Nghiên cứu ứng dụng phần mềm CAD/CAM để lập trình chạy dao tiếp tuyến theo biên dạng cho máy cắt tấm phi kim loại

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo mô hình máy cắt CNC 4 trục, sử dụng phần mềm Mach3, Inkscape để điều khiển và lập trình gia công tự động.

BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CAD/CAM ĐỂ LẬP TRÌNH CHẠY DAO TIẾP TUYẾN THEO BIÊN DẠNG CHO MÁY CẮT TẤM PHI KIM LOẠI Nguyễn Văn Hưởng1, Vũ Hồng1 Tóm tắt: Nhu cầu sử dụng vật liệu phi kim loại da, giấy, nhựa, cao su, gỗ lớn nên đòi hỏi phải sử dụng máy CNC có độ xác suất cao Tuy nhiên, nước chưa có cơng bố liên quan đến việc điều khiển dao tiếp tuyến mà hầu hết máy cắt mua sẵn Bài báo trình bày kết nghiên cứu chế tạo mơ hình máy cắt CNC trục, sử dụng phần mềm Mach3, Inkscape để điều khiển lập trình gia cơng tự động Từ khóa: dao tiếp tuyến, máy cắt CNC ĐẶT VẤN ĐỀ * Các phi kim loại da, cao su, giấy, nhựa, vải… ứng dụng nhiều ngành quảng cáo, công nghiệp bao bì, dệt may, da giầy, nghệ thuật đồ họa, thủ cơng mỹ nghệ, khí,… Có nhiều phương pháp cắt vật liệu cắt tia laze, cắt thủ công, cắt khuôn dập, cắt dao máy cắt điều khiển số CNC Phương pháp cắt dao máy cắt CNC cắt đường thẳng, đường cong bất kỳ, mép phẳng nhẵn, không bị cháy nhiệt tia laze Hình Đường chạy lưỡi dao Để cắt dao phải điều khiển chạy dao tiếp tuyến với biên dạng cắt (hình 1) Giả sử đường cắt có phương trình y = f(x), theo tính Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Giao thông vận tải chất đường tiếp tuyến vị trí A(x,y) dao phải quay góc đạo hàm hàm số y = f(x) Do viết phương trình đường chạy dao ta xác định giá trị góc quay vị trí đường cắt Từ ta xây dựng thuật tốn chạy dao cho đường cong cụ thể Để đơn giản tác giả sử dụng phần mềm Inkscape cho phép xuất tọa độ lập trình (gcode) cho đường cong NỘI DUNG 2.1 Chế tạo mơ hình máy cắt CNC trục Kết sản phẩm máy chế tạo thể hình Các thơng số kỹ thuật máy thể bảng Đặc điểm cấu tạo làm việc máy: Máy gồm phần phần khí phần điều khiển Phần khí chế tạo hợp kim nhơm bao gồm cụm trục XYZA Cụm XYZ đóng vai trò điều khiển trục tịnh tiến máy giống máy phay cnc trục trục A dùng để điều khiển quay lưỡi dao Cụm dao cắt bao gồm phần gá dao lưỡi dao (tác giả sử dụng lưỡi dao cắt giấy) (hình 3) Theo hình lưỡi dao định vị mặt phẳng thân số định vị số Vị trí mũi dao (hình 3b) cách tâm trục quay số khoảng S tùy thuộc chiều dày phôi h góc α Theo hình vẽ S = h cotgα Với góc α lưỡi dao khác có chi tiết số khác để định vị KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 259 2.2 Ứng dụng phần mềm inkscape để lập trình chạy dao Inkscape phần mềm mã nguồn mở chuyên sử lý đồ họa vec tơ Phần mềm có ưu điểm dễ sử dụng, có khả xuất chương trình gia công mã G-code cho máy CNC Inkscape phù hợp để thiết kế , chỉnh sửa biên dạng 2D phức tạp chữ viết, hoa văn.Vì Inkscape phù hợp để tạo chương trình gia cơng cho máy cắt giấy, nhựa Hình Máy cắt phi kim loại dao Hình Giao diện phần mềm Inkscape Hình Cụm dao cắt: - Trục quay dao; - Thân; - Tấm định vị dao; - Lưỡi dao Bộ phận điều khiển (Tạ Duy Liêm, 1999) gồm có máy tính, nguồn