Thiết kế máy CNC mini đa tính năng

Bài viết mô tả thiết kế máy CNC mini với module gia công có thể thay đổi bao gồm phay, in 3d và cắt laser. Thiết kế dựa trên vật liệu cơ khí, mạch điện tử và công nghệ gia công sẵn có trong nước; các phần mềm sử dụng điều khiển máy CNC là miễn phí.

AGU International Journal of Sciences – 2020, Vol 24 (1), 96 – 107 THIẾT KẾ MÁY CNC MINI ĐA TÍNH NĂNG Phạm Minh Châu1, Lưu Thiện Quang1 Trường Đại học Giao thơng Vận tải thành phố Hồ chí Minh Thông tin chung: Ngày nhận bài: 01/12/2017 Ngày nhận kết bình duyệt: 03/01/2019 Ngày chấp nhận đăng: 02/2020 Title: Design multi-function mini CNC machine Keywords: Multifunction CNC, in CNC machine Từ khóa: Máy CNC mini đa năng, máy CNC mini tích hợp ABSTRACT Small scale mechanical manufacture becomes the popular trend in the world nowadays Small size CNC systems including lathe, mill, 3D printer and laser cutting machine are popular and widely developed Ordinarily, these machines on the market are single-function even though they have similar kinetic structures This paper proposes the idea of multifunction mini CNC machine for reducing the cost of machinery It helps transform a design into a real product easier and faster Also, more people such as technical students, designers, researcher can approach and utilize this effective tool in their work This paper illustrates a design of mini CNC with interchangeable tool modules including mill, 3D printing and laser cutting The design is based on mechanical materials, electronic components and manufacturing technics available in Viet Nam; CNC controller softwares are free TÓM TẮT Sản xuất, chế tạo khí quy mơ nhỏ trở thành xu hướng giới Các máy gia cơng phục vụ cho mục đích máy phay, tiện CNC mini, máy in 3D, máy cắt laser ưa chuộng phát triển nhiều Những loại máy thị trường có tính riêng biệt chúng có chung kết cấu động học Ý tưởng thiết kế máy CNC mini tích hợp nhiều tính gia cơng giúp giảm chi phí mua sắm nhiều máy móc đề xuất báo Nó khiến việc biến ý tưởng thiết kế thành sản phẩm trở nên dễ dàng nhanh chóng hơn; nhiều người tiếp cận sử dụng máy CNC cơng việc sinh viên kỹ thuật, nhà thiết kế, nhà nghiên cứu Bài báo mô tả thiết kế máy CNC mini với module gia cơng thay đổi bao gồm phay, in 3d cắt laser Thiết kế dựa vật liệu khí, mạch điện tử cơng nghệ gia cơng sẵn có nước; phần mềm sử dụng điều khiển máy CNC miễn phí GIỚI THIỆU nghệ Theo Heisel M Gringel (1999) máy tiện CNC hoạt động 24/7 với độ xác suất cao thay đòi hỏi thợ tiện có tay nghề kinh nghiệm làm việc giờ/ngày phương pháp sản xuất truyền thống Theo Yung C Shin, Henry Chin Michael J Brink (1991) máy CNC đời giúp cải thiện suất sản xuất cơng nghiệp, nâng cao độ xác, chất lượng sản phẩm Ngành gia công cắt gọt kim loại ví dụ rõ rệt hưởng lợi từ cơng 96 AGU International Journal of Sciences – 2020, Vol 24 (1), 96 – 107 Trong hệ thống CNC, chi tiết khí