1. Máy phay CNC là gì? 1.1. Định nghĩa Gia công CNC chính là hình thức gia công tiên tiến, điều khiển bằng hệ máy tính thông minh với các phần mềm chuyên dụng. Và gia công phay CNC cũng vậy, đây là một quá trình phay cắt gọt vật liệu được điều khiển bằng máy tính, các thông số được lập trình sẵn trước để máy phay có thể tự động chạy mà không cần có thợ vận hành một cách thủ công. Những máy phay hoạt động theo nguyên lý đó được gọi là máy phay CNC. Máy phay CNC hiện đang được ứng dụng rất rộng rãi trong hoạt động sản xuất gia công, đặc biệt là gia công cơ khí. Dòng máy này giúp các nhà máy giảm chi phí, tăng năng suất, cải thiện tốc độ gia công, tạo ra những chi tiết với độ chính xác và độ thẩm mỹ cao nhất. 1.2. Cấu tạo Máy phay CNC được cấu tạo bởi nhiều thành phần, mỗi một thành phần sẽ có chức năng riêng, giúp cho toàn bộ máy có thể vận hành được một cách hoàn hảo. Cụ thể bao gồm: Giao diện máy: Đây là bộ phận để khởi tạo máy, hiển thị các chương trình điều khiển và vận hành các công đoạn gia công CNC. Cột máy và thân máy: Bộ phần này có chức năng nâng đỡ toàn bộ kết cấu máy. Bàn máy: Bộ phận này chứa phôi gia công, thông thường bàn có thể được điều chỉnh theo các hướng khác nhau hoặc cố định tùy theo loại máy và các yêu cầu gia công khác nhau. Với mỗi một máy phay CNC thì kích thước và thiết kế của bàn máy sẽ khác nhau, đảm bảo có lợi nhất về mặt vận hành và công suất gia công. Trục chính: Trục chính được xem là bộ phận quyết định chính đến chất lượng của một chiếc máy phay CNC. Bởi vì trục chính có ổn định thì hiệu quả điều khiển của động cơ mới đảm bảo và toàn bộ hệ thống mới vững chắc được. Dụng cụ cắt: Giống như chính tên của bộ phận này, dụng cụ cắt là dùng để thực hiện thao tác cắt, gọt phôi, tạo ra các chi tiết gia công theo thiết kế ban đầu. Tùy từng yêu cầu gia công mà sử dụng các loại dao cụ khác nhau. 1.3. Công dụng Sở dĩ máy phay CNC đang được ứng dụng rất phổ biến từ nhà xưởng nhỏ cho tới những nhà máy có quy mô lớn là bởi vì dòng máy này có nhiều công dụng vượt trội. So với máy phay truyền thống thì với hệ điều khiển số, lập trình thông minh, máy phay CNC giúp cho hoạt động gia công phay diễn ra với tốc độ nhanh hơn, độ chính xác cao hơn và tính thẩm mỹ cũng như độ tinh vi của thành phẩm vượt trội hơn. Các công dụng chính của máy phay CNC gồm: Dùng để phay, cắt, gọt, khoan các vật liệu một cách chính xác. Có khả năng cắt gọt nhiều chi tiết, nhiều loại vật liệu khác nhau, đảm bảo chất lượng thành phẩm có độ đồng đều về chất lượng và tính thẩm mỹ cao nhất. Về nguyên lý máy phay CNC tích hợp bộ điều khiển bằng máy tính nên toàn bộ quá trình phay là hoàn toàn tự động. Người dùng chỉ cần cài đặt máy trước và sau khi phay. Do vậy, đây là thiết bị giúp giảm chi phí nhân công sản xuất. Máy phay CNC còn có công dụng đo khoảng cách với độ chính xác cao nhất.
Lý do chọn đề tài
Các máy công cụ là trụ cột của nền kinh tế sản xuất, nó không những làm ra các sản phẩm mà còn làm ra các thiết bị và hệ thống khác phục vụ cho tất cả các ngành kinh tế Nhu cầu về các thiết bị nói chung ngày càng tăng của các doanh nghiệp trong nước, đặc biệt là trong giai đoạn hội nhập và phát triển công nghiệp của đất nước Các doanh nghiệp phải đối mặt với việc cạnh tranh khốc liệt không những ở thị trường nước ngoài mà còn ngay chính ở trong thị trường trong nước, do vậy nhu cầu thiết bị sản xuất đóng một vai trò sống còn đối với các doanh nghiệp. Để phục vụ sản xuất thường các doanh nghiệp nhập khẩu nhóm sản phẩm máy móc, thiết bị, dụng cụ và phụ tùng phục vụ cho sản xuất chế tạo Dự kiến trong những năm tới, sau khủng hoảng là giai đoạn các doanh nghiệp phải loại bỏ công nghệ cũ, đầu tư công nghệ mới nhằm nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường Trong ngành cơ khí chính xác, nhu cầu các máy công cụ chính xác như CNC, các máy công cụ chuyên dùng gia công tự động hóa theo nhu cầu doanh nghiệp sẽ rất lớn
Ngày nay máy CNC không còn là khái niệm xa lạ tại Việt Nam Máy CNC xuất hiện tại hầu hết các lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là trong công nghiệp Tuy nhiên hầu hết các máy CNC trong nước đều là nhập từ một số nước như Đức, Nhật và Trung Quốc, và giá thành các máy CNC đều rất cao Những máy CNC thiết kế và sản xuất tại việt nam còn rất ít và hầu như chỉ dừng lại ở mức độ “chế máy CNC chạy được” Do vậy chúng em đã quyết định chọn đề tài thiết kế hệ thống điều khiển cho máy CNC, để mong rằng trong một tương lai gần, những máy CNC được thiết kế và sản xuất tại Việt Nam sẽ có chất lượng tốt hơn và ngày càng phổ biến hơn, từ đó thúc đẩy sự phát triển của nền khoa học công nghệ trong nước
Trong đề tài đồ án môn tốt nghiệp, mục tiêu trước tiên mà em hướng tới là chế tạo được mô hình máy CNC hoạt động hoạt động với sai số nhỏ, sau đó em hướng tới khắc phục dao động, sai số và nâng cao tính tự động của máy như khả năng thay dao tự động, hệ thống cấp phôi tự động Tuy nhiên do kinh nghiệm còn hạn chế và thời gian thực hiện có hạn, nên đồ án của em còn những thiếu xót, và mục tiêu ổn định dao động và hệ thống cấp phôi tự động em chưa thể hoàn thiện Em mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô để hoàn thiện hơn để tài
Em xin chân thành cảm ơn thầy Tiến Sĩ Ngô Hà Quang Thịnh đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt để để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu, chế tạo và thiết kế máy cnc 3 trục”.
Mục đích của đề tài
Đề tài có các mục đích sau:
- Chế tạo mô hình máy CNC 3 trục gia công vật liệu mềm
- Gia công được các chi tiết kích thước nhỏ
Nhiệm vụ của đề tài
- Thiết kế cơ khí kết cấu máy CNC
- Thi công phần cơ khí, chế tạo và lắp ráp hoàn thiện mô hình máy CNC.
Đối tượng nghiên cứu và giới hạn của đề tài
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là máy công cụ điều khiển bằng chương trình số CNC.
- Nhóm thực hiện nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy CNC 3 trục
Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu các tài liệu liên quan đến động cơ DC, động cơ bước, động cơ servo
- Sử dụng phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình tính toán và thực hiện mô phỏng kiểm tra kết quả tính toán quá trình trao đổi nhiệt.
