Thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục

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 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, điều 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.

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 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, điều 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

Trong những năm gần đây các máy NC và CNC xuất hiện tại hầu hết các lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là trong công nghiệp Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp Tuy nhiên hầu hết các máy CNC trong nuớc đều là nhập từ một số nuớc như Ðức, Nhật và Trung Quốc, giá thành các máy CNC đều rất cao Những máy CNC thiết kế và sản xuất tại Việt Nam còn rất ít

và hầu như chỉ dừng lại ở mức độ“chế máy CNC chạy được” Do vậy chúng em đã quyết định chọn đề tài thiết kế chế tạo máy CNC, để mong rằng trong một tương lai gần, những máy CNC được thiết kế và sản xuất tại Việt Nam sẽ có chất lượng tốt, chính xác và phổ biến hơn Từ đó thúc đẩy sự phát triển của nền khoa học công nghệ trong nuớc

Trong đề tài đồ án tốt nghiệp, mục tiêu trước tiên mà chúng em hướng tới là chế tạo được mô hình máy CNC 3 trục hoạt động ổn định với sai số nhỏ Hướng tới khắc phục dao động, sai số và nâng cao tính linh hoạt của máy CNC hướng tới nghiên cứu chế tạo máy CNC 4, 5 trục với độ chính xác cao Tuy nhiên do kinh nghiệm còn hạn chế và thời gian thực hiện có hạn, nên đề tài của chúng em còn những thiếu sót Chúng em mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô

để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn Sau thời gian làm đề tài bằng chính nổ lực của bản thân và được sự hướng dẫn của thầy Đỗ Thế Cần chúng em đã hoàn thành xong đồ án này đúng thời gian qui định

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Đỗ Thế Cần và các thầy trong khoa Cơ khí đã hướng dẫn tận tình, tạo điều kiện tốt nhất để chúng em có thể hoàn thành đề tài này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA CÔNG CNC VÀ

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC

1.1 Tổng quan về máy gia công CNC

1.1.1 Sơ lược về máy CNC và quá trình phát triển

Điều khiển số (Numerical Control) ra đời với mục đích điều khiển các quá trình công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ.Về thực chất, đây là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc các chi tiết gia công, các kho quản lí phôi và sản phẩm….) trên cơ sở các dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống

Lịch sử phát triển của máy NC bắt nguồn từ các mục đích về quân sự và hàng không vũ trụ khi mà yêu cầu các chỉ tiêu về chất lượng của các máy bay, tên lửa, xe tăng… là cao nhất Ngày nay, lịch sử phát triển NC đã trải qua các quá trình phát triển không ngừng cùng với sự phát triển trong lĩnh vực vi xử lý từ 4 bit, 8 bit… cho đến nay đã đạt đến 32 bit và cho phép thế hệ sau cao hơn thế hệ trước và mạnh hơn

về khả năng lưu trữ và xử lý

Từ các máy CNC riêng lẽ (CNC Machines – Tools) cho đến sự phát triển cao hơn là các trung tâm gia công CNC (CNC Engineering - Center) có các ổ chứa dao lên tới hằng trăm và có thể thực hiện nhiều nguyên công đồng thời hoặc tuần tự trên một vị trí gá đặt Cùng với sự phát triển của công nghệ truyền số liệu, các mạng cục

bộ và liên thông phất triển rất nhanh đã tạo điều kiện cho các nhà công nghiệp ứng dụng để kết nối sự hoạt động của nhiều máy CNC dưới sự quản lí của một máy tính trung tâm DNC (Directe Numerical Control) với mục đích khai thác một cách có hiệu quả nhất như bố trí và sắp xếp các công việc trên từng máy, tổ chức sản xuất và quản lí chất lượng sản phẩm…

Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí đã phát triển và đạt đến trình độ rất cao như các phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ hợp CIM (Computer Intergrated Manufacturing) với việc trang bị thêm các robot cấp phôi liệu và vận chuyển, các hệ thống đo lường và quản lí chất lượng tiên tiến, các kiểu nhà kho hiện đại được đưa vào áp dụng đã mang lại hiệu quả kinh tế rất đáng kể

Các chức năng tính toán trong hệ thống CNC ngày càng hoàn thiện và đạt tốc độ xử lý cao do tiếp tục ứng dụng nhừng thành tựu phát triển của các bộ vi xử lý

up Các hệ thống CNC được chế tạo hàng loạt lớn theo công thức xử lý đa chức năng , dùng cho nhiều mục đích điều khiển khác nhau.Vật mang tin từ bang đục lỗ, băng từ, đĩa từ và tiến tới sử dụng đĩa CD có dung lượng ngày càng lớn, độ tin cậy

và tuổi thọ cao

Hình 1.1 Mô hình điều khiển DNC

Hình 1.2 Mô hình điều khiển tổ hợp CIM

1.1.2 Những nét cơ bản về máy công cụ và máy CNC

Về cơ bản, máy công cụ vạn năng và máy CNC đều có kết cấu khung giống

Ngoài ra, chúng còn có một số điểm khác nhau, cụ thể là:

STT Nội dung Máy công cụ vạn

năng

Máy CNC

1 Nguồn động lực Động cơ 3 pha thường -Động cơ DC điều khiển

vô cấp hoặc AC biến tần điều khiển vô cấp

-Động cơ bước và động cơ thủy lực

-Động cơ servo

2 Tốc độ truyền dẫn Phân cấp Vô cấp

3 Truyền động Kiểu nối tiếp (thông

qua hộp số)

Độc lập

4 Bộ truyền dẫn -Thanh răng/ bánh răng

thường

-Vít me/ đai ốc thường

-Thanh răng/ bánh răng yêu cầu có cơ cấu kẹp khử khe hở

-Vít me/ đai ốc bi

5 Điều khiển Bằng tay (công tắc,tay

-Mềm dẻo, linh hoạt cao Những ưu điểm nổi bật của máy CNC so với máy công cụ thông thường:

- Gia công được những chi tiết phức tạp, độ chính xác gia công ổn định

- Thời gian lưu thông ngắn do tập trung nguyên công cao, giảm thời gian phụ

và tăng được thời gian sản xuất

- Tính linh hoạt và quy hoạch thời gian sản xuất cao

- Chi phí kiểm tra và chi phí cho phế phẩm giảm

- Hiệu suất cao và tăng năng lực sản xuất

- Do có khả năng tự động hóa cao nên rất thích hợp trên các dây chuyền sản xuất linh hoạt

1.1.3 Kết cấu cơ bản của máy CNC

Máy CNC gồm 2 phần chính:

- Phần cơ khí: Đế máy, thân máy, bàn máy, bàn xoay, trục vít me, ổ tích dụng cụ, cụm trục chính và băng dẫn hướng

- Phần điều khiển: Các loại động cơ,các hệ thống điều khiển và máy tính trung tâm

Hình 1.3 Kết cấu cơ bản của máy CNC

1.1.4 Hệ thống tọa độ trên máy CNC

Để có thể tính toán quỹ đạo chuyển động của dụng cụ, cần thiết phải gắn vào chi tiết một hệ trục tọa độ Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công chi tiết trên máy CNC phải nằm trong một hệ trục tọa độ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải và nó được gắn vào chi tiết gia công

Hình 1.4 Hệ thống tọa độ trên máy CNC

Một đặc điểm mang tính quy ước là trên các máy CNC, chi tiết gia công được xem là luôn luôn cố định và luôn gắn với hệ thống tọa độ cố định nói trên,còn mọi chuyển động tạo hình và cắt gọt đều do dụng cụ thực hiện Trong thực tế,điều này đôi khi là ngược lại, ví dụ như trên máy phay thì chính bàn máy mang phôi thực hiện chuyển động tạo hình, còn dụng cụ chỉ thực hiện nhiệm vụ cắt gọt

Hình 1.5 Hệ tọa độ trên máy CNC và chuyển động của các trục

1.1.5 Ðặc điểm và phân loại

Một cách tổng quát các máy công cụ CNC có thể được phân loại theo các đặc điểm sau

- Truyền động : Thủy lực, khí nén và điện

- Phương pháp điều khiển : Tọa độ hay quỹ đạo

- Hệ thống định vị : Ðịnh vị kích thước tuyệt đối và định vị nối tiếp

- Các vòng lặp điều khiển: vòng hở, vòng kín, vòng nửa kín

- Nhóm máy khoan, doa để khoan, doa các phôi

- Nhóm máy phay dể phay những chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo ra các bề mặt và các góc đa dạng và cũng có thể khoan, phay và doa Thay đổi nguyên công bằng các thay dụng cụ cắt, có nghĩa là chỉ cần một lần gá kẹp

- Nhóm máy mài để gia công tinh Nhóm này bao gồm các máy mài trục, mài lỗ, mài phẳng, mài rang, mài rãnh then, mài dụng cụ

1.2 Nguyên lí vận hành của máy công cụ điều khiển số

1.2.1 Chương trình gia công một chi tiết

Chương trình gia công một chi tiết gồm có các chương trình điều khiển số và

dữ liệu.Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lưu giữ trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ hoặc đĩa Compact CD) sau đó được nạp vào hệ điều khiển số qua cửa nạp tương thích.Dữ liệu gồm các giá trị hiệu chỉnh biên dạng, các dữ liệu hiệu chỉnh máy, các số liệu về dụng cụ cắt… được nạp vào từ bảng điều khiển

Chương trình điều khiển và dữ liệu được chuyển trực tiếp từ máy tính chủ sang hệ điều khiển số của từng trạm gia công (hệ DNC)

1.2.2 Khối điều khiển

Chức năng của khối điều khiển là thực hiện chương trình gia công chi tiết trên cơ sở dữ liệu sẵn có và tín hiệu từ bên ngoài Nhận các giá trị vị trí của các trục

từ sensor đo vị trí encoder và tốc độ của các trục

Thực hiện các chương trình điều khiển các cơ cấu chấp hành, động cơ bước của trục chính, động cơ của các trục truyền dộng riêng lẻ để phối hợp tạo nên biên dạng và điều khiển tốc độ các trục

1.2.3 Điều khiển logic

Điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ như sau: tốc độ chạy nhanh ( không tải) tối đa, bố trí xắp đặt các trục máy, các trạng thái đóng ngắt mạch của hệ điều khiển

và giới hạn vùng làm việc của hệ thống công nghệ (bàn máy, gá lắp, dụng cụ), lệnh đóng ngắt bơm dung dịch làm mát và bôi trơn, lệnh tạo số vòng quay cho trục chính, lệnh thay dụng cụ Đầu ra khối điều khiển logic điều khiển các cơ cấu chấp hành như: van thủy lực, van khí nén, các rơ-le…

1.2.4 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC

1.Màn hình 2.Bảng điều khiển

3.Mạch ghép nối 4.Tay quay điện tử

- Màn hình dùng để hiển thị tọa độ hiện tại của các trục truyền động, trạng thái làm việc của toàn hệ thống…

- Bảng điều khiển để vào dữ liệu điều chỉnh máy, lập trình gia công, cài đặt

1.3 Hệ thống tính toán điều khiển

1.3.1 Khái niệm và phân loại

Hệ điều khiển CNC thực hiện lưu đồ thuật toán như hình 1.7 Giai đoạn đầu tiên, những thông tin về kích thước công nghệ được đưa sang khâu chuẩn bị chương trình, sau đó là công việc lập trình điều khiển

