NGHIÊN C ỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHAY CNC 4 TRỤC SỬ VÀ KIM LO ẠI MÀU RESEARCHING DESIGN AND MANUFACTURING 4-AXIS CNC MILLING MACHINE USING MACH3 SOFTWARE APPLIEDTO MANUFACTURE ALUMI
Trang 1NGHIÊN C ỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHAY CNC 4 TRỤC SỬ
VÀ KIM LO ẠI MÀU
RESEARCHING DESIGN AND MANUFACTURING 4-AXIS CNC MILLING MACHINE USING MACH3 SOFTWARE APPLIEDTO MANUFACTURE
ALUMINUM AND FERROUS METALS
Đặng Minh Phụnga, Lê Hiếu Giangb, Nguyễn Văn Lâmc,
Nguy ễn Trường Hảid, Lê T ấn Cườnge
Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM
TÓM T ẮT
Ngày nay, công ngh ệ chế tạo máy điều khiển số CNC ở các nước phát triển đã đạt đến
m ức hoàn thiện cao Trong khi đó ở Việt Nam, các công trình nghiên cứu chế tạo máy CNC là chưa nhiều, đặc biệt là nghiên cứu về CNC 4 trục, 5 trục Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên c ứu máy phay CNC 4 trục sử dụng phần mềm Mach3 ứng dụng trong gia công nhôm
và kim lo ại màu Kết quả thử nghiệm cho thấy máy phay CNC 4 trục hoạt động tốt, các chi
ti ết gia công đạt độ chính xác 0,02 mm Kết quả này sẽ là kết quả tham khảo tốt cho việc phát tri ển lên máy phay CNC 5 trục, giúp nâng cao quá trình tự động hóa và gia công được các biên d ạng phức tạp
T ừ khóa: máy phay,CNC, 4 trục, Mach3, nhôm, kim loại màu
ABSTRACT
Nowadays, in the developed countries, technology of manufacturing computerized numerical control (CNC) machines has reached a high level of perfection Meanwhile, in Vietnam, there have not been many studies on computerized numerical control (CNC) machines, especially on 4-axis CNC milling machines and 5-axis CNC milling machines This paper presents the results of the research into a 4-axis CNC milling machine using Mach3 applied to manufacture aluminium and ferrous metals Test results showed that the 4-axis CNC milling machine worked well and the manufacturing components achieved precision of 0.02 mm.The results will be a good reference to develop 5-axis CNC milling machines, improve the level of automation and manufacture complex shapes
Keywords: milling, CNC, 4-axis, mach3, aluminium,ferrous metals
1 GI ỚI THIỆU
Ngày nay, khoa h ọc kỹ thuật ngày càng phát triển thì máy móc hiện đại cũng ra đời ngày càng nhi ều Chỉ xét riêng lĩnh vực gia công cơ khí, hàng loạt máy CNC ra đời, máy CNC 3 tr ục, 4 trục, 5 trục, trung tâm gia công, máy CNC cao tốc nhờ đó mà năng suất sản
xu ất cũng như chất lượng sản phẩm ngày càng được nâng cao Ngoài ra máy CNC còn có các
ưu điểm như: sự linh hoạt, khả năng tự động, độ chính xác cao, gia công những hình dạng
ph ức tạp một cách nhanh chóng chỉ với một tập tin mã lệnh G-Code nhập cho máy
Tuy nhiên giá thành nh ập khẩu máy phay CNC 4 trục vẫn còn cao Vì vậy việc nghiên
c ứu thiết kế, chế tạo máy phay CNC 4 trục với kích thước nhỏ gọn và giá thành thấp nhưng vẫn đảm bảo hoạt động hiệu quả, góp phần vào việc từng bước giải mã và làm chủ công nghệ chế
t ạo máy phay CNC 4 trục, từng bước thay thế các thiết bị nhập ngoại giá thành cao phục vụ
Trang 2trong vi ệc đào tạo nghề cho các trường trung cấp, phục vụ cho việc nghiên cứu, giảng dạy trong các phòng thí nghi ệm của các trường đại học, cao đẳng cũng như nhận gia công một số sản
ph ẩm không cần độ chính xác cao như khuôn mẫu (có độ chính xác không quá cao), chi tiết cơ khí, s ản phẩm nữ trang, sản phẩm điêu khắc, từng bước thử nghiệm, nâng cao độ cứng vững và