điện chiều, driver động (mạch điều khiển động cơ), board mạch CNC Mach ( Mạch đệm) Phôi phi kim loại đặt bàn máy, động 2,3,4 quay để di chuyển cụm dao cắt số đến tọa độ cần gia công, để quay dao theo biên dạng đường cắt sử dụng động số Các trục X, Y, Z, A dẫn động truyền vít me đai ốc bi Bảng Các thơng số kỹ thuật máy chế tạo STT 260 Các thơng số Kích thước phơi cắt tối đa Trọng lượng phôi tối đa Vật liệu gia cơng Kích thước bàn máy Hình Phần chương trình gia công sau xuất Gcode Inkscape Giá trị 340 x 220 (mm) (kG) Giấy, nhựa, da nhân tạo, xốp có chiều dày nhỏ 0,5 (mm) 460x340 (mm) Hình Sơ đồ lực lưỡi dao tác dụng lên pôi KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Trình tự thực Inkscape: Bước 1:Thiết lập kích thước, chọn kích thước khổ giấy; bước 2: chọn file để thiết kế; bước 3:Tách màu file lấy biên dạng gia công; bước 4: Chỉnh sửa biên dạng gia cơng hình; bước 5: xuất file G-code; bước 7: chỉnh sửa chương trình cho phù hợp Ví dụ chương trình để cắt chữ K hình Giá trị góc quay hình theo đơn vị rad Chiều dày phôi điều chỉnh thông qua tọa độ Z, cài đặt phần mềm 2.3 Thử nghiệm máy 2.3.1 Ảnh hưởng góc lưỡi dao α, chiều dày phôi h Áp dụng tương tự trường hợp cắt máy cắt dao nghiêng (Nguyễn Mậu Đằng, 2004) nên lực cắt tính sau 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 3.049779 2.718 2.485563 2.315486 2.187277 2.088699 2.012022 1.952159 1.90566 1.870145 1.84396 1.825977 1.815461 1.942923 1.569238 1.293902 1.079729 0.906 0.760224 0.634388 0.523079 0.422475 0.329757 0.242762 0.159752 0.079265 1.569686 1.732051 1.920982 2.144507 2.414214 2.747477 3.171595 3.732051 4.510709 5.671282 7.595754 11.43005 22.90377 Trong P - lực cắt; - trở lực cắt vật liệu phôi; h - chiều dày phôi; α - góc nghiêng lưỡi dao Ta mơ tả sơ đồ lực lưỡi dao tác dụng lên phôi hình 6, Pd - lực đẩy phơi; Pn lực giữ phôi cắt; P lực cắt; N phản lực ; R tổng hợp lực P N Theo hình ta có ; Tác giả tiến hành thực nghiệm với chiều dày phôi h = 0,1 (mm); 0,2 (mm); 0,4 (mm) với vật liệu giấy A4 Trường hợp với h = 0,1 có = 1510 (mN/m2) (Tra cứu, phân loại hàng hố - Tổng cục Hải quan Việt Nam, 2013) thay vào (1), (2), (3),(4),(5) ta có bảng hình Từ ta rút ra: Thay biểu thức P vào ta được: (1) (2) ; từ có (3) Trong A= ; thể coi , đó: (4) – góc ma sát, gần có (5) Hình Đồ thị lực cắt theo góc lưỡi dao với h = 0,1 mm Trường hợp với h = 0,2 có = 2070 (mN/m2) Tương tự có hình Bảng Sự phụ thuộc P d, P n t heo góc α với h = 0,1 mm 10 15 20 11.30118 6.123446 4.406515 3.554967 10.35563 5.138181 3.381238 2.489215 1.091309 1.191754 1.303225 1.428148 Hình Đồ thị lực cắt theo góc lưỡi dao với h = 0,2 mm KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 261 Trường hợp với h = 0,4 có = 3060 (mN/m2) Tương tự có hình (hình 10) Theo hình khoảng điều chỉnh dao S=h.cotg góc lưỡi dao lớn S giảm nên độ lẹm Khi cắt dày h lớn S lớn nên mức độ lẹm lớn Để khắc phục tượng ta có số giải pháp sau: Hình Đồ thị lực cắt theo góc lưỡi dao với h = 0,4 mm Như theo bảng hình 7, hình 8, hình ta thấy với góc α nhỏ dễ cắt phơi bị trượt lực căt dao tác dụng lên phơi