Hình 1.7 Lưu đồ điều khiển hệ CNC

Chương trình điều khiển được đưa vào thiết bị tính toán điều khiển, tạo tín hiệu điều khiển các hệ truyền động điện tự động.Cấu trúc của thiết bị tính toán điều khiển có thể chia làm hai nhóm: NC và CNC Trong hệ CNC các chương trình điều khiển được đưa vào khối xử lí sau đó qua đầu vào đưa đến các khối giải mã nhằm tạo ra các mã tương thích của máy.Tín hiệu này hoặc đưa trực tiếp vào khối điều khiển hoặc đưa vào bộ nhớ đệm và cuối cùng đến bộ nội suy để tính toán, phân ra các chuyển động trên các trục tọa độ Mặt khác, thông tin điều khiển còn đưa ra các lệnh điều kiện công nghệ như tốc độ cắt, xoay chi tiết, thay dao…

1.3.2 Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC

1.3.2.1 Chuẩn bị chương trình bằng tay

Những thông tin cần thiết để chuẩn bị chương trình là: bản vẽ chi tiết và các điều kiện công nghệ Người soạn thảo chương trình phải truyền thông tin đó thành các chương trình điều khiển số cho máy gia công

Hình1.8 Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay

Chọn hệ trục tọa độ sao cho điểm tọa độ ban đầu cần phải trùng với điểm xuất phát của dụng cụ cắt hoặc chi tiết gia công

Dựa trên quỹ đạo chuyển động giữa các điểm tựa, viết chương trình quỹ đạo chuyển động (đường thẳng, đường tròn, parabol,…) Nếu như dùng phương pháp gần đúng thì phải tính sai số Dựa vào các thông tin về công nghệ như chế độ cắt, dụng cụ cắt, tốc độ cắt… thành lập biểu đồ công nghệ

1.3.2.2 Chuẩn bị chương trình từ máy tính

Chuẩn bị chương trình điều khiển thực hiện bằng tính toán trực tiếp với chi tiết gia công phức tạp mất nhiều thời gian và độ chính xác không đảm bảo Ngày nay, người ta thường thực hiện chuẩn bị chương trình nhờ máy tính Đặc trưng của lập trình bảng máy tính là việc ứng dụng một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng

Với sự trợ giúp của ngôn ngữ lập trình như vậy, ta có thể:

- Xác định nhiệm vụ gia công tương đối đơn giản và không thực hiện các tính toán bang tay

Hình 1.9 Lưu đồ lập trình bằng máy tính

- Chỉ cần truy nhập một số ít dữ liệu có thể sản sinh ra mố khối lượng lớn các

số liệu cho nhiệm vụ gia công

- Những tính toán cần thiết đều do máy thực hiện

- Dùng một ngôn ngữ biểu tượng tương đối dễ học mà các từ của nó hợp thành bởi những khái niệm phổ biến trong ngôn ngữ chuyên môn của kỹ thuật gia công

- Tiết kiệm phần lớn thời gian trong khi mô tả chi tiết cần gia công và các chu trình công tác cần thực hiện

- Hạn chế được các lỗi lập trình vì so với lập trình bằng tay chỉ cần cấp ít dữ liệu vào máy tính và hầu như không cần phải tính toán

Trong việc thực hiện tự động hóa chuẩn bị chương trình điều khiển máy tính

sẽ đảm nhận các bài toán về kích thước hình học và công nghệ tính toán các tọa độ điểm tựa, tiện cận hóa các đường cong, tính toán các tham số khoảng cách đẳng trị Tính toán lượng ăn dao và tốc độ cắt, có thể gồm các bước sau:

B1: Chọn ngôn ngữ để mô tả quỹ đạo chuyển động, ngôn ngữ này có phải có đủ khả

năng mô tả được các kích thước tham số của quỹ đạo chuyển động với lời diễn tả đơn giản, dễ sử dụng

B2: Gia công thuật biến đổi thông tin về kích thước hình học sao cho có thể phối

hợp với ngôn ngữ của máy gia công

B3: Tạo các thuật toán giải các bài toán mẫu theo các quỹ đạo gia công đặt ra B4: Gia công các thuật toán để phục vụ cho các đối tượng cụ thể

Cấu trúc hệ điều khiển CNC

Hình 1.10 Cấu trúc của hệ CNC

Máy tính có nhiệm vụ quản lý, quan sát, lập trình Ngoài ra, nhờ có khối ghép nối (Interface Bus) để hệ có thể kết nối mạng với các máy tính bên ngoài với mục đích để truyền dữ liệu, quản lý, theo dõi hoặc điều khiển DCN Bảng ddieuf khiển và tay quay điện tử dùng để vận hành máy, vào các dữ liệu, chọn các chế độ làm việc, lập trình gia công…

Khối NC có nhiệm vụ thu thập và xử lý dữ liệu, nội suy, tính toán quỹ đạo, điều phối Chức năng của PLC là điều khiển quá trình công nghệ của toàn hệ Trong một số trường hợp cả ba khối (NC, PLC và khối vi điều khiển) được chế tạo thành một khối, nó đảm bảo toàn bộ chức năng của hệ

Khối vi điều khiển gồm các Controller (bộ điều khiển vị trí, bộ điều chỉnh tốc độ…) thực hiện tất cả các bước cho chuyển động tuyến tính, các chuyển động phi tuyến để đạt được biên dạng lập trình

1.3.4 Hệ DNC

Máy công cụ CNC được điều khiển theo chương trình số viết bằng các mã ký

tự số, các chữ cái và một số ký tự chuyên dụng khác Trong đó, hệ điều khiển có cài đặt các bộ vi xử lý đảm nhiệm các chức năng cơ bản của chương trình số như: tính toán tọa độ trên các trục điều khiển theo thời gian thực, giám sát các trạng thái thực của máy, tính toán các giá trị chỉnh lý dao cắt, tính toán nội suy trong diều khiển

quỹ đạo biên dạng (tuyến tính, phi tuyến), thực hiện so sánh các cặp giá trị mong

muốn và giá trị thực

Điều khiển trực tuyến DNC (Direct Numerical Control) là một hệ thống điều khiển trong đó dùng máy tính điều hành trực tiếp nhiều máy công tác điều khiển theo chương trình số Đặc tính cơ bản của hệ DNC là sự ghép nối trực tiếp (online) nhiều máy CNC với một máy tính

