Thiết kế, chế tạo và phát triển mô hình máy phay cnc tốc độ cao 10 000 vòngphút

Đề tài nghiên cứu Khoa học UỶ BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHỆ THỦ ĐỨC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2020 - 2021 TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH MÁY PHAY CNC TỐC ĐỘ CAO 10.000 VÒNG/PHÚT Mã số: Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Văn Dũ Đề tài nghiên cứu Khoa học Tp.Hồ Chí Minh tháng 03 năm 2021 MỤC LỤC TÓM TẮT ĐỀ TÀI I Phần mở đầu II Phần nội dung Chương 1: Tổng quan máy CNC 1.1 Đặt vấn đề……………………………………… …………………………………4 1.2 Giới thiệu máy CNC……….……………………………………………………4 Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế kết cấu khí 2.1 Xác định lực cắt .…………………………………… 10 2.2 Truyền động trục Y 11 2.3 Truyền động trục X 14 2.4 Truyền động trục Z 20 2.5 Tính tốn động cho trục 25 Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển Đề tài nghiên cứu Khoa học 3.1 Mạch điều khiển ……………………………………………………… 27 3.2 Cài đặt phần mềm mach3 ……………………………………………… 30 Chương 4: Thi công, lắp đặt chỉnh máy 4.1 Lắp ráp, chỉnh kết cấu khí……………………………………………31 4.2 Phần mềm điều khiển máy CNC .…………………………………………….40 Chương 5: Kết luận hướng phát triển đề tài 5.1 Đánh giá kết đạt được……………………………………………………….50 5.2 Những hạn chế hướng khắc phục…………………………………………….50 5.3 Hướng phát triển đề tài………………………………………… 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………….52 Đề tài nghiên cứu Khoa học DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT CNC Computer Numerical Control CAD Computer Aided Design NC Numerical Control CAM Computer-aided manufacturing CD Compact Dics JIS Japan Industrial Standard DIN Deutsches Institut fur Nomung ATC Automatic Tool Changer EDM Electrical Discharge Machining MIT Massachusetts Institute of Technology IBM International Business Machin DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 2.1 Dao phay, khoan 10 Hình 2.2 Sơ đồ truyền động trục Y 11 Hình 2.3 Đồ thị xác định ứng suất lớn 14 Hình 2.4 Động bước Oriental Vexta 15 Đề tài nghiên cứu Khoa học Hình 2.5 Phase Stepping Motor Driver 15 Hình 2.6 Sơ đồ truyền động trục X .15 Hình 2.7 Đồ thị xác định ứng suất lớn 18 Hình 2.8 Động bước Oriental Vexta 19 Hình 2.9 Phase Stepping Motor Driver 20 Hình 2.10 Sơ đồ truyền động trục Z 20 Hình 2.11 Đồ thị xác định ứng suất lớn 23 Hình 2.12 Động bước Oriental Vexta 24 Hình 2.13 Phase Stepping Motor Driver 25 Hình 2.14 Động DC driver 26 Hình 2.15 Mơ hình máy CNC .26 Hình 3.1: Mạch điều khiển trung tâm (Mach3 USB) 27 Hình 3.2 Sơ đồ lắp ráp cổng kết nói nút mạch điều khiển 28 Đề tài nghiên cứu Khoa học Hình 3.3 Sơ đồ kết nói điều khiển tốc độ spindle qua ngõ 0-10v (AVI) 29 Hình 4.1 Lắp khung máy 31 Hình 4.2 Bàn máy trục X 37 Hình 4.3 Bàn máy trục Y 38 Hình 4.4 Bàn máy trục Z .38 Hình 4.5 Máy phay CNC 39 Hình 4.6 Phần mềm điều khiển máy phay CNC 40 Hình 4.7 Cài đặt thơng số cho máy phay CNC 44 Hình 4.8 Sản phẩm sau gia công tren máy phay CNC 46 Đề tài nghiên cứu Khoa học TÓM TẮT ĐỀ TÀI THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH MÁY PHAY CNC TỐC ĐỘ CAO 10.000 VÒNG/PHÚT Máy phay CNC thành tựu tiến khoa học kỹ thuật tồn giới Nó ngày ứng dụng rộng rãi công nghiệp chế tạo máy, đặc biệt lĩnh vực gia cơng khí xác tự động hóa Sự đời máy CNC giải nhiệm vụ cấp bách tự động hố q trình sản xuất sản xuất hàng loạt, sản xuất linh hoạt Hiện Việt Nam bước tiến hành công nghiệp hóa đại hóa đất nước nên tất công ty, nhà máy sản xuất không ngừng nâng cấp cho công nghệ gia công quan xí nghiệp mình, nên máy CNC áp dụng vào sản xuất ngày rộng rãi nước Đề tài sâu vào việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy phay, khoan CNC tốc độ cao nhằm ứng dụng vào giảng dạy, học tập sản xuất cách có hiệu I PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày nay, công nghiệp hóa, đại hóa ngày phát triển, nước ta cố gắng hướng tới năm 2025 trở thành nước cơng nghiệp hóa Việc ứng dụng cơng nghệ vào sản xuất ngày trở nên phổ biến đóng vai trị quan trọng Các máy móc thiết bị làm việc nhanh, hiệu xác để thay người nhằm tăng suất hiệu công việc Nhận thấy tầm quan trọng này, nhóm tiến hành nghiên cứu chế tạo, tính tốn, thiết kế, chế tạo phát triển mơ hình máy phay CNC tốc độ cao + Tính cấp thiết đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội, nâng cao chất lượng đào tạo Trong trình giảng dạy học phần thực hành ngành Công nghệ kỹ thuật Cơ khí, khoa Cơ khí cịn thiếu số mơ hình máy, thiết bị chun dùng Vì vậy, việc thiết kế, chế tạo phát triển mơ hình máy phay CNC tốc độ cao, nhằm giúp Đề tài nghiên cứu Khoa học học sinh, sinh viên tiếp cận kiến thức luyện tập kỹ cách dễ dàng, thuận lợi Mục tiêu đề tài - Chế tạo phát triển mơ hình máy phay CNC tốc độ cao - Dựa mơ hình thực tế giúp sinh viên phát huy tối đa tính tích cực, động, khả tư logic, lực nghiên cứu; học sinh, sinh viên nhận thức tầm quan trọng việc tự học, tự nghiên cứu, tự lĩnh hội tri thức, tư logic tăng tính chủ động học tập Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài - Đối tượng nghiên cứu: + Các cấu liên quan đến máy CNC + Các loại máy CNC có thị trường + Cách thức hoạt động máy + Điều khiển động bước + Giao tiếp điều khiển máy tính + Nội suy đường thẳng, đường cong theo trục - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tìm hiểu máy móc thiết bị phịng thí nghiệm nhà trường có liên quan đến đề tài Những sách chuyên ngành thư viện trường Các trang tài liệu số máy móc thiết bị cơng ty có liên quan Nghiên cứu lĩnh vực máy tự động phục vụ nhà trường, phịng thí nghiệm Giới hạn đề tài: Kích thước máy: 500x500x500 Vật liệu gia cơng: nhơm, mica Đề tài nghiên cứu Khoa học Các phương pháp nghiên cứu sử dụng để nghiên cứu đề tài - Cách thức nghiên cứu: + Khảo sát thực tế, thông qua việc tham quan số sở cắt khắc mica, làm bảng hiệu + Tìm hiểu số đề tài nghiên cứu khoa học, có liên quan đến đề tài nhóm + Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm + Nghiên cứu chế tạo máy phay CNC tốc độ cao - Phương tiện nghiên cứu: + Sử dụng phần mềm Solidworks/Creo/Inventor thiết kế khí cho đề tài + Dùng phần mềm Mach để lập trình cho mạch điều khiển Đề tài nghiên cứu Khoa học II PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CNC 1.1 Đặt vấn đề Hiện nay, khoa học công nghệ ngày phát triển, giới vừa trải qua khủng hoảng Covid 19 trầm trọng gây ảnh hưởng không nhỏ đến cơng nghiệp tồn cầu Chính thế, việc ứng dụng kĩ thuật tiên tiến vào sản xuất nhằm tạo sản phẩm có suất, chất lượng cao, giá thành chấp nhận ngày trở nên cấp thiết, đặc biệt nước phát triển Các máy CNC cho phép gia công sản phẩm có độ xác độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống làm Sau nạp chương trình gia cơng, nhiều máy CNC tự động chạy liên tục kết thúc, giải phóng nhân lực cho cơng việc khác Ở Việt Nam, máy CNC đưa vào sử dụng xí nghiệp dân quốc phịng chưa phổ biến Do đó, để cập nhật kiến thức, đồng thời giúp cho sinh viên có nhìn hồn thiện máy CNC, đề tài tập trung nghiên cứu chế tạo mơ hình máy phay CNC tốc độ cao hồn chỉnh, phục vụ cho công tác giảng dạy, học tập trường, khoa 1.2 Giới thiệu chung máy CNC CNC (Computer Numeric Controlled) – Thuật ngữ dùng để hoạt động máy công cụ (phay, tiện, cắt dây, đột dập, cắt khắc, … ) điều khiển số máy tính Ta bắt gặp loại máy CNC như: máy tiện, máy phay, máy xung, máy cắt dây tia lửa điện, máy cắt laser, máy cắt tia nước có hạt mài, máy đột dập nhiều máy công cụ khác nhà máy khí xác, xưởng khí, trường kỹ thuật, viện nghiên cứu; câu chuyện Quay ngược khứ, nguồn gốc, lịch sử hình thành “máy CNC” cuối kỷ 18, đầu kỷ 19 với xuất máy tiện gia công kim loại thực tế Henry Maudslay phát minh vào năm 1800 Nó đơn giản cơng cụ máy giữ mẩu kim loại gia cơng, cơng cụ cắt gia cơng bề mặt theo đường mức mong muốn Chiếc máy phay vận hành theo cách thức tương tự vậy, ngoại trừ công cụ cắt đặt trục 10 Đề tài nghiên cứu Khoa học Hình 4.3 Bàn máy trục Y Bước 4: Tiếp lắp sống trượt trục Z lên Block di chuyển trục X Dùng đồng hồ so đo bước kiểm tra độ phẳng vng góc trục X Z Hình 4.4 Bàn máy trục Z 44 Đề tài nghiên cứu Khoa học Bước 5: Lắp trục chính(spin) với trục Z hộp điều khiển Hình 4.5 Máy phay CNC 4.1.5 Căn chỉnh spin với trục Z - Sau hoàn thành bước lắp ráp trục lên khung máy, ta giữ nguyên đồng hồ so cho trục Z chạy từ điểm đầu đến đầu hành trình xem spin với trục Z lệch hướng tiến hành cân chỉnh Cứ độ lệch đầu vào khoảng 0,05-0,1mm đạt 4.1.6 Căn chỉnh trục Z với trục Y - Hoàn thành xong bước tiến hành di đo kèm theo việc di chuyển trục Z lên xuống để thước đo xác định trục Y Z để tiến hành chỉnh có sai lệch  Sau lắp đặt cân chỉnh xác trục, bước kiểm tra cấu chấp hành 45 Đề tài nghiên cứu Khoa học 4.2 Phần mềm điều khiển máy CNC Mach3 phần mền chuyên dụng dành cho máy CNC sử dụng phổ biến, ưu điểm dễ sử dụng, kết nối máy in với máy tính đơn giản, người khơng chun nghiệp sử dụng dễ dàng qua giao diện Hình 4.6 Phần mềm điều khiển máy phay CNC 46 Đề tài nghiên cứu Khoa học 4.2.1 Cài đặt thông số điều khiển cho máy 47 Đề tài nghiên cứu Khoa học 48 Đề tài nghiên cứu Khoa học 49 Đề tài nghiên cứu Khoa học Hình 4.7 Cài đặt thông số cho máy phay CNC 50 Đề tài nghiên cứu Khoa học 4.2.2 Chương trình gia cơng % G98G80G90G49G17G54 S8000M3 G0X24.112Y-21.933 G43Z2.5H1 G83X24.112Y-21.933Z-3.5R1.5Q.5F35 X21.34Y-22.309 X18.667Y-22.485 X15.99Y-22.302 X13.36Y-21.735 X10.827Y-20.796 X8.436Y-19.479 X6.181Y-17.612 X3.767Y-19.311 X5.713Y-21.276 X7.944Y-22.852 X10.299Y-24.081 X12.902Y-25.023 X15.532Y-25.506 X18.305Y-25.76 X14.597Y-28.68 X11.868Y-28.12 X10.46Y-31.018 X7.888Y-30.169 X9.342Y-27.181 X6.906Y-26.063 X4.675Y-24.567 X2.617Y-22.69 X1.095Y-25.687 X3.142Y-27.449 X5.318Y-28.951 X3.457Y-31.561 X1.114Y-30.086 X-.93Y-28.309 X-1.216Y-32.397 X-3.293Y-30.549 % G21 G0 G17 G40 G49 G80 G90 T1 M6 G0 G90 G54 X-10.802 Y-2.746 A0 S10000 M3 G43 H1 Z20 Z1 G1 Z-.1 F477.4 X-10.824 Y-2.723 F400 X-10.893 Y-2.655 X-10.985 Y-2.563 X-11.123 Y-2.448 X-11.283 Y-2.288 X-11.467 Y-2.127 X-11.696 Y-1.921 X-11.925 Y-1.714 X-12.109 Y-1.554 X-12.292 Y-1.416 X-12.499 Y-1.256 X-12.705 Y-1.095 X-12.911 Y-.935 X-13.118 Y-.774 X-13.347 Y-.636 X-13.553 Y-.476 X-13.806 Y-.315 X-14.058 Y-.178 X-14.287 Y-.04 X-14.54 Y.075 X-14.792 Y.189 X-15.021 Y.258 X-15.251 Y.35 X-15.48 Y.396 X-15.503 X-16.03 Y.441 X-16.466 Y.373 X-16.833 Y.235 X-17.085 Y.006 X-17.246 Y-.269 X-17.269 Y-.568 51 Đề tài nghiên cứu Khoa học 4.2.3 Sản phẩm sau gia công 52 Đề tài nghiên cứu Khoa học 53 Đề tài nghiên cứu Khoa học 54 Đề tài nghiên cứu Khoa học Hình 4.8 Sản phẩm sau gia công tren máy phay CNC 55 Đề tài nghiên cứu Khoa học CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Đánh giá kết đạt Đề tài hoàn thành đạt kết đáng khích lệ sau: - Gia cơng hồn tồn tự động theo u cầu - Độ xác gia cơng tương sai số - Mơ hình điều khiển hoạt động ổn định đáp ứng yêu cầu đề - Máy làm việc êm tiếng ồn Nghiên cứu thiết kế chế tạo thành công công cụ hỗ trợ hiệu việc gia cơng khí xác Ứng dụng kiến thức để tạo thành sản phẩm cụ thể, phục vụ làm mơ hình dạy học, phục vụ cho cho sản xuất sau Ngồi đề tài cịn góp phần làm sản phẩm CNC trở nên phổ biến tiến tự động hóa số khâu sản xuất phức tạp, lặp lại xuất cao 5.2 Những hạn chế hướng khắc phục Trong trình thực đề tài, thời gian làm đề tài giới hạn vòng tháng Đề tài số hạn chế nhiều vấn đề chưa giải mong muốc tác giả - Vật liệu gia cơng cịn hạn chế nhơm mica 5.2.1 Về thiết kế khí Mà mơ hình máy CNC lại có chi tiết địi hỏi độ xác cao đặc biệt cấu trục vít me – đai ốc bi, mơ hình chế tạo dừng lại độ xác tương đối, sử dụng làm mơ hình nghiên cứu trình giảng dạy giảng viên học tập cho sinh viên, mà chưa thể phát triển theo hướng ứng dụng thực tế Để khắc phục nhược điểm trên, cần có thời gian dài để hoàn thiện thiết kế hoàn chỉnh toàn chi tiết máy với dung sai đầy đủ đặt hàng gia cơng sở gia cơng khí (CNC) xác 56 Đề tài nghiên cứu Khoa học 5.2.2 Về điều khiển động Bộ điều khiển thực điều khiển động bước theo điều khiển vòng hở khơng thể tránh khỏi sai xót Để khắc phục nhược điểm nay, ta sử dụng động DC servo dùng cho điều khiển vị trí với điều khiển vịng kín để tăng độ xác độ tin cậy cho toàn máy 5.3 Hướng phát triển đề tài - Cần có mơ đun mở rộng để điều khiển chế độ tay qua bàn phím, khơng thơng qua máy tính - Khi gia cơng kim loại, cần có hệ thống bơm làm mát điều khiển từ chương trình - Có thể sử dụng cấu cấp phôi tự động lấy phoi hợp lí để nâng cao hiệu suất làm việc máy 57 Đề tài nghiên cứu Khoa học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trong Hiệp Giáo trình chi tiết máy NXB Giáo dục 2006 [2] Tạ Duy Liêm Hệ Thống Điều Khiển Số Cho Máy Công Cụ Nhà xuất khoa học kỹ thuật 2001 [3] TS Nguyễn Quốc Hưng Giáo trình máy CNC cơng nghệ gia công máy CNC Trường đại học công nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh 2009 [4] Ngơ Diên Tập Kỹ thuật ghép nối máy tính Nhà xuất khoa học kỹ thuật 2003 [5] Ngô Diên Tập Kỹ thuật Vi điều khiển với PIC Nhà xuất khoa học kỹ thuật 2003 [6] Tài liệu động bước, website Thế giới CNC biên dịch http://www.thegioicnc.com [7] Suk-Hwan-Suh – Seong-Kyoon Kang – Dae-Hyuk Chung – Ian Stroud Theory And Design of CNC Systems Springer – Verlag London Limited 2008 [8] Geoff Williams CNC Robotics McGraw-Hill Companies [9] Website Thế Giới CNC http://www.thegioicnc.com [10] Website Wikipedia-Laser http://vi.wikipedia.org/wiki/Laser [11] 王金城。数控机床-北京。北京大学出版社， 2006 [12] https://www.arduino.cc/en/Tutorial/HomePage http://www.instructables.com/id/Benbox-With-Eleks-Laser-Engraver-GearBestBanggood/ 58