Thiết kế và chế tạo máy phay cnc gia công vật liệu phi kim loại phục vụ đào tạo thực hành chuyên môn cad cam cnc

Giới thiệu chung về máy CNC

CNC viết tắt từ tiếng anh “Computer Numerical Control” là một dạng máy NC điều khiển tự động có sự giúp đỡ của máy tính, mà trong đó các bộ phận tự động được lập trình để hoạt động theo các sự kiện tiếp nối nhau với tốc độ được xác định trước để có thể tạo ra được mẫu vật với hình dạng và kích thước yêu cầu, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng các kí hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA- 274-D, thường gọi là mã G.

Sự xuất hiện của công nghệ này là một cuộc cách mạng trong sản xuất công nghệ, nhất là nghành công nghệ điêu khắc gỗ Sự chuyển động kết hợp giữa 3 chiều X-Y-Z của máy CNC giúp thực hiện các công việc gia công trở nên dễ dàng, nhanh chóng, làm giảm nhiều thời gian, công suất và nhất là không phụ thuộc vào yếu tố tay nghề của công nhân, mọi sản phầm làm ra đều có chất lượng như nhau.

Việc ứng dụng CNC đã trở nên rộng rãi sau một thời gian ngắn, chủ yếu là ngành kim khí điện máy, nghành may mặc, nghành quảng cáo, ngành điện tử và đặc biệt là nghành mỹ nghệ…các chất liệu sử dụng CNC để gia công là: Sắt, inox, đồng, nhôm, mica, gỗ, MDF…

1.2 Cấu tạo chung của máy CNC 3 trục

Máy phay CNC 3 trục sử dụng hệ tọa độ không gian nên chiều dương của trục

Z là chiều chạy từ chi tiết cần phay tới dụng cụ gia công Còn hai trục tọa độ XY còn lại được xác định theo quy tắc bàn tay phải Cấu tạo máy cnc của máy phay CNC 3 trục bao gồm các thành phần chính như sau:

-Khung máy và kết cấu cơ khí, cơ cấu chuyển động.

-Các động cơ dẫn truyền chuyển động di chuyển các trục và động cơ.

-Mạch động lực (mạch công suất) điều khiển các động cơ.

- Phần mềm điều khiển máy CNC. Đề tài này sẽ nghiên cứu các vấn đề về máy CNC, trong đó tập trung vào thiết kế và chế tạo máy phay CNC 3 trục và thử nghiệm trong gia công vật liệu phi kim loại và ứng dụng vào đào tạo thực hành chuyên môn CAD/CAM/CNC.

Hình 1.1 Cấu tạo của máy CNC

1.3 Nguyên lý chung của máy CNC 3 trục

Nguyên lý hoạt động cơ bản của máy CNC là:

- Thực hiện gia công các chi tiết thông qua các bước của động cơ được đồng bộ với trục vít me và mã code trong bo mạch

- Cụm chi tiết máy theo bản vẽ được thiết kế trước và đã chuyển sang dữ liệu số dạng code, qua phần mềm mô phỏng trên máy tính được liên kết với bo mạch của máy ta thực hiện chỉnh sủa code và thiết lập trục tọa độ chính xác và cho chạy máy để gia công Để có thể tính toán quỹ đạo chuyển động của dụng cụ nhằm xây dựng chương trình điều khiển máy CN như mô tả ở phần trên, một điểm quan trọng là việc xác định hệ thống tọa độ và các điểm gốc, điểm gốc chuẩn

Thông thường, trên các máy điều khiển theo chương trình số, người ta thường sử dụng hệ tọa độ Đề các OXYZ theo quy tắc bàn tay phải (hệ tọa độ thuận) và nó được gắn vào chi tiết gia công Gốc của hệ trục tọa độ có thể đặt tại bất kỳ một điểm nào đó trên chi tiết, nhưng thông thường người ta sẽ chọn tại những điểm thuận lợi cho việc lập trình, đồng thời dễ dàng kiểm tra kích thước theo bản vẽ của chi tiết gia công mà không phải thực hiện nhiều bước tính toán bổ sung.

Một đặc điểm mang tính quy ước là trên các máy điều khiển theo chương trình số, chi tiết gia công được xem là cố định được gắn với hệ thống tọa độ cố định nói trên, còn mọi chuyển động tạo hình và cắt gọt đều do dụng cụ thực hiện.

Trong thực tế, điều này đôi khi là ngược lại, ví dụ như trên máy phay thì chính bàn máy mang phôi thực hiện chuyển động tạo hình, còn dụng cụ chỉ thực hiện chuyển động cắt gọt Vì vậy khi sử dụng máy điều khiển theo chương trình số cần phải luôn luôn tạo nên một thói quen để tránh những nhầm lẫn đáng tiếc có thể gây ra nguy hiểm cho máy, dụng cụ và con người.

