Thiết kế và chế tạo máy phay CNC

Theo xu hướng đó, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công máyCNC là một việc vô cùng cấp thiết, để từ đó có thể thực hiện cải tiến các máycông cụ truyền thống vẫn còn đang tồn tạ

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc đổi mới đất nước, với mục tiêu chiến lược Công nghiệphóa - hiện đại hóa đất nước, nhằm đưa nền kinh tế phát triển với tốc độ cao nhằmsánh vai cùng với các quốc gia phát triển trên thế giới, trong đó lĩnh vực tự độnghóa đóng vai trò rất quan trọng

Cơ - Điện tử là ngành khoa học tổng hợp liên ngành của cơ khí chính xác,điện tử, điều khiển và tư duy hệ thống trong thiết kế và phát triển sản phẩm Đây

là ngành rất quan trọng và không thể thiếu trong sự phát triển của khoa học kỹthuật hiện đại

Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ điều khiển kỹ thuật số và điều khiểnbằng máy tính vào trong các lĩnh vực công nghiệp đang trở nên ngày càng phổbiến đặc biệt là việc ứng dụng các máy CNC Điều này dẫn đến việc nghiên cứu,thiết kế và chế tạo các máy điều khiển số là một điều tất yếu trong công cuộccông nghệp hóa hiện đại hóa đất nước

Theo xu hướng đó, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công máyCNC là một việc vô cùng cấp thiết, để từ đó có thể thực hiện cải tiến các máycông cụ truyền thống vẫn còn đang tồn tại ở một số cơ sở sản xuất trở thành máyCNC với một giá thành chấp nhận được trong điều kiện nền công nghiệp còn nonkém như ở nước ta

Hơn nữa, những công trình nghiên cứu như thế này còn cho phép ta nắm bắtđược những công nghệ đang được sử dụng trong những máy CNC do các tậpđoàn công nghiệp hàng đầu thế giới sản xuất; để từ đó có thể làm chủ đượcnhững chiếc máy này một cách toàn diện hơn

Từ những cơ sở trên, chúng em quyết định chọn mô hình máy phay CNC(2D) làm đề tài nghiên cứu

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô và bạn bè đã rấtnhiệt tình giúp đỡ để em sớm hoàn thành đề tài này

Nha Trang, tháng 6 năm 2011 Sinh viên thực hiện:

Trương Đình Luân

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC HÌNH 4

CHƯƠNG 1 8

TỔNG QUAN MÁY CNC 8

1.1.GIỚI THIỆU CHUNG 9

1.2 HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA MÁY CNC 9

1.3 GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI MÁY CNC ĐANG DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP HIỆN NAY 10

