(Tiểu luận) đề tài nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy phay gỗ cnc 3 trục kích thước 1000x650x250mm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM HUẾ KHOA CƠ KHÍ VÀ CƠNG NGHỆ - - ĐỀ CƯƠNG KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHAY GỖ CNC TRỤC KÍCH THƯỚC 1000x650x250mm Sinh viên thực hiện: Trần Viết Bôn Lớp: Cơng nghệ kỹ thuật khí K52 Giáo viên hướng dẫn: ThS Hồ Văn Dũng Thời gian thực hiện: 9/2021 – 5/2022 Bộ mơn: Kỹ thuật khí Thừa Thiên Huế, 9/2021 h h LỜI NÓI ĐẦU Trong thời gian dài, ngành khí tập trung nghiên cứu để giải vấn đề tự động hóa xí nghiệp có quy mơ sản xuất lớn (hàng loạt hàng khối) Nhưng thực tế, xí nghiệp máy có quy mơ sản xuất hàng loạt vừa hàng loạt nhỏ lại phổ biến Việt Nam Do đó, địi hỏi xí nghiệp phải nâng cao hiệu sản xuất suất lao động, điều dẫn tới vấn đề nghiên cứu triển khai kỹ thuật tự động có tính linh hoạt cao dây chuyền sản xuất Máy công cụ - trung tâm gia cơng điều khiển chương trình số kỹ thuật vi xử lý CNC - sử dụng sản xuất hàng loạt vừa hàng loạt nhỏ tạo điều kiện linh hoạt hoá tự động hố dây chuyền gia cơng Đồng thời làm thay đổi phương pháp nội dung chuẩn bị cho sản xuất Trong năm gần máy NC CNC nhập vào Việt Nam hoạt động số nhà máy, viện nghiên cứu công ty liên doanh Cũng nên việc nghiên cứu, chế tạo máy CNC nhiều nhà kỹ thuật, kỹ sư Việt Nam theo đuổi Để tổng kết lại kiến thức học để làm quen với công việc thiết kế người kỹ sư ngành khí sau Em lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy phay gỗ CNC trục” Vì lần đầu làm quen với cơng việc thiết kế tổng thể, hướng dẫn thầy ThS Hồ Văn Dũng không tránh khỏi bỡ ngỡ Hơn nữa, tài liệu phục vụ cho cơng việc thiết kế cịn ít, thời gian thực đề tài khơng nhiều, khả cịn hạn chế nên q trình thiết kế khơng tránh khỏi thiếu sót Nên mong giúp đỡ bảo thầy cô Sau thời gian làm đề tài nổ lực thân hướng dẫn thầy ThS Hồ Văn Dũng, em cố gắng hoàn thành xong đồ án thời gian quy định h CHƯƠNG ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tính cấp thiết đề tài Ngày máy công cụ CNC sữ dụng rộng rãi việc sản xuất, chế tạo sản phẩm khí Điều mang lại cách mạng lớn lĩnh vực khí chế tạo máy Với cơng cụ CNC hồn tồn gia cơng chi tiết khác mà không cần thao tác vận hành máy người, chế tạo bề mặt phức tạp mà máy cơng cụ truyền thống khó khăn thực Việc nghiên cứu máy CNC công nghệ gia công máy CNC điều cần thiết, công nghệ ngày có bước phát triển nhanh chóng Để nắm bắt bước tiến kịp với trình độ cơng nghệ khoa học đại cần thiết phải triển khai nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy CNC nước Bước việc thiết kế, chế tạo mơ hình máy CNC cấp độ từ đơn giản đến phức tạp Việc sử dụng máy CNC để tự động hóa sản xuất đem lại cho người dùng số lợi ích cụ thể như: xác cắt gọt, phức tạp kết cấu sản phẩm, khả mô phần mềm, thời gian gia công ngắn nên suất cao hết an tồn Nhiều thiết kế với hình dáng phức tạp khó mà hồn thành tay Nhưng máy CNC cắt khắc nhờ vào hệ thống di chuyển tiện lợi theo phương, điều mà bất khả thi dụng cụ điều khiển tay thông thường Hình 1.1 Sản phẩm