Theo quy ước chung, phương của trục chính của máy là phương của trục OZ,

`còn chiều dương của nó được quy ước khi dao tiến ra xa chi tiết Ví dụ với máy tiện 2D thông thường thì trục hình của nó nằm ngang và trùng với phương OZ của hệ tọa độ, chiều dương của nó hướng ra khỏi ụ trục chính (hướng về phía bàn dao). Phương chuyển động của bàn xe dao theo hướng chính là phương OX và chiều dương của nó là hướng ra xa bề mặt chi tiết gia công Đối với máy phay thẳng đứng, trục Z hướng theo phương thẳng đứng lên trên, còn trục X và trục Y được xác định theo quy tắc bàn tay phải, tuy nhiên trong thực tế các nhà chế tạo máy lại thường ưu tiên chọn trục X là trục mà có chuyển động bàn máy dài hơn Đối với các chuyển động quay xung quanh các trục tương ứng X, Y, Z được xác định bằng các địa chỉ A, B, C sẽ được xác định là dương khi chiều quay đó có hướng thuận chiều kim đồng hồ khi nhìn theo chiều dương của các trục tương ứng (khi nhìn vào gốc của hệ trục toạ độ từ phía các trục thì chiều quay của chúng là ngược chiều kim đồng hồ) Ngoài ra, còn một số chuyển động phụ song song với các trục tương ứng với các trục X, Y, Z là các địa chỉ U, V, W và hướng của chúng.

1.4 Ứng dụng của máy CNC 3 trục

- So với các máy điều khiên công cụ bằng tay, sản phẩm từ máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung, chương trình được đưa vào máy Người điều khiển chỉ chủ yếu theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động của máy

- Độ chính xác làm việc cao, thông thường các máy CNC có độ chính xác máy là 0.001mm do đó có thể đạt được độ chính xác cao hơn

- Tốc độ cắt cao nhờ có cấu trúc cơ khí bền chắc của máy những vật liệu cắt hiện đại như kim loại cứng hay gốm oxit có thể sử dụng tốt hơn.

- Thời gian gia công ngắn.

- Máy CNC có tính linh hoạt cao trong việc lập trình, tiết kiệm thời gian quan chỉnh máy, đạt được tính kinh tế cao trong việc gia công các sản phẩm nhỏ

- Ít dừng máy để bảo trì, sửa chửa.

Với những ưu điểm vượt trội so với máy công cụ, máy CNC 3 trục được dùng để tạo ra các sản phẩm thông dụng và sản phẩm công nghệ cao ứng dụng trong cuộc sống và nhiều ngành công nghiệp như cơ khí, ô tô, đóng tàu, quốc phòng, y tế…

1.5 Các loại máy CNC hiện nay

CNC có thể chia theo phân loại và theo hệ thống điều khiển:

Theo phân loại máy củng tương tự như các máy công cụ truyền thống, chia ra các loại máy như máy khoan CNC, máy phay CNC, máy tiện CNC

Phân theo hệ thống có thể phân ra các loại:

- Các máy điều khiển điểm tới điểm: VD: máy khoan, khoét, máy hàn điểm, máy đột….

- Các máy điều khiển đoạn thẳng: đó là các máy có khả năng gia công trong quá trình thực hiện dịch chuyển theo các trục.

Tại thị trường Việt Nam đã xuất hiện nhiều loại máy CNC chủ yếu là sản xuất tại Trung Quốc và một số nước Châu Âu, những máy này thường dùng ở các nhà máy đóng tàu, các cơ sở sản xuất công cụ, cơ khí chế tạo…Dưới đây là một số mẫu máy đang dùng tại Việt Nam.

Nguyên lý chung của máy CNC 3 trục

Nguyên lý hoạt động cơ bản của máy CNC là:

- Thực hiện gia công các chi tiết thông qua các bước của động cơ được đồng bộ với trục vít me và mã code trong bo mạch

- Cụm chi tiết máy theo bản vẽ được thiết kế trước và đã chuyển sang dữ liệu số dạng code, qua phần mềm mô phỏng trên máy tính được liên kết với bo mạch của máy ta thực hiện chỉnh sủa code và thiết lập trục tọa độ chính xác và cho chạy máy để gia công Để có thể tính toán quỹ đạo chuyển động của dụng cụ nhằm xây dựng chương trình điều khiển máy CN như mô tả ở phần trên, một điểm quan trọng là việc xác định hệ thống tọa độ và các điểm gốc, điểm gốc chuẩn

Thông thường, trên các máy điều khiển theo chương trình số, người ta thường sử dụng hệ tọa độ Đề các OXYZ theo quy tắc bàn tay phải (hệ tọa độ thuận) và nó được gắn vào chi tiết gia công Gốc của hệ trục tọa độ có thể đặt tại bất kỳ một điểm nào đó trên chi tiết, nhưng thông thường người ta sẽ chọn tại những điểm thuận lợi cho việc lập trình, đồng thời dễ dàng kiểm tra kích thước theo bản vẽ của chi tiết gia công mà không phải thực hiện nhiều bước tính toán bổ sung.

Một đặc điểm mang tính quy ước là trên các máy điều khiển theo chương trình số, chi tiết gia công được xem là cố định được gắn với hệ thống tọa độ cố định nói trên, còn mọi chuyển động tạo hình và cắt gọt đều do dụng cụ thực hiện.

Trong thực tế, điều này đôi khi là ngược lại, ví dụ như trên máy phay thì chính bàn máy mang phôi thực hiện chuyển động tạo hình, còn dụng cụ chỉ thực hiện chuyển động cắt gọt Vì vậy khi sử dụng máy điều khiển theo chương trình số cần phải luôn luôn tạo nên một thói quen để tránh những nhầm lẫn đáng tiếc có thể gây ra nguy hiểm cho máy, dụng cụ và con người.