1.3.1 Máy khoan CNC (Drilling Machine) 10

1.3.2 Máy phay CNC (Milling Machine) 11

1.3.3 Máy tiện CNC (Turning Machine) 11

1.3.4 Máy doa CNC (Boring Machine) 12

1.3.5 Máy mài CNC (Grinding Machine) 13

CHƯƠNG 2 14

PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 14

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 15

2.2 CÁC KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 16

2.2.1 Các khái niệm máy CNC 16

2.2.1.1 Định nghĩa máy và trục máy 16

2.2.2.2 Cấu trúc hệ trục máy CNC 16

2.2.2.3 Tọa độ quy chiếu 18

2.2.2 Phân loại hệ thống điều khiển máy CNC 18

2.2.2.1 Phân loại theo dạng điều khiển 18

2.2.2.2 Phân loại theo cấu trúc điều khiển 20

2.2.2.3 Phân loại theo kiểu điều khiển 20

2.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 22

2.3.1 Các phương án thiết kế 22

2.3.1.1 Phương án 1: 22

2.3.1.2 Phương án 2: 23

2.3.1.3 Phương án 3: 25

2.3.1.4 Kết luận 26

2.3.2 Phân tích, lựa chọn động cơ và trục vít me 26

2.3.2.1 Động cơ dẫn động hai trục chính X, Y và trục Z 26

2.3.2.2 Động cơ phay 27

2.3.2.3 Bộ truyền, biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến 28

2.3.3 Thiết kế, chế tạo phần cơ khí 29

2.3.3.1 Vật liệu chế tạo máy phay CNC 29

2.3.3.2 Thiết kế, chế tạo máy phay CNC 33

2.3.3.3 Khái niệm và tính toán, thiết kế bộ truyền trục vít – đai ốc 39

2.3.4 Thiết kế, chế tạo phần điều khiển 44

2.3.4.1 Động cơ bước (stepping motor) 44

2.3.4.2 Giới thiệu về Vi điều khiển AVR 52

2.3.4.3 Truyền thông : 62

2.3.4.4 Sơ lược các linh kiện dùng trong mạch 65

2.3.4.5 Sơ đồ nguyên lý động cơ bước 67

2.3.4.6 Thiết kế mạch .68

2.3.5 Lưu đồ giải thuật 76

CHƯƠNG 3 82

THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 82

3.1 THỰC NGHIỆM KIỂM TRA KẾT CẤU CƠ KHÍ MÁY PHAY CNC 83

3.2 THỰC NGHIỆM KIỂM TRA ĐỘNG CƠ 87

3.3 KIỂM TRA NGUỒN 87

3.4 KIỂM TRA MẠCH ĐIỀU KHIỂN, CÔNG TẮC HÀNH TRÌNH 88

3.5 THỰC NGHIỆM KIỂM TRA CHƯƠNG TRÌNH .88

3.6 THỰC NGHIỆM SẢN PHẨM: 89

CHƯƠNG 4 91

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 91

4.1 KẾT LUẬN 92

4.2 ĐỀ XUẤT 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

PHỤ LỤC 94

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Máy khoan CNC 10

Hình 1.2 Máy phay CNC 11

Hình 1.3 Máy tiện CNC 12

Hình 1.4 Máy doa ngang CNC 13

Hình 1.5 Máy mài đứng CNC 13

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát 15

Hình 2.2 Quy tắc bàn tay phải 16

Hình 2.3 Hệ tọa độ Descartes .17

Hình 2.4 Ví dụ về việc xác định chiều dương cho các trục quay 17

Hình 2.5 Hai phương án chuyển động dụng cụ song song trục của hệ tọa độ 19

Hình 2.6 Phương án chuyển động dụng cụ nghiêng góc 45 19

Hình 2.7 Phương án chuyển động dụng cụ theo đường thẳng 19

Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ điều khiển hở dùng động cơ bước 21

