hiệu suất động cơ bước thấp hơn các loại động cơ khác. Động cơ bước chi thành 3 loại:

Động cơ từ biến trở(stato làm từ các lá thép kĩ thuật điện để quấn dây dẫn có dòng điện chạy qua, roto làm từ thép non).

Động cơ nam châm vĩnh cửu (roto là nam châm vĩnh cửu).

Động cơ lai (là sự kết hợp của đông cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ từ biến trở).

Trong máy CNC của nhóm chọn sử dụng loại động cơ có Roto là nam châm vĩnh cửu do đặc điểm hoạt động ổn định và tuổi thọ cao.

Hình 4 8: Động cơ nam châm vĩnh cửu

Momen động cơ được tạo bởi lực hút giữa các cực roto và stato Khi các cực càng gần nhau thì lực hút càng mạnh Do vậy, momen động cơ phụ thuộc vào vị trí góc của roto.

Hình 4 9: Đường cong momen của động cơ nam tram vĩnh cửu

4.2.2.Động cơ một chiều (DC motor)

Thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng, sử dụng nguồn DC. Công suất đầu ra không đổi, do không thay đổi được dòng vào giống động cơ bước.

Công suất từ 1W-10.000hp. Ưu điểm:

Momen xoắn lớn, giá thành rẻ.

Đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp.

Phải có mạch phản hồi thì mới nâng cao độ chính xác.

4.2.3.Động cơ Servo Ưu điểm:

Momen xoắn lớn, có cả 2 loại AC và DC.

Tốc độ đáp ứng nhanh, độ chính xác cao.

Driver phức tạp, giá thành cao.

Kết luận: Do loại vật liệu gia công chủ yếu là gỗ, yêu cầu độ chính xác không cần cao tuyệt đối và nhằm tối ưu về giá thành nên nhóm quyết định lựa chọn động cơ bước (Stepping Motor) thay vì sử dụng động cơ Servo.

4.2.4.Động cơ trục chính Động cơ trục chính còn được gọi là Spindle , là động cơ tạo ra chuyển động cắt gọt chính, được phân loại theo công suất:

Các dải công suất : 200 W, 400 W, 800W, 1,5KW, 2.2KW, 3KW

- Làm mát bằng gió : Áp dụng với động cơ có công suất nhỏ hơn 800W.

- Làm mát bằng nước : Áp dụng với động cơ có công suất từ 1.5KW trở lên.

Hình 4 10: Động cơ trục chính làm mát bằng nước

Hình 4 11: Kích thước thật của động cơ trục chính

Tùy vào mục đích và loại vật liệu gia công, ta có thể chọn động cơ trục chính với các dải công suất khác nhau Trong đề tài này, nhóm em hướng tới việc gia công trên vật liệu: Gỗ, nhựa, nhôm, đồng, thép.

Kết luận:Với những tiêu chí đề ra như vậy, nhóm em đã quyết định lựa chọn động cơ trục chính với công suất 1.5KW, với phần làm mát bằng nước, điện áp vào thay đổi phụ thuộc vào tần số của biến tần theo tám mức: 50Hz, 100Hz, 150Hz, 200Hz, 250Hz, 300Hz, 350Hz, 400Hz sẽ có dải tốc độ của Spindle: 3000rpm, 6000rpm,9000rpm, 12000rpm, 15000rpm, 18000rpm, 21000rpm, 24000rpm.

- Tốc độ tối đa : 24000 vòng/phút

- Điện áp vào : 3 phase 220V được lấy từ biến tần

- Tần số tối đa : 400Hz

- Chế độ làm mát: làm mát bằng nước.

Lựa chọn phương án điều khiển

Phần lớn các máy công cụ CNC có độ chính xác cao được trang bị bộ điều khiển chu trình kín và nó kiểm soát vị trí dịch chuyển dụng cụ chính xác hơn, do đó chất lượng gia công chi tiết tốt hơn.

Tuy nhiên, điều khiển theo chu trình hở vẫn còn sử dụng ở các máy CNC có độ chính xác vị trí thấp hoặc các máy có momen cản sinh ra trên động cơ dẫn động bàn máy nhỏ và giá trị ổn định để giảm giá thành chế tạo.

Như đã phân tích ở trên, các máy CNC hiện nay có 3 phương án điều khiển điển hình là:

- Điều khiển chu trình hở

- Điều khiển chu trình nửa kín

- Điều khiển chu trình kín

- Điều khiển chu trình hỗn hợp

4.3.1.Điều khiển chu trình hở

Là bộ điều khiển không phản hồi, không sử dụng hồi tiếp để xác định số liệu đầu ra của nó có đạt được mục đích mong muốn của đầu vào hay không.

Không thể áp dụng cho các máy CNC có độ chính xác  0.02 mm hoặc có lực cắt gia công lớn.