- Tham khảo từ nhiều nguồn khác nhau: đồ án khóa trước, tài liệu trong sách, trên mạng internet,
Nội dung đề tài
Nội dung đề tài gồm 6 chương chính:
- Chương 1: Giới thiệu đề tài
- Chương 2: Tổng quan giải pháp công nghệ
- Chương 3: Phương pháp giải quyết
- Chương 4: Quy trình thiết kế phần cứng và phần mềm
- Chương 5: Thi công mô hình thực nghiệm, đánh giá kết quả
- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài
Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Trong bối cảnh phát triển ngành công nghiệp nước ta hiện nay hầu hết các công nghệ chúng ta đang sử dụng đều phải nhập khẩu Trong quá trình sử dụng, sẽ có rất nhiều hệ thống cần phải thay thế, sửa chữa, nâng cấp và chúng vẫn phải nhập khẩu vì trong nước không có những thiết bị, dây chuyền để chế tạo ra các hệ thống đó Máy CNC chế tạo trong nước với chi phí thấp sẽ là chìa khoá để đảm bảo chúng ta có thể nhanh chóng có thể chế tạo được các hệ thống thay thế phù hợp vừa phục vụ cho công nghiệp vừa đáp ứng nhu cầu các doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ
Nghiên cứu trên thế giới:
Hiện nay trên thế giới việc chế tạo ra máy công cụ tự động CNC đạt tới trình độ rất cao Máy CNC được nghiên cứu và đầu tư để tạo ra các loại máy móc thiết bị, dây chuyền sản xuất để phục vụ tất cả các ngành công nghiệp khác Có thể phân loại các máy CNC như sau:
- Các máy CNC dùng để cắt gọt kim loại bằng dụng cụ cắt (theo công nghệ truyền thống): máy phay CNC, máy tiện CNC, các trung tâm tiện và phay CNC, máy mài CNC
- Các máy CNC dùng để gia công theo công nghệ phi truyền thống: máy xung tia lửa điện, máy cắt dây tia lửa điện, máy cắt bằng Plasma, cắt bằng Laser, máy tạo mẫu nhanh RP
- Các máy CNC dùng để gia công biến dạng bằng áp lực: máy đột tự động theo chương trình, máy cán, máy ép, máy dập điều khiển số
- Các máy CNC chuyên dụng phục vụ cho các ngành công nghiệp sản xuất hàng loạt hoặc đặc biệt: sản xuất phụ tùng ô tô, đồ tiêu dùng, sản xuất vũ khí, hoá chất độc hại…
Hiện nay các lĩnh vực ứng dụng của máy CNC trong nước khá đa dạng và phong phú Các sản phẩm do máy CNC tạo ra tập trung các lĩnh vực sau:
- Máy CNC dùng để chế tạo ra các máy móc, thiết bị và dây chuyền sản xuất phục vụ toàn bộ các ngành kinh tế khác như: công nghiệp nặng (đóng tàu, khai thác mỏ, điện, dầu khí, thiết bị vận chuyển như ô tô, tàu hoả,…), công nghiệp nhẹ (dệt may, đóng giày, thực phẩm,…), công nghiệp quốc phòng (dây chuyền sản xuất vũ khí, thuốc nổ,…), công nghệ thông tin (dây chuyền sản xuất vi mạch điện tử, lắp ráp máy tính và thiết bị viễn thông,…), các thiết bị dùng cho giáo dục và đào tạo, các thiết bị y học…
- Máy CNC cũng có thể dùng để tạo ra các sản phẩm thông dụng và sản phẩm công nghệ cao được sử dụng trong cuộc sống và trong công nghiệp: khuôn mẫu dùng để tạo ra các chi tiết bằng nhựa dùng trong cuộc sống hàng ngày, các chi tiết để cấy và chế tạo các ống nano, các chi tiết bằng vật liệu sinh học để thay thế xương trong y học, các đồ gá dùng trong sản xuất chíp điện tử…
Kết cấu cơ bản của máy CNC
Máy CNC cơ bản gồm hai phần chính:
Phần cơ khí: đế máy, thân máy, bàn máy, bàn xoay, trục vít me bi, ổ tích dụng cụ, cụm trục chính và băng dẫn hướng Ở Việt Nam hiện nay chưa thể chế tạo ra hai bộ phận quan trọng của máy là: cụm trục chính và băng dẫn hướng mà mới chỉ chế tạo được những cơ cấu đơn giản là: thân máy, bàn máy, bàn xoay.
Phần điều khiển: các loại động cơ, các hệ thống điều khiển và máy tính trung tâm.
Hình 2.1 Kết cấu chung của máy CNC
Là nơi lắp dụng cụ, chuyển động quay của trục chính sẽ sinh ra lực cắt để cắt gọt phôi trong quá trình gia công (hình 2.2).
Nguồn động lực điều khiển trục chính:
Trục chính được điều khiển bởi các động cơ Thường sử dụng động cơ Servo theo chế độ vòng lặp kín, bằng công nghệ số để tạo ra tốc độ điều khiển chính xác và hiệu quả cao dưới chế độ tải nặng.
Hệ thống điều khiển chính xác góc giữa phần quay và phần tĩnh của động cơ trục chính để tăng momen xoắn và gia tốc nhanh Hệ thống điều khiển này cho phép người sử dụng có thể tăng tốc độ của trục chính lên rất nhanh.
Hình 2.3 Các dạng dẫn động trục chính.
Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động của bàn theo X,Y và chuyển động lên xuống theo trục Z của trục chính (hình 2.4).
Hình 2.4 Thanh trượt và con trượt tròn, băng dẫn hướng
Yêu cầu của hệ thống thanh trượt trượt phải thẳng, có khả năng tải cao, độ cứng vững tốt, không có hiện tượng dính, trơn khi trượt
2.2.3 Trục vít me đai ốc bi
2.2.3.1 Giới thiệu chung trục vít me đai ốc bi
Trong máy công cụ điều khiển số người ta sử dụng hai dạng vít me cơ bản đó là: vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi.
+ Vít me đai ốc thường: là loại mà vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc mặt
+ Vít me đai ốc bi: là loại mà vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc lăn.
Ta xét mối quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi (hình 2.5):
Hình 2.5 Quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me thường và vít me bi Đường cong trên là đường cong biểu thị mối quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me đai ốc thường Đường cong này chia làm hai phần:
+ Phần từ a đến b là vùng ma sát nửa ướt Vùng này có sự tiếp xúc trực tiếp giữa vít me và đai ốc Khi vận tốc bằng không, lực ma sát lớn nhất, khi vận tốc tăng lên dầu dần dần hình thành làm lực ma sát giảm dần tới b.
+ Giai đoạn tiếp theo là quá trình bôi trơn giữa hai bề mặt thủy động và như đồ thị thì lực ma sát tăng theo tốc độ.
Khi điều khiển máy CNC hai hoặc nhiều trục đòi hỏi thời gian khởi động bàn máy nhanh và momen nhỏ Nhìn vào đường cong trên ta thấy vít me đai ốc thường không đảm bảo được yêu cầu trên của máy CNC.
Thay vì trạng thái tiếp xúc mặt như vít me đai ốc thường thì vít me đai ốc bi có dạng tiếp xúc lăn bằng cách đưa vào các rãnh ren số lượng lớn bi hoặc bi trụ Do tiếp xúc giữa vít me và đai ốc là ma sát lăn nên ma sát có thể là coi là không đáng kể Từ đồ thị trên ta thấy vít me đai ốc bi đã xóa bỏ được vùng ma sát khô và ma sát nửa khô của ma sát thường. Ưu điểm của vít me đai ốc bi:
+ Mất mát do ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền lớn gần bằng 0.9.