1.3.5 Hệ thống gia công linh hoạt FMS

Hệ thống gia công linh hoạt bao gồm các loại máy công tác, chủ yếu là các máy CNC, liên kết với nhau bởi các hệ thống điều khiển và hệ thống, một trình tự gia công khác nhau, có thể được tiến hành theo thứ tự lựa chọn tự do

Việc điều hành các quá trình tính toán cần thiết cho tất cả các hệ thống con trong

hệ thống gia công linh hoạt, tất yếu phải dựa trên cơ sở các máy công cụ CNC vận hành theo nguyên tắc điều khiển DNC

 Kết luận chương I:

Máy công cụ điều khiển số CNC là loại máy gia công cơ khí rất phổ biến hiện nay, sự ra đời và phát triển của nó đã thúc dẩy sự phát triển của ngành cơ khí chế tạo đóng góp to lớn vào việc tạo ra của cải cho xã hội Sự ra đời của máy CNC làm cho các sản phẩm cơ khí chế tạo có chất luợng tốt hơn, độ chính xác cao hơn và đặc biệt có thể sản xuất hàng loạt Máy CNC có nhiều chủng loại khác nhau, mỗi công nghệ gia công lại có một kiểu máy Tuy nhiên xét tổng thể về nguyên lý thì các máy CNC đều có cấu trúc và hệ điều khiển tương tự nhau Cấu trúc của tất cả các loại máy CNC đều bao gồm: Phần xử lý trung tâm (Giao diện người máy và thực hiện nội suy), phần điều khiển servo, động cơ servo, phản hồi tốc độ, vị trí Hệ thống điều khiển vòng kín có độ chính xác vị trí rất cao, ngày nay hầu hết nguời ta

sử dụng phổ biến hệ thống điều khiển là hệ thống vòng kín

Tuy nhiên trong thực tế nghiên cứu của sinh viên trong nước nói chung và sinh viên đại học Bách Khoa nói riêng, thì việc nghiên cứu chế tạo một máy CNC điều khiển vòng kín với đầy đủ chức năng và bộ phận của một máy CNC tiêu chuẩn là rất khó

Vì giá thành động co Servo và hệ thống dẫn động vít mebi rất đắt và điều kiện nhà xưởng còn hạn chế nên việc chế tạo một máy CNC đối với sinh viên là rất khó Trong đồ án này em tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu các phần tử trong hệ thống điều khiển của máy CNC tiêu chuẩn Từ đó bắt tay vào chế tạo một mô hình máy CNC 3 trục cỡ nhỏ Mục tiêc của chúng em trong đồ án này là chế tạo được mô hình máy CNC 3 trục hoạt dộng tốt và có thể gia công được những vật liệu có độ cứng vừa phải như nhôm, gỗ, nhựa Máy có thể nhận file G-code và có thể lập trình bằng tay trên phần mềm điều khiển Các sản phẩm có thể phay ra là các bức tranh

3D trên gỗ và trên nhựa

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN

THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY CNC

2.1 Phân tích lựa chọn phương án di chuyển các trục

2.1.1 Phương án phôi cố định

Đặc điểm:

- Như trên hình, để trục Y có thể trượt được trên bệ đỡ vừa nâng được các trục X và Z thì nó thường phải có kết cấu vũng chắc và có các thanh rằng ngang để toàn bộ phần phần trượt Y không bị vênh Xộc xệch khi di chuyển Đồng thời 2 tấm

đỡ 2 bên phải đủ độ dày để khi cắt vào trục trượt của bệ đỡ thì khớp trượt không bị

rơ, đảm bảo trượt ổn định và không sai số

Hình 2.1 Máy CNC phôi cố định

- Trục X trượt trên trục Y có gắn các hệ số các thanh trượt, cơ cấu truyền động, động cơ tất cả các bộ phận này chuyển động cùng với trục Y

- Trên trục Z có cơ cấu giữ động cơ chạy khoan Trục Z trượt trên trục X nên trên

bộ phận trượt trục X có các thanh trượt, động cơ, cơ cấu truyền động cho trục Z

2.1.2 Phương án phôi di chuyển trên trục Y, dụng cụ gia công di chuyển theo trục X

và Z

Đặc điểm:

- Phần cố định bao gồm khung máy (hay bệ đỡ), các trục trượt, động cơ và

cơ cấu truyền động của trục X và Y gắn cố định vào khung máy

- Trục X và trục Y đều trượt trên các thanh trượt gắn cố định ở khung, trục Z là trượt trên trục X, nên trên trục X có gắn thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động của

trục Z

- Trên trục Z có cơ cấu giữ động cơ chạy khoan

Hình 2.2 Phôi di chuyển theo phương Y

2.1.3 Phương án trục Z cố định, phôi di chuyển

* Đặc điểm:

- Phần cố định bao gồm đế máy và phần gá cơ cấu dẫn động của trục Z

- Phôi được đặt trên bàn máy và có thể di chuyển tự do theo phương trục X

và trục Y trong mặt phẳng ngang nhờ các cơ cấu dẫn động thường là động cơ gắn liền với trục vít me

- Đầu gá dụng cụ mang theo dụng cụ gia công thực hiện chuyển động theo phương trục Z ( trục thẳng đứng )