Thường sử dụng động cơ bước, động cơ một chiều Độ chính xác gia công chủ yếu phụ thuộc vào truyền động của động cơ bước, vitme và hệ thống truyền động.

Khi momen quay nhỏ và ít thay đổi thì độ chính xác dịch chuyển khá cao.

Do vậy, các máy CNC phay gỗ hiện nay vẫn sử dụng chu trình điều khiển hở. Chịu ảnh hưởng lớn từ các yếu tố tác động bên ngoài (nhiễu). Đáp ứng chậm (thời gian đáp ứng dài).

Hình 4 12: Hệ thống điều khiển theo chu trình hở Điều khiển vòng hở được sử dụng cho các hệ thống được xác định rõ ràng, nơi mà mối quan hệ giữa đầu vào và trạng thái kết quả có thể được mô tả bởi một công thức toán học.

Bộ điều khiển vòng hở thường được sử dụng trong các quá trình đơn giản bởi vì sự đơn giản và chi phí thấp của nó, đặc biệt trong các hệ thống nơi mà phản hồi là điều không bắt buộc.

4.3.2.Hệ thống chu trình nửa kín Ưu điểm:

- Độ chính xác điều khiển cao.

- Thiết bị kiểm tra vị trí được lắp vào trục của động cơ servo và tiến hành việc kiểm tra góc quay.

- Độ chính xác cuối cùng (chuyển động của bàn máy) phụ thuộc khá lớn vào độ chính xác của trục vitme.

- Một số hệ máy CNC còn cho phép bù trừ sai số của bước vitme và khe hở của trục vitme để tăng độ chính xác.

Hình 4 13: Hệ thống điều khiển theo chu trình nửa kín

- Bù trừ sai số bước vitme bằng cách hiệu chỉnh chỉ thị đến hệ dẫn động servo nhằm loại bỏ sai số tích lũy Bù trừ sai số khe hở khi chiều chuyển động đổi dấu, một lượng xung tương ứng được gửi đến hệ điều khiển động cơ servo để hiệu chỉnh.

- Mặc dù bộ điều khiển có thể bù trừ sai số bước và khe hở vitme nhưng khó đạt được độ chính xác cao khi ảnh hưởng của khe hở sẽ thay đổi theo khối lượng của chi tiết gia công.

- Độ mòn cuản vitme tại các vị trí sẽ khác nhau

- Khe hở của vime thay đổi theo nhiệt độ

Do vậy, điều khiển chu trình kín sẽ khắc phục được sai số của vitme

4.3.3.Hệ thống chu trình kín

Thiết bị giám sát vị trí có độ chính xác cao được lắp đặt trên bàn máy và vị trí thực của bàn máy được hồi tiếp về hệ điều khiển.

Từ bộ nội suy, mỗi giá trị vị trí cần đạt đến được bộ điều khiển đưa vào mạch điều chỉnh vị trí.

Hình 4 14: Hệ thống điều khiển theo chu trình kín( có hồi tiếp vị trí và tốc độ)

Trong bộ điều chỉnh vị trí, giá trị vị trí thực được nhận biết qua hệ thống do vị trí.

Lấy giá trị vị trí thực này trừ đi giá trị vị trí cần sẽ được một sai lệch điều chỉnh.

Sai lệch điều chỉnh là đại lượng điều chỉnh và đối tượng điều chỉnh là động cơ servo.

Bộ điều chỉnh vị trí luôn phải ra lệnh chỉ dẫn cho động cơ servo dịch chuyển cho đến khi hai tín hiệu từ bộ điều khiển và tín hiệu hồi tiếp vị trí được xem là bằng nhau, tức là sai số điều chỉnh bằng không.

Hình 4 15: Sơ đồ điều khiển chu trình kín trên động cơ servo

- Giảm tác động và ảnh hưởng của nhiễu.

- Tốc độ đáp ứng nhanh.

- Tăng được bề rộng dãi tần có đáp ứng tốt.

- Có khuynh hướng tạo ra bộ dao động do quán tính của sự so sánh tín hiệu.

4.3.4.Hệ thống chu trình hỗn hợp

Trong trường hợp khó tăng được độ cứng vững của máy khi khối lượng chi tiết gia công lớn hoặc khó loại bỏ được hiện tượng thiếu hụt chuyển động do hiện tượng dính hoặc trượt chuyển động trong các máy CNC hạng nặng, người ta sử dụng bộ điều khiển chu trình hỗn hợp nhằm bảo đảm độ chính xác vị trí mà không làm mất tính ổn định điều khiển.

Hình 4 16: Hệ thống điều khiển theo chu trình hỗn hợp

Trong chu trình hỗn hợp, có hai vòng lặp điều khiển: vòng nửa kín giám chuyển động của động cơ, vòng kín sử dụng thước quang để giám sát vị trí của bàn máy Trong vòng lặp nửa kín, có thể dùng thuật toán điều khiển có độ nhạy cao bởi vì vòng lặp này không bị ảnh hưởng của toàn bộ khung máy Còn trong vòng lặp kín, độ chính xác điều khiển được tăng lên nhờ phương pháp bù trừ sai số mà vòng lặp nửa kín không thực hiện được Vì vòng lặp kín chỉ bù trừ sai số thuộc về vị trí nên hoạt động tốt ở chế độ nhạy thấp hơn Sự kết hợp giữa vòng lặp kín và nửa kín cho phép đảm bảo độ chính xác điều khiển trong mọi trường hợp.

Kết luận:Với việc lựa chọn động cơ bước làm động cơ dẫn động các trục, phương án di chuyển các trục là phôi đứng yên và động cơ di chuyển và với yêu cầu làm việc của máy nhóm quyết định chọn phương án điều khiển theo hệ thống hở, vẫn đảm bảo yêu cầu gia công với độ chính xác gia công 0.03-0.05 mm, đảm bảo tối ưu tính kinh tế.

Lựa chọn phần mềm điều khiển

Trên thế giới hiện nay, hầu hết các máy CNC đều sử dụng một trong hai phần mềm điều khiển là: Mach3 và NCStudio.

Cả hai phần mềm này đều là những phần mềm chuyên dùng cho máy CNC, thân thiện với người dùng, đáp ứng mọi yêu cầu kỹ thuật cần thiết cho việc điều khiển máy CNC một cách linh hoạt nhất.

Bảng 4.1.So sánh đặc điểm của hai phần mềm Mach3 và NCStudio

T Đặc điểm so sánh Mach3 NCStudio

Thiết kế giao diện tùy chỉnh dễ dàng, xuất tín hiệu qua cổng máy in của PC, đọc file Gcode

Giao diện cứng không tùy chỉnh, xuất tín hiệu qua card dùng kèm vào máy tính, đọc file Gcode

Tùy thuộc vào độ chống nhiễu của máy tính, độ ổn định không cao bằng NC

Tính an toàn và độ ổn định cao do chạy xử lý tín hiệu qua card riêng biệt

3 Ứng dụng -Chạy trên cả máy tiện

-Đảo chiều motor trên phần

-Không hỗ trợ máy tiện-Không đảo chiều (Free) mềm -Xử lí công tắc hành trình phức tạp

-Load file chậm -Chạy đường viền không nét bằng NC

-Xử lí công tác hành trình đơn giản

-Load file nhanh hơn Mach3

- Giá thành đắt, có bản dùng thử ( giới hạn 500 dòng code)

-Chủ yếu với những máy CNC nhỏ, giá thành thấp, phục vụ nghiêm cứu thử nghiệm, học tập.

-Phù hợp với sinh viên , do dễ tiếp cận và chi phí thấp

-Phải mua card NCstudio để có phần mềm đi kèm Không có bản dùng thử, giá thành cao. -Hướng tới người sử dụng kinh doanh vừa.

-Phù hợp làm máy lớn, giá thành cao, năng suất cao.

Kết luận:Qua so sánh các ưu nhược điểm nêu trên, để phù hợp với mục đích học tập và nghiêm cứu của sinh viên, với chi phi có hạn nên chúng em chọn sử dụng phần mềm NCStudio để điều khiển máy CNC.

Thiết kế hệ thống điều khiển

4.5.1.Cổng giao tiếp card NCStudio V5

Hình 4 18: Sơ đồ điều khiển card NCstudio V5

Dùng mạch giao tiếp số 2 ta có thể dễ dàng kết nối với CardNCstudioV5 (1) với thứ tự các cổng như sau:

Chức năng của từng cổng :

Cổng 01: Nhiệm vụ tự động kiểm tra và thay dao đã được lựa chọn trong chương trình (Do máy phay gỗ cnc 3 trục được nhóm thiết kế không sử dụng hệ thống thay dao tự động nên không sử dụng cổng này).

Cổng 2,3,4,9,10,11 : 6 cổng này có chức năng cấp tín hiệu xung vào Driver, rồi sau đó Driver cấp điện áp tương ứng với xung tín hiệu đó làm động cơ quay với số bước ứng với số xung nhận được.

Cổng 5,12,13: Chức năng điều chỉnh tốc độ quay của trục chính (Do thiết kế của nhóm không có dùng biến tần cho trục chính nên không sử dụng 3 cổng này).

Cổng 6,7,8-14 : Chức năng để dừng khần cấp từng cái một hoặc cả 3 động cơ cùng một lúc.

Cổng 15 : Cấp nguồn nuôi cho tín hiệu xung với điện áp 5V.

4.5.2.Kết nối card NCstudio với máy tính

Rãnh PCI trên mainboard của PC:

Hình 4 19: Rãnh PCI trên mainboard của PC

Lắp Card NCStudio V5 vào rãnh PCI :

Hình 4 20: Cắm card NC studio V5 vào mainboard

Hình 4 21: Kết nối board chính và board phụ

Hình 4 22: Driver động cơ TB6600

Driver điều khiển động cơ bước TB6600 sử dụng IC Driver làTB6600HQ/HG chính hãng Toshiba cho khả năng điều khiển động cơ bước 2 pha với công suất tối đa lên đến 4A 40V Driver có thiết kế vỏ hộp kim loại chắc chắn, bền bỉ, chống nhiễu cùng với tản nhiệt lớn cho hoạt động ổn định cao nhất.Ứng dụng trong làm máy CNC, laze và các máy tự động khác.

Thông số kỹ thuật của driver:

- Nguồn cấp tối đa : DC 40V

- Có thể điều khiển đảo chiều quay ON resistance (upper + lower) = 0.4Ohm

- Tích hợp chân Reset và Enable

- Tích hợp bảo vệ quá nhiệt TSD

- Tích hợp bảo vệ quá áp UVLO

Cách cài đăt và cách ghép nối:

- DC+: Nối với nguồn điện từ 9 - 40VDC

- DC- : Điện áp (-) âm của nguồn

- A+ và A -: Nối vào cặp cuộn dây của động cơ bước

- B+ và B- : Nối với cặp cuộn dây còn lại của động cơ

- PUL+: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (+5V) từ BOB cho M6600

- PUL-: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (-) từ BOB cho M6600

- DIR+: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (+5V) từ BOB cho M6600

- DIR-: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (-) từ BOB cho M6600

- ENA+ và ENA -: khi cấp tín hiệu cho cặp này động cơ sẽ không có lực momen giữ và quay nữa

- Có thể đấu tín hiệu dương (+) chung hoặc tín hiệu âm (-) chung

Cài đặt cường độ dòng điện:

Cài đặt vi bước cho driver:

Micro Pulse/rev SW1 SW2 SW3

Sơ đồ đấu dây với động cơ :

Hình 4 23: Sơ đồ đấu dây với động cơ

Với mỗi động cơ sẽ có một driver tương ứng đi kèm.

Hình 4 24: Cổng kết nối driver TB6600

- Cổng 1,2 nhân điện áp vào (từ nguồn biến áp 24V).

- Cổng 3,4,5,6 cấp điện áp một chiều tương ứng với mỗi xung tín hiệu cho 2 nhóm cuộn dây trong động cơ.

- Nhận tín hiệu xung điều khiển từ Card Ncstudio V5 được lắp trong máy tính.

- Cổng 9,10 (DIR+, DIR-) (Direction): Cho phép điều khiển chiều quay của động cơ, có thể là cùng chiều kim đồng hồ khi được cấp xung DIR+, hay ngược chiều kim đồng hồ khi cấp xung DIR-.

- Cổng 7,8 (PUL+, PUL)Cho phép cấp xung vào các cuộn dây Khi có tín hiệu ở cổng PUL+, xung điện sẽ được gửi vào cuộn dây A của động cơ, làm động cơ quay, tùy vào độ rộng xung mà quyết định tốc độ của động cơ Tương tự với cổng PUL-.

- Cổng 11,12 dùng để kích hoat hoặc hủy hoạt động của driver.

Nhóm em đã cài đặt thông số cho driver như sau:

- Dòng vào: 3.0( đối với động cơ trục X,Y) tương ứng: SW4: ON, SW5: OFF, SW6: ON và 4.0( đối với động cơ trục Z) tương ứng :SW4:ON, SW5 :ON, SW6:ON.

- Số xung cấp vào cho động cơ: 3200 tương ứng: SW1: ON, SW2: ON, SW3: OFF.

4.5.4.Động cơ bước mặt bích step trục X,Y Động cơ bước nhóm sử dụng: 2 phase (4 dây),mã động cơ 57HS7630A4. Thông số động cơ trục X,Y:

- Kích thước: Mặt bích 57mmx57mm, chiều dài thân 76mm, đường kính trục 8mm.

- Chịu tải 3A, moment xoắn 1.8Nm, 4 dây, nặng 1050g.

- Động cơ chạy êm, ổn định, tiếng ồn thấp.

- Động cơ chạy không bị nóng, tuổi thọ cao.

- Điều khiển chính xác góc quay.

Cảm kháng của pha (M=mH )

Hình 4 25: Thông số động cơ bước trục X,Y

Hình 4 26: Động cơ bước step trục X,Y

4.5.4.Động cơ bước mặt bích step trục Z Động cơ bước nhóm sử dụng: 2 phase (4 dây),mã động cơ 57HS11242A4D8.

Thông số động cơ trục Z:

- Kích thước: Mặt bích 57mmx57mm, chiều dài thân 110mm, đường kính trục 8mm.