+ Đảm bảo chuyển động ổn định vì lực ma sát hầu như không phụ thuộc vào tốc độ.
+ Có thể loại trừ khe hở và tạo sức căng ban đầu đảm bảo độ cứng vững dọc trục cao.
+ Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài.
2.2.3.2 Kết cấu bộ truyền vít me đai ốc bi
Vít me bi có kết cấu đa dạng nhưng chúng đều có cấu tạo chung như sau(H 1.6):
4: Ống hồi tiếp (Return Path)
Hình 2.6 Cấu tạo vít me bi
Khử khe hở và tạo sức căng
Kết cấu của bộ truyền vít me bi phải có khả năng khử khe hở dọc trục và điều chỉnh sức căng ban đầu Khử khe hở và tạo sức căng nhờ việc điều chỉnh vị trí tương quan giữa hai phần của đai ốc Khử khe hở và tạo sức căng có thể thực hiện bằng các phương pháp sau (Hình 2.7):
+ Trên mỗi phần đai ốc thiết kế dạng mặt bích để liên kết hai phần đai với nhau thông qua mối ghép ren Để khử khe hở và tạo sức căng ban đầu cho bộ truyền bằng cách giữa hai mặt bích người ta đặt các tấm đệm Với chiều dày các tấm đệm khác nhau cho phép thay đổi sức căng và vị trí vùng tiếp xúc giữa bi với đai ốc và vít me Thực hiện điều chỉnh theo phương pháp này có kết cấu đơn giản nhưng việc điều chỉnh khó khăn.
Hình 2.7 Các phương pháp khử khe hở vít me bi
+ Một dạng khác của kết cấu khử khe hở và tạo sức căng là giữ cố định một phần của đai ốc, khử khe hở và tạo sức căng bàn đầu bằng lực của lò xo(Hình 2.8).
+ Trên mỗi phần của đai ốc, vành ngoài của nó có vành răng bước nhỏ và trong cũng có bố trí vành răng trong.
Hình 2.8 Khử khe hở vít me bi bằng lò xo
Khái niệm cơ bản về điều khiển và điều khiển số
Là quá trình xảy ra trong môt hệ thống giới hạn, trong đó một hay nhiều đại lượng là đại lượng đầu vào, các đại lượng khác là đại lượng đầu ra, chúng tác động và ảnh hưởng đến hệ thống theo những quy luật riêng.
Người ta chia hệ thống điều khiển máy công cụ thành hai loại:
− Điều khiển theo kiểu truyền thống.
2.3.2 Điều khiển theo kiểu truyền thống
Hệ thống điều khiển (HTĐK) theo kiểu này gồm: điều khiển bằng cam, điều khiển theo quảng đường, điều khiển theo thời gian, điều khiển theo chu kì Nhìn chung các loại điều khiển này có chung các đặc điểm chính sau đây:
− Điều khiển máy có sự tham gia phần lớn của người vận hành từ khâu cấp phôi, gá phôi, hiệu chỉnh dụng cụ cho đến khâu kiểm tra sản phẩm.
− Các thao tác của hệ thống điều khiển thường khó thay đổi (chính xác là không thay đổi được) Do vậy, nó không thích ứng với sự thay đổi sản phẩm.
− Nếu không có sự tham gia của người vận hành thì cơ cấu máy thực hiện chu trình làm việc liên tục như các máy tự động Với các loại máy này không thay đổi được hoặc muốn thay đổi cũng rất phức tạp Do vậy, khuynh hướng phát triển chung là người ta muốn có những HTĐK mà nó dễ dàng thích nghi với sự thay đổi của sản phẩm Nhìn chung, các HTĐK theo kiểu truyền thống tuy càng lúc càng được cải thiện tuỳ theo mức độ cơ khí hoá, tự động hoá của nhà máy sản nhưng vẫn chưa thực sự đáp ứng được nhu cầu của thực tế.
2.3.3 Điều khiển số Điều khiển số (Numerical Control) là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy trên cơ sở các dữ liệu số được mã hoá đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống”
Máy hiểu theo nghĩa rộng bao gồm: các máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công…
Dữ liệu số được mã hoá bao gồm: các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số các ký tự đặc biệt.
Các chữ số và ký tự đó đại diện cho các đặc tính gia công như kích thước của chi tiết, các dụng cụ được yêu cầu, dung dịch trơn nguội, tốc độ vòng quay trục chính, tốc độ chạy dao và được tổ hợp thành câu lệnh.
2.3.4 Các hệ điều khiển số
2.3.4.1 Hệ điều khiển số NC (Numerical control) Đặc tính của hệ điều khiển này là “chương trình hoá các mối liên hệ” trong đó mỗi mảng linh kiện điện tử riêng lẻ được xác định một nhiệm vụ nhất định, liên hệ giữa chúng phải thông qua những dây nối hàn cứng trên các mạch logic điều khiển (hình 2.9).
Chức năng điều khiển được xác định chủ yếu bởi phần cứng.
Hình 2.9 Hệ điều khiển NC
2.3.4.2 Hệ điều khiển số CNC (Computer Numerical Control) Điều khiển CNC là một hệ điều khiển có thể lập trình và ghi nhớ Nó bao hàm một máy tính cấu thành từ các bộ vi xử lý kèm theo các bộ phận ngoại vi.
Các chương trình CNC và các hàm logic được lưu trên các vi mạch máy tính đặc biệt (các thanh ghi bộ nhớ của máy tính) dưới dạng các phần mềm thay vì được nối kết cứng (nối dây) do đó các chương trình làm việc có thể thiết lập trước.
Hình 2.10 Hệ điều khiển CNC
2.3.4.3 Các hệ điều khiển số khác
Hệ điều khiển số DNC (Direc Numerial Control) là hệ thống điều khiển trong đó nhiều máy CNC được nối với một máy vi tính gia công trung tâm qua đường dẫn dữ liệu.
Hệ điều khiển thích nghi (Adaptive Control) là hệ thống điều khiển có tính đến tác động bên ngoài của hệ thống công nghệ để điều chỉnh chu kỳ gia công (quá trình gia công) nhằm loại bỏ ảnh hưởng của các yếu tố đó tới độ chính xác gia công.
Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System) là hệ thống sản xuất có mức độ tự động hoá cao bao gồm các máy CNC để gia công tự động, hệ thống cấp và tháo phôi, hệ thống vận chuyển phôi tự động, các máy tính hệ thống cung cấp chương trình điều khiển toàn bộ công việc.
Hệ thống tích hợp CIM(Computer Integrated Manufacturing) là sự liên kết toàn bộ giữa CAD(Computer Aided Design) và CAM(Computer Aided Manufacturing) vào một quá trình giám sát và điều khiển hoàn toàn bằng máy tính.
2.3.5 Phân loại các phương pháp điều khiển
Tùy theo yêu cầu của từng loại máy và từng cơ cấu điều khiển, hệ điều khiển có thể phân thành 3 loại cơ bản: điều khiển điểm – điểm, điều khiển đoạn thẳng và điều khiển đường (tuyến tính hoặc phi tuyến) Tất nhiên các máy điều khiển đường đều có thể sử dụng hệ điều khiển điểm – điểm và đoạn thẳng.
Hệ tọa độ trên máy CNC và các điểm chuẩn
2.4.1 Hệ tọa độ trên máy CNC Để xác định vị trí tương quan hình học trong vùng làm việc của máy, trong phạm vi chi tiết gia công một cách rõ ràng thì cần thiết phải gắn nó vào một hệ tọa độ nào đó.
