Báo cáo nghiên cứu khoa học: " NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY KHOAN CNC" docx

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2010 67 NGHIÊN CỨU 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 TẮT Hiện 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 tiết 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 cộng với linh kiện thay thế khan hiếm do phải nhập ngoại. Do đó việc nghiên cứu, thiết 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 chế tạo và chi phí chấp nhận được, t ừ đó có thể cải tiến những máy công cụ truyền thống hay phát triển thành máy phay, máy cắt plasma …tự động để đáp ứng nhu cầu của các doanh nghiệp. 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. Giới 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. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2010 68 Hình 3. Động cơ bước Hình 1. Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển CNC. Hình 2. Kết cấu cụm dẫn động theo 3 trục X,Y,Z 2. Nội 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) Bộ 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 hiệu 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) Bộ 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) Bộ 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 hiệu 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 dẫn động các trục X,Y và Z của máy khoan thiết kế (hình 2, hình 3) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009 69 Hình 4. Bộ 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) Bộ 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 của 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. Mạch 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. Kết cấu cụm dẫn động trục chính TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009 70 Hình 7. Mạch điều khiển động cơ bước sử dụng IC logic Hình 8. Cổng song song(LPT) Hình 9. Giao diện phần mềm lập trình và điều khiểnKCAM Tín hiệu 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 hiệu 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 VDD 14 S 6 GND 7 R 4 4013 D 9 CLK 11 Q 13 Q 12 VDD 14 S 8 GND 7 R 10 RED ORANGE YELLOW BLUE 4030 1 2 3 4030 5 6 4 VCC VCC DIR STEP TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009 71 Hình 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. Kết 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 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009 72 Hình 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. TÀI LIỆU THAM KHẢO [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/ . trình bày phương pháp chế tạo máy khoan CNC đã được nghiên cứu, chế tạo và chạy thành công. Độ chính xác chế tạo và chi phí chấp nhận được, t ừ đó có thể cải tiến những máy công cụ truyền thống. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2010 67 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY KHOAN CNC A RESEARCH ON THE DESIGN AND MANUFACTURE. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009 72 Hình 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