Hình 2.9 Sơ đồ khối hệ điều khiển kín 22

Hình 2.10 Mô hình thiết kế 1 máy phay CNC .22

Hình 2.11 Mô hình thiết kế 2 máy phay CNC .23

Hình 2.12 Cơ cấu trượt(làm bằng phôi nhựa) 24

Hình 2.13 Mô hình thiết kế 3 máy phay CNC .25

Hình 2.14 Một số loại động cơ bước kiểu lai .26

Hình 2.15 Một số loại động một chiều DC 26

Hình 2.16 Một số loại trục vít_đai ốc 28

Hình 2.17 Kết cấu vít me – đai ốc bi chuyên dùng cho máy CNC 28

Hình 2.18 Thép hình hộp 30

Hình 2.19 Thép ống 30

Hình 2.20 Thép V 30

Hình 2.21 que hàn 31

Hình 2.22 Các loại bulông – đai ốc 31

Hình 2.23 Kết cấu ổ lăn 32

Hình 2.24 Một số loại ổ lăn 32

Hình 2.25 Bản vẽ chế tạo của khung dưới máy phay CNC 33

Hình 2.26 Khung dưới máy phay cnc vẽ bằng solidworks 33

Hình 2.27 Bản vẽ chế tạo của khung trên máy phay CNC 34

Hình 2.28 Khung trên máy phay cnc vẽ bằng solidworks 34

Hình 2.29 Bản vẽ chế tạo của khung tịnh tiến theo trục Y máy phay CNC 35

Hình 2.30 Bản vẽ thép ống dẫn hướng 35

Hình 2.31 Cơ cấu trượt 35

Hình 2.32 Cơ cấu kẹp 36

Hình 2.33 Cơ cấu giữ 36

Hình 2.34 Cơ cấu trượt, kẹp, trục ống dẫn động trục chính 37

Hình 2.35 Cơ cấu cố định động cơ 37

Hình 2.36 Cơ cấu giữ ổ lăn trục vít 37

Hình 2.37 Khớp nối 38

Hình 2.38 Cơ cấu dẫn động động cơ phay tịnh tiến theo trục Z 38

Hình 2.39 Hình chiếu về trường công tác của máy phay CNC 39

Hình 2.40 Trường công tác của máy phay CNC 39

Hình 2.41 Bộ truyền trục vít_đai ốc 40

Hình 2.42 Trục vít ren hình thang 40

Hình 2.43 Trục vít ren hình chữ nhật 40

Hình 2.44 Trục vít ren hình răng cưa 41

Hình 2.45 Bộ truyền trục vít_đai ốc bi 41

Hình 2.46 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu 45

Hình 2.47 Sơ đồ cấu trúc động cơ bước nam châm vĩnh cửu 2 pha .46

Hình 2.48 Động cơ bước biến từ trở ba pha, bốn cặp cực 46

Hình 2.49 Cấu trúc trong động cơ lai .48

Hình 2.50 Cách quấn dây trong động cơ lai .48

Hình 2.51 Kết cấu thực tế của động cơ lai 49

Hình 2.52 Đồ thị quan hệ giữa momen – tần số bước 50

Hình 2.53 Giản đồ thời gian – điều khiển động cơ bước .52

Hình 2.54: Cấu trúc bộ nhớ của AVR 53

Hình 2.55: Thanh ghi 8 bit 53

Hình 2.56: Register file 54

Hình 2.57 Cấu trúc bên trong của AVR 55

Hình 2.58: Cấu trúc chân trong PORT của Vi điều khiển AVR 56

Hình 2.59: Thanh ghi DDRA 56

Hình 2.60: Thanh ghi PORTA 57

Hình 2.61: Thanh ghi PINA 57

Hình 2.62: Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 8bit 57

Hình 2.63: Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 16 bit 58

Hình 2.64: Thanh ghi TCCR0 58

Hình 2.65: Thanh ghi TCNT0 59

Hình 2.66: Thanh ghi 0CR0 59

Hình 2.67: Thanh ghi mặt nạ ngắt 59

Hình 2.68: Thanh ghi cờ ngắt 60

Hình 2.69: Sơ đồ thời gian của chế độ so sánh 60

Hình 2.70: Sơ đồ chân của ATMEGA 32 61

Hình 2.71: Hình dạng bên ngoài của ATMEGA32 62

Hình 2.72 Tín hiệu tương đương của UART và RS232 62

Hình 2.73 Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp 63

Hinh 2.74 Cấu tạo và hình dáng của Diode bán dẫn 65

Hình 2.75 Ký hiệu của Transistor 66

Hình 2 76 Transistor 66

Hình 2.77 Linh kiện Opto 66

Hình 2.78: Linh kiện IRF540 67

Hình 2.79 Rơle 8 chân 67

Hình 2.80 Sơ đồ nối dây trong động cơ bước đơn cực 2 pha .67

Hình 2.81 Nguồn máy tính 68

Hình 2.82 Nguồn nối giữa nguồn máy tính với vi điều khiển 69

Hình 2.83 Nguồn nối giữa nguồn máy tính với mạch công suất 69

Hình 2.84 Sơ đồ mạch vi điều khiển và các header kết nối 70

Hình 2.85 Sơ đồ mạch Max232 71

Hình 2.86 Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước 1(trục X) 71

Hình 2.87 Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước 2(trục Y) 72

Hình 2.88 Sơ đồ mạch điều khiển động theo trục Z 73

Hình 2.89 Sơ đồ mạch điều khiển động cơ phay 73

Hình 2.90 Mạch kết nối công tắc hành trình 74

Hình 2.91 Sơ đồ mạch layout 74

Hình 2.92 Mạch điều khiển 75

Hình 2.93 Khối nguồn và mạch điều khiển 75

Hình 2.94 Lưu đồ giải thuật điều khiển động cơ bước 76

Hình 2.95 Lưu đồ giải thuật vẽ đường thẳng 77

Hình 2.96 Lưu đồ giải thuật vẽ đường tròn 78

Hình 2.97 Cách vẽ hình tròn 79

Hình 2.98 Lưu đồ giải thuật chương trình VB 80

Hình 2.99 Lưu đồ giải thuật vi điều khiển atmega32 81

Hình 3.1 Hình ảnh máy phay CNC 83

Hình 3.2 Cơ cấu trượt 83

Hình 3.3 Cơ cấu trục vít – đai ốc 84

Hình 3.4 Ổ lăn của trục vít 84

Hình 3.5 Khớp nối động cơ 85

Hình 3.6 Cơ cấu giữ .85

Hình 3.7 Cơ cấu cố định động cơ 86

Hình 3.8 Động cơ phay 86

Hình 3.9 Kiểm tra nguồn cho vi điều khiển 87

Hình 3.10 Giao diện VB 88

Hình 3.11 Hình cần gia công sản phẩm 89

Hình 3.12 Sản phẩm sau khi gia công 90

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN MÁY CNC

1.1.GIỚI THIỆU CHUNG

Máy CNC – (CNC) là từ viết tắt cho Computer Numerical Control (điều

khiển bằng máy tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móckhác với mục đích sản xuất (có tính lập lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệukhác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng kí hiệu chuyên biệttheo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G CNC được phát triển vàokhoảng đầu những năm 1950 ở phòng thí nghiệm Servomechanism của Học viện

kĩ thuật Massachusetts Institute of Technology gọi tắt là M.I.T học viện

nghiên cứu và giáo dục ở thành phố Cambridge, Massachusetts Hoa Kỳ và đãnhanh chóng ứng dụng vào việc chế tạo máy móc

Máy CNC xuất hiện đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp Việctiến hành tiện các đường cong, hình phức tạp được thực hiện dễ dàng như đườngthẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớncác thao tác do con người thực hiện được giảm thiểu

Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sựphát triển đáng kể về chính xác và chất lượng Kĩ thuật tự động của máy tiệnCNC giảm thiểu tối đa các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho cáccông việc khác Ngoài ra còn cho phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm vàthời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác

Trong môi trường sản xuất các máy CNC có thể kết hợp thành một tổ hợp gọi

là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận Máy CNC ngày nay được điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM (computer - aided design).

Có thể nói máy CNC gần giống nhất với hệ thống robot công nghiệp, tức làchúng được thiết kế để thực hiện nhiều thao tác sản xuất

1.2 HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA MÁY CNC

Hiệu quả kinh tế do máy CNC đem lại có thể chỉ ra ở các khía cạnh dưới đây:

 Tự động hóa sản xuất:

Máy CNC không chỉ quan trọng trong ngành cơ khí mà còn trong nhiềungành khác như may mặc, giày dép, điện tử v.v Bất cứ máy CNC nào cũng cảithiện trình độ tự động hóa của doanh nghiệp: người vận hành ít, thậm chí khôngcòn phải can thiệp vào hoạt động của máy Sau khi nạp chương trình gia công,nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, và như vậy giảiphóng nhân lực cho công việc khác Thứ nữa, ít xảy ra hỏng hóc do lỗi vận hành,thời gian gia công được dự báo chính xác, người vận hành không đòi hỏi phải có

kỹ năng thao tác (chân tay) cao như điều khiển máy công cụ truyền thống

 Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm:

Các máy CNC thế hệ mới cho phép gia công các sản phẩm có độ chính xác

và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được Một khichương trình gia công đã được kiểm tra và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo cho

“ra lò” hàng loạt sản phẩm phẩm với chất lượng đồng nhất Đây là yếu tố vôcùng quan trọng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn

 Linh hoạt:

Chế tạo một chi tiết mới trên máy CNC đồng nghĩa với nạp cho máy mộtchương trình gia công mới Được kết nối với các phần mềm CAD/CAM, côngnghệ CNC trở nên vô cùng linh hoạt giúp các doanh nghiệp thích ứng với cácthay đổi nhanh chóng và liên tục về mẫu mã và chủng loại sản phẩm của kháchhàng

1.3 GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI MÁY CNC ĐANG DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP HIỆN NAY

1.3.1 Máy khoan CNC (Drilling Machine).

Đặc điểm chính của máy khoan CNC là hệ tọa độ máy hình thành trên cơ sở

hệ tọa độ Descartes vuông góc theo quy tắc bàn tay phải với ba trục vuông gócnhau đôi một

Hình 1.1 Máy khoan CNC

1.3.2 Máy phay CNC (Milling Machine)

Đặc điểm chính của máy phay CNC là hệ tọa độ máy cũng được hình thànhtrên cơ sở hệ tọa độ Descartes vuông góc theo quy tắc bàn tay phải với ba trụcvuông góc nhau đôi một như máy khoan CNC Máy phay CNC có thể có nhiều

trục máy (trục chuyển động), số trục ít nhất của máy phay CNC là 2

bố trí nằm ngang được gọi là máy phay nằm ngang

Hình 1.2 Máy phay CNC

1.3.3 Máy tiện CNC (Turning Machine)

Cấu trúc cơ bản của máy tiện CNC là trục chính thường được bố trí nằmngang hoặc thẳng đứng, bàn máy có thể bố trí trên mặt phẳng ngang hoặc trênmặt phẳng nghiêng Phôi được kẹp bằng mâm cặp hoặc được đặt trên hai đầuchống tâm mà một trong hai đầu có khía nhám để truyền momen xoắn

Máy tiện CNC có thể có nhiều trục chính, nhiều bàn xe dao và đầu revonver;

nó có khả năng công nghệ rất rộng như: tiện trơn, tiện ren, khoan, khoét, doa,khoan tâm, cắt đứt, tiện mặt đầu, phay…

Hình 1.3 Máy tiện CNC

1.3.4 Máy doa CNC (Boring Machine)

Trục chính máy doa CNC thường được bố trí nằm ngang hoặc thẳng đứng,tuy nhiên, khi nghiên cứu đặc trưng công nghệ thực hiện trên máy doa, người tanhận thấy cấu trúc máy doa hợp lý nhất là trục chính nằm ngang

Đặc điểm của công nghệ doa đòi hỏi máy doa CNC phải có độ chính xác vịtrí cao Ngoài ra hệ điều khiển máy còn phải có khả năng tự động lựa chọn chế

độ gia công phù hợp với vật liệu dao và vật liệu phôi, phải có khả năng tự độngxác định lượng mòn dụng cụ để thực hiện hiệu chỉnh ngay trong lúc đang giacông và máy còn phải được trang bị phần mềm đồ họa đủ mạnh để mô phỏng quátrình gia công chi tiết trên máy

Hình 1.4 Máy doa ngang CNC

1.3.5 Máy mài CNC (Grinding Machine)

Dựa trên cơ sở công nghệ, máy mài CNC được phân chia thành các loại khácnhau như: máy mài phẳng, máy mài tròn ngoài, máy mài tròn trong, máy màirăng, máy mài định hình… Công nghệ mài đòi hỏi độ chính xác, độ bóng bề mặtrất cao vì vậy độ chính xác của máy mài CNC luôn cao hơn các loại máy CNCkhác Để đạt đúng điều kiện gia công, hệ thống điều khiển của máy mài CNCphải đảm bảo được: bàn máy dịch chuyển êm, lượng dịch chuyển nhỏ và chínhxác hơn nhiều so với các máy khác Để đạt được độ bóng cao thì tốc độ cắt củamáy mài phải cao nên tốc độ trục chính có thể đạt đến vài chục nghìn vòng/phút,tốc độ tiến dao thường vào khoảng 0,002 mm/phút đến 6 mm/phút

Hình 1.5 Máy mài đứng CNC

CHƯƠNG 2PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát

Phương pháp nghiên cứu và chế tạo máy phay CNC dựa những mô hình đã cósẵn trong thực tế và dựa vào tính toán và thiết kế, thực nghiệm Cụ thể như sau: Phân tích các yếu tố chuyển động của máy phay CNC, các yếu tố gồm có: masát, chuyển động, cơ cấu trượt, tính ổn định, độ cứng vững…từ đó thiết kế và chếtạo máy phay CNC

Phân tích và đưa ra những phương án thiết kế, chế tạo hệ thống cơ khí, thiết

kế mạch điều khiển cho phù hợp với hệ thống cơ khí Nêu cụ thể ưu, nhược điểmcủa từng phương án thiết kế từ đó tổng hợp lại và lựa chọn phương án thiết kế tối

ưu nhất Sau khi lựa chọn được phương án thiết kế, sẽ tiến hành thiết kế kỹ thuậtbao gồm: lựa chọn loại trục vít – đai ốc, ổ lăn, thép, bulông – đai ốc, động cơtruyền động, tính toán độ bền, lựa chọn phương pháp điều khiển, tiến hành làmmạch điều khiển và viết chương trình điều khiển cho hệ thống máy phay CNC Thực nghiệm, kiểm tra và hoàn thiện hệ thống máy phay CNC Phần cơ khíphải hoạt động ổn định, êm, độ cứng vững cao, đảm bảo độ chính xác cao, linhhoạt trong quá trình sửa chữa lắp ráp khi hư hỏng, mạch điều khiển phải hoạtđộng ổn định và đồng nhất với phần cơ khí

ổ lăn,….)