Thông thường trên các máy CNC người ta sử dụng hệ tọa độ Decac Oxyz. Cách xác định các trục theo quy tắc bàn tay phải và nó luôn được gắn vào chi tiết gia công (hình 2.15).
Hình 2.15 Quy tắc xác định tọa độ của máy CNC
Khi tiếp xúc và làm việc với máy CNC phải tuân thủ theo quy ước:
- Chi tiết gia công được xem là cố định còn mọi chuyển động tạo hình và cắt gọt do dao cụ thực hiện.
- Phương trục chính là Oz, chiều dương là chiều dao tiến ra xa chi tiết.
- Phương chuyển động của bàn xe dao là Ox và có chiều dương hướng ra xa chi tiết gia công
- Trục Oy được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
2.4.2 Hệ tọa độ của các loại máy phay
- Trục Z song song với trục chính và có chiều dương hướng lên trên
- Trục X nằm trên bàn máy, nếu nhìn vào trục chính thì chiều dương hướng về phía bên phải.
- Trục Y xác định theo quy tắc bàn tay phải.
- Trục Z nằm ngang và có chiều dương hướng vào trục máy.
- Trục X nằm trên bàn máy, chiều dương là chiều mà khi nhìn vào trục chính thì nó nằm phía trái.
- Trục Y xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Hình 2.16 Quy tắc bàn tay phải
2.4.3 Các điểm gốc và điểm chuẩn
2.4.3.1 Điểm gốc của máy M (Machine Reference Zero)
Quá trình gia công trên máy điều khiển số được thiết lập bằng một chương trình biểu diễn mối quan hệ giữa dao và chi tiết Do vậy để đảm bảo độ chính xác gia công thì các chuyển động của dao phải được so sánh với điểm gốc của máy M. Điểm M là điểm giới hạn vùng làm việc của máy, nó được nhà chế tạo quy định Ở máy phay thường nằm ở điểm giới hạn dịch chuyển của bàn máy.
2.4.3.2 Điểm chuẩn của máy R (Machine Reference Point)
Là điểm mà tọa độ của nó so với điểm gốc M của máy không thay đổi, cũng do nhà chế tạo quy định.
2.4.3.3 Điểm zero của phôi W (Workpiece zero point)
Là gốc tọa độ của chi tiết và nó phụ thuộc vào người lập trình
Hình 2.17 Các điểm gốc và điểm chuẩn của máy
− Đối với chi tiết phay người ta thường chọn điểm W tại điểm gốc ngoài của đường viền chi tiết.
2.4.3.4 Điểm gốc chương trình P (Programed)
− Điểm gốc của chương trình thực tế là điểm P của dụng cắt.
− Chú ý khi chọn điểm P phải thuận tiện cho việc thay dao (không làm ảnh hưởng đến chi tiết và đồ gá).
Hình 2.18 Điểm gốc chương trình
2.4.3.5 Điểm chuẩn của gá dao T và điểm gá dao N(H 1.18) Điểm T dùng để xác định hệ trục toạ độ của dao Thường khi gá dao trên máy thì điểm T trùng với điểm N (H 1.18)
Hình 2.19 Điểm chuẩn của gá dao T và điểm gá dao N
2.4.4 Những khái niệm cơ bản về lập trình gia công trên máy CNC
Trên các máy CNC quá trình gia công được thực hiện một cách tự động Hệ thống điều khiển số sẽ điều khiển quá trình gia công theo một chương trình đã lập sẵn Trong đó, quá trình CNC đóng một vai trò rất quan trọng Nó là một mắc xích quan trọng của quá trình chuẩn bị sản xuất.
Trên cơ sở này, cho phép ta định nghĩa lập trình là gì ? Lập trình là quá trình thiết lập các lệnh cho dụng cụ cắt, trên cơ sở bản vẽ chi tiết và các thông tin công nghệ Nó được tổng hợp rồi được chuyển sang bộ phận mang dữ liệu Tại đây nó được mã hóa và sắp xếp theo dạng mà máy có thể hiểu được.
2.4.4.1 Quỹ đạo gia công Để gia công các chi tiết theo chương trình, trước hết phải xác định được quỹ đạo chuyển động cắt gọt và quỹ đạo chuyển động của tâm dao P Quỹ đạo của tâm dao có thể trùng với biến dạng của chi tiết, cụ thể theo đường cách đều biên dạng chi tiết hoặc cụ thể thay đổi vị trí theo một quy luật xác định so với biến dạng của chi tiết. Để gia công toàn bộ các bề mặt của biên dạng chi tiết thì quỹ đạo chuyển động của tâm dao phải liên tục Tuy nhiên, việc xác định quỹ đạo của tâm dao trong không gian rất phức tạp Do đó, khi lập trình quỹ đạo của tâm dao thì ta thường lập trình theo từng phần biên dạng riêng biệt.
2.4.4.2 Cách ghi kích thước chi tiết Để lập trình gia công trên máy CNC thì kích thước trên bản vẽ phải được ghi theo toạ độ Đề Các Có hai cách ghi kích thước trên bản vẽ:
− Ghi kích thước tuyệt đối.
− Ghi kích thước tương đối (theo gia số).
2.4.5 Thông số công nghệ (Technological Information)
2.4.5.1 Tốc độ chạy dao F (Feedrate)
− Được lập trình với địa chỉ F (mm/ph hoặc in/ph).
− Trong phạm vi lượng chạy dao, có thể lập trình với bất kì giá trị nào.
− Chuyển động chạy dao chỉ có thể thực hiện khi trục chính quay.
− Giá trị chạy dao sẽ hết hiệu lực khi có một giá trị khác của lượng chạy dao thay thế.
2.4.5.2 Số vòng quay trục chính S (Speed)
− Được lập trình với địa chỉ S (v/ph).
− Chiều quay được xác định:
+ Quay theo chiều kim đồng hồ dùng lệnh M03 hoặc S+.
+ Quay theo chiều ngược kim đồng hồ dùng lệnh M04 hoặc S-.
− Giá trị vòng quay trục chính hiệu lực khi có giá trị khác thay thế.
Chương trình gia công
Một chương trình được thiết lập để gia công một chi tiết gọi là chương trình chi tiết.
Nó bao gồm nhiều từ lệnh và các từ lệnh này nằm trong các câu lệnh.
2.5.1 Quy ước kí tự địa chỉ
Các kí tự địa chỉ, những dấu hiệu đặt biệt (DIN 66025) và các chức năng dịch chuyển
Bảng 2.1 Quy ước kí tự địa chỉ
Ký tự/Dấu hiệu Ý nghĩa
A Chuyển động quay quanh trục X
B Chuyển động quay quanh trục Y
C Chuyển động quay quanh trục Z
D Chuyển động quay quanh một trục khác hoặc chạy dao thứ 3
E Chuyển động quay quanh một trục khác hoặc chạy dao thứ 2
G Điều kiện đường dịch chuyển
I Thông số nội suy hoặc bước ren song song với trục X
J Thông số nội suy hoặc bước ren song song với trục Y
K Thông số nội suy hoặc bước ren song song với trục Z
N Số thứ tự câu lệnh
P Chuyển động thứ 3//X hoặc thông số hiệu chỉnh dao
Q Chuyển động thứ 3//Y hoặc thông số hiệu chỉnh dao
R Chuyển động thứ 3//Z hoặc thông số hiệu chỉnh dao
S Số vòng quay trục chính hoặc tốc độ cắt
% Bắt đầu mộ chường trình
LF Kết thúc câu lệnh (Line feed)
CR Lùi giá bút (Car Reture)
Bảng 2.1 Quy ước kí tự địa chỉ
2.5.2 Cấu trúc một chương trình: Để viết chương trình gia công cho một biên dạng chi tiết Ta tiến hành chia biên dạng đó thành những biên dạng hình học đơn giản Nó có thể được điều khiển trong từng bước gia công hay trong một câu lệnh của chương trình.
Cấu trúc cơ bản của một chương trình gia công gồm:
1 Chia biên dạng thành các yếu tố hình học đơn giản.
2 Chia quá trình gia công thành các bước gia công.
4 Nạp vào bộ điều khiển.
7 Cho thực hiện việc gia công chi tiết.
Các phương pháp lập trình cho hệ điều khiển
Xuất phát từ yêu cầu về tính linh hoạt và mức độ tự động hoá cao của tất cả các thiết bị gia công, dẫn tới bước nhảy vọt trong việc ứng dụng các hệ điều khiển
CNC trong các phân xưởng, xí nghiệp sản xuất và chế tạo Sự phát triển đó tác động rất lớn đến khả năng thiết lập các chương trình CNC Các phương pháp lập trình :
+ Lập trình trực tiếp trên máy CNC: là quá trình tìm ra các thông số điều khiển và nạp chúng vào hệ điều khiển, thực hiện trực tiếp trên máy thông qua bảng điều khiển.
+ Lập trình với sự trợ giúp của máy tính: quá trình lập trình theo kiểu này tương tự lập trình bằng tay Tuy nhiên, thời gian lập trình và các lỗi được giảm xuống một cách đáng kể nhờ các bộ vi xử lí, bộ nội suy và một số khối lượng lớn các dữ liệu cần thiết được cài đặt sẵn trong máy khi cần chỉ việc truy cập theo địa chỉ và sử dụng.
Tính toán lựa chọn động cơ trục chính
Mô hình máy phay CNC 3 trục phải được đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật và làm được ở nhiều chế độ tải khác nhau, dễ dàng điều khiển, làm việc ổn định, trong thực tế máy phay cnc thường được sử dụng động cơ trục chính để lắp đặt dao cắt thông qua collect spindle thực hiện quá trình gia công Động cơ cần được kết nối với biến tầng và được điều khiển thông qua máy tính.
Dựa vào mục đích sử dụng mô hình máy phay CNC 3 trục trong việc gia công các vật liệu như: nhôm,gỗ, nhựa mica và lựa chọn được động cơ với các thông số như sau.
Số vòng quay trục chính của động cơ: n max = 12.000 vòng/ phút;
Tốc độ chạy không tải:
Tốc độ cắt lớn nhất:
V max = 2.000 vòng/ phút; Đường kính dao phay lớn nhất: D = 10 (mm) = B (bề rộng cắt);
Chiều sâu cắt lớn nhất: t = 5 mm;
Lực cắt của dao được xác định theo công thức ( Nguyễn Đắc Lộc và cs.,2000):
D q n w k MP (N) Trong đó, Z là số răng dao phay;
N là số vòng quay của dao (vòng/phút)
C p =¿ 68,2; x = 0,86; y = 0,72; u = 1; q = 0,86; w = 0 k MP là hệ số điều chỉnh cho chất lượng của vật liệu gia công Đối với nhôm k MP = 1
Thay vào công thức, ta có:
10 0,86 12000 0 1 = 67,17(N) Vận tốc cắt được xác định theo công thức ( Nguyễn Đắc Lộc và cs.,2000):
T là chu kỳ bền của dao ( phút ) k v =k MV k nv k uv = 1.0.9.1= 0,9
1020.60 =0,17(kW)Công suất động cơ trục chính:
Vì vậy, ta chọn động cơ trục chính có công suất 0,5 (kW) = 500 (W).
Thiết kế khung máy
Chọn phương án thiết kế khung máy gia công các loại vật liệu mềm như Mica, gỗ, phục vụ trong công tác đào tạo Khung máy được thiết kế bằng vật nhôm định hình, thiết kế nhỏ gọn dễ di chuyển, hình ảnh thiết kế khung máy:
Hình 3.1 Thiết kế phần khung máy
Khung máy dùng để chứa hệ thống điều khiển, động cơ của trục chính và rất nhiều hệ thống khác.
Đảm bảo độ chính xác khi gia công.
Chịu toàn bộ máy và khối lượng phôi tác dụng lên tạo sự ổn định và cân bằng cho máy.
Truyền động trục X
Hình 3.2 Thiết kế truyền động trục X
Vùng làm việc như sau:
Khoảng cách dịch chuyển theo phương X: 200mm
Di chuyển tịnh tiến trục chính theo phương X.
Truyền động trục Y
Hình 3.3 Thiết kế truyền động trục Y
Vùng làm việc như sau:
Khoảng cách dịch chuyển theo phương Y: 300mm
Di chuyển tịnh tiến trục chính theo phương Y
Hình 3.4 Thiết kế truyền động trục Z
Vùng làm việc như sau:
Khoảng cách dịch chuyển theo phương Z: 100mm
Di chuyển trục chính lên xuống theo phương Z
Tổng thể thiết kế cơ khí
Hình lắp ráp tổng thể khung máy, trục truyền động theo phương X, Y, Z,động cơ trục chính:
Hình 3.5 Thiết kế tổng thể cơ khí
Thiết kế điện và phần điều khiển
3.2.1 Chọn động cơ truyền động các trục
So sánh động cơ bước và động cơ servo Động cơ bước Động cơ servo
Mạch driver Mạch đơn giản Mạch phức tạp, thường phải mua driver từ nhà sản xuất
Nhiễu và rung động Đáng kể Rất ít
Tốc độ Trung Bình( 2000-4000rpm) Nhanh(3000-5000rpm) Hiện tượng trượt bước Xảy ra khi tải quá lớn Khó xảy ra
Vòng hở (không có encoder) Điều khiển vòng kín(có encoder) Độ phân giải 2 pha PM: 7.5° (48 ppr)
2 pha HB: 1.8° (200 ppr) hoặc 0.9° (400 ppr)
5 pha HB: 0.72° (500 ppr) hoặc 0.36° (1000 ppr)
Phụ thuộc độ phân giải của encoder.
Thông thường vào khoảng 0.36° (1000ppr) – 0.036°
Bảng 3.1 So sánh động cơ bước và động cơ servo
Trong đồ án này do máy chỉ gia công vật liệu mềm, nên chúng em chọn động cơ bước (Step) để dẫn động cho các trục.
Giới thiệu động cơ bước (Step): Động cơ bước (stepper motor), thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay.
Vê cấu tạo động cơ bước gồm có các bộ phận là stato, roto là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến gtừ trở là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính Động cơ bước được điều khiển bởi bộ điều khiển bên ngoài. Động cơ bước và bộ điều khiển được thiết kế sao cho động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như quay đến một vị trí bất kỳ nào. Động cơ bước có thể sử dụng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản, hoặc vòng kín, tuy nhiên khi sử dụng động cơ bước trong hệ điều khiển vòng hở khi quá tải, tất cá các giá trị của động cơ đều bị mất và hệ thống cần nhận diện lại.
Hình 3.7 Cấu tạo động cơ bước Ưu-nhược điểm của động cơ bước Ưu điểm :
Không chổi than : Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm tổn hao năng lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hầm lò ) có thể gây nguy hiểm.
Tạo được mô men giữ :Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển động cơ ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn Động cơ bước là thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ Nó có thể giữ được mômen thậm chí cả vị trí nhừ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor. Điều khiển vị trí theo vòng hở : Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta có thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí như các động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác với servo). Độc lập với tải : Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được) Khi momen tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay.
Về cơ bản dòng từ driver tới cuộn dây động cơ không thể tăng hoặc giảm trong lúc hoạt động Do đó , nếu bị quá tải động cơ sẽ bị trượt bước gây sai lệch điều khiển. Động cơ bước gây ra nhiều nhiễu và rung động hơn động cơ servo. Động cơ bước không thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao.
Một số đặc điểm của động cơ bước: Động cơ bước hoạt động dưới tác dụng của các xung rời rạc và kế tiếp nhau. Khi có dòng điện hay điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của động cơ bước làm cho roto của động cơ quay một góc nhất định gọi là bước của động cơ.
Góc bước là góc quay của trục động cơ tương ứng với một xung điều khiển Góc bước được xác định dựa vào cấu trúc của động cơ bước và phương pháp điều khiển động cơ bước.
Tính năng mở máy của động cơ được đặc trưng bởi tần số xung cực đại có thể mở máy mà không làm cho roto mất đồng bộ.
Chiều quay động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp xung cho các cuộn dây. Động cơ bước được chia thành 3 loại chính là:
– Động cơ bước biến từ trở.
– Động cơ bước nam châm vĩnh cửu.
– Động cơ bước hỗn hợp/lai.
3.2.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có roto là nam châm vĩnh cửu, stato có nhiều răng trên mỗi răng có quấn các vòng dây Các cuộn dây pha có cực tính khác nhau.
Hình 3.8 Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Nguyên lý hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu có 2 cặp cuộn pha được trình bày ở hình:
Ban đầu vị trí của stato và roto đang ở phase A Khi cấp điện cho 2 cuộn dây pha B và D trong 2 cuộn sẽ xuất hiện cực tính Do cực tính của cuộn dây pha và roto ngược nhau dẫn đến roto chuyển động đến vị trí như hình phase B on Khi cuộn dây pha B và D ngắt điện cuộn dây A và B được cấp điện thì roto lại chuyển động đến vị trí như hình phase C on.
Hình 3.9 Nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Gọi số răng trên stato là Zs, góc bước của động cơ là Sđc, góc bước của động cơ này được tính theo công thức sau:
3.2.3 Động cơ bước biến từ trở Động cơ bước biến từ trở có cấu tạo giống với động cơ bước nam châm vĩnh cửu Cấu tạo của stato cũng có các cuộn pha đối xứng nhau, nhưng các cuộn pha đối xứng có cùng cực tính khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu Góc bước của stato là Ss.
Roto của động cơ bước biến từ trở được cấu tạo từ thép non có khả năng dẫn từ cao, do đó khi động cơ mất điện roto vẫn tiếp tục quay tự do rồi mới dừng hẳn.
Nguyên lý hoạt động của động cơ bước biến từ được thể hiện như hình:
Hình 3.10 Nguyên lý hoạt động động cơ bước biến trừ trở
Khi cấp điện cho pha A (hình a), từng cặp cuộn dây A bố trí đối xứng nhau có cùng cực tính là nam (S) và bắc (N) Lúc này các cuộn dây hình thành các vòng từ đối xứng.
Khi cấp điện cho pha B (hình b) Lúc này từ trở trong động cơ lớn, momen từ tác động lên trục roto làm cho roto quay theo chiều giảm từ trở Roto quay cho tới khi từ trở nhỏ nhất và khi momen bằng không thì trục động cơ dừng, roto đạt đến vị trí cân bằng mới.
Tương tự như vật khi cấp điện cho pha C, động cơ hoạt động theo nguyên tắc trên và roto ở vị trí như hình c Quá trình trên lặp lại và động cơ quay liên tục theo thứ tự pha A B C Để động cơ quay ngược chiều chỉ cần cấp điện cho các pha theo thứ tự ngược lại.
Gọi số pha của động cơ là Np, ổ răng trên roto là Zr, góc bước của động cơ bước biến từ trở là S ta tính được công thức sau:
Giới thiệu phần mềm điều khiển máy CNC
Mach3 là phần mềm của hãng ArtSoft, ban đầu được thiết kế dành cho những người chế tạo máy CNC tại nhà theo sở thích nhưng đã nhanh chóng trở thành phần mềm điều khiển linh hoạt trong công nghiệp Dưới đây là một vài các chức năng và đặc điểm cơ bản được cung cấp bởi Mach3 :
- Biến một máy tính cá nhân PC thành một bộ điều khiển máy CNC 6 trục với đầy đủ các tính năng.
- Cho phép Import trực tiếp các file dxf, bmp, jpg và hpgl thông qua phần mềm LazyCam.
- Hiển thị G-code trực quan.
- Tạo ra G-code thông qua LazyCam hoặc Wizards.
- Giao diện có thể tùy biến hoàn toàn theo ý thích người sử dụng.
- Tùy biến M-code và Macro bằng cách sử dụng VBscript.
- Điều khiển được tốc độ trục chính (Spindle).
- Điều khiển được nhiều rơle đóng-cắt.
- Có khả năng tạo ra xung điều khiển tốc độ động cơ bằng tay.
- Hiển thị video đường chạy dao khi máy chạy.
- Có khả năng dùng được với màn hình cảm ứng.
- Giao diện phần mềm có khả năng hiển thị ra toàn màn hình bất kỳ đang sử dụng.
Mach 3 đã thành công trong điều khiển các loại thiết bị sau :
Giao diện và một số chức năng của Mach3
Nhấp đôi vào biểu tưởng Mach3 mill để chạy chương trình, màn hình sẽ hiện lên giao diện như bên dưới Màn hình điều khiển Mach3 khi khởi động máy gồm có
Program Run (Alt-1)+ Offsets (Alt5)
Trong 6 trang màn hình điều khiển này được chia thành nhiều nhóm, mỗi nhóm hiển thị thông tin của nhóm và các nút điều khiển liên quan đến nhóm Có nhóm xuất hiện trên nhiều trang cho phép ta dễ dàng quan sát và điều khiển nhanh chóng
Hình 4.1 Giao diện chính của bộ điều khiển Mach3
4.2.1 Trang Program Run (Alt-1) Đây là trang màn hình chính khi khởi động Mach3
Reset (Emergency Stop): Nếu bạn nhấn Reset, máy sẽ lập tức ngừng hoạt động và ngắt tức thì mọi hoạt động của tất cả các motor Chương trình được reset lại từ đầu Reset chỉ nên dùng khi gặp các sự cố rất nguy hiểm cần dừng ngay mọi hoạt động của máy như: chập mạch, va đập nguy hiểm…Sau khi dùng Reset cần phải đưa máy về điểm tham chiếu (hay cài lại hệ toạ độ cắt).
G-Code: Hiển thị các mã lệnh G trong lập trình NC và ý nghĩa của chúng.
M-Code: Hiển thị các mã lệnh M trong lập trình NC và ý nghĩa của chúng.
Nhóm điều khiển các trục: Nhóm này bao gồm các nút để điều khiển các trục và hiển thị vị trí của đầu dao.
Hình 4.2 Nhóm vị trí tọa độ các trục Ý nghĩa của các nút điều khiển trong nhóm:
- Zero X, Zero Y, Zero Z, Zero 4: Cài đặt tọa độ zero (0) cho mỗi trục ứng với tọa độ cắt hiện hành ( có 6 tọa độ cắt từ G54 dênd G59 được cài đặt trong trang Offset).
- Ref all Home: Trở về tọa độ tham chiếu gốc cho tất cả các trục.
- Offline: khi chế độ này được chọn đèn offline sẽ sáng lên và Mach3 sẽ khóa tất cả các sự di chuyển của máy.
- Machine Coord’s: Khi nút này được nhấn đèn sẽ sáng lên, lúc này tọa độ của các trục được hiển thị là tọa độ tuyệt đối (tọa độ máy).
- Soft limits: Đây là chức năng quá cử mềm của máy, tức ta thiết lập các vị trí cử hành trình bằng phần mềm, máy sẽ liên tục gián sát mọi vị trí di chuyển của các trục nếu có một mã G code bất kì hay Jog có tọa độ nằm ngoài vùng làm việc cho phép thì phần mềm sẽ ngắt và báo lỗi để thiết lập cho Soft limits trên menu bar chọn Config > homing / soft limits.
Nhóm điều khiển chương trình:
Hình 4.3 Nhóm điều khiển chương trình
Cycle Start (Alt-R): Khi một chương trình cắt bất kì được load lên chương trình sẽ hiển thị trong vùng G-Code Khi đó nhấn nút trên bảng điều khiển hoặc nhấn tổ hợp phím , máy sẽ tự động chạy phay chi tiết theo chương trình.
Feed Hold (Spc): Khi sử dụng nút này, đầu phay sẽ ngưng di chuyển, để tiếp tục ta nhấn nút Cycle Start, đầu phay tiếp tục di chuyển và mọi hoạt động của máy sẽ tiếp tục Nút Feed Hold dùng khi gặp các sự cố cần phải dừng di chuyển đầu cắt.
Stop (Alt-S): Dừng chương trình cắt.
Edit G-Code: Hiệu chỉnh G-Code hiện hành Khi một chương trình đơn giản ta có thể lập trình bằng tay bằng cách nhấn nút này sau khi đã đóng G-Code hiện hành Hoặc ta có thể sửa chương trình hiện hành.
Recent File: Load những chương trình mới cắt gần đây.
Close G-Code: Đóng G-Code hiện hành trong vùng G- Code.
Load G-Code: Load chương trình cần phay lên vùng G- Code.
Set Next Line: Cài đặt dòng sẽ phay tiếp theo khi ta nhấn nút Cycle Start
(để cài đặt dòng sẽ cắt tiếp theo sau khi ta nhấn núy Cycle Start ta nhấn nút Set Next Line và nhập số dòng vào).
Run From Here: Sau khi đã nhập dòng để bắt đầu phay tiếp ta nhấn nút này hệ thống sẽ tự động chạy tới dòng ta muốn phay tiếp và chờ nhấn Cycle Start. Khi ta nhấn nút Cycle Start hệ thống sẽ xuất hiện hộp thoại Preperational Move to hỏi ta có muốn di chuyển đến tọa độ của câu lệnh trước đó không.
Rewind (Ctrl-W): Trở về đầu chương trình.
Single BLK (Alt-N): Nhấn nút Single Block (hoặc nhấn tổ hợp phím để bắt đầu chế độ này (đèn single block bật sáng) và nhấn lại nút single block (nhả ra) để bỏ chế độ này Ở chế độ này khi chương trình được thực thi, dao sẽ dừng sau mỗi block chương trình (Câu lệnh) Chức năng này giúp ta kiểm tra từng khối lệnh.
Hình 4.4 Hộp thoại Tool Information
- Auto Tool Zero: Trở về điểm thay điện cực đã cài đặt.
- Remember: Nhớ vị trí hiện tại làm vị trí thay điện cực khi nhấn nút
- Return: Trở về điểm thay điện cực Khi nhấn nút này xuất hiện một hộp thoại và hệ thống sẽ hỏi ta có bật Spindle(đầu cắt) không.
- Jog ON/OFF Ctrl-Alt-J: Tắt mở chức năng chạy bằng tay, khi chế độ này được chọn đèn Jog ON/OFF sẽ sáng lên.
- Feed Rate: Hiển thị tốc độ cắt Feedrate Override: Tốc độ cắt (feedrate) trong chương trình sẽ được hiệu chỉnh tăng hoặc giảm theo phần trăm được lựa chọn trên nút
- Jog feed rate override Thường sử dụng để chạykiểm tra chương trình. Đôi khi trong chương trình ta dùng tốc độ cắt chậm để đảm bảo an toàn, khi gia công ta thấy có thể tăng tốc độ cắt mà vẫn đảm bảo các yêu cầu thì ta dùng chức năng này để tăng tốc độ cắt (để tăng tốc độ cắt ta nhấn vào dấu cộng trong vùng Feed Rate hoặc nhấn F11, tương tự để giảm ta nhấn vào dấu trừ trong vùng Feed Rate hoặc nhấn F11) Khi sử dụng chế độ này đèn Jog feed rate override sẽ nhấp nháy Để thoát khỏi chế độ này ta nhấn Reset Chức năng này còn dùng để thay tốc độ cắt ở chế độ Jogfeed.
FRO: Hiển thị tốc độ cắt thực.
Feedrate: Hiển thị tốc độ cắt lập trình.
Nhóm điều khiển tốc độ trục chính:
Spindle Speed: tốc độ trục chính.
Nút Spindle: Bật tắt đầu cắt.
Speed Override: cho phép thay đổi tốc độ trục chính
4.2.2 Trang MDI Alt2 (Manual Data Input)
Là chế độ điều khiển máy bằng các lệnh NC trong chế độ MDI, chương trình được thực hiện cũng cùng định dạng như ở vùng G-Code nhưng được nhập vào từng câu lệnh trong vùng Input (chọn nút MDI trên bảng điều khiển máy).
Ngoài ra Mach 3 còn có chế độ dạy(Teach):
- Mach3 có thể nhớ được tất cả các dòng ta đã nhập vào trong vùngInput và lưu lại thành File MDITech.tap trong “C:\Mach3\GCode\” Ta có thể load File MDITech.tap bằng cách nhấn nút Load/Edit file MDI được load lên vùng G-Code (Lưu ý trước khi load file MDITech.tap ta nên đóng G-Code hiện hành lại).
- Để lưu lại các dòng đã nhập thì trước khi nhập ta nhấn nút Start Tech sau khinhập ta nhấn nút Stop Tech để lưu những dòng đã nhập vào file MDITech.tap Trong quá trình nhập nếu muốn bỏ dòng đang nhập ta nhấn phím Esc hoặc nhấp chuột vào nút Stop (Esc).
- Để nhớ vị trí hiện tai ta nhấn nút Set Variable Position và để trở về vị trí đã nhớ trước đó ta nhấn nút Goto Variable Position.
Hình 4.7 Giao diện trang MDI
Hình 4.8 Giao diện trang Tool Path
Hình 4.9 Giao diện trang Offsets
Một số chức năng khác
Panning and Zooming toolpath display: Trên góc màn hình mô phỏng công cụ và biên dạng bên phải chương trình ta có thể thay đổi góc nhìn cũng như thu nhỏ và phóng lớn lên bằng cách di chuyển con trỏ đến chi tiết nhấn giữ và xoay theo mong muốn.
Ngoài ra Mach3 còn hộ trở một số Modult CAM chuyên dụng như cắt cung tròn, cắt đường tròn, cắt theo biên dạng Spline… Ta gọi chương trình bằng cách sau: trên manu bar chọn Wizards/ chọn Pick Wizards hộp thoại sẽ hiện lên như dưới hình
Ngoài ra Mach3 còn một số modult như trong hình Bạn muốn chạy Modult nào thì chỉ việc nhấp chọn tên chương trình đó trong hộp thoại rồi chọn Run, lúc này hộp thoại chương trình tương ứng sẽ hiện diện.