phay gỗ CNC với hình dạng phức tạp h Với mong muốn em lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy phay gỗ CNC trục ” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp 1.2 Mục tiêu đề tài Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy phay gỗ CNC trục, điều khiễn tự động chuyển động theo phương X, Y, Z tọa độ Đề-cac giao tiếp với máy tính Đề tài thực bao gồm nội dung sau: - Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy phay gỗ CNC trục với kích thước 1000x650x250mm - Tìm hiểu hoạt động cấu tạo máy phay CNC - Nghiên cứu linh kiện sử dụng máy phay CNC - Tìm hiểu hệ thống điện để điều khiển máy CNC 1.3 Ý nghĩa khoa học thực triễn 1.3.1 Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy CNC nước, kết đạt tiền đề quan trọng để nghiên cứu thiết kế chế tạo máy CNC phục vụ sản xuất máy CNC cỡ nhỏ, giá thành thấp Nghiên cứu thiết kế chế máy phay gỗ CNC trục cỡ nhỏ với kích thước 1000x650x250mm Tìm hiểu hoạt động cấu tạo máy phay CNC trục Nghiên cứu linh kiện sử dụng máy ( động trục chính, động bước, mạch điều khiển, ) Đề tài tài liệu tham khảo cho nghiên cứu liên quan áp dụng thực tế 1.3.2 Ý nghĩa thực triễn Từ thiết kế mơ hình máy phay CNC trục cỡ nhỏ tạo chế tạo máy phay CNC thực tế có kích thước phù hợp để tạo sản phẩm có kích thước tương ứng, đáp ứng nhanh, xác thời gian ngắn h CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỄN CNC 2.1 Giới thiệu sơ lược máy phay CNC CNC với tên gọi đầy đủ Computer Numerical Control, máy CNC máy mà chuyển động điều khiển máy tính thơng qua q trình điều khiển CNC (hệ thống điều khiển số máy tính) Một số loại máy CNC thường thấy máy phay, máy in 3D, máy cắt laze,…vv Hình 2.2 Các loại máy CNC Do máy CNC điều khiển máy tính, nên để tạo sản phẩm hồn chỉnh máy phải hiểu xác hướng dẫn tạo máy tính Vì thế, để chế tạo sản phẩm thực máy CNC, ta cần phải chế tạo sản phẩm số hay nói xác tạo mơ hình sản phẩm ảo máy tính Mơ hình sản phẩm ảo tạo từ CAD (Computer Aided Control), phải xác định đường chạy máy cho tạo sản phẩm ý qua hệ thống CAM (Computer Aided Manufacturing) Máy CNC phân loại theo hệ thống điều khiển nó:   Theo hệ điều khiển điểm-điểm: Hay cịn gọi điều khiển theo vị trí dùng để gia cơng lỗ phương pháp khoan, kht, doa,…Ví dụ có máy: máy khoan, máy khoét, máy hàn điểm,… Theo hệ điều khiển đường thẳng: Máy chuyển động thực chạy dao đường Ví dụ máy tiện h  Theo hệ điều khiển biên dạng (contour): cho phép chạy dao nhiều trục lúc Ví dụ ta có máy 2D, 3D, 4D, 5D, 2D1/2 Các máy CNC thơng thường có trục trục x, y, z tương tự hệ tọa độ Decac Hình 2.3 Các trục máy CNC phay trục thông thường Với trục Z trục mang trục gia cơng chính, trục có nhiệm vụ di chuyển lên xuống để tạo hình sản phẩm với Z dương lên Z âm xuống Trục X có nhiệm vụ di chuyển ngang qua lại, đồng thời hỗ trợ trục Z trình hoạt động máy Khi đứng trước máy trục X tăng dần giá trị độ lớn sang phải giảm dần sang trái Trục Y máy CNC thơng thường cố định Khi đứng trước máy, trục Y giá trị dương tiến xa ta, có giá trị âm tiến lại gần Việc sử dụng máy CNC để tự động hóa sản xuất đem lại cho người dùng số lợi ích cụ thể như: xác cắt gọt, phức tạp kết cấu sản phẩm, khả mô phần mềm, thời gian gia công ngắn nên suất cao hết an tồn  Sự xác: máy CNC chạy xác hướng dẫn từ máy tính Nếu ta muốn máy xác 10 mm máy xác 10 mm, cịn ta muốn máy khoan lỗ sâu mm máy khoan xác lỗ sâu 5mm Nhờ vào hệ thống điều khiển số nên máy có độ tin cậy cao lặp lặp lại lần không giống ta làm thủ công tay h    Sự phức tạp: Nhiều thiết kế với hình dáng phức tạp khó mà hồn thành tay Nhưng máy CNC cắt khắc nhờ vào hệ thống di chuyển tiện lợi theo phương, điều mà bất khả thi dụng cụ điều khiển tay thông thường Khả mơ máy: Nhờ có hỗ trợ phần mềm CAM ta dễ dàng mô xem xét trước đường chạy dao máy ta dùng thực tế Ngồi ta kiểm tra đường chạy thực máy khơng có phơi cách gửi file hướng dẫn vào máy CNC để quan sát nắm bắt chuyển động thực tế máy, khơng có vấn đề khơng gian cắt đảm bảo khơng có lỗi phát sinh q trình chạy Khả an tồn: Bất kì máy tự động, máy công cụ tiềm ẩn nguy hiểm vốn có Vì an toàn cẩn trọng cần thiết để tránh tổn thương khơng cần thiết Vì chuyển động máy CNC mô phỏng, kiểm tra máy cần có thêm khuyến nghị khoảng cách an tồn cơng tắc khẩn cấp phịng tránh xảy rủi ro bất ngờ Để máy CNC chạy cắt xác, máy cần xác định nơi tốc độ chạy cách rõ ràng cụ thể không gian chiều Những hướng dẫn chuyển động, hay gọi đường chạy dao gọi G-code G-code tạo chương trình CAM sau chuyển qua máy thông qua kết nối vật lý thường cổng USB Ứng dụng máy CNC vơ đa dạng từ việc dùng ngành khí điện máy, ngành mỹ nghệ, nghành điện tử, đến việc dùng quảng cáo,…Các nguyên liệu thường dùng máy CNC là: sắt, nhôm, MDF, gỗ,… Máy CNC phay gỗ máy CNC thường dùng đề gia công vật liệu có độ cứng vừa phải gỗ, plastic vài vật liệu khác, không giống với máy CNC thông thường dùng để gia công kim loại cứng Máy CNC phay gỗ dùng trục xoay nhỏ tượng tự mũi khoan để cắt vật liệu với số vòng quay cao khoảng 25 000 vòng / phút, số loại cịn có trục có mã lực lên tới 20 hp Cịn máy CNC thơng thường phải gia công vật liệu cứng, nhằm đảm bảo độ xác gia cơng nên gia cơng với tốc độ thấp khoảng 3000 vòng/phút cho phay h vài trăm vòng cho việc khoan Máy CNC phay gỗ thường dùng để ứng dụng gia công gỗ hay plastic để làm đồ trang trí nội thất 2.2 Nghiên cứu nước nghiên cứu nước 2.2.1 Nghiên cứu nước Dựa theo kết nghiên cứu đưa ra, có cơng ty hàng đầu nắm giữ phần lớn thị trường việc sản xuất, nghiên cứu chế tạo máy CNC Fanuc Corporation, Haas Automation, Heidenhain, Siemen AG, cuối Mitsubishi Electric (chiếm tới tổng 60% thị phần tồn giới năm 2015) Và để trì cạnh tranh thị trường quốc tế hãng không ngừng nghiên cứu phát triển sản phẩm Sự phát triển tập trung chủ yếu vào việc tạo sản phẩm có khả tích hợp làm việc chung với máy CNC, nâng cấp giao diện sử dụng máy để người dùng dùng sản phẩm với trải nghiệm tốt Nhờ vào hệ thống giao diện ngày cải tiến cho thân thiện với người dùng nên thúc đẩy phát triển ngành công nghiệp chế tạo, khơng giúp kiểm sốt tốt dung sai chi tiết chất lượng bề mặt sau hoàn thành mà cho phép thêm số đặc trưng khác q trình chế tạo