thiết kế và chế tạo mô hình máy khoan ba trục

Trong số đó, máy khoan ba trục tự động đóng vai trò quan trọng, mang lại những đổi mới đáng kể trong quá trình gia công và sản xuất các sản phẩm kim khí Cùng với sự tiến triển của nền kh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

TÓM TẮT NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Ái Lành

Sinh viên thực hiện: Phan Đình Bình 1911504410202

1 Tên đề tài:

“Thiết kế và chế tạo mô hình máy khoan ba trục”

2 Các số liệu ban đầu:

Kích thước phôi sử dụng: Tùy chọn Nâng suất của máy: Tùy chọn

3 Nội dung chính của đồ án

- Tìm hiểu và nghiên cứu về máy khoan tự động - Phân tích tính chất, đặc điểm của phôi/sản phẩm để lựa chọn phương pháp cấp

phôi phù hợp - Xác định các thành phần cơ bản và thông số/yêu cầu kỹ thuật của hệ thống - Thiết kế các cơ cấu mô hình

- Thiết kế hệ thống - Hoàn thiện mô hình hệ thống

4 Kết quả dự kiến đạt được

- Mô hình máy khoan - Báo cáo tổng kết đề tài - Bản vẽ cơ khí

- Bản vẽ điện

5 Ngày giao đồ án: 28/8/2023 6 Ngày nộp đồ án:

Đà Nẵng, ngày… tháng 01 năm 2024

LỜI NÓI ĐẦU

Đối với mỗi sinh viên, hơn hết là các sinh viên khối ngành kỹ thuật thì đồ án tốt nghiệp là học phần quan trọng mà sinh viên phải thực hiện và hoàn thành để có thể đạt đủ điều kiện tốt nghiệp Đồ án tốt nghiệp là cơ hội để sinh viên thể hiện khả năng tư duy, sáng tạo và áp dụng kiến thức đã học của bản thân, cũng có thể là bước đệm để sinh viên chuẩn bị cho công việc sau này của bản thân Hiểu được tầm quan trọng và thiết thực của đồ án tốt nghiệp, nên chúng em, sinh viên ngành công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử luôn quan tâm và chú trọng nhất cho đồ án tốt nghiệp của mình để áp dụng các kiến thức đã được dạy trong nhà trường, cùng với đó là tiềm hiểu sâu rộng hơn nhằm tạo ra những đồ án có tính thiết thực, hiệu quả cao nhất

Trong đồ án này, nhóm em đã nhận và thực hiện đề tài: “Thiết kế và chế tạo máy

khoan ba trục” Trước tiên, nhóm em muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến từ sự hỗ trợ

và hướng dẫn tận tình của cô “TS Nguyễn Thị Ái Lành” trong suốt quá trình nghiên cứu, thiết kế và thực hiện hoàn thành đồ án

Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trong khoa Cơ Khí và đặc biệt là quý thầy cô ở bộ môn Cơ Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật đã giảng dạy, trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, tháng 01 năm 2024

Nhóm sinh viên thực hiện

CAM ĐOAN

Kính gửi: - Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật – Đại học Đà Nẵng

- Khoa Cơ khí Em tên là : Phan Đình Bình Mã sinh viên: 1911504410202

Nguyễn Đắc Luật 1911504410229 Lớp : 19CDT2

Khoa : Cơ khí

Đề tài đồ án: “Thiết kế và chế tạo máy khoan ba trục”

Nhóm em xin cam đoan đây là bài báo cáo tốt nghiệp mà chúng em đã thực hiện trong thời gian học tập tại trường Tuy đồ án của nhóm em thực hiện đã có nhiều nhóm sinh viên thực hiện trước đó, nhưng chúng em xin cam đoan các số liệu và kết quả mà chúng em trình bày trong báo cáo là chân thực Nhóm em xin khẳng định rằng các kết quả, số liệu tính toán sử dụng trong báo cáo đồ án tốt nghiệp mà chúng em thực hiện không bị sao chép với các đề tài đã được thực hiện trước đây và chúng em chỉ sử dụng các tài liệu tham khảo đã được trích dẫn, chú thích rõ ràng trong báo cáo

Nếu có sai sót, nhóm em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước Nhà trường, Khoa và Bộ môn về sự cam đoan này

Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

Chương 1:TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 3

1.1.Giới thiệu về máy CNC 3

1.1.1 Sự phát triển và ứng dụng của máy CNC trong ngành công nghiệp 3

1.1.2 Khái niện về máy CNC 3

1.1.3 Các loại máy CNC có trên thị trường hiện nay 3

1.1.4 Tổng quan về cấu tạo của máy CNC 4

1.1.5 Nguyên lý hoạt động của máy CNC 5

1.2.Tổng quan về máy khoan 5

1.2.1 Công dụng máy khoan 5

1.2.2 Phân loại máy khoan 6

1.2.3 Tổng quan về mũi khoan 10

Chương 2:LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 13

2.1.Tổng quan về mô hình 13

2.1.1 Bản vẽ phát thảo sơ bộ mô hình 13

2.1.2 Phân tích và lựa chọn phương án cấp phôi 13

2.1.3 Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế trục Y 14

2.1.4 Phân tích và lựa chọn phương án trục X và trục Z 15

2.2.Thiết kế mô hình 3D sản phẩm máy 15

2.2.1 Thiết kế cụm trục Z 16

2.2.2 Thiết kế cụm trục X 18

2.2.3 Thiết kế cụm trục Y 19

2.2.4 Mô hình tổng thể sản phẩm sau khi thiết kế 3D 20

2.3.Phân tích và lựa chọn phương án 23

2.3.1 Lựa chọn phương án thiết kế khung máy 23

2.3.2 Động cơ truyền động các trục 23

2.3.3 Lựa chọn phương án cho độ di chuyển động cơ khoan 24

2.3.4 Lựa chọn cơ cấu truyền động cho trục X, Y, Z 25

2.3.5 Hệ thống dẫn hướng trục 26

2.3.6 Lựa chọn vật liệu làm khung máy 28

2.3.7 Tính toán lựa chọn xi lanh 29

3.2.6 Tìm hiểu về board arduino mega 2560 54

3.3.Lưu đồ giải thuật hệ thống 59

3.4.Thiết kế mạch điều khiển 60

Chương 4:THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 61

4.1Thi công mô hình 61

4.2Thi công mạch điện 63

KẾT LUẬN 64

TÀI LIỆU KHAM KHẢO 65

PHỤ LỤC

Bảng 2 5: Đặc điểm của động cơ Servo và động cơ bước 23

Bảng 2.6: Lựa chọn phương án cơ cấu truyền động trục X, Y, Z 25

Bảng 2.7: Lựa chọn phương án dẫn hướng trục 27

Bảng 3 1: Thông số kỹ thuật động cơ bước 57HS5630A4 50

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của bộ nguồn 24V DC 54

DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Máy tiện CNC và máy phay CNC 4

Hình 1.2: Máy cắt lazer CNC và máy cắt dây - EDM 4

Hình 1.4: Phạm vi sử dụng máy khoan 6

Hình 1 5: Máy khoan bàn 7

Hình 1 6: Máy khoan đứng 8

Hình 1 7: Máy khoan cần 8

Hình 1 8: Máy khoan nhiều trục 9

Hình 1 9: Máy khoan chuyên dụng 10

Hình 1 10: Một số loại mũi khoan 10

Hình 1 11: Cấu tạo của mũi khoan 11

Hình 2.8: Mô hình thiết kế 3D cụm trục Y 20

Hình 2.9: Hướng nhìn mặt trước khung máy 3D sản phẩm 20

Hình 2.10: Hướng nhìn mặt sau khung máy 3D sản phẩm 21

Hình 2.11: Hướng nhìn mặt bên khung máy 3D sản phẩm 21

Hình 2.12: Hướng hình mặt trên khung máy 3D sản phẩm 22

Hình 2.13: Mô hình tổng thể sản phẩm được thế kế 3D 22

Hình 2 14: Thiết kế máy khoan tự động khung cố định 23

Hình 2 15: Động cơ servo và động cơ bước 23

Hình 2.16: Bộ truyền đai răng loại nhỏ 24

Hình 2.17: Vitme – đai ốc thường 26

Hình 2.18: Vitme – đai ốc con lăn ren 26

Hình 2.19: Vitme – đai ốc bi 26

Hình 2.20: Dẫn hướng loại ray trượt vuông 27

Hình 2.21: Dẫn hướng trục trượt tròn 28

Hình 2 22: Nhôm định hình 28

Hình 2 23: Đầu hút chân không 30

Hình 2 24: Tính lực khi nâng vật bằng giác hút chân không theo phương đứng 30

Hình 2 25: Phôi liệu 34

Hình 2 26: Step motor 57 35

Hình 2 27: Kiểu gắn gối trục vitme cố định-tự do của cụm trục Z 35

Hình 2 28: Kiểu dáng đai ốc vitme SFU trục Z 37

Hình 2 29: Thông số đai ốc SFU 1204 trục Z 37

Hình 2 30: Kiểu gắn gối trục vitme cố định-tự do của cụm trục X 39

Hình 2 31: Kiểu dáng đai ốc vitme SFU trục X 40

Hình 2 32: Thông số đai ốc vitme SFU 1605 trục X 40

Hình 2 33: Kiểu gắn gối trục vitme cố định-tự do của cụm trục Y 43

Hình 2 34: Kiểu dáng đai ốc vitme SFU trục Y 43

Hình 2 35: Thông số đai ốc vitme SFU 1605 trục Y 43

Hình 3 1: Giao diện chương trình 46

Hình 3 2: Phần mềm protues 47

Hình 3 3: Phần mềm Auto CAD 48

Hình 3 4: Ảnh minh họa cho Auto CAD 48

Hình 3 5: Auto CAD trong cơ khí 49

Hình 3 6: Phần mềm Solidworks 49

Hình 3 7: Động cơ bước size 57 2 pha 4 dây 50

Hình 3.8: Driver động cơ bước TB6600 52

Hình 3 9: Động cơ 775 12VDC 52

Hình 3 10: Cảm biến quang 53

Hình 3.11: Nguồn tổ ong 24V DC 54

Hình 3 12: Sơ đồ chân của Mega 55

Hình 3 13: Lưu đồ giải thuật chính của hệ thống 59

Hình 3 14: Thiết kế mạch điều khiển 60

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

LAD: Ladder Logic

MỞ ĐẦU

Trong bối cảnh sự phát triển không ngừng của công nghệ, máy móc tự động đang trở thành trọng tâm của nhiều lĩnh vực sản xuất và chế tạo Trong số đó, máy khoan ba trục tự động đóng vai trò quan trọng, mang lại những đổi mới đáng kể trong quá trình gia công và sản xuất các sản phẩm kim khí

Cùng với sự tiến triển của nền khoa học và kỹ thuật, máy móc có độ chính xác cao ngày càng thay thế con người trong các công việc đòi hỏi sự chính xác như gia công vật liệu, chế tạo chi tiết máy, và nhiều ứng dụng khác Trong quá trình phát triển và nâng cao công nghệ sản xuất, máy khoan ba trục đã xuất hiện để đáp ứng nhu cầu tự động hóa trong sản xuất các sản phẩm kim khí với độ chính xác cao

Ưu điểm của máy khoan ba trục truyền thống nằm ở khả năng chạy tự động liên tục trong thời gian dài, vẫn sản xuất ra các sản phẩm với độ chính xác cao Quá trình tự động hóa trong sản xuất giúp giải phóng nhân lực, giảm thiểu sai sót và tăng khả năng hiệu suất công việc

