ĐỀ TÀITHIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHAYCNC ĐIỀU KHIỂN HAI TRỤC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC ĐIỀU KHIỂN HAI TRỤC Đà Nẵng - 2009 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC ĐIỀU KHIỂN HAI TRỤC Sinh viên thực hiện : Phùng Văn Duy Đào Phú Khánh Lớp : 04C1B Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Văn Yến ThS Nguyễn Đắc Lực Giáo viên duyệt : Đà Nẵng – 2009 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘ CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC KHOA CƠ KHÍ NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên : Phùng Văn Duy Đào Phú Khánh Lớp : 04C1B Khóa : 2004-2009 Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Văn Yến ThS Nguyễn Đắc Lực 1. Tên đề tài: Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục 2. Các số liệu ban đầu Căn cứ theo số liệu của máy chuẩn máy phay điều khiển số PC MILL 155 để tính toán thiết kế máy phay CNC 2D và thiết kế chế tạo mô hình để mô phỏng quá trình hoạt động của nó. 3. Nội dung tính toán thiết kế của thiết minh - Phần 1: Các vấn đề chung về máy CNC và đặc điểm kinh tế kỹ thuật - Phần 2: Thiết kế phần truyền động của máy phay - Phần 3: Thiết kế hệ thống dẫn động tang dao - Phần 4: Cơ cấu gá kẹp phôi - Phần 5: Sử dụng, bảo quản và vận hành máy - Phần 6: Lập trình gia công 4. Các bản vẽ thiết kế 5. Mô hình máy phay CNC 2D 6. Cán bộ hướng dẫn : Th.S. Nguyễn Đắc Lực 7. Ngày giao nhiệm vụ: : / 2009 8. Ngày hoàn thành nhiệm vụ : / 2009 Thông qua bộ môn Cán bộ hướng dẫn Ngày tháng năm 2009 Ngày tháng năm 2009 Tổ trưởng bộ môn Sinh viên đã hoàn thành và Chủ tịch hội đồng nộp toàn bộ đồ án cho bộ môn Ngày tháng năm 2009 Ngày tháng năm 2009 LỜI NÓI ĐẦU Trong một thời gian khá dài, ngành cơ khí đã tập trung nghiên cứu để giải quyết vấn đề tự động hóa ở các xí nghiệp có quy mô sản xuất lớn (hàng loạt và hàng khối). Nhưng trong thực tế, các xí nghiệp máy có quy mô sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt nhỏ lại là phổ biến ở Việt Nam. Do đó, đòi hỏi các xí nghiệp này phải nâng cao về hiệu quả sản xuất năng suất lao động; đều này đã dẫn tới vấn đề nghiên cứu triển khai kỹ thuật tự động có tính linh hoạt cao trong các dây chuyền sản xuất. Máy công cụ - trung tâm gia công điều khiển bằng chương trình số và kỹ thuật vi xử lý CNC - đã được sử dụng trong sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt nhỏ đã tạo điều kiện linh hoạt hoá và tự động hoá dây chuyền gia công. Đồng thời làm thay đổi phương pháp và nội dung chuẩn bị cho sản xuất. Trong những năm gần đây các máy NC và CNC đã được nhập vào Việt Nam và hiện nay đang hoạt động trong một số nhà máy, viện nghiên cứu và các công ty liên doanh. Cũng chính vì thế nên việc nghiên cứu, chế tạo máy CNC đã được nhiều nhà kỹ thuật, kỹ sư Việt Nam đang theo đuổi Để tổng kết lại những kiến thức đã học cũng như để làm quen với công việc thiết kế của người cán bộ kỹ thuật trong ngành cơ khí sau này. Em đã được nhận đề tài "Thiết kế máy phay CNC 2D“ dựa trên máy chuẩn PC MILL155. Vì lần đầu làm quen với công việc thiết kế tổng thể, mặc dù được sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Đắc Lực nhưng cũng không tránh khỏi những bỡ ngỡ. Hơn nữa, tài liệu phục vụ cho công việc thiết kế còn quá ít, thời gian thực hiện đề tài không nhiều, khả năng còn hạn chế nên chắc trong quá trình thiết kế sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Nên rất mong được sự giúp đỡ và chỉ bảo của các thầy cô. Sau thời gian 3 tháng làm đề tài tốt nghiệp bằng chính nổ lực của bản thân và được sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Đắc Lực, các thầy cô giáo và sự giúp đỡ của các bạn sinh viên khác trong khoa em đã hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp này đúng thời gian qui định. Một lần nữa cho phép em gởi đến quí thầy cô cùng các bạn lòng biết ơn sâu nhất. Đà Nẵng, ngày 20 tháng 5 năm 2003 Sinh viên thực hiện Đào Phú Khánh Phùng Văn Duy Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục MỤC LỤC Phần 1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ MÁY CNC ĐẶC ĐIỂM KINH TẾ - KỸ THUẬT Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY CNC 1. Khái niệm cơ bản về điều khiển và điều khiển số 1.1. Khái niệm Điều khiển là phương pháp hiệu chỉnh dòng năng từ nguồn cho đến cơ cấu chấp hành hoặc qui trình công nghệ nào đó để có thể đạt được một kết quả mong muốn. 1.2. Phân loại hệ thống điều khiển trên máy công cụ Người ta chia hệ thống điều khiển máy công cụ thành hai loại: • Điều khiển theo kiểu truyền thống • Điều khiển số 6 Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục 1.3. Điều khiển theo kiểu truyền thống Hệ thống điều khiển (HTĐK) theo kiểu này gồm: điều khiển bằng cam, điều khiển theo quảng đường, điều khiển theo thời gian, điều khiển theo chu kì, Nhìn chung các loại điều khiển này có chung các đặc điểm chính sau đây: • Điều khiển máy có sự tham gia phần lớn của người vận hành từ khâu cấp phôi, gá phôi, hiệu chỉnh dụng cụ cho đến khâu kiểm tra sản phẩm. • Các thao tác của HTĐK thường khó thay đổi (chính xác là không thay đổi được). Do vậy, nó không thích ứng với sự thay đổi sản phẩm. • Nếu không có sự tham gia của người vận hành thì cơ cấu máy thực hiện chu trình làm việc liên tục như các máy tự động. Với các loại máy này không thay đổi được hoặc muốn thay đổi cũng rất phức tạp. Do vậy, khuynh hướng phát triển chung là người ta muốn có những HTĐK mà nó dễ dàng thích nghi với sự thay đổi của sản phẩm. Nhìn chung, các HTĐK theo kiểu truyền thống tuy càng lúc càng được cải thiện tuỳ theo mức độ cơ khí hoá, tự động hoá của nhà máy sản nhưng vẫn chưa thực sự đáp ứng được nhu cầu của thực tế. 1.4. Điều khiển số 1.4.1.Bản chất của điều khiển số Khi gia công trên các máy công cụ thì chi tiết và dụng cắt thực hiện các chuyển động tương đối với nhau. Những chuyển động được lặp đi lặp lại nhiều lần khi gia công mỗi chi tiết gọi là chu kỳ gia công. Mỗi chu kỳ gia công được đặt trưng bởi hai thành phần đó là: phần kích thước và phần điều khiển. Hai thông tin không thể thiếu trong bất kỳ một máy điều khiển nào. Thông tin về kích thước cho phép chúng xác định hành trình của chu kỳ; trong khi đó thông tin về sự điều khiển cho phép xác định thứ tự của hành trình theo thời gian. 1.4.2.Điều khiển số và hệ thống điều khiển số 1.4.2.1. Điều khiển số Điều khiển số NC (Numerical Control) là một hình thức tự động hoá đặc biệt. Máy công cụ được lập trình để thực hiện một dãy có thứ tự các sự kiện với một tốc độ xác định trước nhằm gia công một chi tiết máy với toàn bộ những kết quả và tham số vật lí hoàn toàn có thể dự đoán được. Điều này được thực hiện là nhờ các bộ vi xử lý. Nó có thể tiếp nhận và chuyển đổi các dữ liệu gia công thành các tín hiệu điều khiển máy hoạt động và có thể thay