Đề tài nghiên cứu và chế tạo hệ thống cnc 3 trục Ứng dụng phay vật liệu mica

1 LỜI NÓI ĐẦU Với sự phát triển không ngừng của các thành tựu Khoa học – Công nghệ , đặc biệt là lĩnh vực điều khiển số và tin học đã cho phép các nhà chế tạo ứng dụng vào máy cắt kim

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

CHUYÊN NGÀNH TỰ ĐỘNG HÓA CÔNG NGHIỆP

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CNC 3 TRỤC ỨNG DỤNG

PHAY VẬT LIỆU MICA

Người hướng dẫn: Nguyễn Trung Thành

Sinh viên thực hiện: Đỗ Văn Khải

Mã số SV: 12220086

Lớp: 122201.5

Hưng Yên – năm 2024

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Hưng Yên, Ngày Tháng Năm 2024 Giáo viên hướng dẫn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 2

1 Lí do chọn đề tài 2

2 Mục tiêu của đề tài 2

3 Đối tượng của đề tài 2

4 Nội dung nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Kết quả đạt được 3

CHƯƠNG 1 4

Tổng quan về hệ thống máy CNC 4

1.1Giới thiệu chung về CNC 4

1.1.1 Khái niệm 4

1.1.2 Lịch sử phát triển của hệ thống máy CNC 4

1.1.3 Những đặc điểm cơ bản của máy CNC 5

1.2 Các phương pháp điều khiển trên máy CNC 6

1.2.1 Điều khiển 2D 6

1.2.2 Điều khiển 21/2D 6

1.2.3 Điều khiển 3D 7

1.3 Cấu trúc tổng thể máy CNC 7

1.3.1 Phần điều khiển 8

1.3.2 Phần chấp hành 8

1.4 Hệ trục toạ độ trên máy CNC 9

1.4.1 Hệ trục tọa độ trên máy CNC là gì? 9

1.4.2 Hệ trục tọa độ trên các loại máy CNC 10

1.4.3 Các lệnh thiết lập gốc tọa độ trên máy CNC 12

1.5 Cấu tạo của máy CNC 3 trục 13

1.5.1 Cấu tạo 13

1.5.2 Phần cơ khí 13

1.6 Nguyên lý làm việc của máy CNC 3 trục 16

1.7 Ứng dụng của máy CNC 16

1.8 Kết luận chương 1 17

CHƯƠNG 2 18

Thiết kế mạch, tính chọn linh kiện, lắp ráp máy CNC 18

2.1 Bản vẽ thiết kế 18

2.1.1 Thiết kế máy CNC 18

2.1.2 Thiết kế khung máy 19

2.1.3 Bàn gá phôi 19

2.1.4 Thanh trượt 20

2.1.5 Thiết kế gá đỡ động cơ phay trục Z 21

2.1.6 Chân đế 22

2.1.7 Các vai trục Y 22

2.2 Sơ đồ khối mạch điện 23

2.3 Khối PLC 23

2.3.1 Các module của PLC Mitsubishi 24

2.3.2 Thống số kỹ thuật của module nguồn Q61P 24

2.3.3 Thông số kỹ thuật của module CPU Q02H 25

2.3.4 Thông số kỹ thuật của module tín hiệu đầu vào số QX40 26

2.3.5 Thông số kỹ thuật của module tín hiệu đầu ra số QY40P 27

2.3.6 Modun điều khiển vị trí QD77-MS4 28

2.3.7 Đế kết nối các module 29

2.4 Khối điều khiển và động cơ 30

2.4.1 Sơ đồ đấu nối 30

2.4.2 Thông số kỹ thuật của bộ điều khiển Servo Driver MR-J4W3-222B 33 2.4.3 Động cơ 34

2.4.4 Màn hình HMI 38

2.5 Cảm biến chữ U 39

2.6 APTOMAT MCB PANASONIC BD-63R 6C BBD2062CNV 40

2.7 Relay trung gian 41

2.8 TRỤC VITME 41

2.8.1 Khái niệm 41

2.8.2 Đặc điểm của bàn trượt vitme 42

2.8.3 Cách để lựa chọn bàn trượt vitme chính xác nhất 42

2.8.4 Cấu tạo 42

2.8.5 Nguyên lý hoạt động 43

2.8.6 Ứng dụng 44

2.9 Hình hảnh thực tế 44

2.9.1 Trục vitme X 44

2.9.2 Trục vitme Y 44

2.9.3 Trục vitme Z 45

2.9.4 Thực tế của hệ thống máy 45

2.10 Kết luận chương 2 46

CHƯƠNG 3 47

Khảo sát và đánh giá và ứng dụng của máy CNC 47

3.1 Khảo sát và đánh giá 47

3.1.1 Thiết lập các toạ độ điểm và viết trên bề mặt 47

3.1.2 Khảo sát chiều sâu cắt 47

3.1.3 Khảo sát tốc độ cắt 47

3.1.4 Khảo sát tốc độ chuyển động của trục 48

3.1.4 Khảo sát loại dao gia công 48

3.1.2 Đánh giá 49

3.2 kết luận và phát triển đề tài 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