khơng giống với ý tưởng thiết kế ban đầu kĩ sư hay khách hàng Cùng với cải tiến liên tục máy tiện CNC tiện chi tiết có kích thước lớn khoảng 457,2 mm, ngồi mơt số trường hợp u cầu đặc biệt máy cịn làm việc với chi tiết lớn Ngoài việc tập trung phát triển CNC truc truyền thống, người ta phát triển thêm hệ thống CNC trục với khả làm việc chi tiết phức tạp với thời gian làm việc ngắn chất lượng sản phẩm tốt nhờ vào tốc độ cắt cao, đường chạy dao tốt, chất lượng bề mặt sản phẩm cao Trong tất nghiên cứu cải tiến trên, yếu tố khác vô quan trọng trình phát triển máy CNC nay, hệ thống siêu CPU điều khiển Dựa vào loại CPU giúp cho trình điều khiển diễn với tốc độ cao hơn, từ nâng cao chất lượng sản phẩm đầu Tốc độ xử lý nhanh CNC đảm bảo cho khả làm việc với thời gian làm việc ngắn hệ thống PLC hỗ trợ cho q trình xử lý Với tốc độ truyền tín hiệu nhanh CNC ổ đĩa cho phép máy hoạt động với chuẩn xác cao Ngồi CPU cịn đơn giản bớt số phận so với CPU cũ giữ khả làm việc tốt giúp thiết kế chế tạo không bị phức tạp h 2.2.2 Nghiên cứu nước Tại Việt Nam, thời gian vài năm trở lại đây, đầu tư mức quan tâm từ nhà nước doanh nghiệp cho công nghiên cứu Công cụ điều khiển số CNC, mà hàng loạt máy CNC “Made in Viet Nam” đời Cụ thể máy CNC chế tạo chủng loại máy Việt Nam sản xuất thành công Công ty TNHH Cơ điện tử Bách Khoa (BKMech) Máy có tốc độ phay trục lên đến 24000 vòng/phút, tốc độ dịch chuyển khoảng 30 m/phút, giúp giảm thời gian gia cơng, trung bình tiết kiệm khoảng từ 20-40% so với gia công phay thông thường tốc độ cắt cao Giá dự kiến sản phẩm vào khoảng 50000 USD – 80000 USD tùy theo yêu cầu đặt hàng khách, giá thành 50% so với máy CNC nhập từ Đài Loan Khơng dừng lại với đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phay CNC trục TS Hồng Vĩnh Sinh thuộc Viện khí trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Việt Nam chế tạo máy CNC trục chí cịn cơng ty Rorze Robotech Nhật đặt chế tạo với mức giá 140000 USD Khi đó, Đài Loan có 10% số 100 công ty sản xuất máy đủ lực làm chủng máy Xu hướng chế tạo thành phần kết cấu máy lắp ráp Việt Nam Các phận điều khiển nhập, lắp ráp theo yêu cầu người sử dụng Đây xu hướng bắt buộc nhà sản xuất CNC muốn đưa máy CNC nhãn hiệu Việt Nam phổ biến rộng rãi nước Vì chế tạo kiểm sốt sai số máy cách khắc phục Hơn việc chế tạo kết cấu máy thúc đẩy công nghiệp đúc, gia cơng khí xác phát triển Với đầu tư có định hướng chất lượng máy CNC sản xuất Việt Nam hồn tồn tin tưởng Hiện nước ta phải nhập phận điều khiển cho máy CNC bao gồm module để lắp ráp vào thân máy sản xuất nước Giá thành toàn module điều khiển chiếm khoảng 40% giá thành máy Cấu trúc phận điều khiển dạng đóng, người dùng khơng thể tương tác với cấu trúc bên nên gặp khó khăn q trình sửa chữa, bảo trì máy CNC như: thiếu thiết bị thay hỏng hóc, đội ngũ kỹ thuật khơng đáp ứng việc sửa chữa khơng có đầy đủ thông tin cấu trúc bên điều khiển,… Nước ta chưa có đội ngũ kĩ thuật đủ khả đáp ứng cho việc sản xuất máy phay CNC hoàn toàn nội địa, thiết bị kỹ thuật nước hạn chế phụ thuộc h h CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU (DỰ KIẾN) 4.1 Bản vẽ thiết kế 4.1.1 Thiết kế hệ thống khí Hình 4.8 Vai trái trục X Hình 4.9 Vai phải trục Y h Hình 4.10 Khung mặt sau trục Y Hình 4.11 Khung mặt trước trục Y h Hình 4.12 Chân lắp vai trục X Hình 4.13 Tấm đỡ động trục h Hình 4.14 Mặt gá step trục Z Hình 4.15 Mặt giá đỡ trục Z h Một số hình ảnh 3D thiết kế phần mềm Solidworks 2018 Hình 4.16 Cụm trục X h Hình 4.17 Cụm trục Z h Hình 4.18 Cụm trục Z giá đỡ spindle Hình 4.19 Khung cụm trục Y h Hình 4.20 Bản vẽ lắp 3D máy phay gỗ CNC trục Hình 4.21 Hình chiếu máy h Hình 4.22 Hình chiếu máy Hình 4.23 Hình chiếu cạnh máy h 4.1.2 Thiết kế hệ thống điện điều khiễn  Driver điều khiển động bước TB6600 Hình 4.24 Driver TB6600 Thơng số kĩ thuật Driver:  Nguồn cấp tối đa: DC 40V  Dòng tối đa: 4A  Độ phân giải vi bước: 1/1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16  Driver: TB6600HQ/HG single chip bipolar sinusoidai micro-step stepping motor driver, công nghệ BiCD 0,13nm  Tích hợp chân Reset Enable  Tích hợp tính Standy  Tích hợp bảo vệ nhiệt TSD  Tích hợp bảo vệ áp UVLO  Kích thước 96x57x35mm  Mạch điều khiển BOB MACH3 USB h Hình 4.25 Mạch điều khiển BOB MACH3 USB Thông số kỹ thuật:          Hồn tồn tương thích với phần mềm MACH3 Cấp nguồn qua cổng USB Điện áp nguồn sử dụng 5VDC USB Tất tín hiệu vào bảo vệ cách ly quang để bảo vệ mạch Có thể điều khiển lúc tới động bước (4 trục) Tần số xung tối đa 100Khz Số ngõ vào: ngõ IN1, IN2, IN3, IN4 Số ngõ ra: ngõ OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 Nguồn điều khiển động spindle 500W h Hình 4.26 Bộ động phay spindle 500W Thơng số kỹ thuật: Kích thước 130x100x50mm Đầu vào AC 110 – 220V ± 10% 50/60Hz Đầu DC 110V Động trục 500W Tốc độ quay trục 3000 – 12000 (vịng/phút) Động làm mát gió Cường độ dịng điện tối đa 6A Momen xoắn 5.5Nm Thời gian chạy trục chính xác cao 0,01 – 0,03 Các phận khác mạch điều khiển: Nút dùng khẩn cấp, công cụ dị dao  Sơ đồ đấu dây tồn hệ thống mạch điều khiển           h Hình 4.27 Sơ đồ đấu dây toàn hệ thống mạch điều khiễn 4.1.3 Phần mền điều khiển Phần mềm sử dụng phần mềm MACH3 dựa vào độ thông dụng ưu điểm có Phần mềm Mach3 phần mềm điều khiển CNC hãng AirSoft USA, ban đầu Mach3 coi phần mềm mã nguồn mở Mach3 phát triển nhanh, dao diện phong phú, nhiều tính tiêu chuẩn CAD/CAM sau phát triển trở thành phần mềm thương mại nhanh đại, rẻ tiền nhiều người sử dụng h TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt [1] Trịnh Chất, “Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí tập 1,2” Nhà xuất giáo dục Việt Nam [2] Nguyễn Đình Đạt “Nghiên cứu thiết kế ứng dụng máy CNC điều khiển khắc gỗ 3D” [3] Nguyễn Đắc Lộc, “Sổ tay công nghệ chế tạo máy tập 1,2 ” Nhà xuất khoa học kỹ thuật [4] Nguyễn Hữu Lộc, “Cơ sở thiết kế máy tập 1,2” Nhà xuất đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh [5] Lưu Phát Tài “ Tính tốn thiết kế máy phay gổ CNC 3D phay gỗ tre” Tài liệu Tiếng Anh [6] HIWIN, Ballscrews Technical Infomation [7] HIWIN, Linear Guideway Technical Information [8] MDF Manual, SPANOLUX Wood Based Solutions h