Truyền thông

Công tắc hành trình

Động cơbước và động

cơ DC

2.2 CÁC KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC

2.2.1 Các khái niệm máy CNC

2.2.1.1 Định nghĩa máy và trục máy

Trục máy hay trục chuyển động là chuyển động tịnh tiến hoặc quay của dụng

cụ cắt hay của chi tiết so với trục tọa độ trong hệ tọa độ Descartes vuông góc gắnvới máy Số lượng trục trong một máy thể hiện khả năng công nghệ của máy

2.2.2.2 Cấu trúc hệ trục máy CNC

a Ba trục thẳng: X, Y và Z

Hệ tọa độ Descartes vuông góc được gắn vào máy theo nguyên tắc sau:

– Trục Z được bố trí trùng với trục chính của máy

– Trục X được xác định dựa vào hành trình của bàn máy; hành trình nào lớnhơn thì trục X được gắn vào đó

– Trục Y được xác định theo nguyên tắc bàn tay phải (nguyên tắc bàn tay trái

Hình 2.2 Quy tắc bàn tay phải.

b Ba trục quay: A, B và C

Chuyển động quay quanh trục X được ký hiệu là A

Chuyển động quay quanh trục Y được ký hiệu là B

Chuyển động quay quanh trục Z được ký hiệu là C

2.2.2.3 Tọa độ quy chiếu

Trong máy công cụ điều khiển số thì điểm được sử dụng cho 2 mục đích:

– Point: Để tính toán các điểm khác nhau trên chi tiết

– Reference point: Điểm tham chiếu để xác định vị trí của máy

Điểm tham chiếu trong máy công cụ điều khiển số thường được chia thành cácloại sau:

a Điểm gốc máy (Machine Reference point) – Ký hiệu: M

Đây là điểm gốc hệ tọa độ máy, nó được đặt cố định trên máy Nhiệm vụ củađiểm gốc máy là để tổ chức lại máy sau mỗi lần mất điện và nó cũng là điểm đểxác định vị trí thay dao

b Điểm gốc chương trình (Program Reference point) – Ký hiệu:P

Trong nhiều trường hợp, tọa độ điểm gia công xác định theo điểm M khôngthuận lợi mà xác định theo một điểm khác sẽ thuận lợi hơn; điểm này được gọi làđiểm gốc chương trình

c Điểm gốc chi tiết (Workpiece Reference point) – Ký hiệu: W

Điểm này có thể được chọn từ một điểm bất kỳ trên bàn máy Trong nhiềutrường hợp, người ta dùng một điểm W để gia công nhiều chi tiết cùng mộtchương trình con giống nhau trong một lần gia công

d Điểm quay về (Reference point return) – Ký hiệu: R

Đây cũng là một điểm cố định trên máy Nó được xác định nhờ các công tắchành trình (tiếp xúc hoặc không tiếp xúc) Điểm R được sử dụng trong 2 mụcđích: được xem là một điểm gốc để xác định vị trí các điểm khác và làm vị trí đểthay dao

Hệ điều khiển máy CNC thừa nhận điểm R như là một điểm gốc để tính toáncác điểm khác trên máy

2.2.2 Phân loại hệ thống điều khiển máy CNC

2.2.2.1 Phân loại theo dạng điều khiển

a Điều khiển theo vị trí

Hệ điều khiển theo vị trí hay còn gọi là hệ điểu khiển điểm – điểm (point topoint) Chức năng chính của hệ điều khiển theo vị trí là chuyển động nhanh dụng

cụ từ điểm này đến điểm khác đã được định trước để gia công với độ chính xác vịtrí cao Quá trình gia công không xảy ra khi máy thực hiện việc dịch chuyển từđiểm này đến điểm khác Hệ điều khiển kiểu này thường dùng trong các máykhoan, doa, đục lỗ…

Để thực hiện chuyển động dụng cụ từ điểm này đến điểm khác tiếp theo, ta

có thể có các cách như sau:

– Chuyển động dụng cụ song song với trục của hệ tọa độ

YAY

Hình 2.5 Hai phương án chuyển động dụng cụ song song trục của hệ tọa độ

K

45°

XK

YK

Hình 2.6 Phương án chuyển động dụng cụ nghiêng gĩc 45 

– Chuyển động dụng cụ theo đường thẳng

Đường chuyển động dụng cụ

YAY

Hình 2.7 Phương án chuyển động dụng cụ theo đường thẳng

Để có thể điều khiển cho bàn máy dịch chuyển đưa dụng cụ đi theo phươngmột đường thẳng bất kỳ ta sẽ phải cần dùng đến thuật toán nội suy thẳng.

Thuật toán nội suy bao gồm nội suy thẳng và nội suy tròn; có nhiều phương pháp

để thực hiện được thuật toán này như phương pháp hàm đánh giá hay phươngpháp tích phân số…và mỗi phương pháp ta có thể thực hiện bằng cả 2 cách làbằng phần cứng và bằng phần mềm Ta sẽ bàn về vấn đề nội suy ở những chươngsau kỹ hơn

b Đường dẫn dụng cụ liên tục

Kiểu dẫn dụng cụ liên tục là kiểu mà quá trình chuyển động dụng cụ từ điểmnày đến điểm tiếp theo đồng thời với quá trình gia công Hệ điều khiển dẫn dụng

cụ liên tục còn được gọi là hệ contour

Với cách điều khiển đường dẫn dụng cụ liên tục, tất cả các trục đồng thời chuyểnđộng nhưng tốc độ khác nhau

2.2.2.2 Phân loại theo cấu trúc điều khiển

Theo cấu trúc điều khiển ta có thể chia thành hai hệ: hệ NC và hệ CNC

Hệ NC thực hiện các hàm chức năng cơ bản bằng các mạch điện tử, muốn thayđổi cấu trúc điều khiển thì phải thiết kế lại mạch khác do đó hệ NC còn được gọi

là hệ điều khiển cứng Tín hiệu điều khiển dùng trong hệ NC là xung điện áp

Hệ CNC sử dụng một máy tính (có đầy đủ bộ nhớ ROM, RAM, thiết bị giaotiếp, thiết bị lưu trữ…) để điều khiển máy, các hàm chức năng của máy có thểđược lập trình lại bằng những phần mềm chuyên dụng, khi cần thay đổi cấu trúcđiều khiển thì ta chỉ cần thay đổi chương trình do đó hệ CNC mang tính linh hoạtrất cao và nó là một tế bào không thể thiếu trong FMS (Flexible ManufacturingSystem – Hệ thống sản xuất tự động linh hoạt)

2.2.2.3 Phân loại theo kiểu điều khiển

Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ điều khiển hở dùng động cơ bước

Nhược điểm cơ bản của hệ điều khiển hở là nó rất nhạy với sự biến đổi củatải trọng, bởi vì hàm điều khiển không phụ thuộc vào thời gian thực Khi tải thayđổi, tốc độ chuyển động cũng thay đổi theo, hệ điều khiển không có khả năng tựđiều chỉnh để phù hợp với tải trọng mới

Ngoài ra hệ điều khiển hở còn chịu ảnh hưởng do thay đổi nhiệt độ, bôi trơn

và các yếu tố bên ngoài khác

Ưu điểm của hệ thống điều khiển hở là việc thiết kế và chế tạo mang tính đơngiản, giá thành thấp…

Sơ đồ khối của hệ điều khiển kín được trình bày như hình dưới:

Tín hiệu vào + Chương trìnhBộ nhớ

điều khiển + Chương trình phục vụ + Chương trình gia công

Chương trình điều khiển trình tự

Tín hiệu lệnh điều khiển Khuếch đại Khuếch đại Điều khiển CNC

Trục Y Trục X

CPU

Động cơ trục X Động cơ trục Y Cảm biến tốc độ, vị trí

Cảm biến tốc độ, vị trí

Hình 2.9 Sơ đồ khối hệ điều khiển kín

2.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.3.1 Các phương án thiết kế

2.3.1.1 Phương án 1:

Hình 2.10 Mơ hình thiết kế 1 máy phay CNC.

Hoạt động: Sử dụng 3 trục tọa X, Y, Z Hoạt động theo nguyên tắc là biến

chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của trục máy theocác hệ trục tọa độ nhờ trục vít me – đai ốc Tịnh tiến theo trục X là bàn máy trượt

trên thanh ray định vị.Tịnh tiến theo trục Y là cơ cấu trượt ổ lăn.Theo trục Z là cơcấu trượt ma sát.

– Bàn máy cần phải thiết kế vững chắc

– Khó điều khiển động cơ khi tải (vật liệu gia công) tăng

2.3.1.2 Phương án 2:

Hình 2.11 Mô hình thiết kế 2 máy phay CNC.

Hình 2.12 Cơ cấu trượt(làm bằng phôi nhựa).

cố định các kết cấu máy và trượt ma sát trên trục ống Tịnh tiến theo trục Z cũng

cơ cấu trượt ma sát

Ưu điểm:

– Kết cấu gọn nhẹ, chắc chắn

– Dễ dàng trong quá trính chế tạo và lắp ráp

– Bàn máy cố định, dễ dàng gá đặt chi tiết cần gia công

– Mang tính thẩm mỹ

– Có thể canh, chỉnh độ đồng tâm của trục vít là nhờ vào cơ cấu dữ trục dẫnhướng

Nhược điểm:

– Cơ cấu trượt ma sát dễ bị mòn trong quá trình làm việc

– Hiệu suất làm việc thấp

– Đòi hỏi cần phải có động cơ có mômen lớn

Cơ cấu trượt

Ưu điểm:

– Có tính thẩm mỹ cao

– Mô hình gọn

– Tương đối dễ dàng trong quá trình chế tạo

– Dễ điều khiển, linh động

– Có thể tăng giảm độ linh động của máy nhờ cơ cấu kẹp

– Có thể chỉnh độ đồng tâm của trục vít là nhờ vào cơ cấu giữ trục dẫnhướng

– Bàn máy được đặt cố định với khung dưới của máy Dễ dàng khi kẹp chitiết gia công

– Dễ dàng tháo lắp và bảo dưỡng

Nhược điểm:

– Cơ cấu lắp ghép hơi phức tạp

– Cơ cấu trượt theo trục Z chưa được hoàn hảo

2.3.1.4 Kết luận

Theo ưu và nhược điểm của các phương án trên Phương án 3 là phương ánđược khắc phục từ nhược điểm của phương án 1 và 2 Phương án 3 là phương ánđược lựa chọn và thiết kế trong đồ án này của chúng em

2.3.2 Phân tích, lựa chọn động cơ và trục vít me.

Hình 2.14 Một số loại động cơ bước kiểu lai.

– Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC

Nhược điểm:

– Đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp

– Phải có mạch phản hồi thì mới có thể nâng cao độ chính xác

c Kết luận

 Hai trục chính X và Y

Ta chọn động cơ bước làm động cơ dẫn động cho hai trục chính, vì hai trụcchính cần điều khiển vị trí, tốc độ chính xác Các thông số của động cơ bước nhưsau:

– Điện áp làm việc: 6.5V

– Dòng điện lớn nhất: 1.3A

– Loại động cơ đơn cực, hai pha

– Số bước trên 1 vòng quay: 200 bước/ vòng (hay 1.80/ bước)

 Trục Z (tịnh tiến động cơ phay lên xuống )

Trục Z không cần điều khiển chính xác lắm, với lại đã giới hạn bởi hai côngtắc hành trình trên và dưới Đối với trục này cần có động cơ có momen xoắn lớn

để nâng hạ động cơ phay Vậy ta chọn động cơ một chiều DC ( Động cơ kéogương) Các thông số của động cơ DC như sau:

– Cấp nguồn trực tiếp từ điện lưới xoay chiều

– Đa dạng và rất phong phú về chủng loại

Đối với đề tài này, để đơn giản hóa và giảm giá thành của mô hình, đảm bảo

an toàn ta chọn động cơ phay là động cơ DC với một vài thông số chính như sau:– Điện áp làm việc: 12VDC

– Dòng điện khởi động: 3A

– Độ cứng vững dọc trục tương đối cao.

– Khả năng tải lớn, lợi nhiều về lực, làm việc êm và không ồn

– Có nhiều trên thị trường, dễ tìm

– Có kích thước nhỏ gọn hơn trục vít_đai ốc bi

– Hiệu suất làm việc cao.

– Làm việc êm, không ồn

2.3.3 Thiết kế, chế tạo phần cơ khí

2.3.3.1 Vật liệu chế tạo máy phay CNC

 Thép

Khung máy được chế tạo bởi các thép hình hộp chữ nhật kích thước 30x60

mm, được hàn cố dịnh với nhau tao thành các khung

Các trục dẫn động cũng được chế tạo bởi các thép ống 27

Thép là vật liệu điển hình thuộc nhóm vật liệu kim loại, được sử dụng nhiềutrong các công trình cầu, đường sắt và công trình xây dựng Chúng có ưu điểm làcường độ chịu lực cao, lớn nhất trong các vật liệu xây dựng, nhưng dễ bị tácdụng ăn mòn của môi trường Thép là hợp kim sắt - các bon, hàm lượng các bon

< 2%

Theo hàm lượng các bon chia ra:

– Thép các bon thấp : hàm lượng các bon ≤ 0,25%

– Thép các bon trung bình : hàm lượng các bon 0,25 - 0,6%

– Thép các bon cao : hàm lượng các bon 0,6 - 2%

– Khi tăng hàm lượng các bon, tính chất của thép cũng thay đổi: Độ dẻogiảm, cường độ chịu lực và độ giòn tăng Để tăng cường các tính chất

kỹ thuật của thép có thể cho thêm những nguyên tố kim loại khác như:mangan, crôm, niken, nhôm, đồng

Theo tổng hàm lượng các nguyên tố kim loại thêm vào chia ra:

– Thép hợp kim thấp: Tổng hàm lượng nguyên tố kim loại khác ≤ 2,5%

– Thép hợp kim vừa: Tổng hàm lượng nguyên tố kim loại khác 2,5-10%.– Thép hợp kim cao: Tổng hàm lượng nguyên tố kim loại khác > 10%.

Vì khung máy cũng ít chịu lực, tải trọng nặng nên ta chọn thép các cacbontrung bình làm vật liệu chế tạo khung máy phay CNC

 Que hàn

Que hàn nóng chảy là loại điện cực mà lõi làm bằng kim loại (thép, gang,dồng, nhôm, ) bên ngoài có một lớp thuốc bọc Khi hàn que hàn sẽ bổ sung kimloại và tăng cường một số tính chất đặc biệt cho mối hàn Que hàn nóng chảy cónhiều loại như que hàn thép các bon, que hàn thép inóc, que hàn thép hợp kim,que hàn đồng, que hàn nhôm,

Yêu cầu:

Đảm bảo cơ tính của mối hàn, Đảm bảo thành phần hoá học cần thiết củamối hàn; Có tính công nghệ tốt dể gây hồ quang, hồ quang cháy ổn định, nóngchảy đều, có khả năng hàn ở tất cả các vị trí trong không gian, mối hàn không có

rổ, không nứt, xỷ nổi đều và dễ bong ra, không bắn toé nhiều Hệ số đấp cao.Không sinh khí độc hại ảnh hưởng đến sức khoẻ của công nhân Dễ dàng chếtạo & giá thành rẻ;

Tác dụng của lớp thuốc bọc que hàn Kích thích hồ quang và làm cho hồquang cháy ổn định; Tạo khí & tạo xỷ để bảo vệ mối hàn Lớp xỷ có tác dụnglàm cho muối hàn nguội chậm tránh hiện tượng tôi của mối hàn Khử ôxy hoànnguyên kim loại Tăng cơ tính và một số tính chất đặc biệt của mối hàn

Hình 2.21 que hàn

 Bulông – Đai ốc

Hình 2.22 Các loại bulông – đai ốc

Ưu điểm:

– Dễ tháo lắp, không làm hỏng các chi tiết lắp ghép

– Thuận tiện cho quá trình thay thế, sửa chữa nhanh chống, ít tốn thời gian.– Có thể lắp ghép được nhiều chi tiết với nhau