đổi chức năng của nó bằng chương trình ngoài, chứ không phải chỉ thực hiện một số chức năng cố định như trước đây. 1.4.2.2. Hệ thống điều khiển số 7 1 sgdfd uyển vị theo phương dọc trục. Băng đục lỗ 3 x x 4 Hộp giảm tốc 1 2 3 M 4 Hình 1 Hệ thống điều khiên sô vòng hở Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Là hệ thống mà trong đó các hoạt động được điều khiển là dữ liệu số đưa vào trực tiếp ở một điểm nào đó. Hệ thống đó phải tự động dịch chuyển tối thiểu một phần nào đó của dữ liệu này. Dữ liệu số là thông tin cung cấp bỡi tín hiệu mã nhị phân. Nó được biểu diễn dưới dạng mã số hoặc kí tự. Đây là thông tin cần thiết để tạo ra một chương trình, gọi là chương trình gia công chi tiết. Có 2 loại HTĐK: Hệ thống hở và hệ thống kín. a. Hệ thống hở 1: Bộ đọc 2: Bộ giải mã 3: Bộ khuếch đại 4: Bàn máy M: Động cơ Đặc điểm của hệ thống điều khiển số vòng hở như sau: • Các hệ thống điều khiển được vận hành theo nhịp thời gian của một đồng hồ và độc lập với biến ra. • Không có cảm biến và bộ so sánh. Do đó, muốn đảm bảo chính xác cho biến ra của cơ cấu chấp hành thì cần có yêu cao về độ chính xác của hệ truyền động. • Cấu trúc đơn giản và giá thành thấp. b. Hệ thống kín 1: Bộ đọc 2: Bộ giải mã 3: Bộ khuếch đại 4: Bàn máy 5: Bộ so sánh 6: Cảm biến đo vị trí M: Động cơ 8 Bộ so sánhBăng đục lỗ 1 2 3 Hộp giảm tốc M x x Máy 4 5 Hình 1 Hệ thống điều khiển số vòng kính Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Đặc điểm của hệ thống điều khiển số vòng hở như sau: • Độ chính xác của biến ra ít phụ thuộc vào hệ truyền động mà phụ thuộc vào cảm biến. • Làm việc chính xác và độ tin cậy cao. Do vậy, hầu hết các HTĐKS hiện nay là hệ thống kín. Các hoạt động điều khiển được vận hành qua các sai lệnh điều khiển giữa biến vào và biến ra. c. Cấu trúc từng phần của HTĐKS • Bộ đọc: bao gồm các dữ liệu gia công, mô tả các hoạt động của máy kể cả hiệu chỉnh dụng cụ dưới dạng từng câu lệnh của chương trình. Nó được in vào băng đục lỗ. Và chỉ khi nào mỗi một dòng lệnh được hoàn hành nhiệm vụ thì một dòng lệnh khác được đọc. • Bộ giải mã: nhiệm vụ biến nội dung dòng lệnh thành tín hiệu điều khiển. • Bộ so sánh: so sánh giá thực của biến ra để chấp hành với giá trị biến vào của hệ điều khiển. Sai lệnh này nếu có sẽ được biến thành tín hiêụ điều khiển. • Bộ khuếch đại: dùng để biến đổi mức tín hiệu cần thiết cho mục đích điều khiển. • Cảm biến: dùng đo giá thực của biến ra. Sau đó, cung cấp cho bộ so sánh dưới dạng tín hiệu, thường là tín điện.s 2. Quá trình phát triển của máy CNC 2.1. Quá trình phát triển Điều khiển số NC (Numerical Control) là phương pháp tự động điều chỉnh các máy công tác (máy công cụ, Robot, băng tải vận chuyển phôi liệu, chi tiết gia công, sản phẩm, ) trong đó các hành động bị điều khiển được sản ra trên cơ sở cung cấp các dữ liệu ở dạng mã nhị phân. Nó được biểu diển dưới dạng các con số thập phân, 9 Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục các chữ cái và kí hiệu đặc trưng tạo thành một chương trình làm việc của thiết bị hay của hệ thống. Trước đây, cũng đã có những quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theo chương trình bằng các kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình bằng hệ thống thuỷ lực, Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của KH- KT, nhất là trong lĩnh vực ĐKS và tin học đã tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà chế tạo máy nghiên cứu và ứng dụng đưa vào các máy công cụ truyền thống các HTĐK tự động. Biến các máy công này thành các máy điều khiển theo chương trình số, gọi là các máy CNC (Computrized Numerical Control). Việc sử dụng các máy CNC cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tế; đồng thời cho phép rút ngắn được chu kỳ sản xuất. Do đó, hiện nhiều nước trên thế giới đã và đang ứng dụng rộng rãi công nghệ mới này vào lĩnh vực cơ khí chế tạo. Đặc biệt là chế tạo các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết đòi hỏi độ chính xác và độ phức tạp cao. Xuất phát từ ý tưởng điều khiển một dụng cụ thông qua một chuỗi lệnh kế tiếp, liên tục như các máy công cụ ĐKS ngày nay được thực hiện từ mãi thế kỉ XIV. Khi ở châu Âu người ta dùng các chốt hình trụ để điều khiển các chuyển động của các hình trang trí trên đồng hồ lớn của nhà thờ. Năm 1808, Joseph M. Jacquard dùng những tấm tôn đục lỗ để điều khiển tự động các máy dệt. Năm 1863, M. Fourneaux phát minh ra đàn Piano nỗi tiếng thế giới. Với băng giấy đục lỗ làm vật mang tin. Năm 1938, Claud E. Shannon trong khi làm luận án tiến sĩ đã đi đến kết luận rằng việc tính toán và truyền tải nhanh dữ liệu có thể thực hiện bằng mã nhị phân. Từ năm 1949 đến 1952, Jonh Parsons và Học viện kỹ thuật Massachusett (Massachusett Institute Of Technology) đã thiết kế “một hệ thống điều khiển dành cho máy công cụ, để điều khiển trực tiếp vị trí của các trục thông qua dữ liệu đầu ra của một máy tính, làm bằng chứng cho một chức năng gia công chi tiết” theo hợp đồng của Không lực Hoa Kỳ. Cũng trong thời gian này, Parsons cùng với đồng nghiệp của ông đã đưa ra 4 tiên đề cơ bản sau: • Những vị trí được tính ra trên một biên dạng được ghi nhớ vào băng đục lỗ. • Các đục lỗ được đọc trên máy một cách tự động. • Những vị đã được đọc ra được liên tục truyền đi và được bổ sung thêm tính toán cho các giá trị trung gian nội tại. • Các động cơ servo ( vô cấp tốc độ ) có thể điều khiển được chuyển động các trục. 10 [...]... trc chớnh, Nguyờn tc lm vic ca h iu khin NC l: Sau khi m mỏy cỏc lnh th nht v th hai c c Khi quỏ trỡnh c kt thỳc thỡ mỏy bt u thc lnh th nht Trong khi ú, thụng tin ca lnh th hai nm trong b nh ca h iu khin Sau khi lnh th nht thc hin xong thỡ lnh th hai bt u lm vic Trong khi úù lnh th ba c c v ghi vo b nh ti v trớ m lnh th hai va c gii phúng V quỏ trỡnh c dch nh vy cho n ht chng trỡnh Nhc im ca h iu khin... nhanh v phớa xut phỏt ban u thc hin cỏc bc tip theo 7.2.3.2 Khong cỏch gia hai bc k nhau 34 Thit k ch to mụ hỡnh mỏy phay CNC iu khin hai trc Khong cỏch gia hai bc k nhau cn phi c tớnh toỏn vỡ nú xỏc nh chiu sõu ct tmax= D - 2r h (7.4) Trong ú: D: ng kớnh dao phay(mm) r: bỏn kớnh cong mt u dao (mm) h: khong giao nhau ca hai bc o 2 dao cựng ct (mm) 7.2.3.3 Phng phỏp n dao v chi tit Phng phỏp n gin... thỡ nú mi bt u thc hin cỏc chuyn ng ct gt Vớ d: Khi gia cụng hai l M(xM, yM) v N(xN, yN) trong h to Oxy (Hỡnh 1-3) Chỳng ta cú th iu khin theo cỏc cỏch sau: u tiờn cho dng c thc hin chy dao nhanh n im M Sau ú, thc hin vic gia cụng l M Khi gia cụng xong tin hnh rỳt dao v chy nhanh n im N gia cụng l N Quỏ trỡnh dch chuyn t M n N c thc bng hai cỏch: Qu o dch chuyn theo MM1KN song song vi trc Ox, Oy... khin ng 2D 3.2.3.2 iu khin biờn dng 2.5D Cho phộp dch chuyn dng c theo 2 trc ng thi to mt ng cong phng cũn trc th 3 c iu khin c lp Tuy 18 Thit k ch