Độ chính xác ch ế tạo và chi phí chấp nhận được, t ừ đó có thể cải tiến những máy công cụ truyền th ống hay phát triển thành máy phay, máy cắt plasma …tự động để đáp ứng nhu cầu của các
Trang 1NGHIÊN C ỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY KHOAN CNC
A RESEARCH ON THE DESIGN AND MANUFACTURE OF THE CNC
DRILL MACHINE
Trần Xuân Tùy, Nguyễn Thanh Hải Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM T ẮT
Hi ện nay, máy CNC, các thiết bị tự động đang được sử dụng rộng rãi ở nước ta Sử dụng các máy công cụ CNC sẽ giúp ta dễ dàng gia công được các bề mặt phức tạp hoặc các chi ti ết yêu cầu về độ chính xác kích thước, hình dáng và vị trí tương quan cao đồng thời đạt năng suất và ổn định cao Nhưng việc đầu tư chúng cũng gặp không ít khó khăn do giá thành quá cao c ộng với linh kiện thay thế khan hiếm do phải nhập ngoại Do đó việc nghiên cứu, thi ết kế và chế tạo các máy gia công tự động là vấn đề hết sức quan trọng, nhằm nâng cao trình độ nền cơ khí để đáp ứng nhu cầu công nghiệp hóa đất nước Bài báo này xin trình bày phương pháp chế tạo máy khoan CNC đã được nghiên cứu, chế tạo và chạy thành công Độ chính xác ch ế tạo và chi phí chấp nhận được, t ừ đó có thể cải tiến những máy công cụ truyền
th ống hay phát triển thành máy phay, máy cắt plasma …tự động để đáp ứng nhu cầu của các doanh nghi ệp
ABSTRACT
Nowadays, CNC machines and automatic equipment are being used widely in our country With these tools, it becomes easier for us to process many complex surfaces and details that require high accuracy with their sizes, shapes and correlative positions and that obtain high stability and productivity However, it is difficult to equip these tools in our factories due to their high cost and their rare imported spare parts Therefore, it is important to investigate into the design and manufacture of automatic processing machines in view of improving the quality of the national mechanical sector to meet the needs of our country’s industrialization This article deals with the manufacture of CNC drilling machines that have been successfully made and used with acceptable accuracy and cost Accordingly, some other conventional machines can be improved and developed into automatic ones which meet the needs of these manufacturing factories
1 Gi ới thiệu
Không phải bất cứ một đơn vị hay doanh nghiệp nào cũng có khả năng đầu tư
một chiếc máy CNC để phục vụ cho nhu cầu của mình, trong khi các sản phẩm cơ khí ngày càng có yêu cầu cao về chất lượng sản phẩm Các linh kiện tự động, máy tính và
phần mềm ngày càng phát triển và dễ dàng tìm kiếm với giá thành không phải quá cao Điều này cho phép chúng ta ứng dụng để nghiên cứu cải tiến hay chế tạo mới các máy công cụ có khả năng gia công tự động giúp nâng cao độ chính xác, năng suất và tính ổn định của các sản phẩm Với cách làm như trên chi phí sẽ giảm đi nhiều lần so với thiết
bị nhập ngoại, đồng thời có thể làm chủ được thiết bị khi cần sửa chữa, thay thế hoặc nâng cấp Báo cáo này giới thiệu cách giải quyết về vấn đề kỹ thuật khi thiết kế, chế tạo
một máy CNC mới tại trường Đại học Bách khoa -ĐH Đà Nẵng
Trang 2Hình 3 Động cơ bước
Hình 1 C ấu trúc cơ bản của hệ điều khiển CNC
Hình 2 K ết cấu cụm dẫn động theo 3 trục X,Y,Z
2 N ội dung nghiên cứu
Nội dung trình bày chủ yếu là giới thiệu các thành phần chính của máy và cách
nối kết các cơ cấu chấp hành, thiết bị điều khiển và phần mềm để máy hoạt động như
một khoan máy CNC
2.1 Sơ đồ của một máy khoan CNC (hình 1)
1) B ộ phận xử lý và đi ều khiển
máy (Machine control unit): đây được coi
là trái tim của máy công cụ điều khiển số
Nó có nhiệm vụ liên kết tất cả các chức
năng để điều khiển máy, xử lý các
chương trình gia công và xuất ra tín hiệu
để điều khiển động cơ đồng thời nhận tín
hiệu phản hồi từ các cảm biến để đưa tín
hiệu điều khiển phù hợp
2) Tín hi ệu điều khiển: tùy thuộc vào dạng động cơ điều khiển là động cơ biến
tần, động cơ bước, động cơ servo hay động cơ thuỷ lực mà MCU sẽ xuất tín hiệu điều khiển phù hợp với loại động cơ đó
3) Động cơ dẫn động: nhận tín hiệu từ bộ phận điều khiển để thực hiện dẫn
động thông qua bộ truyền vít me - đai ốc bi để dịch chuyển bàn máy
4) B ộ truyền vít me - đai ốc bi: được dùng dẫn động biến chuyển động quay của
động cơ thành chuyển động tịnh tiến, dịch chuyển bàn máy Bộ truyền này đảm bảo được độ chính xác vị trí do có nhiều ưu điểm so với các bộ truyền cùng loại
5) Bàn máy: dùng để kẹp và mang phôi trong suốt quá trình gia công
6) B ộ phận cảm biến vị trí: thường dùng cảm biến góc để xác định góc quay của
động cơ từ đó xuất tín hiệu phản hồi về bộ phận MCU để xác định chính xác vị trí của chi tiết gia công trên bàn máy
7) Tín hi ệu phản hồi: dùng để phản hồi tín hiệu vị trí hiện tại của bàn máy, tín
hiệu này được đưa về bộ xử lý MCU để so sánh và đưa ra tín hiệu điều khiển phù hợp
với yêu cầu vị trí cần điều khiển
2.2 Nguyên lý d ẫn động các trục X,Y và Z của máy khoan thiết kế (hình 2, hình 3)
Trang 3Hình 4 B ộ truyền vít me - đai ốc bi
1) Động cơ dẫn động: Trong máy khoan CNC, hai trục X, Y mang bàn máy
trong quá trình dịch chuyển vị trí khi không thực hiện cắt gọt Do đó để đơn giản ta dùng động cơ bước Còn đối với trục Z nếu lực dẫn đông không cao (doa lỗ đã có sẵn, khoan các vật liệu mềm ) thì ta vẫn dùng động cơ bước, nếu lực khoan lớn ta có thể
dùng động cơ servo, động cơ thuỷ lực (khoan lỗ không thông, taro ren… vật liệu cứng)
2) B ộ phận truyền động: Thực hiện biến chuyển động quay của động cơ thành
chuyển động tịnh tiến của bàn máy Để truyền động chính xác vị trí trong máy CNC thường sử dụng bộ truyền vít me–đai ốc bi (hình 4) Loại động cơ này có hiệu suất cao,
ma sát nhỏ và khử được khe hở dọc trục.
2.3 Nguyên lý c ủa cụm dẫn động trục chính (hình 5)
Trong máy khoan thiết kế, hệ thống dẫn động trục chính được lựa chọn là động
cơ 1 chiều truyền đển trục chính thông qua bộ truyền đai răng
2.4 M ạch điều khiển động cơ bước (hình 7)
Thường sử dụng mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển hoặc IC logic Để đơn
giản ta chọn mạch điều khiển sử dụng IC logic do khả năng đáp ứng nhanh (do máy vi tính có tốc độ xử lý cao), không cần phải lập trình đ ồng thời kết nối với máy tính
dễ dàng
Hình 5 K ết cấu cụm dẫn động trục chính
Trang 4Hình 7 M ạch điều khiển động cơ bước sử dụng IC logic
Hình 8 C ổng song song(LPT)
Hình 9 Giao di ện phần mềm lập trình và điều khiểnKCAM
Tín hi ệu vào
(Dir, step): đây là 2
chân đầu vào của
mạch điều khiển, tín
hiệu đầu vào có dạng
xung Chân Dir có
tác dụng điều chỉnh
chiều quay của động
cơ Chân Step có tác
dụng cấp xung để
điều khiển động cơ
quay đúng số bước điều khiển
Tín hi ệu ra: là 4 dây đấu vào để điều khiển
động cơ
2.5 Cổng giao tiếp với máy tính (hình 8)
Thường sử dụng cổng nối tiếp (serial
port hay com port) hoặc cổng song song
(LPT) để kết nối với máy tính Ta chọn cổng
song song làm cổng kết nối với máy tính do
việc truyền dữ liệu song song nên việc nội
suy dễ dàng và các phần mềm CAM hiện nay
đều hỗ trợ kết nối qua cổng này
2.6 Phần mềm điều khiển
Hiện có nhiều phần mềm CAD/CAM chuyên nghiệp cho phép ta vừa thiết kế và
xuất ra các máy CNC để gia công như ProEngineer, MasterCAM…nhưng giá thành của chúng rất đắt và sử dụng chúng thành thạo không phải là một điều dễ dàng Trong khi
Q1 IRFZ44
Q2 IRFZ44
Q3 IRFZ44
Q4 IRFZ44
4013
D
5
CLK
3
Q 1
Q 2
S
6
GND 7 R
4
4013
D
9
CLK
11
Q 13
Q 12 VDD 14 S
8
R
10
RED
ORANGE YELLOW
BLUE
4030
1 2
3
4030
5 6
4
VCC
VCC DIR
STEP
Trang 5Hình 10 Sơ đồ tổng thể hệ thống điều khiển 3 động cơ qua cổng LPT
Hình 11 Sơ đồ kết nối chân qua cổng LPT
đó có một số phần mềm CAM đơn giản, có hỗ trợ điều khiển thông qua cổng LPT như KCam, CNCpro, Mach, Turbo CNC, EMC…chỉ cần đấu dây vào cổng LPT và khai báo đúng chân đã đ ấu để phần mềm xuất tín hiệu điều khiển chính xác cho động cơ đó là chúng ta có thể điều khiển động cơ một cách dễ dàng, công việc còn lại là lập trình mã
G và cho máy chạy
Ở đây ta chọn phần mềm KCam dùng để điều khiển cho máy vì ngoài việc hỗ
trợ lập trình mã G và mã M nó còn có nhiều tùy chọn nâng cao như nhập các tệp định
dạng từ ứng dụng khác để chuyển sang mã G (như t ệp DXF, HPGL…) Phần mềm có giao diện tương đối rõ ràng và dễ sử dụng
2.7 Sơ đồ tổng thể hệ thống điều khiển và sơ đồ kết nối qua cổng LPT
- Sơ đồ tổng thể hệ thống điều khiển 3 trục của động cơ (hình 10)
Sơ đồ kết nối qua cổng LPT
(hình 11) Dựa vào sơ đồ ta có thể
đấu các chân vào cổng LPT sau đó
khai báo chính xác trong phần mềm
để đảm bảo phần mềm xuất tín hiệu
điều khiển được chính xác
Hình 12 là ảnh của máy
khoan CNC đã ch ế tạo theo giới
thiệu trên tại trường Đại học Bách
khoa -Đại học Đà Nẵng
3 K ết luận
CNC là một lĩnh v ực hết
sức mới, rộng nên đòi hỏi phải đầu
tư rất nhiều về con người và kinh
phí mới có thể bắt nhịp với sự phát
Trang 6Hình 12 Ảnh của máy khoan CNC đã được chế tạo
triển của nền công nghiệp thế giới Việc thiết kế chế tạo một chiếc máy CNC nói chung
và máy khoan CNC nói riêng không phải là vấn đề quá khó khăn Tuy nhiên chúng ta
phải đầu tư và nỗ lực để có thể tạo ra một chiếc máy phù hợp với yêu cầu sử dụng Các doanh nghiệp không thể đầu tư mua một máy mới với giá hàng tỷ đồng, trong lúc chỉ
cần sử dụng một số chức năng và yêu cầu kỹ thuật nhất định Với một hướng đi cụ thể trên thì việc tiếp cận để chế tạo một chiếc máy CNC đơn giản là hết sức cần thiết và
hiệu quả, từ đó có hướng phát triển để chế tạo các máy có chất lượng tốt hơn
[1] Douglas W Jones, Control of Stepping Motors, 1995
[2] Jan Axelson, Parallel Port Complete: Programming, Interfacing & Using the PC'S
Parallel Printer Port, 2000
[3] http://pminmo.com/