Hình 2.3 Máy CNC trục Z cố định

2.1.4 Kết luận

- Hai phương án di chuyển phôi là cho kết cấu máy nhỏ gọn và mang tính công nghệ cao hơn so với phương án phôi cố định, dao di chuyển Tuy nhiên phương án này gặp khó khăn trong khâu chế tạo, vì kết cấu khá phức tạp, việc gá đặt hai chuyển động chính là X và Y trên cùng một bàn máy là khó khăn cho việc

chế tạo mô hình, vì những cơ cấu dẫn hướng là tận dụng hoặc tự chế, dụng cụ kiểm tra trong thực tế lại không đầy đủ nên khó có thể đạt độ chính xác nhất định

- Với mục đích chế tạo mô hình máy CNC công suất trung bình nhóm chọn phương án phôi cố định Tuy phương án có kết cấu to, cồng kềnh và khối lượng lớn hơn Nhưng nó có ưu điểm dễ chế tạo hơn Trong quá trình chế tạo chúng em cố

gắng khắc phục những nhược điểm trên

2.2 Chọn cơ cấu truyền động

2.2.1 Phương án dùng vít me đai ốc thường

Vít me được gắn đồng trục với động cơ, khi động cơ quay, vít me quay, động

cơ và vit me gắn cố định, làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vít me Đai ốc thì được gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động( trục X, Y, Z) Từ đó làm cho bộ phận đó chuyển động so với hệ thống thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động

Tốc độ di chuyển được phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vít, thường thì bước ren rất nhỏ cỡ 1 đến 2 mm, một vòng quay của trục động cơ sẽ làm đai ốc di chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít, vì vậy tốc độ di chuyển của bộ phận trượt ở phương pháp này là chậm nhưng lại có độ chính xác khi chuyển động khá cao Dùng động cơ bước có bước góc càng nhỏ và trục ren có bước ren nhỏ thì độ chính xác di chuyển càng cao Ví dụ nếu dùng động cơ bước với bước góc 1.8 độ làm và trục ren đường kính 6mm ( bước ren 1mm ) thì độ chính xác di chuyển có thể đạt được là 0.005mm

Một ưu điểm khác của phương án này là tạo ra lực đẩy lớn khi gia công mẫu vật Phương án này thường được dùng trong các máy CNC công nghiệp, gia công các loại vật liệu cứng, kính thước lớn…

Hình 2.4 Vít me đai ốc thường

2.2.2 Phương án dùng vít me đai ốc bi

Đây là dạng vit me – đai ốc thay vì ma sát trượt thông thường, tiếp xúc giữa vít me và đai ốc thông qua các viên bi được chuyển thành mà sát lăn Điều này đem đến một ưu điểm: chỉ cần một lực quay rất nhỏ vào trục vít me đã có thể làm cho đai

Một vấn đề cũng rất quan trọng trong kết cấu của bộ truyền đó là kết cấu của rãnh hồi bi Rãnh hồi bi có thể là dạng ống, hoặc dạng theo lỗ khoan trong đai ốc hoặc là dạng rãnh hồi bi gữa hai vòng ren kế tiếp

* Đặc điểm:

- Rãnh hồi bi dạng ống có nhược điểm là tăng kích thước bộ truyền, độ bền mòn của đầu ống thấp, kẹp chặt ống có độ tin cậy không cao

- Rãnh hồi bi theo lỗ khoan trên đai ốc có ưu điểm là kết cấu gọn và tính công nghệ tốt song khả năng tách thành nhiều nhóm, hồi bị khó khăn

- Rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp: là dạng hồi bi được dùng nhiều hơn

do có kích thước gọn, không bị mòn nhanh, độ tin cậy cao và chiều dài rãnh hồi

bi lớn

Hình 2.6 Các kiểu hồi bi trong vít me đai ốc bi

2.2.3 Phương án dùng đai răng

Phương án dùng đai răng sử dụng một vòng đai cao su khép kín với các răng cưa ở mặt trong Hai đầu của đai được đặt vừa vào 2 lô có cùng kính thước răng cưa của đai Một

lô bắt chặt vào trục động cơ, còn lô kia được gắn vào một trục quay ở phía bên kia của khu vực chuyển động sao cho lô có thể quay tự do tại chỗ Một đoạn của đai được gắn với bộ phận cần trượt, khi động cơ quay, toàn bộ đai dịch chuyển và kéo bộ phận cần trượt di chuyển theo

Tốc độ di chuyển của bộ phận cần trượt phụ thuộc vào tốc độ động cơ và đường kính của lỗ Một vòng của trục động cơ sẽ làm bộ phận trượt di chuyển một đoạn bằng với chu vi của lô (thường là cỡ 20-30 mm) Rõ ràng phương án này bọ phận cần trượt có tốc độ

di chuyển rất nhanh

Tuy nhiên, do độ chính xác di chuyển thấp vì tính co giãn của vật liệu làm đai có thể dẫn đến những sai lệch khi gia công Bên cạnh đó do lực đẩy sinh ra nhỏ nên khi cơ cấu truyền động gặp phải tải lớn sẽ bị trượt bước (khi dùng với động cơ bước)

Phương án này thường được sử dụng trong các loại máy cần tốc độ di chuyển nhanh

mà không cần công suất lớn, như máy in, máy photocopy, máy cắt đề can…

Hình 2.7 Bộ truyền đai

2.2.4 Phương án dùng xích

Tương tự như phương án dùng đai, chỉ khác là bánh đai được thay bằng bánh xích,

và dây đai được thay bằng dây xích ăn khớp với bánh xích Phương án này có ưu điểm là không tồn tại lực căng đai, tải lớn, độ chính xác cao vì ít giãn và không trượt Tuy nhiên phương án này lại cần bôi trơn và bảo trì thường xuyên, đồng thời vẫn tồn tại vấn đề trượt bước của động cơ bước khi gặp phải tải lớn

- Với phương án dùng xích, phương án này lại cần bôi trơn và bảo trì thường xuyên,