độ chính xác của máy Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy phay CNC 4 tr ục được thực hiện tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh
2 MÔ HÌNH THI ẾT KẾ MÁY PHAY CNC 4 TRỤC
D ựa vào yêu cầu làm việc của máy phay CNC 4 trục, có cụm trục A gắn trên bàn máy
c ủa cụm trục X Vì vậy cũng cần yêu cầu hành trình tịnh tiến trục Z đủ dài để đảm bảo không gian làm vi ệc của máy Phương án thiết kế máy phay CNC 4 trục được đề xuất như sau:
Hình 1: Sơ đồ nguyên lý máy phay CNC 4 trục Máy phay CNC 4 tr ục được cấu tạo từ các bộ phận cơ bản sau:
(2): C ụm trục Y;
(4): Cụm trục Z; (5): Đối trọng; (6): Ụ chống tâm
Hình 2: Mô hình thi ết kế 3D máy phay CNC 4 trục
Trang 32.1 C ụm trục X
Nhi ệm vụ của cụm trục X: là điều khiển bàn máy tịnh tiến theo phương X
(1): T ấm đế;
(2): T ấm trung gian; (3): Tr ục vitme; (4): G ối đỡ;
(5): Động cơ bước;
(7): Ray trượt;
(8): Bàn máy
Hình 3: Mô hình thi ết kế cụm trục X 2.2 Cụm trục Y
Nhi ệm vụ của cụm trục Y: mang cụm trục X và cụm trục A tịnh tiến theo phương Y
(1): G ối đỡ;
(2): Tr ục vitme;
(3): Chi ti ết bắt đai ốc; (4): Đế máy;
(5): Động cơ bước; (6): Ray trượt;
(7): Con trượt
Hình 4: Mô hình thiết kế cụm trục Y 2.3 C ụm trục Z
Nhi ệm vụ của cụm trục Z: là điều khiển cụm trục dao tịnh tiến theo phương Z
(1): Thân đứng; (2): Gá Spindle; (3): Spindle;
(4): T ấm trung gian; (5): Con trượt;
(6 ): Ray trượt;
Hình 4: Mô hình thi ết kế cụm trục Z
Trang 42.4 C ụm trục A
Nhi ệm vụ của cụm trục A: là điều khiển chi tiết gia công xoay quanh trục X
Hình 5: Mô hình thi ết kế cụm trục A
Thông s ố kỹ thuật của máy:
Đặc tính kỹ thuật Thông s ố
Kích thước bàn máy 700 x 290 mm
Hành trình vít me 400 x 320 x 300 mm
Không gian có th ể gia công (kích thước
phôi l ớn nhất có thể gia công được) 380 x 300 x 260 mm
Động cơ bước Độ phân giải 1000 xung/vòng
Động cơ trục chính 24000 vòng/ph, công su ất 2,2kW
T ốc độ cắt lớn nhất 350 ÷ 400 mm/ph (sâu 2 mm)
Đường kính dao tối đa 12 mm
Kh ả năng gia công Phay biên d ạng 2D, 3D, 4D khắc chữ,
khoan, gia công m ặt cong phức tạp
Độ chính xác đo đạc sau gia công 0,02 mm
Trang 53 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 4 TRỤC
Hình 6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy phay CNC 4 trục
4 PH ẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CNC 4 TRỤC
Hình 7.Giao di ện điều khiển phần mềm Mach3
Th ời kỳ đầu Mach3 CNC được coi là phần mềm mã nguồn mở Vì vậy Mach3 CNC được phát triển nhanh, giao diện phong phú, nhiều tính năng, tiêu chuẩn CAD/CAM Ngày
Trang 6nay, Mach3 CNC (hãng s ản xuất: ArtSoft USA) trở thành phần mềm thương mại nhanh hiện
đại, giá thành thấp và được nhiều người sử dụng, với các đặc tính cơ bản sau:
- Giao ti ếp với phần cứng máy CNC thông qua cổng LPT, cho phép biến một PC thành
m ột bộ điều khiển máy CNC thời gian thực
- B ộ điều khiển Mach3 hoàn toàn tương thích với các máy như: phay CNC, tiện CNC,
c ắt Plasma, máy khắc, cắt Laser
- Giao di ện đẹp, dễ dàng tùy biến theo ý thích của người sử dụng
- Nh ận file G-code, M-Code tiêu chuẩn từ các phần mềm CAM
- Mô ph ỏng quá trình làm việc rất rõ ràng, khai báo các thông số của hệ thống dễ dàng
- Cho phép đọc các file có định dạng dxf, bmp, jpg, và các file hpgl qua LazyCam kèm theo Mach3
- Cho phép set v ị trí Home của phôi thông qua các phím của bàn phím máy tính
- Ch ức năng nội suy tọa độ, giải mã xuất tín hiệu xuống driver các trục
5 H Ệ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN
+ Máy phay CNC 4 tr ục sử dụng vòng điều khiển hở: sử dụng động cơ bước Sử dụng động cơ bước là cách đơn giản để chuyển các xung điện thành lượng di chuyển tỉ lệ và cung
c ấp một giải pháp tương đối rẻ tiền cho việc điều khiển máy Bởi vì điều khiển hở nên không
c ần bộ dò và mạch điện phản hồi, nên cấu trúc điều khiển rất đơn giản
+ Độ chính xác của hệ thống phụ thuộc vào tính năng của động cơ bước, độ chính xác
c ủa vít me bi và bộ phận truyền động
Hình 8 Vòng điều khiển hở
Hình 9 M ạch động lực điều khiển động cơ
Trang 7Hình 10 Sơ đồ mạch điều khiển máy CNC 4 trục [7]
Hình 11 T ủ điện điều khiển
Ngu ồn: Chuyển điện áp xoay chiều 220V xuống 1 chiều ổn định 24V để nuôi mạch driver điều khiển 4 trục
Driver điều khiển động cơ bước: Truyền chuyển động cho vitme để ổn định tín hiệu truy ền
M ạch giao tiếp BOB có nhiệm vụ kết nối giữa máy tính PC, mạch điều khiển động cơ, các công t ắc hành trình, nút dừng khẩn cấp,… đưa tín hiệu từ máy tính vào mạch điều khiển driver, đồng thời khi tín hiệu qua mạch đệm sẽ được ổn định hơn về đường truyền
Động cơ trục chính: Spindle DC 2,2 kW, 24000 vòng/ph
Đường kính dao lớn nhất dmax = Ø12mm
6 CH Ế TẠO – THỬ NGHIỆM
Máy phay CNC 4 tr ục đã được chế tạo thành công và đạt được những kết quả sau:
Trang 8Hình 12 Máy phay CNC 4 tr ục
Hình 13, S ản phẩm gia công trên máy CNC 4 trục
Đánh giá quá trình gia công thử nghiệm:
+ Ti ến hành gia công 10 mẫu nhôm kích thước thiết kế 30x30x10, sử dụng thước kẹp
điện tử có độ chính xác 0,01 mm để đo kích thước 10 mẫu theo 2 phương X, Y như sau:
Hình 14 10 m ẫu 30x30x10 gia công trên máy CNC 4 trục Bảng 1 Giá trị kích thước đạt được sau khi gia công 10 mẫu đo theo 2 phương X, Y
Kích thước 30x30 30x30 30,01x30,01 30x30,01 30x30,01
Kích thước 30x30,01 30,01x30,01 30,01x30,01 30x30 30,01x30,01
Trang 9+ D ựa vào bảng kích thước đạt được sau khi gia công thử nghiệm 10 mẫu nhôm đo theo
2 phương X, Y: máy phay CNC 4 trục đạt độ chính xác 0,02 mm
7 KẾT LUẬN
Bài báo trình bày m ột số kết quả nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy CNC 4 trục Máy
đã được chế tạo và chạy thử đạt kết quả tốt:
- Gia công các chi ti ết cơ khí, đồ trang trí, nữ trang bằng nhôm, gỗ và kim loại màu
- Độ chính xác gia công đạt 0,02 mm
- Máy ho ạt động ổn định, êm
- D ễ bảo trì, bảo dưỡng
- Ph ục vụ tốt cho việc nghiên cứu, giảng dạy ở các trường đại học, cao đẳng, trung cấp ngh ề…
TÀI LI ỆU THAM KHẢO
[1] TS Bùi Quý L ực, Hệ thống điều khiển số trong công nghiệp, NXB KHKT, Hà Nội 2006
[2] TS Lê Hi ếu Giang, Nguyễn Trường Thịnh, Giáo trình Máy Điều Khiển Theo Chương
[3] James Floys-Kelly, Patrick Hood-Daniel, Build your own CNC machine, 2009
[4] User’s guide Mach3 driver, Letech Co LTD
[5] Mach3 CNC controller software installation and configuration
[6] THK General Catalog
[7] http://www.thegioicnc.com/forum/threads/3671-so-do-dien-bo-dieu-khien-may-cnc.html
THÔNG TIN TÁC GI Ả
1 Đặng Minh Phụng, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM,
Email: phungdm@hcmute.edu.vn, DĐ: 0906814944
2 Lê Hi ếu Giang, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM,
Email: gianglh@hcmute.edu.vn, DĐ: 0938308141
3 Nguy ễn Văn Lâm, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM,
Email: nguyenvanlam6300@gmail.com, DĐ: 01654094095
4 Nguy ễn Trường Hải, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM,
Email: truonghai1188@gmail.com, DĐ: 0934706625
5 Lê T ấn Cường, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM,
Email: cuonglt@hcmute.edu.vn, DĐ: 0909744100