thiết kế phần mềm máy tính chun dụng, gọi chung (CAD) Sau thiết kế chuyển sang phần mềm hỗ trợ gia công, tính tốn ngun cơng, quỹ đạo chuyển động đầu cơng tác, quy trình cơng nghệ…(CAM) Phần mềm xuất file G-code cho nguyên công với máy gia công cụ thể như: Cưa, phay, tiện, in 3D hay cắt laser kiểu dáng trở nên linh hoạt Bên cạnh đó, phần mềm mạch điện tử điều khiển chia sẻ rộng khắp cộng đồng góp phần khiến việc chế tạo máy CNC mini trở nên dễ dàng hết Các máy CNC mini cắt laser, in 3D, phay có chung kết cấu động học dùng chung phần mềm điều khiển Khác biệt đầu công tác cho nhiệm vụ gia cơng Việc tích hợp tính máy giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư Bài báo trình bày ý tưởng module hóa đầu cơng tác để tháo lắp dễ dàng cho u cầu gia cơng Bên cạnh đó, tác giả trình bày lý thuyết nội suy máy CNC Phần 2, thiết kế khí chi tiết máy CNC đa tính Phần 3, hệ thống điện Phần phần mềm điều khiển Phần 5, kết Phần Các máy CNC cao cấp thường tích hợp đa chức gia cơng chi tiết phức tạp lần gá phôi Điều giúp giảm sai sót, thời gian chi phí sản xuất Máy CNC đại thiết kế quy mô công nghiệp với nhiều tính tích hợp có giá thành cao Tuy nhiên, đời phương thức sản xuất mới, quy mô nhỏ, chi tiết sản phẩm nhỏ, yêu cầu tiêu chuẩn vừa phải hệ máy thường không hiệu đầu tư khai thác sử dụng Theo M Kumar V Puttige (2014) Sundar Pandian S Raj (2013) nhu cầu hệ máy CNC mini tất yếu với hàng loạt lợi ích mang lại giá thành rẻ, tiết kiệm không gian lượng tiêu thụ Những người không chuyên kiến trúc sư, nhà thiết kế sở hữu máy CNC phục vụ cho cơng việc với chi phí đầu tư thấp Chế tạo máy CNC kích thước nhỏ đơn giản yếu tố độ rung hay tiếng ồn tác động trình vận hành; vật liệu hay D= ( xB − x A ) + ( y B − y A ) 2 + ( zB − z A ) 2 ĐỘNG HỌC MÁY CNC Bài toán động học máy CNC phương pháp nội suy quỹ đạo cơng tác, nội suy đường thẳng nội suy đường tròn tốn tạo nên tất quỹ đạo chuyển động tự động máy 2.1 Nội suy đường thẳng Theo hình 1, chuyển động từ điểm A đến B thực cách di chuyển theo quỹ đạo thẳng với vận tốc V Khoảng cách điểm D có giá trị: (1) Hình Quỹ đạo chạy dao với phôi (trái) phương pháp nội suy đường thẳng (phải) Thời gian nội suy dao di chuyển từ A đến B, biết khoảng cách D vận tốc V: T = D/V 97 AGU International Journal of Sciences – 2020, Vol 24 (1), 96 – 107 Chuyển động thực cách phối hợp chuyển động trục tọa độ x, y, z tức thời đầu cơng tác, mơ tả hệ phương trình theo thời gian sau: t t xBt − xB (t −1)  x (t) = x + xdt = x dt  A A 0 T  t t  yBt − yB (t −1) y(t) = y + ydt = y dt  A A 0 T  t t  z −z  z(t) = z A +  zdt = z A  Bt B (t −1) dt T  0 Theo đó, quỹ đạo di chuyển dao tạo thành bước nhỏ hợp thành từ quỹ đạo trục x,y z hay a Độ xác phép nội suy phụ thuộc vào độ lớn bước Bước nhỏ độ xác độ phân giải cao Giá trị bước mô tả: xB − xA yB − y A zB − z A ; ; N N N (2) 2.2 Nội suy đường tròn Nội suy quỹ đạo đường tròn cách phối hợp tốn điều khiển điểm tới điểm đường tròn phương trình thời gian (đường tròn chia làm nhiều điểm, quỹ đạo thật tạo nối điểm lại với nhau) Thơng số hình học mơ tả phương trình: Vị trí dao cơng tác (XA,YA ZA) kết hợp với điểm cuối cung (XB, YB ZB) bán kính phép nội suy cung tròn R Giá trị R mơ tả chiều dương âm, nên có giải pháp nội suy: cung nội suy Nếu thời gian nội suy bị chia thành N khoảng lấy mẫu, thời gian nội suy có giá trị Dt = T/ N , phương trình tọa độ dao có dạng: xB − x A   x(t) = x(n Dt) = xA + N n  yB − y A  n  y (t) = y (n Dt) = y A + N  zB − z A   z (t) = z (n Dt) = z A + N n  (4) (3) Với n = 1,2…N Hình Phương pháp nội suy đường tròn (trái) tính tốn thơng số nội suy (phải) y A − yB D 2 x A − xB y0 = ym − R − (D/ 2) D Trong công thức mô tả cung đường, tọa độ tâm: X0, Y0 được định nghĩa tọa độ điểm đầu điểm cuối cung bán kính Mối liên hệ mơ tả hệ phương trình sau: x0 = xm − R − (D/ 2) Với xm y m trung điểm đoạn thẳng nối 2.2.1 Theo chiều dương bán kính R: y A − yB D x −x y0 = ym + R − (D/ 2) A B D x0 = xm + R − (D/ 2) (6) A B: (5) xm = xB − xA y − yA ; ym = B 2 (7) D khoảng cách ngắn điểm A, B: 2.2.2 Theo chiều âm bán kính R: 98 AGU International Journal of Sciences – 2020, Vol 24 (1), 96 – 107 D = ( xB − xA )2 + ( yB − yA )2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ (8) Máy CNC đa thiết kế nâng cấp máy CNC trục hình với gá tool linh hoạt gá lắp đầu công tác khác bao gồm spindle chạy dao phay, đầu in 3D đầu cắt laser, hình Chi tiết gá thiết kế riêng cho đầu cơng tác nhơm, gia cơng phay CNC Bán kính đường cong nội suy lấy giá trị tuyệt đối Theo hình phương trình tham số cung là: x = x0 + R cos j ; y = y0 + R sin j (9) Với j = 2p t , ta có: T x = x0 + R( 2p 2p t ); y = y0 + R( t ) (10) T T Hình Kết cấu tổng quát 3D máy phay CNC (a) (c) (b) Hình 4.(a) gá spindle, (b) gá đầu in 3D, (c) gá đầu cắt laser Khung máy sử dụng nhôm Ưu điểm lựa chọn giá thành vật liệu rẻ, sẵn có, gia công lắp ghép đơn giản độ cứng vững đủ cho máy nhỏ Kích thước máy thiết kế 60x60x40cm, phạm vi hoạt động 40x35x20cm bi, trượt bi, ổ bi, khớp mềm; nhằm đảm bảo độ xác làm việc lâu dài máy Động truyền động động bước, phù hợp với thiết kế máy nhỏ có giá thành rẻ, dễ điều khiển, độ xác cao, bảng Các chi tiết khí thường dùng cho chế tạo máy CNC mini sử dụng thiết kế vít me 99 AGU International Journal of Sciences – 2020, Vol 24 (1), 96 – 107 Bảng Chi tiết khí máy CNC Vít me chế tạo với độ xác khí cao chịu tải trọng lớn ma sát nội nhỏ Hình Vít me bi Cơ cấu khí để biến đổi chuyển động quay sang tịnh tiến với tỉ số truyền xác định ma sát nhỏ Các rãnh vít thiết kế để bi chạy lăn theo vòng tuần hồn kín nhằm loại bỏ ma sát trượt cấu Trong máy CNC ổ bi đỡ đầu trục vít me bi Hình Ổ bi Ổ bi chi tiết máy phổ biến để giảm ma sát chuyển động quay chịu tải trọng gây trục Khớp mềm nối trục động trục vít me bi máy CNC Hình Khớp mềm Khớp mềm chi tiết để nối trục truyền chuyển động quay Khớp mềm với đệm cao su đàn hồi có tác dụng chống giật hiệu chỉnh nhiều sai số đồng trục thi cơng khí Con trượt bi chịu tải trọng chuyển động tịnh tiến trục Hình Chi tiết trượt trượt Thanh trượt chế tạo thép có độ cứng lớn, tuyệt đối thẳng có độ bóng bề mặt cao Con trượt bi thiết kế đồng với trượt, chuyển động tịnh tiến với ma sát nhỏ độ rơ cách loại bỏ ma sát trượt chuyển động lăn bi Loại động bước phổ biến dùng loại pha với bước 1.8 độ, với cơng suất đạt tới 19kg/cm 2.5A Hình Động bước Động bước động khơng chổi than, đồng bộ, chuyển đổi tín hiệu xung thành chuyển động quay trục động với bước Vị trí hay vận tốc mong muốn trục động tính tốn xác tần số thứ tự cuộn dây cấp xung, điều khiển giữ vị trí với momen lớn mà khơng cần đến tín hiệu phản hồi Bàn máy nhơm định hình với rãnh để gá lắp phôi cho nguyên công phay, gắn thêm bàn nhiệt in 3D tháo rời cho ngun cơng cắt laser, hình 10 Hình 10 Bàn máy cho ngun cơng phay (trái) gắn thêm bàn nhiệt in 3D (phải) 100 Hình 11 Kết cấu khí trục A với mâm cặp AGU International Journal of Sciences – 2020, Vol 24 (1), 96 – 107 qua truyền thông LPT đến mạch CNC BOB Mạch thu tín hiệu quỹ đạo chuyển động trục (vị trí vận tốc), xử lý xuất xung đến driver điều khiển động chuyển động trục, hình 12 Ngồi ra, máy nâng cấp thành máy phay trục với việc thêm trục quay A gá bàn phôi song song với trục X Y Những chi tiết đòi hỏi chuyển động quay gia cơng, phôi kẹp lên bàn gá gắn với trục A mân kẹp máy tiện, hình 11 Các máy CNC mini dùng động bước công suất nhỏ So với cấu điều khiển vòng kín servo có giá thành cao lựa chọn phù hợp HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN Máy tính (PC) điều khiển trực tiếp chuyển động máy phần mềm chuyên dụng MACH3 Hình 12 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điện điều khiển 4.1 Driver động bước Driver động bước phổ biến M6600 hình 13 sử dụng IC Driver TB6600HQ/HG Toshiba có độ tin cậy cao, tản nhiệt tốt hoạt động ổn định - Có dải nguồn đầu vào từ 12 đến 40V - Có thể chọn độ phân giải 1/1 đến 1/16 bước Hình 13 Driver M6600 điều khiển động bước Hình 14 Mạch CNC BOB MACH3 LPT 101 AGU International Journal of Sciences – 2020, Vol 24 (1), 96 – 107 ưu điểm giá thành tốc độ truyền tín hiệu 4.3 Mạch CNC BOB MACH3 LPT Mạch với cổng giao tiếp song song LPT máy tính để nhận lệnh từ phần mềm MACH3 điều khiển cấu chấp hành xuất xung điều khiển động cơ, kích relay bơm nước giải nhiệt, đọc cơng tắc hành trình máy hay xuất xung PWM điều khiển Spindle, đùn nhựa in 3D cường độ đầu cắt laser 4.4 Spindle Spindle mang dao cắt (phay) điều khiển theo quỹ đạo gia công để cắt gọt phôi tạo sản phẩm gia công Tùy vào công suất mục tiêu thiết kế máy chọn Spindle motor phase hay DC với driver điều khiển tương ứng Trong thiết kế tác giả chọn spindle phase công suất 800w Mạch BOB hình 14 thiết kế hỗ trợ điều khiển trục Tất cổng điều khiển đầu cách ly opto mạch đệm tín hiệu ổn định So với số mạch truyền thơng USB phát triển LPT có nhiều Spindle pha cho dải cơng suất lớn, giải nhiệt nước (cần phải trang bị thêm máy bơm) độ bền cao giá thành đắt Việc cài đặt biến tần theo hướng dẫn nhà sản xuất, hình 15 Hình 15 Spindle phase với biến tần điều khiển Hình 16 Spindle DC driver Spindle DC ngược lại phù hợp với nhu cầu máy nhỏ cho mục đích gia cơng vật liệu mềm, mỏng gỗ hay phíp, hình 16 Module in 3D hình 17 bao gồm đầu phun nhựa gia nhiệt motor đùn nhựa Motor đùn nhựa điều khiển mạch BOB Mạch công suất cho khâu gia nhiệt chọn mạch IRF 520, công suất ~100W, hình 18 4.4 Đầu in 3D Hình 17 Module đầu in 3D Hình 17 Module gia nhiệt 102 AGU International Journal of Sciences – 2020, Vol 24 (1), 96 – 107 4.5 Đầu cắt laser Đầu phóng laser diod 10W kèm với mạch cơng suất điều chỉnh cường độ laser, hình 18 Hình 18 Laser diod driver PHẦM MỀM Có khâu phần mềm sử dụng vận hành máy CNC mini, mơ tả hình 19 Hình 19 Các phần mềm phục vụ máy CNC 5.1 Phầm mềm thiết kế Gọi chung CAD, phần mềm Pro Enginer, Solid work hay Inventer dùng để tạo thiết kế 3D hay 2D phục vụ cho mục đích gia cơng Hoặc người ta dùng phần mềm máy quét 3D chuyên dụng để tái tạo sản phẩm thật thành liệu 3D 103 AGU International Journal of Sciences – 2020, Vol 24 (1), 96 – 107 Hình 20 Phần mềm Solidwork dùng thiết kế tạo file gia công cho phần mềm CAM 5.2 Phần mềm tạo quỹ đạo chạy dao chuyển đổi thành định dạng gia công sau chọn kích thước dao, tốc độ cắt, kiểu gia cơng Đầu phần mềm liệu quỹ đạo bao gồm vị trí, tốc độ dao phục vụ cho gia công sản phẩm (mã G-code) Gọi chung phần mềm CAM, phần mềm MasterCAM, ArtCAM tích hợp sẵn phần mềm CAD File thiết kế CAD thường lưu định dạng file STL Hình 21 Phần mềm Artcam, tạo quỹ đạo chuyển động cho đầu công tác, xuất file G-code cho Mach 5.3 Phần mềm điều khiển máy CNC 104 AGU International Journal of Sciences – 2020, Vol 24 (1), 96 – 107 Phần mềm MACH3 thiết lập thông số máy vận tốc, gia tốc, tọa độ điểm đầu máy, giám sát điều khiển tay trực tiếp Từ file G-code tạo phầm mềm CAM, gửi trực tiếp liệu qua cổng LPT đến mạch BOB để điều khiển động Hình 22 Phần mềm Mach với gia diên điều khiển giám sát KẾT QUẢ thực lần Sai số lần thử nghiệm tối đa vào khoảng 0.08 mm Máy CNC hình 23 sau thi cơng chạy thử nghiệm đánh giá với điều kiện khác nhau, tập trung chủ yếu vào tiêu chí độ phẳng bề mặt gia cơng (phay), độ xác chạy biên dạng vng, tròn Đánh giá cho thấy sản phẩm đạt độ xác cao chạy với quỹ đạo khác điểm tới điểm, đoạn thẳng theo trục x, y, z Phương pháp sử dụng thước có độ xác đến 0.01 mm phép đo Khung khí gia công khoan, taro, cắt máy CNC nên đảm bảo độ xác lắp ghép Khung khí cứng vững, lắp ghép bulong phụ kiện chuyên dụng máy CNC mini, Khối lượng máy 40kg với kích thước 60x60x40 cm khơng rung chạy với điều kiện gia công khác 105 AGU International Journal of Sciences – 2020, Vol 24 (1), 96 – 107 Hình 23 Máy CNC gắn module phay Các driver động bước hoạt động tin cậy chạy vi bước 1/8 Driver giải nhiệt tốt vỏ nhơm, có bảo vệ q dòng động bị kẹt Thử nghiệm hoạt động liên tục 15 Nhiệt độ vỏ động ổn định 42 0C tản nhiệt driver 52 0C chạy nguyên cơng phay nhơm độ sâu Hình 24 Máy gắn module phay gia công chi tiết gắn trục A cắt 0.5 mm với tốc độ cao 150 mm/s Ở nguyên công in 3D cắt laser, máy chạy gần không tải Phần mềm Mach điều khiển máy CNC với tài liệu có sẵn mạng, dễ dàng việc thiết lập thông số máy tốc độ, gia tốc, IO… Hình 25 Máy gắn module in 3D 106 Hình 26 Máy gắn module cắt laser AGU International Journal of Sciences – 2020, Vol 24 (1), 96 – 107 Sản phẩm gia công máy CNC đa chi tiết khí robot tự hành, với sợi thủy tinh gia công phay phần khung in 3D nhựa ABS hình 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO Andrei., & I Nae, "Practical applications performed by a stepper motor CNC router", 2010 Heisel & M Gringel (1999) Machine Tool Design Requirements for High Speed Machining Journal of Manufacturing Systems 6, 78-90 M Kumar & V Puttige (2014) Low cost automation for CNC machining center IJMET, 3, 156-170 P.A Sherring da Rocha Jr., R.D.S Souza, & M.Emilia de Lima Tostes, "Prototype CNC machine design", 2012 Sundar Pandian & S Raj (2013) A low cost build your own three axis cnc mill prototype IJMET 45-60 Wu, C L., Haboush, R K., Lymburner, D R., and Smith, G H., “Closed-Loop Machining Control for Cylindrical Turning” Modeling, Sensing, and Control of Manufacturing Systems, PED Vol 23, ASME, 1986, 189-204 Hình 27 Các phần mềm phục vụ máy CNC KẾT LUẬN Máy CNC mini công cụ tuyệt vời ngành khí chế tạo, thiết kế Việc làm chủ kỹ thuật chế tạo máy CNC đa với giá thành rẻ khiến cho nhiều người tiếp cận sử dụng Xu, Y Li, J Sun & S Wang, "Research and development of open CNC system based on PC and motion controller", 2012 Yung C Shin, Henry Chin, & Michael J Brink (1991) Characterization of CNC machining centers Journal of Manufacturing Systems (13)1, 169-178 Bài báo trình bày khâu việc thiết kế chế tạo máy CNC với tính phay, in 3D cắt laser; đáp ứng đầy đủ nhu cầu việc chế tạo chi tiết khí nhỏ, phù hợp với điều kiện sản xuất quy mô nhỏ với chi phí đầu tư mua sắm máy móc thấp 107 ... 1986, 189-204 Hình 27 Các phần mềm phục vụ máy CNC KẾT LUẬN Máy CNC mini công cụ tuyệt vời ngành khí chế tạo, thiết kế Việc làm chủ kỹ thuật chế tạo máy CNC đa với giá thành rẻ khiến cho nhiều người... )2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ (8) Máy CNC đa thiết kế nâng cấp máy CNC trục hình với gá tool linh hoạt gá lắp đầu công tác khác bao gồm spindle chạy dao phay, đầu in 3D đầu cắt laser, hình Chi tiết gá thiết. .. thuyết nội suy máy CNC Phần 2, thiết kế khí chi tiết máy CNC đa tính Phần 3, hệ thống điện Phần phần mềm điều khiển Phần 5, kết Phần Các máy CNC cao cấp thường tích hợp đa chức gia cơng chi tiết phức