đồng thời vẫn tồn tại vấn đề trượt bước của động cơ bước khi gặp phải tải lớn

- Phương án dùng vít me đai ốc thì có độ chính xác cao, chịu được tải lớn, giá thành cao

- Phương án dùng vít me đai ốc thường có độ chính xác tương đối cao, có thể dễ dàng chế tạo và tìm thấy trên thị trường, giá thành hợp lý, mặt khác dung vít me đai ốc thường tạo ra lực đẩy lớn khi gia công mẫu vật

► Với việc chế tạo mô hình một máy CNC yêu cầu về lực cắt gọt và độ chính xác cao, bền chịu được tải lớn nên chúng em quyết định chọn phương án truyền động bằng vít

me đai ốc bi cho máy CNC này

- Hiệu suất động cơ bước thấp hơn các loại động cơ khác

2.3.2 Động cơ một chiều (DC motor)

Hình 2.10 Động cơ điện một chiều

* Ƣu điểm:

- Momen xoắn lớn, giá thành rẻ

- Có thể dụng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau

- Điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải

* Nhƣợc điểm:

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

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

2.2.3 Động cơ SERVO

Hình 2.11 Động cơ Servo

ra tình trạng tụt bước hay mất bước Do vậy khi tính toán thiết kế chúng em sẽ cố gắng giảm sự sai lệch không mong muốn này về mức tối thiểu

2.4 Lựa chọn cơ cấu dẫn hướng cho các trục

Trong máy CNC thì các trục cần chuyển động tịnh tiến, đồng thời các tải về khối lượng thân máy, tải về lực khi cắt gọt…ảnh hưởng rất nhiều đến cơ cấu dẫn hướng Một cơ cấu dẫn hướng tốt không chỉ đảm bảo về tính chính xác trong chuyển động, mà còn đảm bảo trơn nhẹ, ít ma sát, đồng thời có khả năng chịu tải cao, lâu mòn

Cơ cấu dẫn hướng cụ thể là thanh dẫn hướng có nhiệm vụ là dẫn hướng cho các chuyển động của bàn máy theo phương các trục X, Y và chuyển động lên xuống theo trục Z của trục chính Yêu cầu của hệ thống thanh trượt phải thẳng, có khả năng chịu tải cao, cứng vững tốt, không có hiện tượng dính, trơn khi trượt

2.4.1 Ray trượt vuông

Ray trượt vuông của hãng HIWIN

Hình 2.12 Ray trượt vuông của hãng HIWIN

* Ƣu điểm:

- Loại là rất gọn nhẹ, khả năng chịu tải cao

- Có bán sẵn modun trên thị trường với các kích thước khác nhau, rất phong phú để lựa chọn

- Đồng thời các bộ phận ăn khớp của nó đã được chế tạo sẵn, người sử dụng chỉ cần mua về và gá đặt là có thể sử dụng được

- Trong thanh trượt, tùy loại thì có thể dùng bạc trượt hoặc bi

- Hệ số ma sát của thanh trượt này tương đối nhỏ

* Ƣu điểm:

- Dễ chế tạo các cơ cấu gắn ray trượt lên bệ máy

- Dẫn hướng và chống xoay tốt

- Khi mua về dễ gia công, xử lý hơn

- Giá thành tương đối

2.5 Chọn động cơ trục chính

Động cơ trục chính là một thành phần rất quan trọng trong máy CNC Trong các máy CNC công nghiệp thì động cơ trục chính là một động cơ điện hiện đại, có kèm theo driver để điều kiển chính xác tốc độ vòng quay, thông qua đó điều khiển tốc độ cắt gọt cho phù hợp

Trong đồ án này, động cơ trục chính chỉ đơn giản là một động cơ điện bình thường, và không có mạch điều khiển tốc độ Sở dĩ chúng em làm như vậy vì các lý

do sau:

- Về vấn đề công suất : Cùng một kích thước như nhau, động cơ điện truyền thống cho một công suất lớn hơn nhiều lần so với các loại động cơ khác như động

cơ bước, động cơ servo

- Về vấn đề kinh tế: Cùng một công suất, động cơ điện truyền thống luôn có giá thành rẻ hơn rất nhiều so với các loại kia

- Về vấn đề đạt được yêu cầu đặt ra: do máy thiết kế và chế tạo ở đây chỉ mang tính chất mô hình, nên trục chính chỉ quay tượng trưng, thực hiện cắt gọn rất

ít, phần chủ yếu của máy là sự chuyển động các trục X, Y và Z Do vậy chọn động

cơ điện truyền thống là phù hợp với nhiệm vụ thiết kế đồ án lần này

2.5.1 Phương án dùng máy khoan, máy mài cầm tay thông thường

Đây là các máy khoan, máy mài thông thường có bán rộng rãi trên thị trường, dùng trực tiếp nguồn điện xoay chiều 220V Các máy này có đặc điểm là :

Hình 2.14 Trục chính dung máy khoan máy mài bình thường

- Công suất lớn, tùy loại có thể từ 500 đến 1000W Tốc độ quay cao

- Kích thước, khối lượng lớn nên kềnh càng, nặng nề, khó gá đặt

- Giá thành vừa phải

- Có sẵn đầu gá dụng cụ chuyên dụng, độ đồng tâm tốt

- Khó điều khiển tốc độ trục quay

2.5.2 Phương án dùng động cơ trục mềm

Hình 2.15 Động cơ trục mềm

► Cấu tạo động cơ trục mềm gồm có 4 bộ phận:

- Động cơ chính : là một động cơ dùng nguồn điện xoay chiều 220V, tốc độ lên đến khoảng 22000 vòng/phút khi không tải, công suất lớn ( 230W)

- Bộ phận kẹp dụng cụ : tách rời khỏi động cơ quay mũi khoan, có kích thước và khối lượng nhỏ

