Đồ án tốt nghiệp - thiết kế và chế tạo máy phay tạo chữ CNC mini 2.5 D

Đồ án tốt nghiệp - thiết kế và chế tạo máy phay tạo chữ CNC mini 2.5 D

Đồ Án Tốt Nghiệp Phần A: GIỚI THIỆU LỜI NÓI ĐẦU ¯&¯ ¯&¯ Như chúng ta đã biết, ngành chế tạo máy là một trong những ngành công nghiệp chủ yếu sản xuất ra máy móc và các công cụ, thiết bị quan trọng khác, là một trong số chỉ tiêu đánh giá sự tiến bộ khoa học kỹ thuật của một quốc gia. Mức độ phát triển, khối lượng nhịp độ, cơ cấu ngành chế tạo máy ảnh hưởng đến chỉ tiêu sản xuất của xã hội. Đảng và Nhà nước ta cũng đã khẳng định ngành cơ khí chế tạo máy là một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn trong quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Nâng cao hiệu quả sản xuất, hàm lượng công nghệ, khoa học trong mỗi sản phẩm là con đường chính để phát triển kinh tế đất nước trong những năm tới đây cũng như trong tương lai. Vì vậy, việc áp dụng thành tựu khoa học công nghệ vào sản xuất, sử dụng máy móc, thiết bị có năng suất cao, khả năng công nghệ đa dạng, áp dụng linh hoạt trong các hệ thống sản xuất khác nhau cũng như áp dụng những phương pháp điều khiển hiện đại trong các dây chuyền tự động hóa…là vấn đề quan trọng, cấp bách hiện nay để nước ta hướng đến một nền công nghiệp sản xuất tiên tiến, mức độ tự động hóa, cơ khí hóa cao, để trở thành nước công nghiệp phát triển theo hướng bền vững. Máy CNC (Computerized Numeric Control) ra đời là một trong những thành tựu khoa học, kỹ thuật của nhân loại và nó ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất. Máy CNC đã góp phần không nhỏ vào việc giải quyết nhiệm vụ cấp bách hiện nay là tự động hoá quá trình sản xuất, nó được ứng dụng rộng rãi từ hệ thống sản xuất hàng khối cho đến sản xuất đơn chiếc và các hệ thống sản xuất linh hoạt. Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam, việc nghiên cứu, chế tạo và áp dụng vào sản xuất các máy này gặp rất nhiều hạn chế. Đa phần chỉ ở các doanh nghiệp chế tạo khuôn mẫu với quy mô sản xuất lớn và các trường Đại học kỹ thuật mới sử dụng đến máy CNC. Máy phay CNC là một dạng của máy CNC, do đó chúng em cho ra đời máy phay CNC mini tạo chữ trong thời điểm này là hoàn toàn hợp lý. Nó không những giúp em tìm tòi nghiên cứu, am hiểu và dần dần làm chủ kiến thức lĩnh vực này trong tương lai mà còn giúp sinh viên chuyên ngành cơ khí chế tạo máy và các ngành có liên quan trong các trường Đại học, Cao đẳng có điều kiện học tập, nghiên cứu và phát triển nó ngày càng hoàn thiện hơn. Đây chính là lý do em chọn đề tài Tốt nghiệp này. Đà Nẵng, ngày 15 tháng 05 năm 2010 - 5 - Đồ Án Tốt Nghiệp Phần B: NỘI DUNG PHẦN CƠ KHÍ ¯&¯ ¯&¯ Chương mở đầu 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển, thế giới cũng vừa trải qua cuộc khủng hoảng kinh tế trầm trọng đã gây ảnh hưởng không nhỏ đến nền công nghiệp toàn cầu. Chính vì thế, việc ứng dụng các kĩ thuật tiên tiến vào sản xuất nhằm tạo ra những sản phẩm có năng suất, chất lượng cao, giá thành chấp nhận được ngày càng trở nên cấp thiết, đặc biệt đối với những nước đang phát triển. Thị trường ngày càng xuất hiện nhiều chủng loại và mẫu mã hàng hóa, thay đổi thường xuyên. Để giải quyết những yêu cầu về sự đa dạng này thì giải pháp máy CNC là phù hợp. Ở Việt Nam, máy CNC đã được đưa vào sử dụng ở các xí nghiệp dân sự và quốc phòng nhưng chưa phổ biến. Gần đây, phong trào chế tạo máy CNC (Homemake CNC) đang được nhiều bạn sinh viên cũng như kỹ sư quan tâm. Tuy nhiên ở khu vực miền Trung còn gặp rất nhiều hạn chế. Do đó, để cập nhật đựơc kiến thức về máy CNC đồng thời giúp cho các sinh viên hiểu nhiều hơn về máy CNC chính là lý do ra đời của đề tài “Thiết kế và chế tạo máy CNC tạo chữ CNC 2D”. Ngoài ra đề tài còn tạo cơ sở cho việc chế tạo một máy phay Mini CNC hoàn chỉnh, phục cho công tác giảng dạy của trường, của khoa. Sự ra đời của đề tài còn do sự ham thích tìm hiểu về máy CNC, sự say mê tìm hiểu cách thức hoạt động, các cơ cấu bộ phận của máy CNC và đây cũng là cơ hội để người nghiên cứu ôn lại các kiến thức tổng quát đã được học về công nghệ chế tạo máy. 2. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI - 6 - Đồ Án Tốt Nghiệp Vì điều kiện cơ sở vật chất, trang thiết bị và thời gian bị còn hạn chế nên chúng em chỉ tập trung tính toán và hoàn thành một máy CNC mini cơ bản có thể hoạt động được, còn rất nhiều vấn đề khác cần phải hoàn thiện thêm. Do kinh phí để chế tạo hạn hẹp nên không thể sử dụng được hết những chi tiết, cơ cấu hiện đại, như động cơ Servo xoay chiều, hệ thống làm mát tiên, hệ thống thoát phoi . Kiến thức còn hạn chế và không chuyên về lĩnh vực chế tạo máy nên chúng em gặp rất nhiều khó khăn trong việc tiếp cận và lĩnh hội thông tin về đề tài. 3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Đề tài được cho ra đời nhằm mục đích giúp sinh viên có điều kiện tiếp cận nhiều hơn với máy CNC. Đề tài cũng còn là cơ hội cho người nghiên cứu tiếp xúc và hiểu rõ hơn về máy CNC, có dịp tổng hợp lại một số kiến thức đựơc học trong những năm qua. Việc nghiên cứu còn là cơ sở giúp cải tiến khả năng công nghệ của một số máy truyền thống, hay phục hồi, sửa chữa một số máy CNC cũ nhằm tiết kiệm chi phí cho quá trình sản xuất. Về lâu dài đề còn là tài liệu tham khảo cho các sinh viên chuyên ngành chế tạo máy, là cơ sở cho việc phát triển các đề tài sau này. 4. CƠ SỞ LÝ LUẬN Như ta đã biết máy phay CNC cũng chính là một dụng cụ để cắt gọt kim loại, vì vậy ngoài phần điều khiển chúng còn có thêm một máy cắt kim loại. Nói cách khác phần cơ của máy phay CNC chính là máy cắt kim loại. Vì vậy việc tính toán thiết kế các bộ phận của máy hoàn toàn dựa vào lý thuyết của môn học máy cắt kim loại, môn sức bền vật liệu, vẽ kỹ thuật. Vậy cơ sở tính toán thiết kế bao gồm các chỉ tiêu sau: - Chỉ tiêu độ bền. - Chỉ tiêu độ chính xác. - Chỉ tiêu về tính công nghệ. Để đảm bảo các chỉ tiêu trên người thiết kế dùng các phương pháp sau đây: - Phương pháp tham khảo tài liệu: nghiên cứu, tìm cách ứng dụng các công thức, phương trình để tính toán, kiểm tra độ bền của các chi tiết, bộ phận máy. - 7 - Đồ Án Tốt Nghiệp - Phương pháp phân tích: sử dụng các kiến thức với sự trợ giúp của máy tính để tính toán thiết kế, sử dụng các phần mềm để tính toán thiết kế. Đây là phương pháp cho độ chính xác tương đối cao, thời gian nhanh. Vì vậy để quá trình thiết kế được tốt thì cần có sự dung hòa giữa hai phương pháp này. ¯&¯ ¯&¯ - 8 - Đồ Án Tốt Nghiệp Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY CNC 1.1 Khái niệm Máy CNC (Computer Numerical Controlled ) là máy công cụ, điều khiển theo một chương trình định sẵn. Các dữ liệu được cung cấp dưới dạng những lệnh. 1.2 Lịch sử phát triển của hệ thống máy CNC 1949 - Mẫu đầu tiên của máy NC do MIT (Viện công nghệMassachusetts) thiết kế và chế tạo theo đặt hàng của Không lực Hoa kỳ, để sản xuất các chi tiết phức tạp và chính xác của máy bay. 1952 - Chiếc máy phay đứng 3 trục điều khiển số của hãng Cincinnati Hydrotel được trưng bày tại MIT. 1960’s - Máy NC được sản xuất và sử dụng trong công nghiệp. - Các bộ điều khiển số đầu tiên dùng đèn điện tử nên tốc độ xử lý chậm, cồng kềnh và tiêu tốn nhiều năng lượng. - Chương trình được chứa trong các băng và bìa đục lỗ, khó hiểu và không sửa chữa được. - Giao tiếp người - máy rất khó khăn vì không có màn hình, bàn phím. 1970’s - Các linh kiện bán dẫn được sử dụng phổ biến trong công nghiệp - Máy NC gọn hơn, tốc độ xử lý cao hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn, . - Các băng đục lỗ sau này được thay bằng băng hoặc đĩa từ, . - Tính năng sử dụng của các máy NC vẫn chưa được cải thiện đáng kể, cho đến khi máy tính được ứng dụng. CNC = Computer Numerical Control Đầu 1970’s, máy CNC ra đời: - 9 - Đồ Án Tốt Nghiệp - Các bộ điều khiển số trên máy công cụ được tích hợp máy tính và thuật ngữ CNC ra đời. Máy CNC ưu việt hơn máy NC thông thường về nhiều mặt - Tốc độ xử lý cao, kết cấu gọn, . - Ưu điểm quan trọng nhất của chúng là ở tính năng sử dụng, giao diện với người dùng và các thiết bị ngoại vi khác. Các máy CNC ngày nay - Có màn hình, bàn phím và nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin với người dùng. - Nhờ màn hình, người dùng được thông báo thường xuyên về tình trạng của máy, cảnh báo báo lỗi và nguy hiểm có thể xảy ra, có thể mô phỏng để kiểm tra trước quá trình gia công, . - Có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác như robot, băng tải, thiết bị đo, . trong hệ thống sản xuất. - Có thể trao đổi thông tin trong mạng máy tính các loại, từ mạng cục bộ (LAN) đến mạng diện rộng (WAN) và Internet. Hiện nay máy công cụ CNC đang được phát triển và ứng dụng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực cuộc sống nhiều nước trên thế giới. Cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ vi xử lý, trung tâm điều khiển của máy CNC hiện đại được điều khiển bởi bộ vi xử lý. Nhờ tốc độ xử lý của các phần tử này mà nhịp độ làm việc của các máy CNC được ghép với chúng không bị thay đổi. Có thể coi sự ra đời của máy CNC là một cuộc cách mạng lớn trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy, đó là một phần tử vô cùng quan trọng trong hệ thống sản xuất linh hoạt. Nó góp phần thúc đẩy quá trình tự động hóa nhằm dần dần thay thế vai trò của con người trong quá trình sản xuất. 1.3 Những đặc điểm cơ bản của máy CNC Khả năng tự động hoá cao. Năng suất gia công cao, thời gian phụ ( thay dao, chạy không, …) giảm. Khả năng đạt độ chính xác cao, tính ổn định cao. Có khả năng tập trung nguyên công cao, khả năng gia công nhiều bề mặt trong cùng một lần gá. - 10 - Đồ Án Tốt Nghiệp So với máy điều khiển tự động theo chương trình cứng (cam, cữ hành trình, trục gài bi…) máy CNC có tính linh hoạt cao trong việc lập trình, tiết kiệm được thời gian điều chỉnh máy đạt được tính chính xác cao ngay cả với sản xuất hàng loạt nhỏ. Một ưu điểm nổi bậc khác chỉ có trong máy CNC đó là phương thức làm việc với hệ thống xử lý thông tin “điện tử – số hóa”. Phương thức này cho phép nối ghép với hệ thống xử lý số trong phạm vi quản lý xí nghiệp. Đồng thời cũng tạo điều kiện cho việc ứng dụng các kỹ thuật quản lý hiện đại thông qua mạng liên kết cục bộ ( LAN) hay mạng liên thông (WAN). Máy công cụ CNC tuy có được nhiều ưu điểm so với máy vạn năng nhưng cũng còn có nhược điểm là: + Không thích hợp với việc gia công những chi tiết đơn giản. + Chi phí cho việc mua sắm trang thiết bị quá cao. + Đòi hỏi người thợ đứng máy phải có một kiến thức tương đối rộng cả về cơ khí, lẫn điện tử khi tiến hành gia công. 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRÊN MÁY CNC 2.1 Điều khiển 2D Với điều khiển 2D hai trục có thể điều khiển đồng thời. Do vậy các dịch chuyển của dụng cụ có thể thực hiện theo đường thẳng và dạng tròn trên cùng một mặt phẳng. Ví dụ: một máy phay CNC 3 trục, điều khiển 2D,nghĩa là, các biên dạng có thể phay theo hai trục còn trục thứ ba phải được tiến dao đặc biệt độc lập với hai trục kia. 2.2 Điều khiển 21/2 D Điều khiển 21/2D tạo ra các chuyển động của dụg cụ cắt trong nhiều mặt phẳng, bằng cách nội suy chuyển đổi giữa một trong ba mặt phẳng chính. Tất cả 3 trục được điều khiển trong điều khiển 21/2D tuy nhiên trong mỗi mặt - 11 - Đồ Án Tốt Nghiệp phẳng luôn luôn chỉ có hai trục được điều khiển đồng thời. Trục thứ ba gọi là trục tiến dao. Tuỳ thuộc vào mặt phẳng gia công được chọn mà các trục khác nhau được điều khiển đồng thời. Do vậy, các chuyển động có thể có các mặt phẳng sau: -Mặt phẳng X/Y -Mặt phẳng X/Z -Mặt phẳng Y/Z 2.3 Điều khiển 3D Ba trục được nội suy đồng thờitrong điều khiển 3D, nhờ đó các chuyển động của dụng cụ cắt được thực hiện trong không gian theo kích thước 3 chiều. Qua đó có khả năng gia công được các biên dạng phức tạp, ví dụ như chế tạo dao cắt, chế tạo khuôn mẫu gia công trong một lần kẹp. Ngày nay hầu hết các máy công cụ được điều khiển bằng 3D. 3. CẤU TRÚC TỔNG THỂ MÁY CNC Máy CNC gồm có hai phần chính như sau: Cấu trúc tổng thể máy CNC - 12 - Đồ Án Tốt Nghiệp 3.1 Phần điều khiển Phần điều khiển của máy CNC gồm chương trình điều khiển và thiết bị điều khiển: + Chương trình điều khiển: là tập hợp các tín hiệu để điều khiển máy được mã hóa các chữ cái, số và một số ký hiệu khác (cộng, trừ, chấm, gạch nghiêng). Chương trình này được ghi vào cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã số (mã thập phân, nhị phân, bảng đục lỗ). + Cơ cấu điều khiển: có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực hiện các biến đổi cần thiết để điều khiển được cơ cấu chấp hành và kiểm tra sự hoạt động của cơ cấu chấp hành thông qua các cảm biến liên hệ ngược. Cơ cấu điều khiển gồm: cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuếch đại, cơ cấu hành trình, cơ cấu đo vận tốc các thiết bị xuất nhập tín hiệu. 3.2 Phần chấp hành Phần chấp hành gồm máy cắt kim loại và một số cơ cấu phục vụ vấn đề từ động hóa như cơ cấu chứa dao, cơ cấu tay máy, hệ thống bôi trơn, hệ thống hút thổi phoi, cấp phôi. Phần máy cắt kim loại là bộ phận trực tiếp tham gia vào quá trình cắt gọt để tạo thành chi tiết. Phần máy cắt kim loại cũng bao gồm hộp tốc độ, hộp chạy dao thân máy, sóng trượt, bàn máy, trục chính,… Các bộ phận này về cơ bản cũng chính là những bộ phận trong máy vạn năng thông thường. Tuy nhiên để phù hợp với quá trình điều khiển tự động, có độ chính xác, năng suất cao và mở rộng khả năng công nghệ của máy thì những bộ phận trên có những khác biệt so với máy thông thường. + Hộp tốc độ: thường là điều chỉnh vô cấp n min đến n max , hoặc vô cấp trong một khoảng giá trị nhất định trong hộp tốc độ. + Hộp chạy dao: có nguồn dẫn động riêng, thông thường mỗi chuyển động chạy dao được dẫn động bởi một động cơ riêng lẻ. Xét về mặt cơ khí thì giữa chúng hoàn toàn độc lập với nhau. Trong xích truyền động thường sử dụng các phương pháp khử khe hở của bộ truyền vít me- đai ốc bi… - 13 - Đồ Án Tốt Nghiệp + Thân máy được thiết kế sao cho dễ thải phoi, tưới trơn, dễ thay dao tự động, một số máy còn có thiết bị thay dao tự động hiệu chỉnh tự động khi dao bị mòn… 4. HỆ TRỤC TỌA ĐỘ TRÊN MÁY CNC Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công trên máy CNC phải nằm trong hệ tọa độ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải: + Đặt ngửa bàn tay phải lên bàn máy với phương chiều các ngón tay như hình vẽ, chiều ngón giữa là chiều trục Z, ngón trỏ là chiều trục Y, ngón cái là chiều trục X. + Trong hệ tọa độ này có 6 chuyển động: 3 chuyển động tịnh tiến theo 3 trục và 3 chuyển động quay theo 3 trục. + Trục Z: tương ứng với trục chính của máy CNC, có chiều dương là chiều mà theo đó khoảng cách giữa dao và chi tiết tăng dần. + Trục X: là chuyển động tịnh tiến lớn nhất của máy CNC. Ví dụ: Trên máy phay là chuyển động dọc trục, trên máy tiện là chuyển động theo phương ngang. Cũng tương tự như trục Z, chiều cũng là chiều làm tăng khoảng cách giữa dao và chi tiết gia công. + Trục Y: là trục mà tự nó cùng với hai trục trên làm thành một hệ trục toạ độ. Ví dụ: trên máy phay là chuyển động chạy dao ngang. Trên máy tiện không có trục này (cho dạng chi tiết là tròn xoay). Một lưu ý quan trọng khi xét hệ trục tọa độ của một máy CNC thì phải coi chi tiết đứng yên, còn dao chuyển động theo các phương của hệ trục tọa độ. Trong quá trình làm việc, để gia công được trên máy CNC thì hệ tọa độ của máy phải được xác định. Nói cách khác vị trí của hệ tọa độ phải được xác định so với một số điểm cố định nào đó mà người ta gọi là điểm chuẩn. Trong một máy CNC gồm có các điểm chuẩn sau đây: - 14 - . loại máy - Máy CNC có dao cắt đứng yên. - Máy CNC có dao cắt quay. - 15 - Đồ Án Tốt Nghiệp 5 .2 D a vào đặt điểm gia công cơ bản: ta có các nhóm máy - Máy. thức về máy CNC đồng thời giúp cho các sinh viên hiểu nhiều hơn về máy CNC chính là lý do ra đời của đề tài Thiết kế và chế tạo máy CNC tạo chữ CNC 2D . Ngoài