Theo quy ước chung, phương của trục chính của máy là phương của trục OZ,

`còn chiều dương của nó được quy ước khi dao tiến ra xa chi tiết Ví dụ với máy tiện 2D thông thường thì trục hình của nó nằm ngang và trùng với phương OZ của hệ tọa độ, chiều dương của nó hướng ra khỏi ụ trục chính (hướng về phía bàn dao).Phương chuyển động của bàn xe dao theo hướng chính là phương OX và chiều dương của nó là hướng ra xa bề mặt chi tiết gia công Đối với máy phay thẳng đứng, trục Z hướng theo phương thẳng đứng lên trên, còn trục X và trục Y được xác định theo quy tắc bàn tay phải, tuy nhiên trong thực tế các nhà chế tạo máy lại thường ưu tiên chọn trục X là trục mà có chuyển động bàn máy dài hơn Đối với các chuyển động quay xung quanh các trục tương ứng X, Y, Z được xác định bằng các địa chỉ A, B, C sẽ được xác định là dương khi chiều quay đó có hướng thuận chiều kim đồng hồ khi nhìn theo chiều dương của các trục tương ứng (khi nhìn vào gốc của hệ trục toạ độ từ phía các trục thì chiều quay của chúng là ngược chiều kim đồng hồ) Ngoài ra, còn một số chuyển động phụ song song với các trục tương ứng với các trục X, Y, Z là các địa chỉ U, V, W và hướng của chúng.

Ứng dụng của máy CNC 3 trục

- So với các máy điều khiên công cụ bằng tay, sản phẩm từ máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung, chương trình được đưa vào máy Người điều khiển chỉ chủ yếu theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động của máy

- Độ chính xác làm việc cao, thông thường các máy CNC có độ chính xác máy là 0.001mm do đó có thể đạt được độ chính xác cao hơn

- Tốc độ cắt cao nhờ có cấu trúc cơ khí bền chắc của máy những vật liệu cắt hiện đại như kim loại cứng hay gốm oxit có thể sử dụng tốt hơn.

- Thời gian gia công ngắn.

- Máy CNC có tính linh hoạt cao trong việc lập trình, tiết kiệm thời gian quan chỉnh máy, đạt được tính kinh tế cao trong việc gia công các sản phẩm nhỏ

- Ít dừng máy để bảo trì, sửa chửa.

Với những ưu điểm vượt trội so với máy công cụ, máy CNC 3 trục được dùng để tạo ra các sản phẩm thông dụng và sản phẩm công nghệ cao ứng dụng trong cuộc sống và nhiều ngành công nghiệp như cơ khí, ô tô, đóng tàu, quốc phòng, y tế…

Các loại máy CNC hiện nay

CNC có thể chia theo phân loại và theo hệ thống điều khiển:

Theo phân loại máy củng tương tự như các máy công cụ truyền thống, chia ra các loại máy như máy khoan CNC, máy phay CNC, máy tiện CNC

Phân theo hệ thống có thể phân ra các loại:

- Các máy điều khiển điểm tới điểm: VD: máy khoan, khoét, máy hàn điểm, máy đột….

- Các máy điều khiển đoạn thẳng: đó là các máy có khả năng gia công trong quá trình thực hiện dịch chuyển theo các trục.

Tại thị trường Việt Nam đã xuất hiện nhiều loại máy CNC chủ yếu là sản xuất tại Trung Quốc và một số nước Châu Âu, những máy này thường dùng ở các nhà máy đóng tàu, các cơ sở sản xuất công cụ, cơ khí chế tạo…Dưới đây là một số mẫu máy đang dùng tại Việt Nam.

Trên hình 1.2 là hình ảnh của máy CNC 1325QC gia công chất liệu phi kim và kim loại Máy do Trung Quốc sản xuất Thông số và tính năng chính của máy cho ở bảng 1.1

Hình 1.2 Máy CNC 1325QC Bảng 1.1 Thông số và tính năng chính của máy CNC 1325QC

Phạm vi làm việc: 1300 x 2500 x 160 mm

Tốc độ chạy lớn nhất của máy 24.000 vòng/ phút Độ chính xác 0,02 mm

Công suất động cơ trục chính: 3,2 Kw

Phần mềm điều khiển Artcam, JDJaint, Aspire…

Tổng công suất máy 10 Kw

Trên hình 1.3 là máy CNC 1325 – ST 45 Máy do Trung Quốc gia công và chế tạo, vật liệu gia công có thể là kim loại hoặc phim kim Thông số và tính năng của máy cho ở bảng 1.2

Hình 1.3 Máy CNC 1325 – ST 45 Bảng 1.2 Thông số và tính năng chính của máy CNC 1325 – ST 45

Phần mềm điều khiển NC Studio

Tổng công suất máy 3,8 Kw

Trên hình 1.4 là máy CNC máy đục gỗ 6 đầu, máy do Trung Quốc chế tạo, đây là loại máy dùng cho gia công các vật liệu gỗ dùng trong các xí nghiệp chế tạo các sản phẩm mỹ nghệ từ gỗ Thông số chính và một số tính năng của máy cho ở bảng 1.3

Hình 1.4 Máy đục gỗ 3D, 4D 6 đầu Bảng 1.3 Thông số và tính năng chính của máy đục gỗ 3D, 4D 6 đầu

Phần mềm điều khiển JDPaint, Artcam, Aspire, Artform

Tổng công suất máy 3,8 Kw

THIẾT KẾ MÁY PHAY CNC 3 TRỤC

Tính toán, thiết kế phần cơ khí và xây dựng mô hinh máy

2.1.1 Lựa chọn nguyên lý kết cấu của máy phay CNC 3 trục

Với 4 phương án bố trí các trục XOYZ, YOXZ, OXYZ và OYXZ, thấy rằng:

Nếu chọn phương án XOYZ thì bàn máy mang phôi thực hiện chuyển động theo phương X Với cùng điều kiện lực tác dụng vào thân máy thì chuyển vị trong phương án bàn máy mang phôi thực hiện chuyển động theo phương X lớn hơn 9,73 lần so với bàn máy cố định theo phương X như hình 3.9. a Bàn máy cố định b Bàn máy chuyển động theo trục X.

Hình 2.1 So sánh chuyển vị hai phương án.

- Đối với phương án OXYZ: Độ cứng vững của giàn máy theo phương án OXYZ sẽ nhỏ hơn độ cứng vững của giàn máy theo phương án OYXZ.

- Đối với hai phương án YOXZ (Bàn máychuyển động) và OYXZ (Bàn máy đứng yên) như hình 3.9. a.Phương án YOXZ b.Phương án OYXZ

Hình 2.2 Mô hình sơ bộ.

Kết quả phân tích độ cứng tĩnh và phân tích tần số dao động riêng cho các phương án kết cấu được minh họa trên hình 3.13 và 3.14. a Phương án OYXZ b Phương án YOXZ

Hình 2.3 Phân tích độ cứng tĩnh. a Phương án OYXZ b Phương án YOXZ

Hình 2.4 Phân tích dao động riêng.

Từ kết quả mô phỏng có thể hấy rằng trong cùng một điều kiện về ràng buộc và lực tác dụng thì phương án OYXZ có độ cứng vững và khả năng chống dao động cao hơn phương án YOXZ.

Qua thu thập thông tin, khảo sát và phân tích các mẫu máy phay CNC 3 trục đang có trên thị trường hoặc đã được nghiên cứu ứng dụng vào thực tế, để phù hợp với yêu cầu thiết kế, chế tạo mô hình máy phay CNC 3 trục sử dụng cho đồ án này,nhóm đã lựa chọn phương án kết cấu máy máy như hình 2.1.

Hình 2.5 Kết cấu tổng quát máy phay CNC

Cấu trúc của máy: Gồm các bộ phận chính thân máy, đế máy, bàn máy, cụm trục chính, bộ phận dẫn hướng, bộ truyền động tịnh tiến, khớp nối trục, hệ thống điều khiển…

- Khung máy sử dụng thép hình Ưu điểm của lựa chọn này là giá thành vật liệu rẻ, sẵn có, gia công và lắp ghép đơn giản và đảm bảo độ cứng vững cho máy. Kích thước máy trong thiết kế là 60x60x40cm, phạm vi hoạt động 40x35x20cm.

- Đế máy: Là bộ phận đỡ toàn bộ các bộ phận của máy phía trên nó, thân máy được chế tạo bằng kim loại và lắp vào đế bằng mối ghép ren (bulông - đai ốc)

- Bàn máy: Được chế tạo bằng thép tấp dùng để gá đặt và kẹp chặt phôi hoặc đồ gá gia công

- Cụm trục chính: Để lắp dụng cụ gia công, chuyển động quay của trục chính sẽ sinh ra lực cắt phôi trong quá trình gia công Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động của bàn máy theo trục X, Y và chuyển động lên xuống theo trục Z.

Các chi tiết cơ khí thường dùng cho chế tạo máy phay CNC được sử dụng trong thiết kế như vít me bi, con trượt bi, ổ bi, khớp mềm; nhằm đảm bảo độ chính xác và làm việc lâu dài của máy Động cơ truyền động là động cơ bước, phù hợp với thiết kế máy nhỏ vì nó có giá thành rẻ, dễ điều khiển,

- Bộ truyền động vít me – đai ốc bi: Dùng trong chuyển động chạy dao, biến chuyển động quay của trục vít me thành chuyển động tịnh tiến và ngược lại

Hình 2.6 Bộ truyền động vít me – đai ốc bi

- Ổ bi là chi tiết máy rất phổ biến để giảm ma sát trong các chuyển động quay và chịu tải trọng gây ra trên trục.

- Khớp mềm nối trục động cơ và trục vít me bi trong máy CNC Khớp mềm là chi tiết để nối 2 trục và truyền chuyển động quay Khớp mềm với đệm cao su đàn hồi ở giữa có tác dụng chống giật và hiệu chỉnh ít nhiều sự sai số đồng trục trong thi công cơ khí.

Hình 2.8 Khớp mềm nối trục

- Con trượt bi sẽ chịu tải trọng của chuyển động tịnh tiến mỗi trục Thanh trượt được chế tạo bằng thép có độ cứng lớn, tuyệt đối thẳng và có độ bóng bề mặt cao Con trượt bi được thiết kế đồng bộ với thanh trượt, chuyển động tịnh tiến với ma sát nhỏ nhất và độ rơ ít nhất bằng cách loại bỏ ma sát trượt bởi sự chuyển động lăn của bi.

- Hệ điều khiển với sự tham gia của máy tính cho phép thay đổi và hiệu chỉnh chương trình gia công chi tiết và chương trình hoạt động của máy.

2.1.2Tính chọn động cơ trục chính

Mô hình máy phay gỗ CNC 3 trục phải đảm bảo một số yêu cầu kỹ thuật như làm việc được ở nhiều chế độ tải trọng và tốc độ khác nhau, điều khiển dễ dàng, làm việc êm dịu, do đó trong thực tế máy phay CNC thường sử dụng động cơ trục chính để lắp dao cắt thông qua collet spindle và thực hiện quá trình gia công Động cơ trục chính cần được sử dụng biến tần kết nối với máy tính, chất lượng điều khiển tốt về cả tốc độ và mômen

Lực cắt được tính theo công thức sau: (công nghệ chế tạo máy 2, Nguyễn Đắc Lực)

+ Z: số răng dao phay (Chọn dao phay ngón đường kính D= 7.5 mm z=4) + : Lượng chạy dao răng

+ : Tốc độ cắt lớn nhất, chọn = 1000 (vòng/phút)

+ n: Số vòng quay trục chính của động cơ, chọn n = 9000 vòng/phút

Thay số vào ta có:

Tra bảng 5-14 sổ tay công nghệ chế tạo máy 2 ( trang 12 ), ta có:

Là hệ số điều chỉnh cho chất liệu của vật liệu gia công, Đối với nhôm, ta chọn

Tốc độ cắt V được tính theo công thức sau: (công nghệ chế tạo máy 2, Nguyễn Đắc Lực)

+ : Chu kỳ bền của dao (tra bảng 5-40 chọn = 145)

+Hệ số và các số mũ, chọn: m = 0,37, x = 0,24

+ : Hệ số điều chỉnh chung cho tốc độ cắt:

Trong đó là hệ số phù thuộc vào trạng thái bề mặt của phôi là hệ số phù thuộc vào vật liệu của dụng cụ cắt

Thay vào công thức trên ta được:

Công suất động cơ trục chính:

 Chọn động cơ trục chính có công suất 0,8 Kw = 800 W

- Tính toán lựa chọn vít me:

= 81,9 ( m/phút ) là tốc độ chạy lớn nhất khi không gia công của động cơ = 24000 rpm là tốc độ vòng quay của động cơ

Trong các máy công cụ điều khiển số, người ta thường dùng hai loại vít me cơ bản, đó là: Vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi Trên cơ sở đề tài này, nhóm chúng em đã tìm hiểu một số máy phay CNC 3 trục đang được sử dụng phổ biến và tính toán trên cơ sở phù hợp với mô hình đồ án như sau:

- Đường kính trục vít me đai ốc: d = 20 mm

- Chiều dài trục vít me trục X = 450 mm

- Chiều dài trục vít me trục Y = 1100 mm

- Chiều dài trục vít me trục Z = 240 mm

Tính toán, thiết kế phần điều khiển

2.2.1 Lựa chọn động cơ truyền động và mạch điều khiển động cơ bước

Trong khuôn khảo đề tài này nhóm chúng em chọn động cơ bước cho truyền động của 3 trục X, Y, Z vì động cơ bước có nhiều ưu điểm nổi bật như điều khiển thuận lợi chính xác vị trí theo nhịp bước và mạch điều khiển đơn giản Hình ảnh động cơ được thể hiện ở hình 2.5a

Hình 2.13a Động cơ bước size 57 Thông số kỹ thuật chính của động cơ:

- Momen xoắn trên trục: 3 Nm

Yêu cầu đặt ra trong quá trình thiết kế và chế tạo mô hình máy phay CNC là phải giao tiếp được với máy tính Để điều khiển được động cơ bước tại các trục X,

Y, Z của máy thì cần có mạch nhận tín hiệu từ cổng LPT (đối với desktop) hoặc cổng USB (đối với laptop).

Mạch điều khiển TB6600 hình 2.13b sử dụng IC TB6600HQ/HG, dùng cho các loại động cơ bước: 42/57/86 2 pha hoặc 4 dây 4A/42VDCIC

Hình 2.13b Mạch điều khiển động cơ bước Tính năng chính của mạch điều khiển:

- Dòng điện dẫn cực đại: 4 A

- Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao.

2.2.2 Lựa chọn mạch điều khiển trung tâm

Từng trục của máy CNC được chuyển động bởi các động cơ bước, các động cơ bước này được cấp nguồn công suất từ các bộ điều khiển động cơ (MotorDriver) Mỗi tổ hợp động cơ và Motor Driver được điều khiển hướng và tốc độ bởi mạch điều khiển CNC USB CONTROLLER

Hình 2.14a Sơ đồ nguyên lý điều khiển máy CNC

Mạch điều khiển trung tâm có chức năng nhận lệnh từ máy tính để điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống, thực hiện điều khiển các động cơ bước để tiến hoặc lùi 3 trục X, Y, Z và điều khiển động cơ phay trục chính thông qua biến tần điều khiển.

Hình 2.14b Mạch CNC BOB Mach 3 USB Một số tính năng chính của mạch:

- Giao tiếp với máy tính qua công USB

- Tần số xung tối đa: 100 khz

- Điều khiển 4 động cơ bước qua các trục: X, Y, Z, A

2.2.3 Ứng dụng phần mềm Mach 3 để gia công một số chi tiết trên mô hình máy CNC 3 trục

2.2.3.1 Giới thiệu về phần mềm Mach 3 CNC

Phần mềm Mach 3 CNC là 1 phần mềm điều khiển CNC của hãng ArtsoftUSA Phần mềm ban đầu được thiết kế dành riêng cho người thiết kế máy CNC nhưng sau đó đã được cải tiến mạnh mẽ nên đã trở thành 1 phần mềm điểu khiển đa dạng và linh hoạt cho các loại máy CNC Giao diện chính của phần mềm hình 2.7

Hình 2.15 Giao diện chính phần mềm Mach 3 CNC

2.2.3.2 Tính năng của phần mềm Mach 3 CNC

Biến máy tính cá nhân thành một bộ điều khiển máy CNC 6 trục với đầy đủ tính năng.

Import trực tiếp các file dxf, bmp, jpg và hpgl thông qua phần mềm JDPaint. Hiển thị G-code trực quan. Điều khiển được tốc độ trục chính (Spindle).

Khả năng tạo ra xung điều khiển tốc độ động cơ bằng tay.

Hiển thị video khi máy chạy.

Giao diện có thể hiển thị ra toàn màn hình bất kỳ đang sử dụng.

Chương 3: CHẾ TẠO VÀ VẬN HÀNH THIẾT BỊ 3.1 Chế tạo phần cơ khí của thiết bị

Trên cơ sở tính toán, thiết kế ở trên, tiến hành xây dựng bản vẽ 3D phần cơ khí của thiết bị như sau:

Hình 3.1 Bản vẽ 3D của máy phay CNCTiến hành lắp gia công lắp ráp các cụm kết cấu của máy phay CNC để hoàn thiện phần cơ khí của thiết bị.

Hình 3.2 Bản vẽ phân tách cụm kết cấu, chi tiết của thiết bị

Hình 3.3 Thiết bị máy phay CNC gia công vật liệu phi kim loại

3.2 Thiết lập hệ thống điều khiển và vận hành thiết bị

3.2.1 Giới thiệu phần mềm a) Phần mềm JD Paint là gì:

Là phần mềm dùng để thiết kế và gia công điêu khắc Qúa trình làm việc trên phần mềm bạn có thể hoàn toàn thực hiện đầy đủ một quy trình từ việc vẽ biên dạng 2D, dựng hình nổi 3D, hoặc gia công điêu khắc trên mẫu. b) Ứng dụng của phần mềm:

 Thiết kế đồ họa, vẽ các phù điêu, tranh, ảnh.

 Thiết kế cơ khí, theo thông số và tạo khuôn nổi, khuôn âm bản.

 Vẽ và tạo mẫu các sản phẩm nội thất như hoa lá tây,…

 Sử dụng sẳn các thư viện mẫu mà không cần phải thiết kế lại

 Hiểu được thời gian thiết kế và gia công

 Tạo khuôn đúc bánh kẹo, khuôn nhựa nhiệt dẻo như hộp đựng bánh, hộp nhựa mỏng,… c) Lý do chọn phần mềm :

 Phần mềm nhẹ, chi phí bản quyền thấp và có bản sử dụng miễn phí.

 Thư viện mẫu có sẵn phong phú.

 Thiết kế được các mẫu khó.

 Có thêm các tính năng thiết kế và gia công trụ tròn ở các phiên bản cao hơn.

 Số người sử dụng phần mềm JD Paint cho công việc ngày càng đông. Đây là giao diện chinh của phần mềm JD Paint 5.21

Hình 3.4 Giao diện chinh của phần mềm JD Paint

3.2.2 Mô phỏng quá trình gia công:

Sau khi khởi động phần mềm, ta mở file mẫu cần gia công như đường dẫn trên hình:

Hình 3.5 Chọn file logo mẫu theo đường dẫn

Sau khi chọn file mẫu cần gia công sẽ được hiện thị trên giao diện của phần mềm, ví dụ thể hiện được như hình 5.3

Hình 3.6 Hình sản phẩm cần gia công

Hình 3.7 Scale kích thước cho hình mẫu

Hình 3.8 Chọn vùng nổi 3d của bức tranhTiếp theo ta chọn chiều sâu trục Z, sâu 3mm

Hình 3.9 Chiều sâu cắt và chọn daoSau đó ta xem quá trình mô phỏng:

Hình 3.10 Mô phỏng gia công

3.2.3 Xuất code gia công chi tiết

Sau khi mô phỏng gia công ta sẽ được một lượt code chạy dao của phần mềm Jdpant, Ta vào ToolPaths và chọn Export toolpaths để xuất file code đuôi (.eng)

Hình 3.11 lưu file gia côngKhi ấn vào save ta sẽ bắt đầu thiết lập điểm bắt đầu cho code như hình

Hình 3.12 Thiết lập điểm gốc của dao

 Trước tiên ta phải chọn điểm bắt đầu để gia công ta có hai cách:

+ Cách thứ nhất thì vào Pick 2D point: Đây là chọn điểm từ vị trí bất kì trên phôi để bắt đầu gia công.

+ Cách thứ hai là vào Feature:

Hình 3.13 thiết lập gia công từ trên xuống Center: là chọn ở giữa vị trí chi tiết phôi

Left down: là chọn từ trái từ gốc phía dưới

Thường dùng và gia công có độ chính xác hơn thì ta chọn Left down

+ Sau khi chọn Left down thì chọn bề mặt gia công cùng ở trong công cụFeatuer, ta chọn Max Z of toolpath(Z)

+ Sau đó ta kích vào ok ta sẽ được File code đuôi (.Eng)

Hình 3.14 File gia công đuôi (.ENG)

Sau khi có được file code hiện tại đuôi (.Eng) thì bo mạch máy sẽ không đọc được do đó ta sẽ chuyển đổi file (.Eng) sang thành file có đuôi (NC) qua phần mềm NCConverter

3.2.4 Chuyển Code bằng phần mềm NCConverter:

- Khi vào giao diện phần mềm NCConverter thì ta đặc tốc độ cắt và lượng chạy dao theo yêu cầu ví dụ ở đây ta đặc cả hai điều là 2000 như hình:

Hình 3.15 Chuyển đổi file (.ENG) sang file (NC)

- Ta vào Browe để mở file và kích Conversion.

Hình 3.16 Conversion thực hiện chuyển đổi

- Sau khi Conversion xong ta sẽ được file có đuôi (NC).

Hình 3.17 File gia công đuôi (.NC)

3.2.5 Nhập code qua phầm mềm mach 3 được liên kết với máy để gia công B1 : Mở giao diện phầm mềm mach3 ta sẽ được giao diện như hình

Hình 3.18 Giao diện phần mềm mach3

B2 : Ta vào Config – click vào Ports and Pins để khai báo

- Ta chọn tốc độ phát xung 25000Hz là vừa

Hình 3.19 Khai báo phát sung

- Ta vào Motor Output ta khai báo các bước xung Pin thuận và nghịch của các động cơ tương ứng với trục X Y Z

+ Trục X Pin quay thuận là 2, Pin quay nghịch là 6

+ Trục Y Pin quay thuận là 3, Pin quay nghịch là 7

+ Trục Z Pin quay thuận là 4, Pin quay nghịch là 8

Hình 3.20 Chọn Pin cho trục

- Ta vào Input Signals ( Đây là kết nối các thiết bị ngoại vi lên mạch mach3)

+ Ví dụ ở đây kết nối công tắc hành trình ( Home ) ở Pin 12 thì khi tác động đến pin 12 tự động nhận tín hiệu và cho dừng

Hình 3.21 Chọn Pin cho thiết bị ngoại vi

B3: Ta cài thông số bước: Vào Config - vào Motor Turning

- Vì ta dùng Driver điều khiển động cơ bước là TB6600 nên ta có công thức để tính Steps per = 6600/( bước ren vít me )

+ Ta được Steps per = 1320 ( Trục X )

+ Ta được Steps per = 1320 ( Trục Y )

+ Ta được Steps per = 1320 ( Trục Z )

- Vận tốc ta chọn 1000; Gia tốc từ 80 – 120

Hình 3.22 Cài đặt tốc độ cho Driver + Riêng trục Z ta cho gia tốc thấp hơn để chống bị giật khi đâm sâu = 60

B4: Đầu tiên chúng ta nhập code vào phần mềm

- Vào File – LoadG-Code – Chọn file đã lưu dưới dạng đuôi NC

B5: Sau khi nhận code ta đưa dao về gốc tọa độ bằng cách bấm vào Ref All Home và chỉnh trục X Y Z về tọa độ 0

Hình 3.24 Mach3 đã nhận code

B6: Ấn Cycle Stat là máy sẽ chạy và Stop máy sẽ dừng

- Khi gia công ta có thể điều chỉnh tốc độ bằng khung chỉnh tốc độ Feed

Hình 3.25 Điều chỉnh tốc độ bằng tay

3.2.6 Các bước gia công đường bao 2D

Bước 2: Màn hình JD Paint hiển thị

- Chọn biểu tượng abc > Chọn font setup

Chọn fonts cần để gia công.

Chọn add current font > Chọn OK > Click chuột trái vào vị trí trên màn hình cần ghi chữ

Chọn nút hình vuông để thoát lệnh vẽ bên góc trái, phía trên.

Dùng các nút zoom để quan sát hoặc con mắt để nhìn thấy toàn màn hình

Bước 3: Scale kích thước chữ, lưu ý cho tỷ lệ đồng đều 2 phương X và Y

Click vào chữ KHOA CƠ KHÍ > Chọn transform > scale

Thay đổi tỉ lệ theo mong muốn

Chọn biểu tượng con mắt để quan sát

Bước 4: Xuất đường giao mô phỏng gia công.

Click chữ KHOA CƠ KHÍ > Chọn toolpaths > contour

Cài đặt dao để gia công, lưu ý khai báo đúng dao đã được gắn trên máy CNCChọn chữ =>R sẽ xuất hiện bản sau

Nếu trong trường hợp máy CNC của mình chọn dao là Pi3 trên bản trên kéo xuống sẽ có các loại dao mà mình cần khai báo đúng góc độ, độ côn, chiều dài H của dao….không nhất thiết là dao chuẩn, mình mài góc bao nhiêu thì khai báo bấy nhiêu.

Trong trường hợp hiện tại chọn dao Flat JD3.00 có nghĩa là dao phay ngón PI3 Sau đó chọn OK > Chọn chiều sau cắt mà mình cần cắt

Vị trí Cut depth: nhập max là 20mm, min 0.001mm (lưu ý máy của mình hình trình z ngắn, nếu nhập lớn quá nó xuống mặt bàn) Chọn 5mm > nhập chiều sau mỗi lần cắt Z-Depth step: chọn 2 mm

Như vậy số lần cắt sẽ là: Cut depth/ Z-depth step = 5/2=2,5 lần Máy hiểu là 3 lần cắt, lần cắt cuối cùng là 1 mm Trường hợp như trên là có nghĩa là gia công thô

2 lần mỗi lần 2 mm, lần cuối cùng là gia công tinh 1mm

Chọn phương án bù dao: Có 3 chế độ

Out: Tâm dao nằm phía ngoài nét chữ

IN: Tâm dao nằm phía trong nét chữ

OFF: Tâm dao đè lên nét chữ.

(Lần lượt làm thí nghiệm các trường hợp trên)

Chọn tâm dao cách nét chữ ta click vào ô vuông Comp value

Dao có đường kính là Pi3 nên gõ vào ô Comp value là 1,5 để biên độ của dao vừa đè lên nét chữ.

Màn hình xuất hiện đường dao màu xanh, tùy thuộc vào yêu cầu mà bạn có thể hiệu chỉnh lại để đạt yêu cầu mong muốn.

Bước 5: mô phỏng quá trình gia công

Click vào đường dao màu xanh > Chọn toolpaths > simulate toolpaths

Dùng nút rotate view để quay phôi mô phỏng sau cho hợp lý và con mắt để quan sát cho dễ.

Chọn Close để đóng mô phỏng lại

Click pải vào màn hình để chọn top xy để quan sát

Bước 6: Xuất đường dao sang file có dạng đuôi *.ENG

Click vào đường dao màu xanh cần xuất *.ENG

Chọn toolpaths > chọn Export toolpaths

Gõ tên và chọn vị trí cần lưu lại.

Chọn gốc tọa độ cần gia công để sau máy CNC thực thi gia công

Chọn Pick 2D point và click chuột trái vào vị trí màn hình cần chọn lầm gốc tọa độ.

Chọn OK > OK > OK ( 3 lần OK) Đã được file cần.

Bước 7: Để đôi file khoa.eng sang khoa.nc để được Gcode. Để máy CNC có thể chạy được phải dùng đến Gcode ta làm như sau

Nhập các thông tin đúng như bản dưới đây

Tìm đến vị trí file khoa.eng để open

Vào vị trí file khoa.eng ta sẽ thấy file khoa.nc > Mở file khoa.nc ra

Do máy ta không có chế độ spindle ( trục chính) quay tự độ nên ta xóa dòng Gcode sau S12000m3G04x8

Sau đó lưu file lại

Bước 8: Vận hành máy phay CNC

Ta mở phần mềm Mach3mill.

Sau đó click chuột vào nút load G-Code để nạp file khoa.nc vào phần mềm

Sau khi nạp file xong màn hình sẽ hiện ra như sau

Sau đó ấn nút màu đỏ trên tủ điện CNC ( lưu ý khi không chạy máy nữa vui lòng ấn nút đỏ để tắt điện)

Dùng các nút A (X-), D(X+), W(Y+), S(Y_), Q(Z_), E(Z+). Để con dao trên máy CNC đến vị trí mà bạn cảm thấy hợp lý chọn làm gốc phôi (hoặc ấn nút Tab để hiệu chỉnh vị trí dao)

Sau đó cho dao chạm mặt phôi và click vào X zero, Y zero, Z zero.

Trước khi chạy máy kéo cột FEED RATE xuống thấp độ 5 % để máy chạy chậm, mục đích đảm bảo an toàn để dừng máy khẩn cấp khi có sự cố.

Sau đó bật động cơ mang dao gia công chạy ( Spindle) Ấn vào nút Cycle Start là máy bắt đầu gia công.

Trong quá trình gia công bạn cần dừng ấn vào Stop máy dừng, để chạy tiếp ấn vào nút Start.

Khi máy chạy ok bạn có thể kéo cột FEED RATE lên để máy có thể chạy nhanh hơn

Khi chạy xong > Tắt Spindle >Tắt tủ điện (Nút đỏ trên tủ điện)

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

trục

Tính năng của phần mềm Mach 3 CNC

CHẾ TẠO VÀ VẬN HÀNH THIẾT BỊ

Chế tạo phần cơ khí của thiết bị

Hình 3.2 Bản vẽ phân tách cụm kết cấu, chi tiết của thiết bị

Hình 3.3 Thiết bị máy phay CNC gia công vật liệu phi kim loại

Thiết lập hệ thống điều khiển và vận hành thiết bị