– Hệ số ma sát nhỏ (0.0012  0.0035) đối với ổ bi

– Ít sinh nhiệt trong quá trình làm việc

– Mức tiêu chuẩn hóa và tính lắp lẫn cao, do đó thay thế thuận tiện

– Hiệu suất làm việc cao

2.3.3.2 Thiết kế, chế tạo máy phay CNC

a Các khung chính của máy phay CNC

Khung dưới: Cố định

Hình 2.25 Bản vẽ chế tạo của khung dưới máy phay CNC

Hình 2.26 Khung dưới máy phay cnc vẽ bằng solidworks

Khung trên: Di chuyển theo trục X

Hình 2.27 Bản vẽ chế tạo của khung trên máy phay CNC

Hình 2.28 Khung trên máy phay cnc vẽ bằng solidworks

Khung tịnh tiến theo trục Y:

Hình 2.29 Bản vẽ chế tạo của khung tịnh tiến theo trục Y máy phay CNC

b Trục dẫn hướng

Hình 2.30 Bản vẽ thép ống dẫn hướng

c Cơ cấu trượt

Hình 2.31 Cơ cấu trượt

Cơ cấu trượt gồm một thanh thép chữ V, 4 ổ bi, 6 bulong đai ốc được bố trínhư hình vẽ Mỗi bên chia thành hai ổ bi bố trí ở hai mặt phẳng vuông góc vớinhau để ôm sát trục dẫn hướng, giúp cho máy làm việc có độ cứng vững và ổnđịnh cao.

d Cơ cấu kẹp

Hình 2.32 Cơ cấu kẹp

Cơ cấu kẹp được thiết theo dạng hình chữ U, phía trên có ổ lăn để giảm bớt

ma sát giữa cơ cấu dẫn hướng và cơ cấu kẹp Cơ cấu kẹp dùng để giữ thăng bằngcác cơ cấu tịnh tiến của máy

e Cơ cấu giữ trục dẫn hướng

Hình 2.33 Cơ cấu giữ

Cơ cấu giữ có dạng hình hộp vuông, chiều rộng bên trong rộng gấp 2-3 lầnđường kính của trục dẫn hướng, 4 mặt của hình hộp vuông được khoan 4 lỗ và 4đai ốc hàn cố định trên 4 lỗ, 4 bulong dùng để chỉnh độ đồng tâm của trục, tiệnlợi cho quá trình tháo, lắp các chi tiết trong máy phay CNC

Hình 2.34 Cơ cấu trượt, kẹp, trục ống dẫn động trục chính

f Cơ cấu cố định động cơ

Hình 2.35 Cơ cấu cố định động cơ

Cơ cấu cố định động cơ gồm: Hai tấm thép đặt cố định trên khung máy bằng 4bulong - đai ốc và 4 bulong - đai ốc kẹp chặt động cơ

g Cơ cấu giữ ổ lăn trục vít

Hình 2.36 Cơ cấu giữ ổ lăn trục vít

Gồm 4 bulong_đai ốc và hai con đai ốc của trục vít cố định hai mặt của ổ lăn

h Khớp nối

Hình 2.37 Khớp nối

Công dụng

– Liên kết các trục với nhau

– Truyền chuyển động giữa hai trục (trục động cơ và trục quay)

– Truyền được tỉ số truyền lớn

k Cơ cấu dẫn động động cơ phay

Cơ cấu này là cơ cấu trượt ma sát Dùng trục vít – đai ốc để tịnh tiến cơ cấugiữ động cơ phay theo phương Z

Hình 2.38 Cơ cấu dẫn động động cơ phay tịnh tiến theo trục Z

Khớp nối chặt Chốt giữ

l Trường công tác của máy phay

Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của máy là toàn bộthể tích được quét khi máy thực hiện tất cả các chuyển động Người ta thườngdùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của máy (hình chiếu bằng và hìnhchiếu đứng)

Trong đồ án này trường công tác của máy được giới hạn bởi 6 công tắc hànhtrình, cứ mỗi cặp chia đều cho 3 hệ trục X, Y, Z Trường công tác của máy là mộthình hộp chữ nhật có kích thước như hình vẽ 2.39

Hình 2.39 Hình chiếu về trường công tác của máy phay CNC

Hình 2.40 Trường công tác của máy phay CNC

2.3.3.3 Khái niệm và tính toán, thiết kế bộ truyền trục vít – đai ốc

a Giới thiệu

Bộ truyền trục vít - đai ốc dùng để chuyển đổi chuyển động quay thànhchuyển động tịnh tiến, nhờ tiếp xúc giữa ren trục vít và ren đai ốc Bộ phậntruyền trục vít - đai ốc có hai bộ phận chính

+ Trục vít số 1 quay với số vòng quay n

1, công suất truyền động P

1, mômenxoắn trên trục T1 Vít có ren ngoài tương tự như bulong Trong đồ án này trục vít

là khâu dẫn

Hình 2.41 Bộ truyền trục vít_đai ốc

+ Đai ốc số 2, chuyển động tịnh tiến với vận tốc v2, công suất trên đai ốc là

P2, đai ốc ren trong giống như đai ốc trong mối ghép ren, trong đồ án này đai ốc

là khâu bị dẫn

b Phân loại bộ truyền vít – đai ốc

+ Vít có ren hình thang Loại này dùng phổ biến để truyền chuyển động theo