- Chịu tải 4A, moment xoắn 3.0Nm, 4 dây, nặng 250g.

- Động cơ chạy êm, ổn định, tiếng ồn thấp.

- Động cơ chạy không bị nóng, tuổi thọ cao.

- Điều khiển chính xác góc quay.

Hình 4 28: Động cơ bước trục Z

Cách đấu nối động cơ :

Loại 2 phase (4 đầu dây): Đối với loại động cơ 2 phase này thì việc đấu nối trở nên dễ dàng hơn vì ta chỉ có 2 cuộn dây Bằng các sử dụng đồng hồ vạn năng, gọi các đầu dây: đỏ (A), vàng (B), xanh dương (C), xanh lá (D), giữ một đầu dây của đồng hồ vào cuộn dây A, đầu còn lại lần lượt thử với các đầu dây B,C,D Nếu đồng hồ báo thông mạch thì đó là cuộn A gồm 2 dây A1, A2 Cuộn còn lại sẽ là cuộn B gồm 2 dây B+, B- Dấu (+) hay (-) chỉ quyết định đến chiều quay của động cơ nên có thể chọn một trong hai đầu là (+) đầu còn lại sẽ là (-).

Loại 4 cuộn dây trong lõi Stato cho ra 8 đầu dây gồm: Nâu, xanh lá, trắng, cam , xanh lam, đen, đỏ,vàng.

Theo thông số mà nhà sản xuất cho không chỉ rõ đầu dây của từng cuộn trong lõi Stato vì vậy phải xác định các đầu dây một cách thủ công (Với sự hỗ trộ của đồng hồ đo điện tử vạn năng).

Cách xác định đầu dây mỗi cuộn:

Bước 1 : Trong 4 cuộn dây, lấy 1 cuộn bất kì đặt tên nó là P, với 2 đầu dây là P1 và P2 Nối vào A+ và A-.

Bước 2 : Lấy 1 cuộn khác rồi cắm vào B+ B- rối tiến hành cấp xung, nếu motor chỉ rung không quay thì nó là cuộn Q, bỏ qua cuộn này và thử cuộn dây khác Nếu motor quay thì gọi cuộn này là R, nếu nó quay cùng chiều kim đồng hồ thì B+ là R1 và B- là R2, nếu quay ngược chiều thì đảo lại 2 dây này để nó quay cùng chiều.

Bước 3 : Bỏ R1 và R2 ra ngoài rồi cắm cuộn dây khác vào B+ và B- để xác định S1 và S2 ( Động cơ vẫn phải quay cùng chiều kim đồng hồ).

Bước 4 : Sau khi xác định được P, R, S thì còn lại cuộn Q Giữ nguyên S1 và S2 ở B+ và B- , nối cuộn Q và A+ và A- để xác định Q1 và Q2 ( Động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ thì A+ là Q1, A- là Q2).

Thực hiện các bước trên ta xác định được như sau:

Tiếp đến thực hiện nhóm thành tổ hợp 2 cuộn dây, có 2 lựa chọn: Đấu song song : Kiểu đấu dây như thế này thì phù hợp với ứng dụng đòi hỏi momen cao ở dải tốc độ lớn cho nên driver cũng cần loại có dòng và áp lớn. Kiểu này thường gọi là lưỡng cực Nhưng cách đấu này có nhược điểm lớn là dễ bị trượt bước trong quá trình hoạt động, momen tại vận tốc thấp nhỏ, tính ổn định không cao, nên chúng ta sẽ không áp dụng kiểu đấu dây này vào máyCNC.

Hình 4 29: Sơ đồ đấu dây kiểu song song Đấu nối tiếp : Kiểu này thì tương tự với dạng step 6 dây Ưu điểm của kiểu đấu dây nối tiếp là giúp động cơ có momen lớn tại dải tốc độ thấp tránh trượt và mất bước Với yêu cầu thiết kế hoạt động không cần ở dải tốc độ lớn nên chọn kiểu đấu dây này cho máy phay CNC 4 trục.

Hình 4 30: Đấu dây động cơ kiểu nối tiếp

Bộ nguồn đóng vai trò cự kì quan trọng trong hệ thống, đảm nhiệm như quả tim của hệ thống vì vậy việc lựa chọn nguồn là điều tối quan trọng

Nguồn 24V 15A hay còn gọi là bộ nguồn một chiều 24 Vôn được thiết kế để chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều 220VAC thành nguồn một chiều 24VDC để cung cấp cho các thiết bị hoạt động.

Nguồn 24V 15A được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghiệp và dân dụng Trong công nghiệp chúng thường được sử dụng để cấp nguồn cho một số thiết bị của tủ điện Ví dụ một bộ nguồn 24VDC 15A có thể vừa cung cấp nguồn 24VDC cho PLC, cho màn hình HMI và cho các cuộn coil van điện từ 24V…

KẾ THÔNG SỐ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIA CÔNG THỬ NGHIỆM

Phần mềm điều khiển NC Studio V5

5.1.1.Tổng quan phần mềm NC-Studio V5

NcStudiolà một hệ thống điều khiển được dùng nhiều trong máy phay CNC.

Hệ thống này có thể hỗ trợ chuyển đổi sang dạng mã G-code và định dạng mã PLT được tạo ra bởi phần mềm CAD/CAM khác nhau, như UG, Mastercam, CASMATE, ART CAM, AUTOCAD và COREDRAW.

Hệ điều hành của Ncstudio làm cho sử dụng đầy đủ 32-bit máy tính và xử lý đa tác vụ Ngoài ra, giao diện của Ncstudio là đáng tin cậy và thân thiện với người dùng.

Hình 5 1: Giao diện phần mềm NC Studio V5

Chức năng đặc biệt như mô phỏng, trục Z tự động hiệu chuẩn, điểm dừng, xoay trục có sẵn, ngoài việc dẫn động, hoạt động tự động và ủng hộ chức năng có nguồn gốc cơ khí.

Hệ thống này có thể được áp dụng cho nhiều chạm khắc ba chiều và khắc và phay Máy cũng như được sử dụng trong khuôn phức tạp xử lý, quảng cáo, trang trí, khắc và các ngành công nghiệp khác.

Chế độ vận hành tự động, máy sẽ thực hiện chức năng di chuyển theo chương trình lập trình đã có sắn Do đó để cho máy thực hiện chương trình gia công thì ta phải lựa chọn chế độ tự động.Và nhập chương trình và phần mềm.

Hình 5 2: Giao diện đọc chương trình gia công trên NCStudio V5

5.1.3.Chế độ vận hành tay

Người vận hành sử dụng các nút điều khiển để điều khiển chuyển động của máy, hoặc sử dụng bàn phím số tương ứng với nút điều khiển.

Hình 5 3: Giao diện vận hành máy bằng tay

Bảng 5.1.Chức năng các nút trên thanh công cụ

Mở file chương trình gia công

Hiển thị chế độ tự động.

Hiển thị chế độ vận hành tay Đặt tọa độ hiện tại làm gốc Zero tọa độ làm việc

Di chuyển nhanh đến gốc tọa độ.

Thực hiện chuẩn dụng cụ, khi thực hiện chế độ này phải chắc chắn thiết bị chuẩn phải sẵn sàng ở vị trí đón dụng cụ.

Thực hiện chế độ mô phỏng, màn hình Trace sẽ hiển thị toàn bộ đường chạy dao nhưng không làm các trục máy dịch chuyển.

Chạy chương trình gia công nếu chương trình đã được nạp.

Tạm dừng chương trình gia công, khi tạm dừng thì trục Z sẽ dịch chuyển lên một khoảng đúng bằng khoảng cách an toàn.

Dừng chương trình gia công, khi dừng thì trục Z sẽ dịch chuyển lên một khoảng đúng bằng khoảng cách an toàn.

Phục hồi chương trình gia công Máy sẽ tiếp tục chương trình gia công sau khi dừng chương trình bằng nút

Khởi động lại chương trình Khi nhấn nút này, chương trình gia công sẽ bị khởi động lại bắt đầu từ lệnh gia công đầu tiên

5.1.4.2.Cửa sổ hiển thị tọa độ

Trục máy: Biểu thị địa chỉ trục máy, trục máy khi đã được chuẩn Zero thì hiển thị biểu tượng.

Trước khi thực hiện vận hành máy, phải tiến hành chuẩn gốc Zero máy để tránh trường hợp trục máy vượt quá giới hạn cơ khí và đảm bảo chương trình gia công chính xác.

Tọa độ máy: Hiển thị tọa độ tuyệt đối của máy, tọa độ có gốc là gốc Zero máy và được xác định bằng công tắc hạn biên bố trí trên trục máy.

Tọa độ làm việc: Hiển thị tọa độ làm việc với gốc Zero của tọa độ làm việc. Tọa độ làm việc phụ thuộc vào vị trí lấy gốc Zero tọa độ làm việc.

Tốc độ chạy dao: Hiệu chỉnh tốc độ chạy dao theo lượng % của giá trị đặt trước.

5.1.5.Cài đặt thông số trong NcstudioV5 theo máy CNC 3 trục

Cài đặt tốc độ nhanh, chậm, bình thường,tốc độ khi chạy dao G00, tốc độ máy gia công.

Cài đặt tốc độ trục chính mặc định , cho phép tối ưu khi chạy dao, cài đặt khoảng cách an toàn của trục Z, tư động chạy trục chính về điểm an toàn.

Hình 5 6: Giao diện cài đặt Parameter phần Machining

Cài đặt các thông sô kích thước bàn máy,thông số chạy dao trên Pulse…

Cài đặt các thông số gia tốc khi chạy dao cho các trục X,Y,Z.Tốc độ trục chính,gia tốc của trục chính…

Hình 5 8: Giao diện cài đặt parameter phần Manufactory

Manual Feedrate: Tốc độ khi vận hành bằng tay bằng các nút điều khiển trên giao diện điều khiển Tốc độ nhanh (Rapid Jog): Khi nhấn nút Ctrl trên bàn phím sẽ thực hiện di chuyển nhanh Tốc độ tối đa có thể đặt là 3500 mm/ph. khi dụng cụ không thực hiện cắt Lưu ý: Khi bỏ chọn (G00 code is always with

100% feedrate) Tốc độ G00 thực tế sẽ là giá trị % đặt trên panel điều khiển Tốc độ gia công (Machning) là tốc độ thực hiện lệnh gia công G01, G02, G03.

Enable Z-down federate, also called the Tool-droping federate:Có thể chọn chế độ này khi muốn kiểm soát tốc độ trục Z Trường hợp gia công vật liệu cứng, nên chọn tốc độ trục Z khi dao đi xuống thật chậm để bảo vệ tuổi thọ dụng cụ cắt.

Safe Height: Đặt khoảng cách nhấc dụng cụ cắt lên khi thực hiện lệnh dừng hoặc tạm dừng chương trình.

Ngoài các chức năng liệt kê ở trên, chúng ta còn phải cài đặt các thống số sản xuất cho máy Thống số sản xuất có liên quan đến cấu hình phần cừng của máy Do đó phải thiết lập thông số của máy trước khi sử dụng Nếu không cài đặt thông số sản xuất, độ chính xác của máy sẽ không được đảm bảm, có thể xảy ra các nguy cơ mất an toàn lao động là khá cao.

Các thông số cần phải hiệu chỉnh như:

Không gian làm việc của máy (Workbench): người vận hành cần phải đặt kích thước bàn máy, hệ thống sẽ cảnh báo khi tọa độ vượt quá giới hạn này

Các tham số của động cơ

 Cài đặt tham số xung cho động cơ bước

 Tốc độ lớn nhất trục Z

Các tham số trục chính

 Tốc độ quay lớn nhất

NCStudio cũng hỗ trợ các chức năng như hiệu chỉnh chương ngay trong phần mềm.

Hình 5 9: Hiệu chỉnh chương trình gia công trong phần mềm NC Studio Điều khiển các tín hiệu như công tắc hành trình,các cấp tốc độc trục chính…

Phần mềm gia công CAM hỗ trợ máy phay CNC 3 trục

ArtCam Pro là một phần mềm của DelCam phục vụ việc điêu khắc các chi tiết dạng 3D ArtCam có khả năng phân tích 1 bức tranh và đưa ra mã Gcode để gia công trên máy điêu khắc CNC.

ARTCAM Pro là một phần mềm CAD/CAM độc đáo của hãng DELCAM, nó cho phép các nghệ nhân tạo ra các sản phẩm 3D có chất lượng cao một cách nhanh nhất và hiệu quả nhất từ các từ các hình vẽ hoặc hình chụp 2D.

ARTCAM Pro biến ý tưởng thành hiện thực một cách nhanh chóng hơn so với phương pháp truyền thốngbằng cách xây dựng một mô hình đa lớp hoặc sử dụng các vector tùy biến Nếu ai đã từng sử dụng các phần mềm chỉnh sửa hình ảnh bằng Photoshop hay Photoeditor,… sẽ nhận thấy khả năng tạo hình bằng ARTCAM là số một.

Không những thế, ARTCAM Pro còn cung cấp các công cụ mô hình 3D tiên tiến và chiến lược gia công linh hoạt để cho ra các giải pháp hoàn chỉnh cho mọi nhu cầu gia công CNC như: làm huy hiệu nổi, chế biến đồ gỗ, khắc và làm khuôn 3D để sản xuất thiệp cưới, sản xuất khuôn bánh kẹo, đúc tiền, đóng gói,

…Với máy điêu khắc CNC, những công việc mất nhiều thời gian ngày xưa bây giờ có thể thực hiện một cách nhanh chóng và hiệu quả.

ArtCam là phần mềm thiết kế và gia công cho lĩnh vực điêu khắc, nó cho phép tạo ra các sản phẩm 3d có chất lượng cao một cách nhanh nhất và hiệu quả từcác hình vẽ hoặc hình chụp 3d mà không cần người học có kiến thức chuyên sau về lĩnh vực điêu khắc.

ArtCam biến ý tưởng thành hiện thực một cách nhanh chóng hơn so với phương pháp truyền thống.

