Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy phay CNC MINI 4 trục sử dụng chương trình Mach3

Trong bài viết này, tác giả trình bày một số kết quả của việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo và chạy thử máy phay CNC mini 4 trục sử dụng chương trình Mach3. Kết quả máy hoạt động tốt trên rất nhiều vật liệu như gỗ, mica, nhựa, mạch in…

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHAY CNC MINI TRỤC SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MACH3 Đinh Văn Hiển Khoa Điện – Cơ Email: hiendv@dhhp.edu.vn Ngày nhận bài: 31/7/2019 Ngày PB đánh giá: 06/8/2019 Ngày duyệt đăng: 16/8/2019 TĨM TẮT Máy CNC dùng sản xuất tự động gia cơng với độ ổn định, xác cao linh hoạt thay đổi sản phẩm đáp ứngyêu cầu cao suất chất lượng sản phẩm sản xuất đại Nên ngày ứng dụng rộng rãi sản xuất nhiều lĩnh vực Máy phay CNC mini dòng máy CNC cỡ nhỏ, dùng khắc vật kích thước nhỏ đồ trang sức, đồ lưu niệm…Trong báo này, tác giả trình bày sốkết việc nghiên cứuthiết kế, chế tạovà chạy thử máy phay CNC mini trụcsử dụng chương trình Mach3 Kết máy hoạt động tốt nhiều vật liệu gỗ, mica, nhựa, mạch in… Máy ứng dụng sản xuất hay đào tạo lập trình, vận hành máy phay CNC Từ khóa: Chế tạo, CNC, máy phay, Mach3, tự động gia công, thiết kế RESEARCH ON DESIGNING AND MANUFACTURING 4-AXIS MINI CNC MILLING MACHINE USING MACH3 SOFTWARE ABSTRACT CNC machines used in manufacturing can automatically process with high stability, accuracy and flexiblity when changing products to meet high requirements of productivity and product quality in modern production Therefore, it is increasingly being widely applied in manufacturing in many fields Mini CNC milling machine is a small series of CNC machines which are used to engrave small objects such as jewelry, souvenirs, etc In this paper, the author presents some results of the research on designing, manufacturing and testing the 4-axis mini CNC milling machine using Mach3 software The machine works well on a variety of materials such as wood, mica, plastic, printed circuits, etc The machine can be used in manufacturing or programming training, and operating CNC milling machines Keywords:Manufacturing, CNC, milling machines, Mach3, automatic processing, design ĐẶT VẤN ĐỀ Máy CNC (computer numerical control) dạng máy công nghiệp Hoạt động theo nguyên lý điều khiển tự động có trợ giúp máy tính, phận tự động lập trình để hoạt động theo kiện tiếp nối với tốc độ xác định trước để tạo mẫu vật với hình dạng kích thước u cầu [1] 66 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHỊNG Máy CNC có suất cắt gọt cao giảm tối đa thời gian phụ, đo mức độ tự động nâng cao [2] Tùy theo mức độ tự động, máy CNC thực lúc nhiều chuyển động khác nhau, thay dao tự động, hiệu chỉnh sai số, tự động kiểm tra kích thước chi tiết qua tự động hiệu chỉnh sai lệch vị trí tương đối dao chi tiết Khả thay đổi dạng sản phẩm chế tạo dùng máy CNC nhanh cần thay đổi chương trình điều khiển mà không cần thay đổi cấu trúc máy thêm đồ gá chuyên dùng [3] Ngày máy CNC dần thay máy gia công truyền thống đóng vai trò khơng thể thiếu hoạt động sản xuất với nhiều chủng loại, kích thước khác Máy CNC ứng dụng gia công khí, điêu khắc tranh gỗ, khắc họa tiết, hoa văn sản phẩm quà tặng… Các sản phẩm từ máy CNC mang tính thẩm mỹ cao, chất lượng tốt Hình Sản phầm đá, gỗ sau khắc máy CNC Giá thành nhập ngoại máy CNC trục, trục cao, máy có cố việc thay thế, hiệu chỉnh phức tạp, tốn Với người dùng cá nhân sở sản xuất gia công nhỏ, sở đào tạo lập trình vận hành máy CNC trường đại học, cao đẳng, trung học chun nghiệp… cần tối ưu chi phí đầu tư máy Bởi việc nghiên (Nguồn: Internet) cứu thiết kế, chế tạo máy phay CNC mini trục, trục hoạt động hiệu quả, giá thành thấp phục vụ yêu cầu nêu cần thiết, giúp tối ưu chi phí, chủ động việc chế tạo, sử dụng máy Trong báo tác giả trình bày kết nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phay CNC mini trục Hình Máy CNC mini trục, trục [6] Tạp chí khoa học, Số , tháng 09 năm 2019 67 THIẾT KẾ KẾT CẤU MÁY CNC MINI TRỤC 2.1 Nguyên lý hoạt động máy Nguyên lí hoạt động máy CNC trục hình Máy có cấu tạo gồm trục có tốc độ quay cao gắn dụng cụ cắt dao: phay, khoan, khoét Khi làm việc trục tịnh tiến theo trục Z, phôi gá cố định bàn máy tịnh tiến theo trục X, Y kết hợp với trục Z để tạo hình sản phẩm Trục A có khả giữ quay tròn phơi gia cơng bề mặt trụ tròn Hình Sơ đồ ngun lý máy phay CNC mini trục [2] 2.2 Thiết kế động học cho máy Trên sở tìm hiểu so sánh phương án máy CNC trục Tác giả xác định phương án thiết kế động học hình Hình Sơ đồ động học máy phay CNC mini trục thiết kế 68 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG Máy CNC mini trục thiết kế có cấu tạo gồm bàn gá sản phẩm, trục (spindle) quay tốc độ cao gắn loại dao cụ để thực gia công, hành trình dao lên xuống thực cụm trục Z, cụm trục X, Y thực chuyển động tịnh tiến, trục A quay tròn để gia cơng theo biên dạng Khi cấp điện cho động gắn vào trục thông qua truyền vitme trục Y di chuyển kéo theo trục X Z di chuyển theo Động gắn vào trục X khởi động dẫn động kéo cho Z di chuyển đến vị trí xác định Khi động gắn trục Z khởi động kéo theo dịch chuyển lên xuống động trục (spindle) gắn dao cụ gia cơng tạo chiều sâu cắt định Động cụm trục A hoạt động làm cho phôi quay tròn tạo nên đường cắt 4D 2.3 Thiết kế cụm trục Z Kết cấu cụm trục Z hình 5, có chức đưa dụng cụ cắt tịnh tiến theo trục Z q trình gia cơng Hành trình trục Z 80mm, bao gồm: hai đỡ để lắp dẫn hướng vít me cho trục Z - TÊm lãt - Động bước - ổ đỡ trục - Giá kẹp động phay - Tấm đỡ - Tấm dẫn động phay - Trục vít me - Trơc dÉn h­íng - TÊm dÉn cơm trơc Z 10 - ỉ tr­ỵt 11 - ỉ ®ì trơc vÝt me 10 11 Hình Kết cấu cụm trục Z 2.3 Thiết kế cụm trục X Kết cấu cụm trục X hình có chức điều khiển bàn máy tịnh tiến theo trục X Hành trình trục X 300mm Tạp chí khoa học, Số , tháng 09 năm 2019 69 - §éng dẫn động trục X - Khớp nối trục - Trơc vÝt me - Trơc dÉn h­íng - ỉ ®ì trơc vÝt me - ổ đỡ trục dẫn hướng - Vách bên m¸y Hình Kết cấu cụm trục X (nguồn: Tác giả) 2.4 Thiết kế cụm trục Y Kết cấu cụm trục Y hình 7, có chức điều khiển bàn máy tịnh tiến theo trục Y Hành trình trục Y l 400mm - Động dẫn động trục Y - Tấm tỳ động - Tấm đỡ cạnh bên bàn máy - Bàn máy - ổ đỡ trơc - Trơc dÉn h­íng - Trơc vÝt me - ỉ dÉn h­íng Hình Kết cấu cụm trục Y 2.4 Thiết kế cụm trục A Kết cấu cụm trục A hình Cụm trục A lắp bàn máy, có chức 70 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHỊNG tạo chuyển động quay tròn máy gia công chi tiết dạng trụ 1 - Trơc - Cơm ỉ bi - Tấm đế đỡ - Mâm cặp chi tiết - Bánh dẫn - Động bước - Bánh bị dẫn - Đai Hình Kết cấu cụm trục A 2.5 Kết cấu máy phay CNC mini trục Trên sở lựa chọn, thiết kế kết cấu cụm trục X, Y, Z A tác giả xây dựng vẽ kết cấu toàn máy phay CNC mini trục hình 9 10 11 23 12 22 13 14 21 20 19 15 18 17 16 - Thân máy - Trục dẫn cụm trục Y - ỉ kĐp trơc dÉn - §éng c¬ b­íc - Khíp nèi - TrơcvÝt me côm trôc Z - Trôc dÉn côm trôc Z - Con tr­ỵt - Trơc vÝt me cơm trơc X 10 - ỉ ®ì trơc 11 - gá động phay 12 - Động phay 13 - Bàn máy 14 - Đế máy 15 - Trục dÉn h­íng 16 - Trơc vÝt me cơm trơc Y 17 - Vít cố định bàn máy 18 - Mâm cặp 19 - ổ đỡ trục A 20 - §Õ g¸ 21 - B¸nh dÉn 22 - Trơc A 23 - ỉ bi ®ì Hình Kết cấu máy phay CNC mini trục Tạp chí khoa học, Số , tháng 09 năm 2019 71 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CNC MINI TRỤC 3.1 Lựa chọn phần mềm điều khiển cho máy Trong thực tế có nhiều phần mềm điều khiển cho máy phay CNC phần mềm: Fanuc, NCstudio, Mach3… Tác giả chọn phần mềm điều khiển máy Mach3 chức đa dạng, giao diện đẹp, dễ khai báo thông số hệ thống dễ sử dụng Lập trình theo hướng mở rộng liện kết với Script VB Cho phép trực tiếp nhập DXF, BMP, JPG, file HPGL qua LazyCam, Visual Gcode hiển thị; Import trực tiếp file dxf, bmp jpg thông qua phần mềm LazyCam theo [4] Mô trình làm việc rõ ràng tiết kiệm chi phí đáng kể chế tạo máy Hình 10 Giao diện trang hình dùng Mach3 điều khiển máy (Nguồn: Tác giả) Theo [5] phần mềm điều khiển theo dạng vòng hở nên ứng dụng Mach3 điều khiển cho máy phay CNC mini trục tác giả phải thiết kế theo dạng vòng hở để thuận lợi thiết lập hoạt động máy Hình 11 Điều khiển dạng vòng hở [4] 3.2 Sơ đồ cấu trúc điều kiển máy Sơ đồ cấu trúc điều khiển máy hình vẽ 12 Trong đó: - Phần mềm Mach3 máy tính: Có vai trò điều khiển CNC, điều 72 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHỊNG khiển tồn hệ thống Mạch CNC BOB MACH3 USB V2.0 sử dụng với phần mềm Mach3 máy tính thơng qua giao tiếp USB với vài bước thiết lập đơn giản - Công tắc hành trình: Giới hạn hành trình cho bàn máy nhằm ngăn ngừa bàn máy va chạm với gối đỡ - Động bước driver động bước: Dẫn động bàn máy để hình thành chuyển động đầu gia cơng Máy Tính ESTOP BOB Mach3 USB V2.2 Driver X Driver Y X++ Driver Z X- - Driver A Y++ Step Motor X Home Step Motor Y Home Limit Step Motor Z Limit Home Y- - Step Motor A A++ A- - Limit Hình 12 Sơ đồ cấu trúc điều khiển máy 3.3 Sơ đồ mạch điều kiển máy nguyên USB, chân âm lại đấu tương ứng vào BOB mach3 Drive sử dụng nguồn 24V Các cơng tắc hành trình trục nối chung vào chân tương ứng mach3: IN1, IN2, IN5 Sơ đồ mạch điều khiển máy hình vẽ 13 Các drive TB6600 điều khiển động bước đấu dương chung để đỡ tốn ti L 48V - 7,5A N Bật động phay Drive Spindle EN COM PWM+ Motor+ PWM- MotorGND VCC Điều khiển tốc độ động phay L N GND +48V Motor DC Drive TB6600 L N 24V - 15A GND +24V X Home X - Limit Y Home Y - Limit Z Home Z- Limit Limit Ovrd EStop X++ X-Y++ Y-Z++ Z-A++ USB 12-24V PWM+ PWMGND GND IN1 IN2 IN3 MACH3 IN4 IN5 OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 GND X Y Z x1 B A x10 5V GND EN XD XP EN YD YP EN ZD ZP EN AD AP ENEN+ DIRDIR+ PULPUL+ GND VCC BB+ AA+ StepMotor Trôc X Drive TB6600 ENEN+ DIRDIR+ PULPUL+ GND VCC BB+ AA+ StepMotor Trôc Y Drive TB6600 ENEN+ DIRDIR+ PULPUL+ GND VCC BB+ AA+ StepMotor Trôc Z Drive TB6600 ENEN+ DIRDIR+ PULPUL+ GND VCC BB+ AA+ StepMotor Trôc A A Hình 13 Sơ đồ cấu trúc điều khiển máy Tạp chí khoa học, Số , tháng 09 năm 2019 73 CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM MÁY Máy phay CNC mini trục tiến hành chế tạo chi tiết, lắp ráp cài đặt hoạt động xưởng thực hành trường Đại học Hải Phòng Kết máy hình 14 Qua thời gian sử dụng máy hoạt động tốt, gia công khắc chi tiết dạng phẳng, trụ tròn Hình 14 Phơi gá đặt máy để gia công Bảng 1: Thông số kỹ thuật máy Đặc tính kỹ thuật Kích thước máy Kích thước bàn máy Kích thước lớn gia cơng phơi Đường kính lớn gia cơng phơi trụ Động trục phay, khắc Động bước dẫn động trục vít me Ổ chứa dao Khả gia công Thông số 700 x 500 x 1200 mm 600 x 400 mm 400 x 300 x 80 mm 60 mm Công suất: 300(W) Động làm mát khơng khí Điện áp làm việc: 12VDC – 48VDC Cơng suất: 300W Cường độ dòng điện tối đa: 6A Tốc độ quay: 3000-12000 vòng/ phút Momen xoắn: 0.4Nm Độ xác: 0.01mm- 0.06mm Kích thước: 56×78 mm Bước góc: 1,80 Điện áp: 24 V Momen xoắn: 3.5 Nm Nhiệt độ hoạt động: 0°C đến 50°C 01 Phay, khắc biên dạng 2D, 3D, 4D khắc chữ, khoan, gia cơng phơi dạng phẳng, phơi dạng tròn (Nguồn: Tác giả) 74 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHỊNG Gia cơng thử nghiệm mẫu nhựa phíp đo theo phương X, Y: máy CNC trục đạt độ xác 0,05 mm Hình 15 Sản phẩm gia cơng máy phay CNC mini trục KẾT LUẬN Tác giả trình bày số kết nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phay CNC mini trục Máy chế tạo chạy thử đạt kết tốt: - Máy dễ vận hành, thuận lợi di chuyển, dễ bảo trì bảo dưỡng - Gia cơng khắc chi tiết hoa văn, họa tiết, logo… vật liệu nhôm, kim loại màu, gỗ, nhựa,… - Gia công phôi dạng phẳng, dạng trụ tròn - Có thể ứng dụng sản xuất phục vụ tốt cho việc giảng dạy hướng dẫn lập trình, vận hành máy CNC TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Ngọc Đào, 2004, Giáo trình CADCAM-CNC, NXB Trường đại học sư phạm kỹ thuật Tp.HCM TS Bùi Quý Lực, 2006, Hệ thống điều khiển số công nghiệp, NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội Đặng Minh Phụng, Lê Hiếu Giang, Nguyễn Văn Lâm, Nguyễn Trường Hải, Lê Tấn Cường, 2015, ‘Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phay CNC trục sử dụng chương trình Mach3 ứng dụng gia cơng nhơm kim loại màu’, Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ tồn quốc khí – Lần thứ IV, NXB Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh, trang 112- 120 Website: http://www.machsupport.com/ (Thông tin Mach3) Website: https://www.alibaba.com/ Trần Văn Địch, 2004, Giáo trình Cơng nghệ CNC, NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội Tạp chí khoa học, Số , tháng 09 năm 2019 75 ... chế tạo, sử dụng máy Trong báo tác giả trình bày kết nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phay CNC mini trục Hình Máy CNC mini trục, trục [6] Tạp chí khoa học, Số , tháng 09 năm 2019 67 THIẾT KẾ KẾT... phay CNC mini trục Trên sở lựa chọn, thiết kế kết cấu cụm trục X, Y, Z A tác giả xây dựng vẽ kết cấu tồn máy phay CNC mini trục hình 9 10 11 23 12 22 13 14 21 20 19 15 18 17 16 - Thân máy - Trục. .. máy phay CNC mini trục KẾT LUẬN Tác giả trình bày số kết nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phay CNC mini trục Máy chế tạo chạy thử đạt kết tốt: - Máy dễ vận hành, thuận lợi di chuyển, dễ bảo trì bảo