to mụ hỡnh mỏy phay CNC iu khin hai trc nhiờn, nú khỏc vi iu khin 2D ớ ch hai trc c iu khin ng thi cú th i v trớ cho nhau (Hỡnh1-6) 3.2.3.3 iu khin 3D Cho phộp thc hin chuyn ng chy dao ng thi theo c 3 trc X, Y, Z Nú thng c dựng gia cụng cỏc mu, cỏc chi... dng h to Cỏc Oxyz (Hỡnh1.9) Cỏch xỏc nh cỏc trc theo qui tc bn tay phi v nú luụn c gn vo chi tit gia cụng 19 Thit k ch to mụ hỡnh mỏy phay CNC iu khin hai trc z Hỡnh1.9: H trc to ờCỏc Oxyz C+ + B O y +A 20 x Thit k ch to mụ hỡnh mỏy phay CNC iu khin hai trc Khi tip xỳc v lm vic vi mỏy CNC phi tuõn theo qui c: Chi tit gia cụng c xem l c nh cũn mi chuyn to hỡnh v ct gt do dao c thc hin Phng trc chớnh... Cú hai cỏch ghi thc trờn bn v: Ghi kớch thc tuyt i Ghi kớch thc tng i (theo gia s) 5.2.2.Ghi kớch thc tuyt i (Hỡnh 1.15) L cỏch ghi m tt c cỏc kớch thc xut phỏt t im gc ca chi tit W 5.2.3.Ghi kớch thc tng i L cỏch ghi m cỏc kớch thc sau xut phỏt t im kt thỳc ca kớch thc trc nú Thc t, cỏch ghi ny ngi ta ớt dựng vỡ nú nh nhiu n kt qu gia cụng (Hỡnh 1.16) 23 Thit k ch to mụ hỡnh mỏy phay CNC iu khin hai. .. Hỡnh1-19 ) 32 Thit k ch to mụ hỡnh mỏy phay CNC iu khin hai trc Hỡnh 1-19 Vựng gia cụng h 7.2.1.2 Vựng gia cụng na h L vựng m dao b hn ch khi dch chuyn dc hoc trong mt phng vuụng gúc vi trc ca nú (Hỡnh1-20a) 7.2.1.3 Vựng gia cụng kớn: L vựng gia cụng m dao b hn ch theo tt c cỏc phng dch chuyn ca nú (Hỡnh1.20b) 33 Thit k ch to mụ hỡnh mỏy phay CNC iu khin hai trc Hỡnh 1-20a Hỡnh 1-20b Hỡnh 1-20c 7.2.1.4 Vựng... liờn thụng ó to iu kin cho cỏc nh ch to thc hin vic ni kt gia cỏc mỏy CNC riờng l (CNC Machine Tools) li vi nhau to thnh cỏc 11 Thit k ch to mụ hỡnh mỏy phay CNC iu khin hai trc trung tõm gia cụng DNC (Directe Numerical Control) nhm khai thỏc mt cỏch cú hiu qu nht nh: cỏch b trớ, sp xp cỏc cụng vic trờn tng mỏy, t chc sn xut, V cng da trờn nn cụng nghp ny, mt chui cỏc loi thit b, phn mm v h thng c phỏt... trong nc v liờn doanh vi ngoi Hin nay, nhiu nh mỏy c khớ trong nc ó v ang cú nhng d ỏn u t cỏc dõy chuyn sn xut vi phn ln thit b trong dõy chuyn l cỏc mỏy CNC 12 Thit k ch to mụ hỡnh mỏy phay CNC iu khin hai trc Mc dự, cụng ngh CNC du nhp vo Vit Nam trong mt thi gian ngn nhng cú th núi cụng ngh ny ó cú mt ch ng ti Vit Nam v tin chc trong nhng nm ti õy cụng ngh ny s c dựng nhiu trong cỏc xớ nghip, phõn... Ox, Oy Qu o chuyn ng theo ng ti u MKN 3.2.2.iu khin theo ng thng L dng iu khin m khi gia cụng dng ct c thc hin lng chy dao theo mt ng thng no ú (Hỡnh 1.4a) 17 Thit k ch to mụ hỡnh mỏy phay CNC iu khin hai trc 3.2.3.iu khin theo biờn dng ( Contour ) L dng iu khin cho phộp thc hin chy dao nhiu trc cựng mt lỳc, ngha l nú cú th gia cụng mt ng cong bt kỡ trờn mt phng hay trong khụng gian (Hỡnh 1.4b) Y YA . chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục 2. Các số liệu ban đầu Căn cứ theo số liệu của máy chuẩn máy phay điều khiển số PC MILL 155 để tính toán thiết kế máy phay CNC 2D và thiết kế chế. công nghệ thiết kế, phát triển và chế tạo khuôn mẫu”. Lúc đó các công nghệ CNC như: máy phay CNC, máy tiện CNC, đo lường CNC, lần đầu tiên được giới thiệu và thu hút sự quan tâm của nhiều nhà chuyên. Duy Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục MỤC LỤC Phần 1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ MÁY CNC ĐẶC ĐIỂM KINH TẾ - KỸ THUẬT Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY CNC 1. Khái niệm cơ bản về điều