PHỤ MỤC 52

1

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển không ngừng của các thành tựu Khoa học – Công nghệ , đặc biệt là lĩnh vực điều khiển số và tin học đã cho phép các nhà chế tạo ứng dụng vào máy cắt kim loại các hệ thống điều khiển ngày càng tin cậy hơn với tốc độ xử lý nhanh hơn và giá thành hạ hơn Vấn đề tài chính không còn là vấn

đề đáng quan tâm của các nhà doanh nghiệp khi mua sắm máy công cụ điều khiển theo chương trình số, ngay cả các doanh nghiệp loại vừa và nhỏ cũng đều

có thể tự trang bị được

Để có thể giúp cho sinh viên ngành Điện – Điện tử có thể nắm bắt được

công nghệ mới này, chúng em đã tìm hiểu tập tài liệu “Công nghệ gia công

trên máy CNC” để tất cả thầy cô và các bạn đọc tham khảo và ứng dụng

Với mục đích cần đạt được là sinh viên tự mình có thể thực hiện được các công việc từ việc lập trình cho đến thực hiện việc gia công thực tế trên các máy CNC Do vậy mà nội dung bao quát của tập tài liệu này là trình bày một cách

có hệ thống các vấn đề cơ bản nhất mang tính ứng dụng về công nghệ gia công trên máy điều khiển theo chương trình số trên cơ sở của nguồn tài liệu tham khảo trong và ngoài nước cùng với những kinh nghiệm tích luỹ được qua quá trình học như điều khiển với PLC , điện tử công suất, máy điện Em đã được

giao đề tài : “Nghiên cứu và chế tạo hệ thống CNC 3 trục ứng dụng phay vật

liệu mica ” Với sự hướng dẫn của thầy : Nguyễn Trung Thành, em đã tiến

hành nghiên cứu và thiết kế đề tài

Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạn nên không thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy cô đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Sinh viên thực hiện:

Đỗ Văn Khải

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

Máy CNC đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất ở nước ta Đặc biệt, trong ngành cơ khí lĩnh vực tự động hoá cho các máy công cụ và cơ khí chính xác, việc nghiên cứu ứng dụng các máy CNC tạo điều kiện cho quá trình tự động hoá, linh hoạt hoá các dây chuyền sản xuất là rất quan trọng đang được các doanh nghiệp và các trường đạo tạo kỹ thuật quan tâm Đây là lĩnh vực mới và khó, cần có những bước đi thích hợp từ đơn giản đến phức tạp để tiếp cận vấn đề Theo hướng đó, trong các năm qua nhiều đề tài nghiên cứu và chế tạo máy CNC phục vụ gia công cơ khí đã được thực hiện tại trường Đại học Kỹ thuật Hưng Yên với mong muốn chế tạo các máy CNC đạt độ chính xác cao có thể ứng dụng vào sản xuất

Từ những yếu tố trên và niềm đam mê về lĩnh vực CNC của chính bản

thân, nhóm đã bắt tay vào thực hiện nghiên cứu đề tài : “ Nghiên cứu và chế tạo hệ thống CNC 3 trục ứng dụng phay vật liệu mica”

2 Mục tiêu của đề tài

- Tìm hiểu tổng quan, nghiên cứu, khảo sát các hệ thống CNC 3 trục

- Tiến hành thiết kế, chế tạo một hệ thống CNC 3 trục mới

- Khảo sát, so sánh các kết quả thực nghiệm của hệ thống CNC Kết luận

- Rèn luyện khả năng tự học, tự nghiên cứu, khả năng làm việc theo nhóm

và cập nhật các kiến thức thực tế

3 Đối tượng của đề tài

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống CNC 3 trục

3

- CNC là viết tắt của từ “Computer Numerical Control” nghĩa là điều khiển số máy tính, là khái niệm chỉ cách hoạt động của máy công cụ dựa trên cách thức hoạt động của các công cụ đó

4 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu tổng quan, xây dựng sơ đồ khối, lên phương án chế tạo, khai thác các phần tử trong hệ thống, lập kế hoạch thực hiện và dự trù kinh phí

- Nghiên cứu, khảo sát hệ thống CNC hiện có

- Chế tạo thiết bị, tìm hiểu về nguyên lý, cách kết nối, vận hành hệ thống

- Khảo sát và thực nghiệm hệ thống CNC Kết luận

- Viết và hoàn thiện thuyết minh

5 Phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết:

- Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống CNC

- Tìm hiểu các tài liệu liên quan đến lĩnh vực PLC: PLC Mitsubishi ,động

cơ servo và driver điều khiển, phương pháp nội suy,

Thực nghiệm:

- Khảo sát, thực nghiệm hệ thống CNC tại các doanh nghiệp

- Thiết kế, thi công và thử nghiệm hệ thống CNC mới

6 Kết quả đạt được

Thiết kế, chế tạo được một hệ thống CNC hoạt động ổn định và chính xác, đáp ứng được yêu cầu về mặt kĩ thuật và thẩm mỹ

4

CHƯƠNG 1 Tổng quan về hệ thống máy CNC 1.1Giới thiệu chung về CNC

1.1.1 Khái niệm

CNC (Computer Numeric Controlled – điều khiển bằng máy tính) – là điểu khiển các loại máy móc sản xuất bằng cách sử dụng các chương trình viết kí hiệu chuyên biệt bằng máy tính Ta có thể bắt gặp các loại máy CNC thường gặp như: máy tiện, máy phay, máy cắt lazer, máy cắt tia nước, máy đột dập.……

1.1.2 Lịch sử phát triển của hệ thống máy CNC

Năm 1947, John Parsons nảy ra ý tưởng áp dụng điều khiển tự động vào quá trình chế tạo cánh quạt máy bay trực thăng ở Mỹ Trước đó, việc gia công và kiểm tra biên dạng của cánh quạt phải dùng các mẫu chép hình, sử dụng dưỡng,

do đó rất lâu và không kinh tế Ý định dùng bìa xuyên lỗ để doa các lỗ bằng cách cho tín hiệu để điều khiển hai bàn dao, đã giúp Parsons phát triển hệ thống Digital của ông

Với kết quả này, năm 1949, ông ký hợp đồng với USAF ( US Air Force) nhằm chế tạo một loại máy cắt theo biên dạng tự động Parsons yêu cầu trợ giúp

để sử dụng phòng thí nghiệm điều khiển tự động của Viện Công Nghệ Massachusetts (M.I.T.) nơi được chính phủ Mỹ tài trợ để chế tạo một loại máy phay 3 tọa độ điều khiển bằng bằng chương trình số

Sau 5 năm nghiên cứu, J Parsons đã hoàn chỉnh hệ thống điều khiển máy phay và lần đầu tiên trong năm 1954, M.I.T đã sử dụng tên gọi “Máy NC” Trong những năm 60, thời gian đã chín mùi cho việc phát triển và ứng dụng các máy NC Rất nhiều thành viên của ngành công nghiệp hàng không Mỹ đã nhanh chóng ứng dụng, phát triển và đã sản sinh ra thế hệ máy mới (CNC) cho phép phay các biên dạng phức tạp, tạo hình với hai, ba hoặc bốn và năm trục (ba tịnh tiến và hai quay)

Các nước châu Âu và Nhật Bản phát triển có chậm hơn một vài năm, nhưng cũng có những đặc điểm riêng, chẳng những về mặt kỹ thuật, mà cả về kết cấu như kết cấu trục chính, cơ cấu chứa dao, hệ thống cấp dao v.v…

Từ đó đến nay, hàng loạt máy CNC ra đời với đủ chủng loại và phát triển không ngừng Sự phát triển đó dựa vào thành tựu của các ngành: máy tính điện

tử, điện tử công nghiệp và điều khiển tự động … Nhất là trong thập niên 90, máy CNC đã đổi mới nhanh chóng chưa từng có trong lãnh vực tự động

5

1.1.3 Những đặc điểm cơ bản của máy CNC

Tính năng tự động hóa cao: Tiện CNC có năng suất cắt cao và giảm được

tối đa thời gian phụ, do mức độ tự động hóa được nâng cao vượt bậc Tùy từng mức độ tự động, Tiện CNC có thể thực hiện cùng một lúc nhiều chuyển dộng khác nhau, có thể tự động thay dao, hiệu chỉnh sai số dao cụ, tự động kiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự động hiệu chỉnh sai lệch vị trí tương đối giữa

dao và chi tiết, tự động tưới nguội, tự động hút phoi ra khỏi khu vực cắt

Tính năng linh hoạt cao: Chương trình có thể thay đổi dễ dàng và nhanh

chóng, thích ứng với các loại chi tiết khác nhau Do đó rút ngắn được thời gian phụ và thời gian chuẩn bị sản xuất, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tự động hóa sản xuất hàng loạt nhỏ, bất cứ lúc nào cũng có thể sản xuất nhanh chóng những

chi tiết đã có chương trình

Vì thế, không cần sản xuất chi tiết dự trữ, mà chỉ giữ lấy chương trình của chi tiết đó Tiện CNC gia công được những chi tiết nhỏ, vừa, phản ứng một cách linh hoạt khi nhiệm vụ công nghệ thay đổi và điều quan trọng nhất là việc lập trình gia công có thể thực hiện ngoài máy, trong các văn phòng có sự hỗ trợ của kỹ thuật tin học thông qua các thiết bị máy tính, vi xử lý…

Hình 1.1 Hệ thống máy CNC

Tính năng tập trung nguyên công: Đa số các máy tiện CNC có thể thực

hiện số lượng lớn các nguyên công khác nhau mà không cần thay đổi vị trí gá đặt của chi tiết từ khả năng tập trung nguyên công, các Tiện CNC đã được phát

triển thành các trung tâm gia công CNC

6

Tính năng chính xác: Đảm bảo chất lượng cao: giảm được hư hỏng do sai

sót của con người đồng thời cũng giảm được cường độ chú ý của con người khi làm việc có khả năng gia công chính xác hàng loạt Độ chính xác lặp lại, đặc trưng cho mức độ ổn định trong suốt quá trình gia công là điểm ưu việt tuyệt đối của Tiện CNC Tiện CNC có hệ thống điều khiển khép kín có khả năng gia công được những chi tiết chính xác cả về hình dáng đến kích thước những đặc điểm này thuận tiện cho việc lắp lẫn, giảm khả năng tổn thất phôi liệu ở mức thấp nhất

1.2 Các phương pháp điều khiển trên máy CNC

1.2.1 Điều khiển 2D

Điều khiển biên dạng 2D cho phép thực hiện chạy dao trên 2 trục đồng thời trong một mặt phẳng gia công Nếu một máy phay CNC có 3 trục thì điều khiển biên dạng 2D có thể phay được với 2 trục Trục thứ 3 phải được tiến dao độc lập với trục kia

Hình1.2 Dạng 2D

1.2.2 Điều khiển 21/2D

Dạng điều khiển biên dạng này cho phép chuyển ăn dao đồng thời theo 2 trục nào đó để gia công bề mặt trong mặt phẳng nhất định Điều khiển biên dạng 2,5D khác với các điều khiển 2D ở yếu tố 2 trục được điều khiển đồng thời có thể đổi vị trí cho nhau

Trên máy phay CNC 3 trục, có thể điều khiển đồng thời trục X và Y, trục

Y và Z hoặc X và Z Tùy theo mặt phẳng gia công được chọn mà các trục khác nhau được điều khiển đồng thời Do vậy các chuyển động có thể ở các mặt phẳng như: X0Y, Y0Z, X0Z

7

Hình 1.3 Dạng 21/2D

1.2.3 Điều khiển 3D

Đây là dạng điều khiển cho khả năng chạy dao đồng thời ở cả 3 trục X, Y,

Z theo một quan hệ ràng buộc Điều khiển 3D thường được ứng dụng trong gia công khuôn mẫu, gia công các chi tiết có bề mặt gia công không gian phức tạp

Hình 1.4 Dạng 3D

1.3 Cấu trúc tổng thể máy CNC

Hình 1.5 Các cấu trúc trên máy CNC

8

1.3.1 Phần điều khiển

Phần điều khiển của máy CNC gồm chương trình điều khiển và thiết bị điều khiển:

1 Chương trình điều khiển: là tập hợp các tín hiệu để điều khiển máy

được mã hóa các chữ cái, số và một số ký hiệu khác (cộng, trừ, chấm, gạch nghiêng) Chương trình này được ghi vào cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã số (mã thập phân, nhị phân, bảng đục lỗ)

2 Cơ cấu điều khiển: có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương

trình, thực hiện các biến đổi cần thiết để điều khiển được cơ cấu chấp hành và kiểm tra sự hoạt động của cơ cấu chấp hành thông qua các cảm biến liên hệ ngược Cơ cấu điều khiển gồm: cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuếch đại, cơ cấu hành trình, cơ cấu đo vận tốc các thiết bị xuất nhập tín hiệu

1.3.2 Phần chấp hành

Phần chấp hành gồm máy cắt kim loại và một số cơ cấu phục vụ vấn đề từ động hóa như cơ cấu chứa dao, cơ cấu tay máy, hệ thống bôi trơn, hệ thống hút thổi phoi, cấp phôi

Phần máy cắt kim loại là bộ phận trực tiếp tham gia vào quá trình cắt gọt

để tạo thành chi tiết

Phần máy cắt kim loại cũng bao gồm hộp tốc độ, hộp chạy dao thân máy, sóng trượt, bàn máy, trục chính,… Các bộ phận này về cơ bản cũng chính là những bộ phận trong máy vạn năng thông thường Tuy nhiên để phù hợp với quá trình điều khiển tự động, có độ chính xác, năng suất cao và mở rộng khả năng công nghệ của máy thì những bộ phận trên có những khác biệt so với máy thông thường

• Hộp tốc độ: thường là điều chỉnh vô cấp nmin đến nmax, hoặc vô cấp trong một khoảng giá trị nhất định trong hộp tốc độ

• Hộp chạy dao: có nguồn dẫn động riêng, thông thường mỗi chuyển động

chạy dao được dẫn động bởi một động cơ riêng lẻ Xét về mặt cơ khí thì giữa chúng hoàn toàn độc lập với nhau Trong xích truyền động thường

sử dụng các phương pháp khử khe hở của bộ truyền vít me- đai ốc bi…

• Thân máy: được thiết kế sao cho dễ thải phoi, tưới trơn, dễ thay dao tự

động, một số máy còn có thiết bị thay dao tự động hiệu chỉnh tự động khi dao bị mòn…

9

1.4 Hệ trục toạ độ trên máy CNC

1.4.1 Hệ trục tọa độ trên máy CNC là gì?

Các hệ trục tọa độ máy CNC cho phép bạn mô tả chính xác tất cả các điểm trên bề mặt gia công cũng như trong không gian Cũng như có thể tính toán quỹ đạo chuyển động của các dụng cụ

Trên các máy CNC, người lập trình thường sử dụng hệ tọa độ Descartes OXYZ Chúng được xác định theo quy tắc bàn tay phải và được gắn vào chi tiết gia công

Hình 1.6 Hệ trục tọa độ trên máy CNC

Gốc của hệ trục tọa độ có thể đặt tại bất kỳ một điểm nào đó trên chi tiết Nhưng thông thường 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

Hình 1.7 Hệ trục tọa độ trên máy CNC theo quy tắc bàn tay phải

Trên các máy điều khiển theo chương trình số, chi tiết gia công luôn luôn

là cố định và gắn với hệ thống tọa độ cố định Mọi chuyển động tạo hình và cắt gọt đều do dụng cụ thực hiện

10

Phương trục chính của máy là phương của trục OZ Chiều dương của nó được quy ước khi dao tiến ra xa chi tiết 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 Chúng sẽ được xác định là dương, khi chiều quay đó có hướng thuận 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

1.4.2 Hệ trục tọa độ trên các loại máy CNC

* Hệ trục tọa độ máy phay CNC

- Hệ trục tọa độ máy phay đứng CNC

Trục chính của máy phay đứng CNC có phương thẳng đứng và trùng với phương của trục OZ trong hệ tọa độ Decart

Trục OX và OY được gắn trên bàn máy Trục OX có thể dịch chuyển một đoạn dài hơn Nếu bạn đứng trước máy thì chiều dương của trục X có hướng sang trái và của trục Y có hướng từ trong ra ngoài như hình bên dưới

Hình 1.8 Hệ trục tọa độ máy phay đứng CNC

- Hệ trục tọa độ máy phay ngang CNC

Trục chính của máy phay ngang cũng là phương của trục OZ hướng vào máy Trục OX nằm trên hoặc song song với bàn máy Chiều dương của nó hướng về phía bên trái và vuông góc với trục OZ như hình bên dưới

11

Hình 1.9 Hệ trục tọa độ máy phay ngang CNC

* Hệ trục tọa độ máy tiện CNC

- Máy tiện CNC thường có loại 2D và 3D, trong đó loại 2D phổ biến hơn

Vì nó có thể gia công được tất cả các bề mặt trụ ngoài hoặc trụ trong có đường sinh bất kỳ

- Các máy tiện 3D ngoài các chức năng như ở máy 2D Có thể bố trí thêm một trục quay thứ 3 là của trục chính, gọi là trục C, quay xung quanh trục OZ Chiều dương của trục C được biểu diễn theo hướng mũi tên như hình vẽ trong hình bên dưới

- Sau khi thiết lập được hệ trục tọa độ thì người lập trình sẽ tiến hành lấy gốc phôi trên máy tiện CNC cũng như cài đặt các lệnh cần thiết và tiến hành gia công

Hình 1.10 Hệ trục tọa độ máy tiện CNC

Nếu nhìn từ gốc tọa độ thì chiều quay sẽ là dương nếu chạy theo kim đồng

hồ Có thể tìm ra ký hiệu của góc A, B và C trên tọa độ cực theo hình minh họa dưới đây:

• Gốc tọa độ cực tương ứng với góc quay quanh trục Z là C Nếu điểm đến nằm trong mặt phẳng X, Y của hệ tọa độ

• Gốc tọa độ cực tương ứng với góc quay quanh trục X là A Nếu điểm đến nằm trong mặt phẳng X, Y của hệ tọa độ

• Gốc tọa độ cực tương ứng với góc quay quanh trục Y là B Nếu điểm đến nằm trong mặt phẳng X, Z của hệ tọa độ

Lệnh cài đặt gốc tọa độ lập trình gồm các mã lệnh sau: G54, G55, G56, G57, G58 và G59

*Lệnh dịch chỉnh và thiết lập gốc tọa độ mới trong lập trình CNC

• Lênh dịch chỉnh hệ tọa độ lập trình

Cấu trúc: G52 X… Y… ;

13

Trong đó X…, Y… là khoảng cách dịch chỉnh để thiết lập hệ tọa độ mới

• Lệnh thiết lập gốc tọa độ chương trình mới

Cấu trúc:

G10 P(1,…6) X Y… ; hoặc G54(G55…G59) G10 X…Y… ;

P(1,….6) là số hiệu hệ tọa độ làm việc P1: G54 và P2: G55

1.5 Cấu tạo của máy CNC 3 trục

1.5.1 Cấu tạo

Máy CNC ba trục gồm 2 phần chính là phần cơ khí và phần điều khiển:

- 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

- Phần điều khiển: các loại động cơ, các hệ thống điều khiển và máy tính trung tâm

1.5.2 Phần cơ khí

- Thân máy và đế máy:

Trong cấu tạo của máy CNC thì đế máy rất quan trọng, có công dụng như một bộ giáp để bảo vệ máy Đế máy chịu toàn bộ khối lượng của máy, đồng thời là mặt phẳng ngang giúp các trục máy hoạt động thẳng Khi hoạt động, tùy theo công suất của máy CNC mà chuyển động của các trục sẽ làm rung lắc thân máy, vì vậy một đế máy có kết cấu chắc chắn sẽ giúp giảm đi độ rung của máy CNC khi hoạt động

- Trục chính:

Hình 1.12 Cụm chục chính CNC Trục chính hay còn gọi là trục Spindle là thành phần có tính quyết định nhất trong máy CNC Một trục ổn định sẽ hợp nhất với sự điều khiển của động

cơ cùng với hệ thống bôi trơn và nguồn điện cung cấp Đảm bảo độ chính xác

và có thể đoán trước được năng suất của máy

14

- Khung máy:

Khung máy là bộ phận cơ sở để lắp tất cả các thiết bị và bộ phận khác như bàn máy, trục chính,… lên nó tạo thành máy hoàn chỉnh Máy CNC chỉ có thể hoạt động chính xác và an toàn khi có một bộ khung chắc chắn và chính xác Phải đảm bảo đủ độ cứng, có khả năng chống và hấp thụ rung động

- Vitme và đai ốc:

Hình 1.13 Vitme bi và đai ốc Vitme bi (ballscrews) là một bộ truyền động tuyến tính cơ học, biến đổi chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến với ma sát nhỏ Một trục vitme cấu tạo gồm rãnh xoắn ốc cho các viên bi trong ổ bi, vòng bi chạy bên trong Ổ bi hoạt động bằng cách chuyển động tịnh tiến qua lại một cách chính xác

- Dao cắt:

Hình 1.14 Dao cắt CNC

15

Dao là dụng cụ cắt được dùng để gia công bề mặt của máy CNC Khi

sử dụng dao cho máy CNC, cần sử dụng các loại dao chất lượng cao nhằm giảm rung động và đảm bảo độ chính xác cho chi tiết gia công

Phần điều khiển:

- Động cơ Servo:

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

Động cơ servo là một thành phần trong hệ thống servo Động cơ servo nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và cung cấp lực chuyển động cần thiết cho các thiết bị máy móc khi vận hành với tốc độ và độ chính xác cực kỳ cao

Hình 1.15 Cấu tạo động cơ Servo

Hệ thống điều khiển:

Hệ thống điều khiển CNC gồm bộ điều khiển Servo Driver MR- J4W3- 222B để cài đặt thông số và điều khiển động cơ Module QD77MS4 để điều khiển truyển động của 3 trục

Hệ thống điều khiển CNC có thể là hệ thống điều khiển hở (open loop) hoặc hệ thống điều khiển kín (closed loop) Sự khác nhau cơ bản là hệ thống điều khiển kín có phản hồi nhằm đảm bảo độ chính xác yêu cầu

- Hệ thống điều khiển hở:

Hệ thống điều khiển hở không có mạch phản hồi Hệ điều khiển hở rất nhạy cảm với sự thay đổi của tải trọng Các sai số vị trí và tốc độ có thể xảy

1.6 Nguyên lý làm việc của máy CNC 3 trục

Vì máy CNC có khá là nhiều loại khác nhau, mỗi loại sẽ có một kiểu hoạt động của riêng mình Nhưng về hoạt động của chúng sẽ tương tự như sau:

- Khi máy CNC hoạt động, trục chính di chuyển trên 3 trục X, Y, Z theo tọa độ

- Khi máy CNC được khởi động và thực hiện các lệnh cắt, trục Z sẽ di chuyển lên xuống theo khoảng cách được cài đặt

Hình 1.16 Nguyên lý hoạt dộng máy CNC Tùy theo từng loại máy CNC mà hoạt động của máy sẽ thay đổi Thông thường các máy CNC sẽ điều khiển dụng cụ cắt chạy trên bề mặt vật liệu, tuy nhiên một số máy CNC có thể giữ nguyên dụng cụ cắt (dụng cụ cắt chỉ thay đổi

độ cao) và cho vật liệu đươc gắn trên bàn máy di chuyển để dụng cụ cắt cắt vật liệu

1.7 Ứng dụng của máy CNC

Máy CNC ba trục dùng để chế tạo ra các máy móc, thiết bị và dây chuyền sản xuất phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp.Một số ngành ứng dụng máy CNC nổi bật:

- Ngành gia công chế tạo khuôn mẫu

- Chế tạo linh kiện

17

- Ngành công nghiệp ô tô

- Ngành điêu khắc trang trí và nội thất

- Ngành điện tử

Ngoài ra, máy CNC ứng dụng rất nhiều trong đời sống hằng ngày, từ vẽ hình đơn giản cho đến khắc lên các vật liệu như gỗ, sắt, thép,… Sự phát triển của kỹ thuật đã giúp cho máy CNC là một công cụ không thể thiếu trong mọi công việc kỹ thuật

1.8 Kết luận chương 1

Sau khi tìm hiểu tổng quan về hệ thống CNC ta rút ra được các kiến thức liên quan trực tiếp tới đề tài thiết kế và chế tạo hệ thống, nắm rõ các định nghĩa, khái niệm cấu tạo, ứng dụng cơ bản của hệ thống CNC

18

CHƯƠNG 2 Thiết kế mạch, tính chọn linh kiện, lắp ráp máy CNC

2.1 Bản vẽ thiết kế

2.1.1 Thiết kế máy CNC

Chọn phương án thiết kế máy CNC 3 trục để phục vụ học tập, nghiên cứu

và đào tạo Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor để thiết kế và mô phỏng mô hình, lựa chọn động cơ trục chính, trục vitme và các động cơ truyền động, tính chọn các mạch điện và cài đặt các thông số hợp lý cho phần mềm điều khiển máy Thông thường các máy CNC chỉ chuyển động theo đường thẳng đối với thiết kế này máy chuyển động được nội suy theo các đường cong trong đó trục

X và trục Y đóng vai trò quan trọng, còn trục Z để nâng hạ động cơ phay Đối với thiết kế này máy thực hiện gia công được các loại vật liệu mềm như vẽ, Mica, gỗ Thiết kế máy nhỏ gọn dễ di chuyển, hình ảnh thiết kế máy :

Hình 2.1 Bản vẽ chi tiết Kích thước bên ngoài hệ thống:490 x 700 x690 mm

Kích thước mặt các mặt: 490 x 690 mm

19

2.1.2 Thiết kế khung máy

Hình 2.2 Bản vẽ khung máy Khung máy sử dụng nhôm tấm Ưu điểm của lựa chọn này là giá thành vật liệu rẻ, sẵn có, gia công và lắp ghép đơn giản và độ cứng vững đủ cho máy nhỏ Kích thước máy trong thiết kế là 540x400x90mm, phạm vi hoạt động 420x250x75mm Các chi tiết cơ khí thường dùng cho chế tạo máy CNC mini 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 servo, phù hợp với thiết kế máy nhỏ vì nó có giá thành rẻ, dễ điều khiển, độ chính xác cao

2.1.3 Bàn gá phôi

Hình 2.3 Mặt bàn làm việc máy CNC Kích thước mặt khung làm việc hệ thống 540x350x10 mm được làm bằng nhựa nguyên khối

Không gian gá phôi : 250x420 mm

- Là khung đỡ cho trục X,Y

- Đảm bảo hành trình chuyển động giảm độ rung lắc cho máy tăng độ chính xác

- 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,

- Là nâng hạ động cơ lên xuống

- Đảm bảo hành chình chuyển động giảng rung lắc cho máy tăng độ chính xác khi thao tác

2.1.5 Thiết kế gá đỡ động cơ phay trục Z

Hình 2.8 Gá đỡ động cơ phay trục Z Chiều dài 134mm

Chiều rộng 83mm

Kích thước bắt trục Z ∅4.5

Kích thước bắt gá đỡ dưới ∅5.5

- Đảm bảo cho trục chạy ổn định không bị rung lắc khi vận hành

- Kết nối với ổ bi được đỡ 2 đầu các trục vitme bi để giảm ma sát trong các chuyển động quay và chịu tải trọng gây ra trên trục

23

- Đảm bảo cho trục chạy ổn định không bị rung lắc khi vận hành

2.2 Sơ đồ khối mạch điện

Hình 2.11 Sơ đồ khối

2.3 Khối PLC

Hiện nay có rất nhiều loại Bộ lập trình trên thị trường của nhiều hãng

khác nhau (Mitsubishi, Omron, Siemens, Festo, Allen Bradley ) Các tính

năng của PLC ngày càng được tăng cường nhằm cải thiện hiệu suất và chất lượng Tuy nhiên, hầu hết các PLC cùng cỡ thì có chức năng tương đương nhau Điểm khác nhau quan trọng nhất là ở phương pháp lập trình và ngôn ngữ lập trình Cùng với các mức độ về sự hỗ trợ của nhà sản xuất Ở những dự án lớn sự hỗ trợ từ nhà sản xuất là rất quan trọng

Việc lựa chọn bộ lập trình của hãng nào là do sự quen dùng đối với PLC

và yêu cầu của hệ thống điều khiển đó Đối với những người có kinh nghiệm trong việc thiết kế và lắp đặt hệ thống điều khiển thì thường vấn đề quan trọng lại là sự vượt trội về kỹ thuật và hiệu suất hơn là sự hỗ trợ về thiết kế và lắp đặt

24

cảm biến cũng như đường điều khiển phần công suất cho cơ cấu chấp hành là rất lớn nên em chọn bộ module PLC mitsubishi Q02H

2.3.1 Các module của PLC Mitsubishi

Bộ module PLC Mitsubishi Q02H bao gồm:

Nguồn Q61P

CPU Q02H

Module tín hiệu đầu vào số QX40

Module tín hiệu đầu ra số QY40P

Đế kết nối module Q312B

Module điều khiển vị trí QD77-MS4

Hình 2.12 Bộ module PLC Mitsubishi Q02HCPU

2.3.2 Thống số kỹ thuật của module nguồn Q61P

Hình 2.13 Module nguồn Q61P

25

Thông tin kỹ thuật :

Nguồn đầu vào 100 - 240 VAC, 50/60 Hz ,130VA

Điện áp đầu ra 5 VDC / 6A

Loại Base Unit tương thích: Q3– B, Q6– B

Kích thước (mm): 55.2(W) x 98(H) x 104(D)

Hãng sản xuất: Mitsubishi - Nhật Bản

Chức năng của chân kết nối

Bảng 2.1 Chức năng các chân của Q61P

2.3.3 Thông số kỹ thuật của module CPU Q02H