- Dây truyền động mềm bằng lò xo: là một loại lò xo đặc biệt, mềm dẻo, có độ đàn hồi lớn Một đầu gắn vào trục động cơ, một đầu gắn vào trục kẹp mũi phay Khi động cơ quay, làm lo xo xoắn lại, do độ đàn hồi tốt, nó sẽ kéo theo trục kẹp mũi khoan quay với tốc

độ bằng với tốc độ của động cơ (ở trạng thái ổn định)

- Bàn đạp điều khiển tốc độ: làm thay đổi biến trở, tăng giảm dòng qua động cơ, làm thay đổi tốc độ quay

2.5.3 Phương án dùng động cơ điện một chiều tốc độ cao

Với phương án dùng động cơ một chiều chạy điện áp 12VDC hoặc 24VDC làm động cơ trục chính có các đặc điểm sau:

- Tốc độ tối đa khoảng 6000 vòng/phút

- Kích thước vừa phải, khối lượng nhỏ, dễ gá đặt, giá thành hạ

- Khó khăn trong việc lắp đặt đầu gá dụng cụ

thay thế bằng loại động cơ khí nén có tính năng tương tự Ngoài ra trên thị trường hiện nay

đã thấy ít xuất hiện loại máy khoan này, những loại có xuất xứ từ châu Âu thì giá lại quá cao Do vậy dùng máy khoan trục mềm là ít khả thi

- Với phương án dùng động cơ điện một chiều tốc độ cao thì dễ dàng mua được trên thị trường với giá thành không cao Loại này cũng gọn gàng, nhẹ nhàng nên dễ gá đặt lên máy CNC Tuy nhiên lại tồn tại vấn đề là rất khó khăn trong việc xử lí đồng tâm giữa đầu kẹp dụng cụ và trục động cơ

- Với phương án dùng máy khoan thường thì có các ưu điểm là dễ mua, công suất lớn, giá rẻ, có sẵn đầu kẹp dụng cụ chuyên dụng Tuy loại này có kích thước và khối lượng lớn, sẽ gây khó khăn cho việc gá đặt hơn hai phương án kia

► Vì những lý do trên, chúng em quyết định dùng máy khoan, mài làm động cơ trục chính cho mô hình máy CNC đang thiết kế

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC VÀ KẾT CẤU

TOÀN MÁY

3.1 Chọn vật liệu và dao cần gia công

Lựa chọn vật liệu gia công là gỗ, chọn dùng dao phay ngón có d=6 mm, L=63, l=19 Dùng loại có răng tiêu chuẩn loại dao được mài sắc, góc nghiêm của rảnh loại 1: 300-350 , loại 2: 350-450

► Chọn loại 1 φ = 30-350 , Số răng là 2 răng

► Chọn dao làm bằng hợp kim cứng cho cả phay thô và phay tinh: chọn dao làm bằng vật liệu thép hợp kim P6M5

3.2 Chọc chiều sâu cắt và chiều rộng phay B

Chiều sâu cắt t và chiều rộng cắt B được hiểu là lượng kim loại của phôi được bóc đi khi phay Trong tất cả các dạng phay trừ dao phay mặt đầu, chiều sâu cắt đực xác định bằng khoảng cách tiếp xúc của răng và phôi được đo theo hướng vuông góc với đường tâm dao phay Chiều sâu cắt lớn nhất:

+ Khi phay thô là 2mm

► Lượng chạy dao:

- Sz: lượng chạy dao răng

- S: lượng chạy dao vòng

- Sph: lượng chạy dao phút

Sph= S.n = Sz.Z.n

Trong đó:

+ n: số vòng quay của dao ( vòng/phút)

+ Z: số răng của dao phay

Tra bảng 5.35/30 tài liệu (I) ta có lượng chạy dao răng : Sz = 0.08-0,05(mm)

Với phôi nhôm nên Sz tăng lên 30-40%

► lượng chạy dao răng Sz=0,08.(0,3+1) ≈ 0,1(mm/răng)

- Vật liệu chọn gia công là gỗ vì vậy ta chọn vật liệu nhôm đúc để tính toán cho chế độ cắt cao nhất cho máy

3.4.1 Vận tốc cắt

- Theo nguyên lý cắt gọt kim loại tài liệu (I) ta có:

Trong đó:

T: Tuổi bền của dao ( giờ) Tra bảng 5-40 chọn T= 60 Phút

t: Chiều sâu cắt lớn nhất (mm) phay thô t=2mm, tinh t=0.2mm

Sz: Lượng chạy dao răng lớn nhất (mm/răng) Sz = 0,1mm/răng

B: Khoảng cách dịch dao ngang lớn nhất B= 2/3D= 4mm

Dq: Đường kính dao Chọn D=4mm

Z: Số răng của dao phay Z=2

Cv,m, x, y, u, q, p : là các hệ số, số mũ, cho trong bảng 5-39 tài liệu (I)

.

q v

Hình 3.1 Các thành phần lực cắt

- Lực Pz: xác định tải trọng động cơ cấu hộp tốc độ và tạo nên công suất cắt,

là thành phần lực cắt theo phương chiều sâu cắt t(mm)

- Lực cắt Pv: là lực ép dao vào chi tiết gia công là thành phần lực cắt theo phương vận tốc v

- Lực Px, Py: xác định tải trọng động của cơ cấu chạy dao là thành phần lực cắt heo phương chạy dao S

Tra bảng trong tài Liệu (I) ta được: Cp = 54,5 ; W= 0

Thay vào công thức tính lực cắt ta được:

Thực tế máy chỉ dùng để gia công vật liệu mềm ( Gỗ, mica…) nên theo bảng

5-41(I) lực Pz là: Pz = 0,25 Pz = 0,25 1286 = 321,5 ( N)

3.4.2.4 Giá trị của lực cắt thành phần khác

Từ bảng 5.42/35 tài liệu (I) ta có:

- Lực chạy dao ngang Ph = 0,25.PZ = 0,25.321.5 = 80.38 (N)

- Lực chạy dao thẳng đứng Pv = 0,95.PZ = 0,95 321.5 = 305.43 (N)

- Lực chạy dao hướng kính: Py = 0,4 PZ = 0,4 321.5 = 128.6 (N)

- Lực chạy dao hướng trục: Px = 0,55.Pz = 0,55 321.5 = 176.83(N)

3.4.3 Công suất cắt

Được xác định theo công thức:

Công suất cần thiết của động cơ điện là: Với (η = 0,90 là hiệu suất của động cơ)

c dc

z

P v

3.5 Tính toán lựa chọn cụm vít me trục Y

3.5.1 các thông số đầu vào

Loại máy CNC: Phay

► Chế độ cắt thử nghiệm tối đa với nhôm đúc:

- Phay

- Grade 4040

- Tiêu chuẩn quốc gia JIS

- Dao có 2 luỡi (z = 2), đường kính D= 6mm

- Chiều sâu cắt : t = 0,8mm

- Trọng luợng cơ cấu trên trục trục Y : Wy = 500N = 50kgf

- Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công : V1=10m/ph

- Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công : V2 = 5m/ph

- Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống : a = 0,5g=5m/

- Thời gian hoạt động : Lt = 45000h ( khoảng 5 năm)

- Tốc độ quay của động cơ trục chính: n = 5000(vòng/ phút)

- Lượng chạy dao răng: Sz = 0,1(mm/răng)

- Lượng chạy dao vòng: S = 2 Sz = 0,2(mm/vòng)

( Theo công thức trong cuốn Sổ tay CN-CTM tập 2-trang 26 )

- Working engagement (ae) & working engagement start (aei)

Chọn ae & aei sao cho : ae + aei = Dc = 6mm

Ta chọn : ae = 6mm , aei =0

- Mayjor cutting adge angle (Kγ) : thường chọn Kγ= 35°

Sau khi tính toán ,lựa chọn kết hợp với các thông số đề cho ta điền vào bảng của công cụ ta được kết quả như hình:

Hình 3.2 Công cụ tra dao trên website www.coroguide.com

Mc= 1.4Nm => Fm = 2.Mc/Dc = 2.1.4/0,006 = 466,67 N = 46.67 kgf

3.5.4 Tính toán lựa chọn trục vít, ổ lăn cho trục chính di chuyển theo trục Y

3.5.4.1 Điều kiện làm việc và các thông số được tính chọn

+ Điều kiện làm việc:

 Lực dọc trục lớn nhất khi không gia công : F1max = 350 N = 35 kgf

 Lực dọc trục lớn nhất khi gia công : F2max = 567 N = 56,7 kgf

- F1max, F2max: Lực dọc trục lớn nhất khi không gia công và gia công

- N1max, N2max: Tốc độ quay lớn nhất của trục khi không gia công và gia công

- T1, T2: Thời gian máy hoạt động ở chế độ không tải và có tải

Bảng lực dọc trục và phần trăm tương ứng:

Axial load

(N)

Rotation speed (rpm)

Time Ratio (sec or %)

- fs: hệ số bền tĩnh, với máy công cụ fs = 1,5 – 3 (chọn fs = 2)

- Famax: lực dọc trục lớn nhất tác dụng lên vitme

► Chọn bán kính trục vít:

L = Tổng chiều dài di chuyển max + Chiều dài 2 ổ bi + Chiều dài không gian trục

X

= 335 + 20 + 260 = 615mm

- Kiểu ổ bi là lắp chặt ở cả hai đầu => f = 21,9

- Chọn tốc độ quay cho động cơ khoảng 80% so với tốc độ quay giới hạn nên

Từ các tính toán trên ta chọn series:

- Loại trục vit me : SFY2020-5.6

- Đường kính trục : 20 mm

- Bước vít : 5mm

► Chiều dài trục vitme

Chiều dài trục vít me sau khi chọn trục :

L = tổng chiều dài dịch chuyển + chiều dài hai ổ lăn + chiều dài không gian trục X + chiều dài nối trục = 335 + 20 + 260 + 15= 630mm

3.5.6 Tính chọn ổ lăn, khớp nối

3.5.6.1 Chọn ổ lăn

Trong cơ cấu bàn Y tải trọng chủ yếu tác động lên 2 ray dẫn hướng, do đó

mà lực tác dụng theo phương vuông lên cơ cấu trục vit me là không đáng kể hay nói cách khác khi tính toán đến ổ lăn trục vitme chỉ để ý đến lực dọc trục tác dụng lên trục vit me Tuy nhiên trong quá trình hoạt động xảy ra hiện tượng rung trong cơ cấu, do đó yếu tố định tâm cũng quan trọng, do vậy:

 chọn ổ đỡ chặn 1 dãy cho trường hợp này:

► Tính toán khả năng tải động

C = Q

► Tính toán khả năng tải động

Co = Qo

Trong đó:

- m = 3 đối với ổ bi m=10/3 đối với ổ đũa

Hình 3.5 Cấu tạo ổ đỡ chặn một dãy

- L tuổi thọ của ổ lăn được tính theo công thức:

- Kđ = 1,1 (chịu va đập nhẹ, chịu tải ngắn hạn và tới 125% so với tải trọng tính toán: máy cắt kim loại, động cơ công suất nhỏ và trung bình)

 Thỏa yêu cầu

Ổ lăn được lắp chặt trên đế bàn máy

3.5.6.2 Chọn khớp nối

Có rất nhiều loại khớp nối để ta lựa chọn cho bài toán này nhưng trên cơ sở tham khảo tài liệu và thực nghiệm từ các hãng sản xuất em xin chọn loại khớp nối là loại khớp nối trục loại trục bù chữ thập có đệm (khớp nối mềm)

* Ƣu điểm: