Hcmute thiết kế chế tạo máy phay, điêu khắc gỗ điều khiển số phục vụ các làng nghề thủ công

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHAY, ĐIÊU KHẮC GỖ ĐIỀU KHIỂN SỐ PHỤC VỤ CÁC LÀNG NGHỀ THỦ CÔNG MÃ SỐ: SV2018-88 SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2018 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN Đề tài: “THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHAY, ĐIÊU KHẮC GỖ ĐIỀU KHIỂN SỐ PHỤC VỤ CÁC LÀNG NGHỀ THỦ CƠNG” Mã số đề tài: SV2018-88 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2018 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN Đề tài: “THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHAY, ĐIÊU KHẮC GỖ ĐIỀU KHIỂN SỐ PHỤC VỤ CÁC LÀNG NGHỀ THỦ CƠNG” Mã số đề tài: SV2018-88 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật SV thực hiện: Nguyễn Anh Tuấn Nam/nữ: nam Nguyễn Thanh Tùng Nam/nữ: nam Nguyễn Văn Phúc Nam/nữ: nam Dân tộc: Kinh Lớp: 14144CL1 Khoa: Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao Năm thứ: Số năm đào tạo: năm Ngành học: Công nghệ Kỹ thuật khí Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Huy Tuân Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2018 Luan van MỤC LỤC Trang MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .8 1.1 1.2 1.3 1.4 Tính cấp thiết đề tài: Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn: Mục tiêu nghiên cứu đề tài: Tình hình chạm khắc đồ gỗ nay: CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI .11 2.1 Khái quát máy cnc: 11 2.1.1 Khái niệm: 11 2.1.2 Phân loại: 11 2.1.3 Ưu điểm máy cnc: 11 2.2 Chọn cấu dẫn động cho trục: 11 2.2.1 Sử dụng động bước: 11 2.2.2 Tính cơng suất động trục X: 13 2.2.3 Tính cơng suất động trục Y: 14 2.2.4 Tính cơng suất động trục Z: 15 2.3 Cơ cấu truyền động: 16 2.4 Mạch nguồn: 17 2.5 Phần mềm điều khiển : 18 2.6 Chọn spindle trục : 19 2.7 Dụng cụ khắc (dao V Shaped Flat Bottom Cutters (Dao khắc 3D)): 22 CHƯƠNG 3: HOÀN THIỆN PHẦN KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA MÁY 23 3.1 Tính tốn kiểm bền phần khí: 23 3.1.1 Kiểm bền đế khung máy vai trục Y: 23 3.1.2 Kiểm bền vai trục X truyền động trục Y: 25 3.1.3 Kiểm bền giá đỡ spindle trục chính: 27 3.2 Lắp đặt hệ thống giải nhiệt dây dẫn điện cho máy: 29 3.3 Lắp đặt bàn máy: 30 3.4 Kết cấu máy: 31 3.4.1 Thiết kế chế tạo chi tiết máy điển hình: 32 Luan van CHƯƠNG : HOÀN THÀNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC CHỨC NĂNG HỔ TRỢ GIA CÔNG .35 4.1 Giới thiệu phần mềm mach 3: 35 4.2 Lựa chọn động bước: 38 4.3 Thông số mạch mach 3: 39 4.4 Thiết kế hệ thống điện: 40 4.4.1 Thiết kế tủ điện: 40 4.4.2 Sơ đồ đấu nối toàn hệ thống điều khiển: 41 4.5 Các chức hổ trợ gia công: 44 CHƯƠNG 5: GIA CÔNG THỬ NGHIỆM NHIỀU CHẾ ĐỘ ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH 47 5.1 Gia cơng mica để kiểm tra độ xác máy: 47 5.2 Gia công thử gỗ mềm: 48 5.3 Gia công thử nghiệm loại gỗ làm bàn ghế, tủ thờ … 50 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 52 6.1 Kết đạt 52 6.2 Kết chưa đạt được: 52 6.3 Mục tiêu phát triển đề tài: 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 Luan van DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng Bảng thông số tính tốn 20 Bảng 2 Thông số spindle 22 Bảng Thông số cổng LPT 36 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung:  Tên đề tài: “Thiết kế chế tạo máy phay, điêu khắc gỗ điều khiển số phục vụ làng nghề thủ công”  SV thực hiện: Nguyễn Anh Tuấn Mã số SV: 14144243 Nguyễn Thanh Tùng 14144146 Nguyễn Văn Phúc 14144218  Lớp: 14144CL1 Khoa: Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao  Năm thứ: Số năm đào tạo: năm  Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Huy Tuân Mục tiêu đề tài:  Chế tạo máy CNC khắc gỗ nhỏ gọn, giá hợp lý  Cơng dụng khắc ảnh, chữ, logo, hình vẽ bề mặt vật liệu phi kim loại như: gỗ, mica Sản phẩm có tiềm ứng dụng lớn lĩnh vực thủ công mỹ nghệ, khảm trai, khắc dấu, đồ lưu niệm Tính sáng tạo:  Trên thực tế để tạo hình dạng phức tạp bề mặt gỗ, vải, giấy,… địi hỏi người gia cơng phải có tay nghề, thẩm mỹ cao, tốn nhiều thời gian, suất thấp Vì máy CNC khắc gỗ đời nhằm tạo sản phẩm nhanh chóng đáp ứng nhu cầu thị trường, nâng cao suất, giảm thời gian nguồn nhân lực Kết nghiên cứu:  Hồ sơ thiết kế, chế tạo lắp ráp máy phay gỗ điều khiển số  01 mơ hình máy phay kích thước 1360x965x1087 mm Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Máy chuyển giao cho:  Cơ sở sản xuất mộc Minh Khánh  Địa chỉ: thôn Đồng Phố, xã Tân Dân, huyện Phú Xuyến, Hà Nội  Người đại diện: Nguyễn Văn Khiển  Điện thoại: 0977.446.847 Công bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ tên tạp chí có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Ngày 30 tháng năm 2018 SV chịu trách nhiệm thực đề tài (kí, họ tên) Luan van Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học SV thực đề tài (phần người hướng dẫn ghi): Nhóm sinh viên vận dụng tốt kiến thức trang bị thời gian học tập để giải vấn đề thực tế, đáp ứng yêu cầu khách hàng Đây trải nghiệm quý báu trước sinh viên trường làm việc thực tế Xác nhận Trường (kí tên đóng dấu) Ngày 30 tháng năm 2018 Người hướng dẫn (kí, họ tên) PGS.TS Phạm Huy Tuân Luan van CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết đề tài: Khoa học kỹ thuật ngày phát triển, yêu cầu với tự động hóa sản xuất dây chuyền mà máy điều khiển số CNC đóng vai trị quan trọng Với đời máy CNC đại, lĩnh vực gia cơng khí xác đạt nhiều thành tựu, có khả gia cơng chi tiết phức tạp, xác nâng cao suất Nhu cầu máy CNC Việt Nam lớn, nhiên việc nhập máy CNC nước phát triển Đức, Nhật, Trung Quốc có chất lượng tốt giá thành lại cao, khó bảo trì Đó yếu tố thúc đẩy số người ham học hỏi, nghiên cứu, chế tạo máy CNC nhỏ gọn, rẻ tiền đáp ứng nhu cầu sản xuất Tại Việt Nam, tranh khắc gỗ đồ mỹ nghệ, vật dụng nội thất gỗ có nhu cầu lớn (vật dụng nội thất nhà bàn, ghế, tranh treo tường… sản phẩm mỹ nghệ làm quà lưu niệm cho khách du lịch nước với mẫu mã đa dạng góp phần thu hút khách du lịch đến nước ta).Vậy mà sản phẩm dựa vào tay nghề người thợ, khơng thể đạt độ xác cao, suất thấp, sản phẩm lỗi Vì thế, đề tài “Thiết kế chế tạo máy phay, điêu khắc gỗ điều khiển số phục vụ làng nghề thủ công” cần thiết cấp thiết 1.2 