Việc nghiên cứu, thiết kế, và chế tạo máy khoan ba trục là một đề tài hấp dẫn trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa Đồ án này nhằm mục tiêu hiểu rõ về lý thuyết, cấu tạo, và hoạt động của máy khoan ba trục, sau đó tiến hành thiết kế và chế tạo một mô hình máy khoan ba trục thực tế

❖ Mục đích thực hiện đề tài

Mục đích chính của đồ án này là phát triển một máy khoan 3 trục có khả năng khoan gỗ, nhằm cung cấp một công cụ hiện đại và đáng tin cậy cho nhà máy Máy khoan 3 trục khoan gỗ này sẽ giúp công việc khoan gỗ trở nên nhanh chóng, giảm thời gian và công sức tạo nên sản phẩm gỗ, thực hiện các công đoạn khoan gỗ phức tạp nhanh chóng, đồng thời đảm bảo độ chính xác và chất lượng cao cho sản phẩm cuối cùng Nhờ việc sử dụng máy khoan gỗ tạo nhanh tiến hành hoàn thành công việc nhanh chóng hơn

❖ Mục tiêu đề tài

Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế và chế tạo một máy khoan gỗ (máy khoan 3 trục) có khả năng xử lý các chủ đề khoan gỗ phức tạp Máy khoan này thực hiện các hoạt động khoan một cách tự động, từ việc cấp phôi gỗ cho đến lấy thành phẩm khi xong

❖ Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Phạm vi của đồ án này tập trung vào thiết kế và chế tạo máy khoan 3 trục sử dụng trục vít me

Đối tượng nghiên cứu chính là các máy khoan gỗ đã có trên thị trường, cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy và nhu cầu sử dụng máy khoan gỗ hiện nay

❖ Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết được các vấn đề, mục tiêu, phạm vi, đối tượng nghiên cứu được nêu ở trên thì đồ án này sẽ đưa ra các phương pháp nghiên cứu như sau:

- Tìm hiểu thu thập thông tin về các máy khoan gỗ, nhu cầu sử dụng máy - Nghiên cứu, tìm hiểu về công nghệ khoan

- Tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo chính của máy khoan 3 trục - Nghiên cứu, hiểu rõ cách sử dụng của bộ điều khiển, khí cụ điện - Thiết kế và chế tạo máy khoan gỗ 3 trục, đánh giá và cải tiến kết quả

❖ Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp

Để thực hiện các nội dung của đồ án, bài báo cáo đồ án được trình bày gồm các phần sau:

Chương 1: Tổng quan về máy khoan Chương 2: Thiết kế mô hình cơ khí Chương 3: Thiết kế hệ thống mô hình Chương 4: thiết kế thi công mô hình hệ thống

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu về máy CNC

1.1.1 Sự phát triển và ứng dụng của máy CNC trong ngành công nghiệp

Trước đây, quá trình gia công chi tiết máy hoặc khuôn mẫu phức tạp thường áp dụng phương pháp phân chia thành các phần nhỏ và đơn giản, sau đó kết hợp chúng bằng cách hàn hoặc tán Tuy nhiên, phương pháp này không đảm bảo độ chính xác cao và tăng chi phí do yêu cầu kỹ thuật lao động cao Với sự tiến bộ của công nghệ chế tạo mô phỏng, việc gia công các chi tiết phức tạp trở nên khả thi hơn Mặc dù vậy, phương pháp này vẫn tồn tại nhược điểm như năng suất thấp và khả năng giữ chính xác không cao

Sự xuất hiện của điều khiển số trong máy công cụ đã đánh dấu bước tiến quan trọng trong lĩnh vực gia công Điều này đảm bảo độ chính xác cao và khả năng gia công các chi tiết phức tạp một cách hiệu quả Tiến triển từ việc sử dụng ống chân không và máy cơ khí lặp lại đã chuyển đổi thành công nghệ điều khiển số tích hợp mạnh mẽ

Ngày nay, bộ xử lý điều khiển số (CNC) với khả năng xử lý cao đã xuất hiện, có khả năng cung cấp lệnh điều khiển, lưu giữ CNC cũng có khả năng giám sát chất lượng sản phẩm, điều chỉnh dụng cụ khi cần, và tương tác với các máy tính khác, robot, như việc tải và truyền chương trình Điều này mang lại sự linh hoạt và hiệu suất trong quá trình sản xuất

1.1.2 Khái niện về máy CNC

Máy CNC (Computer Numerical Control) là một hệ thống tự động hóa được điều khiển bằng máy tính để thực hiện các quy trình gia công chính xác trên các vật liệu khác nhau Máy CNC có khả năng điều khiển chính xác vị trí và chuyển động của các công cụ cắt hoặc gia công, dựa trên các lệnh được lập trình trước

1.1.3 Các loại máy CNC có trên thị trường hiện nay

❖ Dựa vào chức năng và công nghệ mà máy CNC được chia thành các loại như sau:

− Máy tiện CNC − Máy phay CNC − Máy mài CNC − Máy khoan phay CNC − Máy cắt CNC plasma − Máy cắt CNC Lazer

− Máy in 3D,…

Hình 1.1: Máy tiện CNC và máy phay CNC

Hình 1.2: Máy cắt lazer CNC và máy cắt dây - EDM

1.1.4 Tổng quan về cấu tạo của máy CNC

❖ Máy CNC có cấu trúc chính được chia thành hai phần quan trọng là phần chấp hành và phần điều khiển Mặc dù có nhiều loại và thiết kế khác nhau, nhưng mỗi máy CNC đều bao gồm hai thành phần chính này

• Thành phần chấp hành:

− Ổ tích dụng cụ: Được sử dụng để lưu trữ và thay đổi các dụng cụ cắt khác nhau trong quá trình gia công vật liệu Điều này giúp máy CNC có khả năng thực hiện các giai đoạn gia công liên tục và tự động hóa mà không cần sự can thiệp thủ công

Cụm trục chính: Là hệ thống chính sinh lực của máy CNC, có thể được điều khiển bằng các động cơ hiện đại để tùy chỉnh góc quay và tăng tốc độ nhanh chóng

− Băng dẫn hướng: Hệ thống thanh trượt hỗ trợ chuyển động trên các trục X, Y, Z của trục chính Điều này đảm bảo sự ổn định và chính xác trong quá trình di chuyển của trục chính

− Thân máy và đế máy: Chế tạo từ gang để đảm bảo độ bền và chịu nén cao Thân máy chứa trục chính và nhiều hệ thống động cơ khác, và quá trình kiểm tra được thực hiện kỹ lưỡng để đảm bảo chất lượng sản phẩm

− Bàn máy: Là nơi để đặt các chi tiết cần gia công hoặc các dụng cụ gá cố định Bàn máy có chuyển động linh hoạt và chính xác, quan trọng trong việc nâng cao khả năng gia công của máy CNC

• Thành phần điều khiển máy CNC:

− Hệ thống điều khiển: Là trung tâm quản lý của máy CNC, nhận thông tin từ con người và chuyển đổi thành lệnh điều khiển cho các bộ phận của máy Điều này giúp máy hoạt động chính xác và ổn định

− Các động cơ: Tùy thuộc vào loại máy CNC, sử dụng các loại động cơ như động cơ 1 chiều, động cơ xoay chiều, động cơ bước, động cơ servo để truyền động và thực hiện các chuyển động

1.1.5 Nguyên lý hoạt động của máy CNC

Các trục của máy CNC sử dụng các loại động cơ được hệ thống điều khiển để quay chính xác đến các vị trí nhờ đó có thể biết chính xác được tọa độ của bàn máy và dụng cụng cắt Theo quy ước thì các máy CNC sử dụng hệ trục tọa độ Descartes tuân theo nguyên tắc bàn tay phải Trong đó có 3 chuyển động tịnh tiến theo các trục và 3 chuyển động quay tương ứng trên các trục, máy CNC có thể điều khiển tới 6 trục bao gồm tịnh tiến theo X, Y, Z và các trục A, B, C sẽ quay quanh tương ứng theo các trục X, Y, Z Tuy nhiên, các máy CNC tiêu chuẩn cơ bản chỉ cần dùng đến 3 trục X, Y, Z là có thể gia công được các sản phẩm, máy tiện CNC thường chỉ cần 2 trục X và Z là có thể thực hiện gia công sản phẩm

1.2 Tổng quan về máy khoan

1.2.1 Công dụng máy khoan

Máy khoan là một trong những phương pháp phổ biến để gia công lỗ trên vật liệu Ngoài ra, nó cũng được sử dụng để khoét, doa, cắt ren, taro hoặc gia công các bề

mặt có tiết diện nhỏ, thẳng góc hoặc cùng chiều trục với lỗ khoan

Hình 1.3: Phạm vi sử dụng máy khoan Chuyển động tạo hình của máy khoan bao gồm chuyển động chính quay tròn và chuyển động chạy dao, cả hai chuyển động này đều được thực hiện bởi dao

Máy khoan có khả năng gia công các loại lỗ thông và không thông với đường kính từ 0,25 đến 80 mm Tuy nhiên, độ chính xác gia công thấp, chỉ đạt cấp 10, 11 (cao nhất chỉ là 7 đối với khoan nòng súng); độ nhám bề mặt thường ở mức Ra = 20 ÷ 40 um Do đó, máy khoan thường chỉ được sử dụng để gia công các lỗ bắt bulông, lỗ làm ren, các lỗ có yêu cầu không cao

Lý do máy khoan chỉ đạt độ chính xác thấp bao gồm:

Kết cấu mũi khoan chưa hoàn thiện, với lưỡi cắt ngang luôn phải tồn tại (vì không thể chế tạo mũi khoan có đường kính lõi bằng không) Lưỡi cắt ngang góc trước y < 0, làm tăng lực dọc trục và mũi khoan mòn nhanh chóng Hiện nay, nỗ lực được đổ vào việc chế tạo mũi khoan với lưỡi cắt ngang ngăn càng tốt

Sai số do chế tạo và mài mũi khoan tạo ra độ không đồng tâm giữa phần cắt và chuôi côn, làm cho lỗ khoan bị lay rộng

− Lỗ khoan bị cong do mài lưỡi cắt không đều, tạo lực dọc trục không đều − Lỗ khoan bị lay rộng do tâm quay và tâm phần cắt không trùng nhau − Lỗ khoan bị tóp, loe do lực cắt không đúng tâm

− Lỗ khoan bị thu hẹp do độ côn ngược của phần cắt khi mòn Để khắc phục các vấn đề này, cần chú ý đến các biện pháp công nghệ như giảm lực chiều trục và mômen cắt bằng cách giảm chiều dài lưỡi cắt ngang khi mài mũi khoan, sử dụng bạc dẫn hướng để đảm bảo độ chính xác, và sử dụng dung dịch trơn nguội phù hợp

1.2.2 Phân loại máy khoan

Tùy theo kích thước và phương pháp điều chỉnh mũi khoan đến vị trí gia công máy khoan được phân thành các loại: máy khoan bàn, máy khoan đứng, máy khoan cần, máy khoan nhiều trục, máy khoan chuyên dùng

Hình 1 4: Máy khoan bàn A Máy khoan bàn:

Là loại máy khoan cỡ nhỏ được dùng để gia công chi tiết cỡ nhỏ với những lỗ khoan có đường kính không quá 16mm Truyền động quay chính là puli-đai truyền có nhiều bậc và thường cho tốc độ cao Loại này thường được dùng rộng rãi trong cơ khí