Ví dụ: Muốn chạy chương trình Cut a Circular pocket ta nhấp chọn vào tên như ô màu đỏ bên trên rồi nhấp Run Lúc này xuất hiện hộp thoại.
Hình 4.16 Giao diện chương trình Cut a Circular Pocket
Lúc này ta chỉ việc nhấp vào các DRO trên hộp thoại và nhập vào các kích thước mong muốn rồi lưu lại các thiết lập bàng nút Save Setting sau đó nhấn Post code chương trình sẽ tự động xuất ra chương trình Gcode cho bạn Nguợc lại muốn xóa ta nhấp Clear.Sau đó nhấp Exit sẽ quay về chương trình chính và tiến hành chạy chương trình
Hình 4.17 Tiến hành chạy chương trình
tín hiệu truyền từ Mach3 ra cổng LPT
Như đã nói ở trên thì Mach3 xuất ra 3 cặp xung và hướng (Pulse/ Dir) ứng với mức logic 1 là 5 volt và mức logic 0 là 0 volt Sơ đồ chân và chức năng của từng chân
Hình 4.18 Sơ đồ từng chân của cổng máy in (LPT)
Cổng LPT trên máy tính
8 chân D0 - D7 là các chân OUTPUT của thanh ghi DATA.
5 chân S3 - S7 là các chân INPUT của thanh ghi STATUS.
4 chân C0 - C3 là các chân OUTPUT của thanh ghi CONTROL
Chức năng mặc định của các chân LPT do Mach3 xuất tín hiệu.
Ngoài ra ta có thể hiệu chỉnh số chân và số cổng LPT trên phần mềm bằng cách:
Trên menu bar chọn Config
Hình 4.19 Bảng hiệu chỉnh số chân tín hiệu cổng LPT
Hình 4.20 Hộp thoại cho phép hiệu chỉnh số xung encoder để di chuyển
Hình 4.21 Bảng thiết lập phím tắt di chuyển cho các trục
Hình 4.22 Bảng thiết lập các cử bằng phần mềm
Cách chuyển đổi từ Mastercam sang G-code
Dùng Mastercam để vẽ các biên dạng cần phay Để phay theo ý muốn ta sắp xếp những nguyên công cần phay theo một cách hợp lý nhất Sau khi lập trình các biên dạng xong ta xuất sang file NC
Hình 4.23 Màn hình chính của Mastercam
Cho phép ta vẽ bất kì các biên dạng 2D/3D mà mình muốn gia công
Hình 4.24 Màn hình chính của Mastercam
4.6.3 Vùng thiết lập chương trình gia công
Cho phép thiết lập phôi và các nguyên công để gia công chi tiết
Hình 4.25 Thiết lập chương trình gia công
4.6.4 Vùng chạy mô phỏng dao và xuất G-code
Cho phép mô phỏng dao và chế độ chạy dao, G1 là nơi xuất file G-code để đưa vào máy tính tiếp nhận chương trình gia công
Hình 4.26 Giao diện mô phỏng dao và xuất G-code
Kết quả chế tạo kết cấu cơ khí
Vật liệu sử dụng là nhôm định hình để tạo nên khung máy Kết cấu phần khung nhỏ gọn.
Hình 5.1: Cấu trúc khung máy CNC Bàn máy và khung máy được thiết kế từ nhôm định hình
Kích thước khung máy: 700x800x480mm
Hình 5.2 Khung máy hoàn chỉnh sau khi lắp ráp
5.1.2 Cơ cấu chuyển động cơ khí.
Dùng trục vít me,gối đỡ vít me
Vùng làm việc của trục vit me như sau:
Khoảng cách dịch chuyển theo phương X: 200mm
Khoảng cách dịch chuyển theo phương Y: 300mm
Khoảng cách dịch chuyển theo phương Z: 100mm
Hình 5.3 Gối đỡ, vít me trục X
Hình 5.4 Gối đỡ, vít me trục Y
Hình 5.5 Gối đỡ, vít me trục Z
Kết quả thi công phần điều khiển
5.2.1 Động cơ Bước (Step) Động cơ bước gắn với trục vit me thông qua khớp nối.
Hình 5.6 Động cơ bước trục X
Hình 5.7 Động cơ Bước trục Y
5.2.2 Driver điều khiển động cơ Bước
Phần Driver điều khiển các động cơ Bước
Hình 5.8 Driver động cơ Bước
5.2.3 Động cơ trục chính Động cơ trục chính thi công đặt trên đế trược trên trục Z của máy CNC:
Hình 5.9 Động cơ trục chính
Mạch đệm tín hiệu truyền từ máy tính điều khiển động cơ các trục máy.
Hình 5.10 Bố trí mạch đệm
Kết quả ứng dụng mô hình máy CNC
Một số hình ảnh giới thiệu ứng dụng mô hình máy CNC
Hình 5.11 Thiết kế và lập trình trên phần mềm MastercamKiểm tra các nguyên công gia công và kiểm tra đường chạy dao cắt gọt trên trên phần mềm trước khi gia công:
Hình 5.12 Mô phỏng gia công trên phần mềm
Chuyển chương trình G-codes xuống máy tiến hành gia công Kết quả thực hiện gia công của nhóm trên mô hình máy CNC:
Hình 5.13 Kết quả mô phỏng gia công trên xốp
Hình 5.14 Sản phẩm đang đượcgia công trên máy
Hình 5.15 Sản phẩm hoàn thành
Kết luận
Trải qua gần 3 tháng phối hợp nghiên cứu giữa giảng viên và sinh viên, kết quả ban đầu đã chế tạo thành công mô hình máy CNC 3 trục, máy chạy ổn định và độ chính xác ở mức vừa phải Tuy nhiên, mô hình máy CNC sau chế tạo ban đầu có chi phí thấp, nên khả năng nội suy cũng như độ cứng vững của máy chưa đạt như máy chuẩn công nghiệp trên thị trường thương mại Tuy nhiên, qua quá trình chế tạo mô hình máy CNC 3 trục, mô hình máy CNC cũng đủ để gia công các vật liệu độ cứng thấp như gỗ. Ưu điểm của máy là sử dụng hệ thống lệnh G-code thông qua phần mềm Mach3, nên có thể lập trình bằng tay hoặc lập trình tự động một cách dễ dàng Rủi ro khi có sự cố về hệ thống cơ khí hay điều khiển điều có thể dễ dàng sữa chửa, bảo trì Đây cũng là ưu điểm khắc phục tâm lý sợ thiếu kinh nghiệm dẫn đến những sai sót trong quá trình làm việc gây ra những hậu quả nghiêm trọng như tổn thương về mặt thân thể hay tổn hại chi phí sữa chữa rất cao như các máy CNC công nghiệp
Bên cạnh đó vẫn còn những hạn chế như máy mới chỉ gia công được những vật liệu có độ cứng vừa phải như gỗ, chưa có bộ phận thay dao, sử dụng động cơ bước để truyền động các trục nên có hiện tượng trượt bước khi quá tải, chưa có bộ phận làm mát, hình trình của các bàn máy còn nhỏ.
Hướng phát triển đề tài
Trong tương lai hướng phát triển sẽ là 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 có độ cứng cao hơn
Qua quá trình thực hiện và những kết quả đạt được, nhóm em đã đúc kết được rất nhiều kinh nghiệm cũng như kiến thức về chế tạo máy, những kiến thức và kinh nghiệm đúc kết được sao này sẽ là hành trang vô cùng quý giá đồng hành cùng chúng em trong công việc sau này Nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy Ngô HàQuang Thịnh đã đồng hành cũng như hướng dẫn, hỗ trợ nhóm em hoàn thành đồ án này.