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu, chế tạo máy CNC đòi hỏi sinh viên phải có kiến thức tổng hợp khí, điện tử, tin học Đây hội cho họ tìm tịi, kiểm nghiệm, hiểu sâu rộng máy CNC từ chế tạo máy CNC phù hợp với khả nhu cầu sử dụng Đề tài mà nhóm thực giúp nhóm củng cố kiến thức kỹ mặt Sản phẩm sau hồn thành phục vụ sản xuất gia công ngành điêu khắc, trang trí, nội thất nhà gỗ… 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài:  Hoàn thiện hệ thống điều khiển chức hỗ trợ gia công  Gia công thử nghiệm máy với nhiều chế độ để đánh giá độ ổn định  Hoàn thiện giao diện  Lập trình, điều khiển máy CNC để gia công sản phẩm đạt độ xác theo u cầu 1.4 Tình hình chạm khắc đồ gỗ nay: Ở nước ta chặm khắc gỗ nghề mang tính cổ truyền nhân dân ta Nó hình thành phát triển qua nhiều thời đại kinh nghiệm truyền từ đời sang đời khác để chế tác sản phẩm từ gỗ mang nét đặc trưng văn hoá dân tộc, với việc sử dụng nguyên liệu, phương pháp chạm khắc có tính truyền thống riêng Trong nghề chạm khắc gỗ, phần lớ dụng cụ thủ công chàng tách, loại đục… Tạo hoa văn, phù điêu, lèo, bệ tủ chè, bệ sập, tượng người, giống … Cùng với phát triển kinh tế - xã hội, nhu cầu giá trị nghệ thuật người tăng cao vật dụng tủ, giường, bàn ghế mặt hàng khác có giá trị văn hố có xu hướng phát triển tương đối mạnh số làng nghề nhiều sở sản xuất nước nay, tranh khắc gỗ nước ta khách du lịch nước ưa chuộng Luan van Hình 1 Tranh khắc gỗ Từ nhu cầu thực tế số lượng đơn hàng lớn mẫu mã cố định đòi hỏi sản phẩm mộc chạm khắc ngày có nhiều nét cải tiến đường nét, hoa văn, kiểu dáng … để phù hợp với yêu cầu thị hiếu người tiêu dùng máy CNC điêu khắc gỗ đời nhằm đáp ứng mục tiêu Hình Một số máy phay gỗ CNC Những lợi ích mang lại vô lớn như: Luan van       Nguồn: 12 - 24VDC Hỗ trợ điều khiển : trục X, Y, Z, A, B Hỗ trợ cổng xuất xung PWM điều khiển Spindle Các ngõ điều khiển khác : ngõ Relay (loại 220V 10A): có jump để chọn ngõ thường đóng /thường mở Ngõ vào: kết nối với cơng tắc hành trình loại biến Tất ngõ cách li opto IC đệm để đảm bảo ổn định tín hiệu Hình Board Mạch Mach 4.4 Thiết kế hệ thống điện: 4.4.1 Thiết kế tủ điện: Yêu cầu tủ điện: + Thiết kế nhỏ gọn, bố trí thơng minh + Dễ dàng kết nối, tháo lắp, sửa chữa, nâng cấp sau + Các yêu cầu an toàn điện: cách điện, tiếp đất, chống nhiễu… + Giá thành rẻ 40 Luan van Hình Tủ điện Thơng số quy cách: Dài 500 mm, rộng 400 mm, sâu 220 mm, vật liệu thép sơn tĩnh điện Phương án bố trí tủ điện hình: Hình Tủ điện đấu dây 4.4.2 Sơ đồ đấu nối toàn hệ thống điều khiển: 41 Luan van Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển: Hình 10 Sơ đồ tổng quát hệ thống điện điều khiển Sơ đồ kết nối board với driver động bước: 42 Luan van Hình 11 Sơ đồ kết nối mạch mach với driver điều khiển động bước Sơ đồ kết nối board với biến tần sunfar E300: 43 Luan van Hình 12 Sơ đồ kết nối mạch mach với biến tần sunfar E300 4.5 Các chức hổ trợ gia cơng: Trong q trình gia cơng xảy vấn đề khơng mong muốn : - Dao bị gãy - Gia công khơng theo mẫu ban đầu - Trong q trình gia cơng máy bị lỗi chạy q hành trình trục… Vì để tránh cố xay ta cần lắp thêm vài công tắc hành trình trục máy Khi máy chạy đến cuối hành trình trục mà khơng dừng xảy cố chạm cơng tắc hành trình gửi tín hiệu mạch điều khiển để dừng khẩn cấp hệ thống 44 Luan van Hình 13 Cơng tắc hành trình Đồng thời ta cần gắng thêm nút dừng khẩn cấp (Etsop) cho hệ thống, có cố xảy nhấn nút Estop dừng tồn hệ thống Hình 14 Nút estop 45 Luan van Hình 15 Sơ đồ nối cơng tắc hành trình nút Estop 46 Luan van CHƯƠNG 5: GIA CÔNG THỬ NGHIỆM NHIỀU CHẾ ĐỘ ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH Để đánh giá ổn định máy ta cần tiến hành gia công máy nhiều chế độ khác nhau, từ ta đánh giá cách khách quan khả hoạt động máy Đồng thời từ mà ta chọn chế độ gia công hợp lý cho máy 5.1 Gia cơng mica để kiểm tra độ xác máy: Để kiểm tra độ xác máy ta thực gia công thử miếng mica đường trịn bán kính r= 20 mm theo tâm dao endmill ф4.Từ kiểm tra nội suy cung trịn vừa gia cơng để kiểm tra độ xác máy Tấm mica có kích thước: 100x60x10 (mm) Các thơng số gia cơng: Tốc độ quay trục chính: 700 vịng/phút Vận tốc tiến dao : 50 mm/phút Chiều sâu lần cắt : 0.5 mm Hình Tấm mica 47 Luan van Hình Gia cơng đường trịn bán kính r = 20 (mm) Trong q trình gia cơng nhóm rút kết luận:  Trong hoạt động gia cơng theo cung trịn máy bị rung  Nếu cắt mica có độ dày cao dẫn đến gãy dao  Kích thước đo gia công: - lần :43,98 - lần 2: 44,06 - lần 3: 44 → Độ xác máy phay gỗ CNC là: 0,05 mm (5%) 5.2 Gia công thử gỗ mềm: Gia công thử nghiệm để kiểm tra tính ổn định máy: gia cơng gỗ mềm (gỗ sồi) có kích thước 90x70x10 (mm) 48 Luan van Hình Gỗ sồi Các thơng số gia cơng: Tốc độ quay trục chính: 24000 vịng/phút Vận tốc tiến dao : 1200 mm/phút Chiều sâu lần cắt : mm, bán kính dao R=0,2 mm Bước ăn dao: 0.2 mm cho lần cắt theo trục Y (a) (b) Hình Gia cơng ngựa, (a) file BMP, (b) sản phẩm thật Trong trình gia cơng nhóm rút kết luận: - Máy chạy ổn định - Thời gian gia công lâu → Để máy gia công hiệu cần tăng vận tốc tiến dao bước ăn dao thay dao có bán kính R = 0.5 mm 49 Luan van 5.3 Gia công thử nghiệm loại gỗ làm bàn ghế, tủ thờ … Gia công thử nghiệm để kiểm tra tính ổn định máy: gia cơng có độ cứng cao (căm xe) có kích thước 200x200x20 (mm) Hình 5 Gỗ căm xe Các thơng số gia cơng: Tốc độ quay trục chính: 24000 vịng/phút Vận tốc tiến dao : 1200 mm/phút Chiều sâu lần cắt : mm, bán kính dao R=0,5 mm Bước ăn dao : 0.5 mm cho lần cắt theo trục Y Một số chi tiết mà nhóm gia cơng: 50 Luan van Hình Một số chi tiết gia cơng Trong q trình gia cơng nhóm rút kết luận: - Máy chạy ổn định - Thời gian gia tương đối hợp lý - Bề mặt gia cơng đạt độ bóng u cầu - Có thể tăng thêm vận tốc cắt máy (khoảng 5000mm/phút) 51 Luan van CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 6.1 Kết đạt Sản phẩm nghiên cứu, thiết kế, chế tạo kết đề tài thực bám sát theo nội dung đăng ký, gồm:  Một máy khắc gỗ CNC trục điều khiển phần mềm Mach3 hỗ trợ phần mềm Jdpaint phần mềm artcam (Phần mềm chuyên dùng điêu khắc gỗ) Máy gia cơng gỗ, mica… với kích thước tối đa 400x400 mm, chiều sâu tối đa 5mm, đạt độ thẩm mỹ tương đối cao đáp ứng yêu cầu đặt khách hàng  Máy kiểm tra độ xác (độ xác cao 0.05 mm (5%))  Máy chạy tương đối ổn định, có hệ thống làm mát nước cho spindle nên gia cơng thời gian dài, đưa vào sản xuất sản phẩm thực tế  Một tập thuyết minh gồm tính toán thiết kế máy  Một tập vẽ máy gồm :  vẽ lắp toàn máy A0  vẽ lắp cụm máy A1 (cụm trục x, cụm trục y, cụm trục z )  vẽ lắp ráp hệ thống điều khiển A3  tập vẽ A3 vẽ chi tiết máy cần gia công (11 chi tiết) 6.2 Kết chưa đạt được:     Chưa thiết kế thêm trục quay thứ Trong gia công máy phát tiếng ồn ảnh hưởng đến xung quanh Chưa có điền khiển tay (handle) Khơng thể thay dao tự động nên khó khăn việc gia công thô (sử dụng dao gia công thô để gia công tinh => tốn thời gian) 6.3 Mục tiêu phát triển đề tài: - Thiết kế chế tạo thêm trục quay thứ - Thay spindle có cơng suất cao để gia công độ sâu z lớn - Chọn chế độ cắt hợp lí cho loại gỗ để đạt độ bóng cao - Thực biện pháp giảm thiểu tiếng ồn:  Bao che, phủ lớp cách âm lên tường bao quanh xưởng sản xuất  Lắp đặt rào chắn âm chắn tiếng ồn với tường bao rèm gần máy - Thiết kế lắp đặt thêm hệ thống hút bụi, khung bao che chắn 52 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Khí Trịnh Chất - Lê Văn Uyển, “ Tính Tốn Thiết Kế Hệ Dẫn Động Cơ ”, Nhà Xuất Bản Giáo Dục Việt Nam - 2010 [2] Máy Và Hệ Thống Điều Khiển Số, ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hcm -2014 [3] Nguyên Lý Chi Tiết Máy, ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hcm [4] Ninh Đức Tốn, “Sổ Tay Dung Sai Lắp Ghép”, Nhà Xuất Bản Giáo Dục Việt Nam [5] Tạ Duy Liêm, “Hệ Thống Điều Khiển Cho Máy Công Cụ”, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật [6] Trần Quốc Hùng, “Thiết kế Máy Cắt Kim Loại”, ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hcm [7]Tài liệu mach3_http://www.machsupport.com/wp-content/uploads /2013/02/mach3mill_1.84.pdf [8] Tài Liệu Phần Mềm Jdpaint, Tham Khảo Công Ty Vũ Thành [9] Bảng Thuộc Tính Thép Tấm ct3 http://thepquangminh.com/sp/thep-tam- ct3-ct3steel-plate-41 [10] Sức Bền Vật Liệu, ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hcm [11] Dai Gil Lee, Jung Do Suh, Hak Sung Kim And Jong Min Kim, “design and manufacture of composite high speed machine tool structures”, composites science and technology, vol.64, pp.1523-1530, 2004 [12] Cornel brisan and akos csiszar, “computation and analysis of the workspace of a reconfigurable parallel robotic system”, mechanism and machine theory, vol.46, pp 1647– 1668, 2011 [13] www.thegioicnc.com [14] www.diendandientu.com [15] www.cnc24h.com 53 Luan van Luan van ... ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN Đề tài: “THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHAY, ĐIÊU KHẮC GỖ ĐIỀU KHIỂN SỐ PHỤC VỤ CÁC LÀNG NGHỀ THỦ CÔNG”... vào tay nghề người thợ, khơng thể đạt độ xác cao, suất thấp, sản phẩm lỗi Vì thế, đề tài ? ?Thiết kế chế tạo máy phay, điêu khắc gỗ điều khiển số phục vụ làng nghề thủ công? ?? cần thiết cấp thiết 1.2... KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN Đề tài: “THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHAY, ĐIÊU KHẮC GỖ ĐIỀU KHIỂN SỐ PHỤC VỤ CÁC LÀNG NGHỀ THỦ CÔNG” Mã số đề tài: SV2018-88 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