B Máy khoan đứng: Chuyển động và kết cấu của các máy khoan đứng rất khác nhau phổ biến nhất là loại máy có trụ đứng Những cỡ máy nhỏ thì thì có chuyển động của trục chính đơn giản và chạy dao bằng tay Ở những máy có kích thước trung bình hoặc lớn thì có hộp tốc độ và chạy dao và thường có cơ cấu chạy dao tự động Những bộ phận chính của máy là thân máy hộp tốc chạy dao và bàn máy Máy khoan đứng có hộp tốc độ được cố định, hộp chạy dao có thể di động theo hướng đứng Bên trong hộp chạy dao có trục chính thực hiện chuyển động chính quay và chuyển động chạy dao Bàn máy có thể quay tròn hoặc đi động thẳng đứng bằng tay

Hình 1 5: Máy khoan đứng Nhược điểm của máy khoan đứng là phải luôn dịch chuyển chi tiết gia công đến những vị trí khoan khác nhau đặc biệt khó khăn đối với chi tiết nặng

C Máy khoan Cần

Hình 1 6: Máy khoan cần

Máy khoan cần được thiết kế để khắc phục nhược điểm của máy khoan đứng thông thường Điều này được đạt được bằng cách giữ chi tiết ổn định trong khi trục chính di động được đưa đến vị trí khoan phù hợp trong quá trình gia công Với cấu trúc này, máy khoan cần trở thành một loại máy điều khiển nhẹ nhàng, mở rộng khả năng làm việc và có thể gia công các chi tiết lớn

Cấu trúc cơ bản của máy khoan cần bao gồm các chuyển động sau:

Chuyển động quay tròn của trục chính (n): Tạo ra tốc độ cắt gọt Chuyển động thẳng đứng của trục chính (S): Chạy dao để thực hiện quá trình khoan

Chuyển động điều chỉnh của cần khoan: Điều chỉnh vị trí và góc độ của cần khoan

Chuyển động hướng kính của hộp tốc độ: Điều chỉnh hướng khoan Ngoài ra, trong một số máy hộp tốc độ, có thể có chuyển động quay 1 góc nhất định, cho phép gia công lỗ nghiêng

D máy khoan nhiều trục Đối với máy khoan nhiều trục, chúng thường được sử dụng để thực hiện đồng thời hoặc theo chuỗi các nguyên công khoan như khoan, khoét, doa, taro trên cùng một chi tiết Điều này đồng nghĩa với việc nâng cao đáng kể năng suất của máy khoan

Hình 1 7: Máy khoan nhiều trục Có hai loại chính: máy khoan nhiều trục cố định và máy khoan nhiều trục - Máy khoan nhiều trục cố định: bao gồm nhiều máy khoan nhỏ được lắp thành hang với nhau trên một bệ máy chung Mỗi trục chính của máy có một động cơ riêng Để thực hiện chuyển động Số trục có thể từ hai - sáu và cho phép thực hiện nguyên công khác nhau với dao cắt khác nhau

- Máy khoan nhiều trục: đây là dạng máy khoan có dạng như máy khoan đứng nhưng ở đầu trục chính đặt nhiều trục khoan có lắp dao nối tiếp với trục chính bằng các trục Các trục khoan có thể điều chỉnh đến những vị trí khoan thích hợp và chỉnh có thể gia công tất cả các lỗ khoan

E máy khoan chuyên dụng Máy điển hình là máy khoan tâm dung để khoan lỗ tâm ở 2 đầu phôi hoặc máy khoan sâu dùng để gia công những lỗ có chiều dài rất lớn so với đường kính khoan lỗ trục chính khoan nòng súng

Các kích thước đặc trưng cho máy khoan chuyên dùng là đường kính lớn nhất của mũi khoan độ côn móc của trục chính hoặc độ vươn dài của trục chính như ở máy khoan cần

Hình 1 8: Máy khoan chuyên dụng

1.2.3 Tổng quan về mũi khoan

Mũi khoan đóng vai trò quan trọng trong máy khoan, tương tự như lưỡi cắt trong máy cắt sắt Chức năng chính của mũi khoan là khoét lỗ trên bề mặt vật liệu như gỗ, đá, gạch, kim loại, nhựa

Hình 1 9: Một số loại mũi khoan Định nghĩa về mũi khoan:

Quan sát bề ngoài, mũi khoan có cấu trúc chính được chia thành hai phần quan trọng: phần chuôi và phần làm việc

− Phần chuôi của mũi khoan được sử dụng để kết nối mũi khoan với máy khoan − Phần làm việc của mũi khoan đảm nhận trách nhiệm chính là cắt gọt và khoét lỗ

trên bề mặt vật liệu Phần này của mũi khoan được chia thành hai thành phần

quan trọng: lưỡi cắt chính (đôi khi được gọi là đầu mũi khoan, quyết định khả năng khoan lỗ) và lưỡi cắt phụ (có trên các rãnh xoắn, giúp tạo hình và đẩy vật liệu thừa ra khỏi lỗ khoan) lỗ khoan)

−

Hình 1 10: Cấu tạo của mũi khoan

Cấu trúc của mũi khoan:

Có nhiều loại mũi khoan phổ biến, và phân loại chúng thường dựa vào hai yếu tố quan trọng: vật liệu làm và đối tượng khoan

Phân loại theo chất liệu:

Mũi khoan thép gió (HSS): Toàn bộ mũi khoan được sản xuất từ thép gió HSS Mũi khoan hợp kim (TCT): Lưỡi cắt được làm từ hợp kim chứa chất cứng Vonfram Cacbua (WC), mang lại độ cứng, khả năng chịu nhiệt, và tốc độ khoan cao hơn so với mũi khoan thép gió HSS, tuy nhiên, có giá cả cao hơn nhiều

Cách sử dụng mũi khoan một cách an toàn và hiệu quả: Để đạt được hiệu suất cao khi khoan lỗ trên vật liệu, cần lựa chọn mũi khoan phù hợp với vật liệu và kích thước của máy khoan Đồng thời, cần tuân thủ một số nguyên tắc quan trọng khi sử dụng:

− Chọn mũi khoan phù hợp với vật liệu mà bạn đang cần khoan − Lắp đặt mũi khoan vào máy theo kỹ thuật, đảm bảo chặt chẽ để tránh nguy cơ

gây nguy hiểm và giữ độ chính xác của lỗ khoan − Sử dụng lực khoan đều và phù hợp để tránh nguy hiểm và bảo đảm chất lượng

của lỗ khoan − Đảm bảo máy khoan được làm mát đúng cách trong quá trình khoan, đặc biệt là

khi sử dụng mũi khoan đắt tiền để khoan trên bề mặt cứng

− Giữ tâm của trục máy khoan và tâm của mũi khoan trùng khớp và luôn vuông góc với mặt phẳng cần khoan

− Kẹp chặt vật liệu cần khoan để đảm bảo tính đẹp mắt và an toàn cho người sử dụng

Chương 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

2.1.2 Phân tích và lựa chọn phương án cấp phôi

Bộ truyền vít me, đai ốc

Vị trí cấp phôi hệ thống sử dụng động cơ bước kết hợp với vít me di chuyển tịnh tiến

Kết luận: Dựa trên việc phân tích các ưu và nhược điểm như trên, nhóm đã

chọn cơ cấu truyền động là hệ thống vitme đai ốc do nó có các ưu điểm như độ chính xác truyền động cao, tỷ số truyền lớn, truyền động êm, khả năng tự hãm, và khả năng truyền lực lớn, điều này phù hợp với yêu cầu của hệ thống truyền động trong đề tài

2.1.3 Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế trục Y

Bộ truyền vít me, đai ốc

Cơ cấu di chuyển trục Y sử dụng vít me làm thanh dẫn đi kèm bánh xe dẫn hương để di chuyển cân bằng 2 bên

Nhược điểm:

+ Hiệu suất của bộ truyền thấp + Ren bị mòn nhanh khi phải làm việc với tốc độ cao

Kết luận: Với các ưu nhược điểm phân tích như trên nhóm đã lựa chọn hệ

thống truyền động là cơ cấu vitme đai ốc do nó các ưu điểm là độ chính xác truyền động cao, tỷ số truyền lớn, truyền động êm, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn nên rất phù hợp với những yêu cầu của hệ thống truyền động của đề tài

2.1.4 Phân tích và lựa chọn phương án trục X và trục Z

Cơ cấu trục X và trục Z sử dụng 2 động cơ bước làm nguồn dẫn Khi động cơ trục x hoạt động sẽ kéo theo bộ trục Z đang được cố định với áo vít me nhằm mục đích di chuyển từ trái sang phải và ngược lại

Khi động cơ trục Z hoạt động sẽ di chuyển bộ gá động cơ khoan và xi lanh di chuyển lên xuống, sử dụng 2 pully gắn ở động cơ và trục vít me động cơ sẽ kéo trục thông qua pully và dây đai

Xi lanh đôi có nhiệm vụ giữ đầu hút chân không nhằm cho việc lấy phôi Động cơ khoan thực hiện khoan tự động

Ưu điểm

+ Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và có giá thành thấp + Có khả năng truyền chuyển động giữa hai trục có khoảng cách xa mà vẫn giữ kích thước của bộ truyền không quá lớn

+ Hoạt động êm, không tạo ra tiếng ồn đáng kể

Nhược điểm

+ Bộ truyền đai có thể bị trượt, không ổn định + Bộ truyền có khả năng tải không cao Kích thước của bộ truyền lớn hơn so với các bộ truyền khác khi phải xử lý cùng mức tải trọng Đồng thời, tuổi thọ của bộ truyền này tương đối thấp, đặc biệt là khi hoạt động ở vận tốc cao

+ Lực tác dụng lên trục và ổ lớn, có thể gấp 2÷3 lần so với bộ tuyền bánh răng

2.2 Thiết kế mô hình 3D sản phẩm máy

Thiết kế 3D là sử dụng các công cụ và phần mềm chuyên về thiết kế 3D để tạo ra những hình ảnh 3D (three-dimensional) về các nhân vật, đồ vật, khung cảnh, môi trường,… ứng dụng trong các lĩnh vực rộng khắp: từ game, phim ảnh, hoạt hình, quảng cáo đến cơ khí, kiến trúc, xây dựng Trong ngành kỹ thuật thì thiết kế 3D đóng vai trò quan trọng và ngày càng trở nên phổ biến, thiết kế 3D có tầm vai trò và tầm quan trọng như sau:

Hiển thị và trực quan hóa: Thiết kế 3D cho phép tạo ra mô hình số hóa của các sản phẩm, chi tiết và hệ thống kỹ thuật Điều này giúp các kỹ sư và nhà thiết kế có thể hiển thị sản phẩm một cách trực quan và chân thực, giúp người dùng dễ dàng nhìn thấy và hiểu về thiết kế

Phân tích và mô phỏng: Thiết kế 3D cung cấp môi trường để thử nghiệm và mô phỏng hoạt động của các sản phẩm, hệ thống hoặc công trình trước khi chúng được xây dựng Điều này giúp đánh giá tính khả thi, hiệu suất và tương tác của các phần tử trong thiết kế, từ đó giảm thiểu rủi ro và tối ưu hóa quá trình phát triển

Tăng cường sáng tạo và tối ưu hóa: Thiết kế 3D cung cấp cho các nhà thiết kế một công cụ mạnh mẽ để tạo ra và thử nghiệm các ý tưởng sáng tạo Nó cho phép các biến thể và thay đổi nhanh chóng để tìm ra giải pháp tốt nhất trong quá trình thiết kế Bằng cách tối ưu hóa và điều chỉnh thiết kế trong không gian 3D, kỹ sư có thể đạt được hiệu suất cao hơn và tiết kiệm chi phí sản xuất

Giao tiếp và hợp tác: Thiết kế 3D cung cấp một phương tiện để truyền tải thông tin rõ ràng và chính xác về thiết kế Nó tạo ra mô hình 3D có thể được chia sẻ và xem trên nhiều nền tảng và thiết bị khác nhau, giúp cải thiện giao tiếp giữa các thành viên trong đội ngũ kỹ thuật và với khách hàng Nó cũng hỗ trợ việc hợp tác từ xa và trao đổi ý kiến nhanh chóng

Hiện nay có rất nhiều phần mềm dùng để thiết kế mô phỏng cơ khí kỹ thuật như Creo Parametric, Solidwork, Revit, Inventor, SketchUp, Fusion 360… mỗi phần mềm sẽ có những tính năng, ưu và nhược điểm khác nhau, tùy thuộc vào nhu cầu mà người sử dụng sẽ lựa chọn phần mềm thiết kế mô phỏng phù hợp Và đối với nhóm chúng em sẽ lựa chọn phần mềm SolidWorks để thiết kế và mô phỏng 3D sản phẩm

Phần mềm Solidworks là một trong những ứng dụng chuyên về thiết kế 3D do hãng Dassault System phát hành, dành cho cả các doanh nghiệp vừa và nhỏ, đáp ứng đa dạng nhu cầu thiết kế cơ khí và kỹ thuật Solidworks đã trở nên nổi tiếng từ phiên bản Solidworks 1998, và đã được giới thiệu tại Việt Nam từ phiên bản 2003, tiếp tục phát triển đến nay với phiên bản 2022 Phần mềm này đã mở rộng thư viện cơ khí của mình và không chỉ dành cho các doanh nghiệp cơ khí, mà còn hỗ trợ nhiều ngành khác nhau như đường ống, kiến trúc, trang trí nội thất, và mỹ thuật

Hình 2 2: Mô hình thực tế đã được sử dụng

2.2.1 Thiết kế cụm trục Z

Trục Z chịu toàn bộ khối lượng của động cơ trục chính trong lúc hoạt động gia công, cũng như mang toàn bộ các bộ phận dẫn động, dẫn hướng của trục Z nên phải đảm bảo yêu cầu cứng vững trong thời gian hoạt động, không bị rung, xô lệch trong qua trình cắt vật liệu của động cơ trục chính

Kết cấu cụm trục Z , có chức năng đưa dụng cụ cắt tịnh tiến theo trục Z trong quá trình gia công Hành trình trục Z nhóm em thiết kế có thể di chuyển là 20cm

Hình 2 3: Kết cấu thiết kế cụm trục Z Bảng 2 1:Chú thích kết cấu cụm trục Z

Hình 2 4: Mô hình thiết kế 3D cụm trục Z

2.2.2 Thiết kế cụm trục X

Trục X chịu toàn bộ khối lượng của cụm trục Z trong lúc hoạt động gia công nên phải dảm bảo yêu cầu cứng vững trong thời gian hoạt động, không bị rung, xô lệch trong qua trình cắt vật liệu của động cơ trục chính, chuyển động của trục Z

Kết cấu cụm trục X có chức năng điều khiển bàn máy tịnh tiến theo trục X Hành trình trục X nhóm em thiết kế có thể di chuyển là 600mm

Hình 2.5: Kết cấu thiết kế cụm trục X Bảng 2.2: Chú thích kết cấu thiết kế cụm trục X

Hình 2.6: Mô hình thiết kế 3D cụm trục X

2.2.3 Thiết kế cụm trục Y

Trục Y chịu toàn bộ khối lượng của trục X, Z trong lúc hoạt động gia công, cũng như mang toàn bộ các bộ phận dẫn động, dẫn hướng của trục Y nên phải dảm bảo yêu cầu cứng vững trong thời gian hoạt động, không bị rung, xô lệch trong qua trình cắt vật liệu của động cơ trục chính, chuyển động của trục X, Z Hành trình trục Y nhóm em thiết kế có thể di chuyển là 700mm

Hình 2.7: Kết cấu thiết kế cụm trục Y Bảng 2.3: Chú thích kết cấu thiết kế cụm trục Y

1 Động cơ Bước 6 Gối đỡ di chuyển trục Y

Hình 2.8: Mô hình thiết kế 3D cụm trục Y

2.2.4 Mô hình tổng thể sản phẩm sau khi thiết kế 3D

Hình 2.9: Hướng nhìn mặt trước khung máy 3D sản phẩm

Hình 2.10: Hướng nhìn mặt sau khung máy 3D sản phẩm

Hình 2.11: Hướng nhìn mặt bên khung máy 3D sản phẩm

Hình 2.12: Hướng hình mặt trên khung máy 3D sản phẩm

Hình 2.13: Mô hình tổng thể sản phẩm được thế kế 3D Sau khi hoàn thành việc thiết kế 3D, nhóm em tiến hành xuất bản vẽ các chi tiết để gửi đến xưởng gia công Bản vẽ được xuất bởi phần mềm AutoCad, bản vẽ toản thể khung máy và một số bản vẽ chi tiết được đính kèm trong phần phụ lục

2.3 Phân tích và lựa chọn phương án

2.3.1 Lựa chọn phương án thiết kế khung máy

Sử dụng bàn máy cố định, trong đó trục Y di chuyển đồng bộ với trục X, và trục X mang theo trục Z, giúp tăng cường tính linh hoạt và mở rộng phạm vi vùng gia công Thiết kế này thuận lợi cho việc tích hợp các trục khác trên bàn máy Để đảm bảo độ cứng và ổn định cao trong quá trình gia công các chi tiết có kích thước lớn và trọng lượng nặng, cần phải chú trọng vào việc kỹ lưỡng trong thiết kế khung máy

Hình 2 14: Thiết kế máy khoan tự động khung cố định

2.3.2 Động cơ truyền động các trục

Máy khoan thường sử dụng động cơ truyền động trục với các loại như AC servo motor, DC servo motor, hoặc step motor Mỗi loại động cơ này mang lại những ưu và nhược điểm riêng

Hình 2 15: Động cơ servo và động cơ bước Bảng 2 5: Đặc điểm của động cơ Servo và động cơ bước

Đặc điểm Servo motor Step motor

Tốc độ Nhanh (tối đa khoảng

3000-5000 RPM)

Chậm (tối đa khoảng 1000-2000 RPM)

Hiện tượng trượt bước Khó xảy ra trượt bước Có thể xảy ra (trong

trường hợp tải quá lớn) Phương pháp điều khiển Vòng kín (có Encodor) Vòng hở

(không có encodor) Giá thành (động cơ+driver) Giá thành đắt Giá thành rẻ

Độ phân giải

Phụ thuộc vào độ phân giải của encoder Độ phân giải vào khoảng 0.36° (1000 PPR) – 0.036° (10000 PPR)

2 pha PM: 7.5° (48 PPR) 2 pha HB: 1.8° (200 PPR)

5 pha HB: 0.72° (500 PPR) hoặc 0.36° (1000

PPR) Dựa trên các đặc điểm quan trọng của AC servo motor và step motor, cùng với kích thước và yêu cầu cụ thể của máy khoan ba trục mà nhóm chúng em đang phát triển, và với mục tiêu tối ưu hóa chi phí, quyết định của chúng em là sử dụng động cơ bước (step motor) kết hợp với bộ điều khiển (driver step motor) để truyền động cho các trục của máy Sự chọn lựa này không chỉ đáp ứng đúng yêu cầu kỹ thuật mà còn mang lại hiệu quả chi phí cao nhất trong quá trình xây dựng và vận hành máy khoan ba trục của chúng em

2.3.3 Lựa chọn phương án cho độ di chuyển động cơ khoan

Từ việc lựa chọn phương án thiết kế động cơ trục Z giúp cho việc di chuyển động cơ khoan và cơ cấu lấy phôi thì nhóm quyết định sử dụng phương án truyền động trục là truyền động đai răng

Hình 2.16: Bộ truyền đai răng loại nhỏ Bộ truyền đai răng có những ưu và nhược điểm:

❖ Ưu điểm:

- Truyền động mượt, ít tạo ra tiếng ồn, không cần bôi trơn - Chi phí rẻ, trên thị trường có sẵn, có nhiều loại và kích cỡ để chọn lựa - Tránh được hiện tượng trượt đai nhờ có các răng trên đai cũng như pully - Tăng được tỉ số truyền và truyền động được cho 2 trục cách xa nhau, hiệu

suất truyền động cao

2.3.4 Lựa chọn cơ cấu truyền động cho trục X, Y, Z

Lựa chọn cơ cấu truyền động cho các trục X, Y, Z, nhóm đã đưa ra 3 phương án truyền động như bảng sau:

Bảng 2.6: Lựa chọn phương án cơ cấu truyền động trục X, Y, Z

Chức năng - yêu cầu

Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3

Vitme - đai ốc Vitme - đai ốc Vitme – bộ

truyền đai

Khả năng tải Trung bình Trung bình Cao

Hình 2.17: Vitme – đai ốc thường Phương án 2: Sử dụng bộ truyền vitme - đai ốc con lăn ren có một số ưu điểm so với các bộ truyền vít me của 2 phương án còn lại là có khả năng tải cao hơn, có tuổi thọ cao hơn gấp 10 lần, tốc độ quay nhanh hơn, độ cứng vững cao Tuy nhiên vitme – đai ốc con lăn ren có nhược điểm là bộ truyền này hiện rất ít gặp ở thị trường nước ta, chi phí cao

Hình 2.18: Vitme – đai ốc con lăn ren Phương án 3: : Sử dụng bộ truyền vitme - đai ốc bi có hiệu suất cao, lực ma sát phụ thuộc vào vận tốc, thích hợp trong các cơ cấu chuyển động chính xác, hệ thống điều khiển và các bộ truyền quan trọng Bộ truyền này hiện trên thị trường luôn có sẵn với chi phí tương đối cao

Hình 2.19: Vitme – đai ốc bi Sau khi phân tích, đánh giá các phương án, nhóm thấy rằng phương án sử dụng bộ truyền vitme - đai ốc bi là thích hợp nhất

2.3.5 Hệ thống dẫn hướng trục

Về hệ thống dẫn hướng trục, nhóm đưa ra 2 phương án lựa chọn dẫn hướng trục là sử dụng ray trượt vuông và trục trượt tròn

Bảng 2.7: Lựa chọn phương án dẫn hướng trục

Chức năng - yêu cầu Phương án 1 Phương án 2

Ray trượt vuông Trục trượt tròn

Hình 2.20: Dẫn hướng loại ray trượt vuông Phương án 2: Sử dụng trục trượt tròn tuy có một số điểm bất lợi hơn ray trượt vuông về khả năng tải cũng như độ chính xác nhưng nó có ưu điểm so với ray trượt vuông là chi phí rẻ hơn, độ chính xác vị trí tương đối chấp nhận được vào khoảng 0,254mm trên 3m chiều dài Nó rất thích hợp với các loại máy có hành trình nhỏ, khả năng tải thấp