Khởi động phần mềm xuất hiện màn hình giao diện

Hình 5 11: Giao diện ban đầu

Trong File,chọn Open hoặc bấm tổ hợp phím Ctrl+O xuất hiện hộp thoại. Sau đó duyệt chọn file ảnh cần mở :

Hình 5 12: Chọn file cần mở chọn Open cao, chiều rộng, đơn vị mm …vv

Hình 5 13: Thiết lập kích thước phôi, phôi gốc

Tiến hành thiết kế biên dạng cho chi tiết Sử dụng các công cụ trong phần mềm như tạo các đường biên dạng, tạo chiều sâu hay nâng cao bề mặt chi tiết gia công …

Hình 5 14: Thiết kế biên dạng chi tiết

Sau khi thiết kế xong mô hình biên dạng chi tiết.Tiến hành thiết lập chế độ gia công cho chi tiết trong thẻ Toolpaths Có nhiều chế độ gia công như gia công 2D,gia công 3D, gia công theo đường thẳng,gia công theo đường xoắn ốc…

Hình 5 16: Thiết lập chế dộ gia công

Hình 5 17: Cài đặt thông số dao

Hình 5 18: cài đặt thông số phôi

Tiến hành xuất G-code máy CNC ra đuôi (*nc) Trong thẻ Toolpath xuất hiện Chọn file cần xuất và chọn loại máy.

Hình 5 19: Giao diện hộp thoại Save Toolpaths Để gia công được ta phải tiến hành gá phôi lên bàn máy và xác định gốc phôi trong phần mềm NCStudio.

Hình 5 20: Xác định gốc phôi trong phần mềm NCStudio

Load code với đuôi (.*nc) vào phần mềm NCStudio và chạy chương trình.

Tiến hành gia công thử nghiệm

Sau khi hoàn thiện máy phay CNC 3 trục, nhóm chúng em tiến hành gia máy.

Một số hình ảnh khi vận hành máy:

Hình 5.23.Hình ảnh thực tế toàn bộ máy CNC 3 trục

Hình 5 23: Hình ảnh gia công thực tế

Sản phẩm gia công: thời gian gia công ngắn:

Chi tiết 2: Bề mặt chi tiết đạt độ mịn cao dao đạt Step Over thấp nhưng thời gian gia công lớn :

Tuy nhiên,do lúc này dao đã bị mẻ nên sản phẩm đạt độ mịn cao hơn 2 sản phẩm trước nhưng không được như mong muốn.

Chế tạo thành công mô hình máy phay CNC 3 trục.

Máy chạy ổn định và độ chính xác ở mức độ vừa phải.

Thực hiện gia công được một số sản phẩm thực trên máy.

Máy mới chỉ gia công được những vật liệu có độ cứng vừa phải như gỗ, nhựa nhôm…

Chưa có bộ phận thay dao.

Sử dụng động cơ bước để truyền động các trục nên có hiện tượng trượt bước khiquá tải.

Hình trình của các bàn máy còn nhỏ.

Thay động cơ bước bằng động cơ Servo để hệ máy chính xác hơn.

Chế tạo phần cơ khí đồng bộ và chính xác hơn để có thể gia công các vật liệu cóđộ cứng cao hơn.

Có thể thay thế Board NCStudio V5 bằng March. Đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phay CNC 3 trục tích hợp phần mềm NCSstudio ” tạo ra được một sản phẩm có ý nghĩa trong thực tiễn, giúp sinh viên có những kiến thức thực tế rất tốt bổ sung cho lý thuyết đã được học trong sách vở.

Hoàn thành đề tài tốt nghiệp chúng em đã đúc rút được rất nhiều kinh nghiệm trong thiết kế và chế tạo:

- Có hiểu biết chung về các loại máy CNC và các hệ thống điều khiển của máy CNC

- Nâng cao kỹ năng tính toán và thiết kế, chế tạo máy.

- Có thể vận hành tốt các máy gia công như máy phay, máy khoan, máy tiện.

- Thiết kế phần mềm hỗ trợ giúp khai thác tốt hơn trong việc sử dụng máy.

Tuy nhiên, do trình độ và kinh nghiệm trong thực tế còn có hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài chúng em không thể tránh khỏi những sai sót. Chúng em mong được sự hướng dẫn, chỉ bảo của các thầy cồ, sự góp ý quý báu của các bạn để chúng em có thể củng cố và hoàn thiện những kiến thức của mình.

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS BÙI TUẤN ANH đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình làm đề tài này Đồng thời gửi lời cảm ơn tới các thầy, các cô trong bộ môn Máy và ma sát học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hỗ trợ, giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này.

Tiêu đề	Thiết Kế Chế Tạo Máy Phay CNC 3 Trục Tích Hợp Phần Mềm Điều Khiển NCStudio V5
Tác giả	Hoàng Ánh Linh
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Cơ Khí
Thể loại	đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	20..
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	136
Dung lượng	17,76 MB