lớn, Pn góp phần tạo lực kẹp phơi Khi tăng góc lưỡi dao tỷ số Pd/Pn tăng lên nhanh làm phôi dễ bị trượt ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cắt Chiều dày phôi lớn lực cắt tăng lúc phải chọn dao có góc lưỡi dao nhỏ cắt mỏng Khi h nhỏ nên chọn = 50 – 200 (hình 7) Khi h lớn nên chọn = 200 – 600 (hình 9) 2.3.2 Cách điều chỉnh cắt bị lẹm va dao vào bề mặt biên Khi biên dạng chi tiết có tiếp tuyến điểm cắt thay đổi liên tục (cắt đường gấp khúc), biên dạng điểm cắt điểm dừng (thường góc vng-liên tục khơng có đạo hàm) phơi bị cắt lẹm Hình 11 Cắt đường trịn chữ C Khi cắt dày khơng nên cắt với góc lưỡi dao nhỏ đồng thời phải tăng lực kẹp phôi Sau xuất gcode từ inkscape ta chỉnh sửa lại chương trình để đến chỗ điểm dừng lưỡi dao nhấc lên khỏi phơi sau quay dao hạ xuống cắt đường Cắt hình vng, hình gấp khúc ta chỉnh sửa lại chương trình cách đơn giản đường thẳng Khi cắt có h lớn S lớn nên dễ va dao biên dạng bên ngồi hình cắt dẫn đến gãy dao quay đo ta chọn góc lưỡi dao lớn để S nhỏ 2.3.3 Một số hình cắt minh họa Hình 12 Cắt hình chữ K với vật liệu giấy da nhân tạo KẾT LUẬN Kết báo ứng dụng phần mềm Inkscape Mach để điều khiển chạy dao tiếp tuyến theo biên dạng cắt thông qua việc chế tạo 262 Hình 10 Đường chạy lưỡi dao cắt hình vng mơ hình máy cắt phi kim loại; chọn vị trí phù hợp lưỡi dao để đảm bảo q trình cắt thuận lợi góp phần nâng cao chât lượng sản phẩm Sản phẩm đề tài mơ hình máy KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC sử dụng tài liệu phục vụ giảng dạy môn Gia công máy CNC cho sinh viên khoa Cơ Khí trường đại học Giao thơng vận tải Kết đề tài ứng dụng cho nhiều loại máy cắt cắt giấy, vải, nhựa, xốp, … TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Mậu Đằng , (2004), Cơng nghệ tạo hình kim loại tấm, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Tạ Duy Liêm, (1999), Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Tra cứu, phân loại hàng hoá - Tổng cục Hải quan Việt Nam (2013), Giấy cáctông, sản phẩm làm bột giấy, giấy cáctông Abstract: RESEARCHING INTO APPLYING CAD/CAM SOFTWARE TO PROGRAM TO RUNNING THE KNIFE THAT ALWAYS MOVES TANGENT TO THE CURVE FOR NON-METALLIC SHEET CUTTING MACHINE The demand for using non-metallic materials such as leather, paper, plastic, rubber, and wood is very high, so it requires the use of high-precision and high-performance CNC machines However, there has been no announcement in the country regarding the control of tangent knife, but most of them are available The paper presents the results of research on manufacturing 4-axis CNC cutting machine model, using Mach3 and Inkscape software for automatic control and programming Keywords: tangent knife, CNC cutting machines Ngày nhận bài: 01/7/2019 Ngày chấp nhận đăng: 12/9/2019 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 263 ...2.2 Ứng dụng phần mềm inkscape để lập trình chạy dao Inkscape phần mềm mã nguồn mở chuyên sử lý đồ họa vec tơ Phần mềm có ưu điểm dễ sử dụng, có khả xuất chương trình gia công mã G-code cho máy. .. hợp để thiết kế , chỉnh sửa biên dạng 2D phức tạp chữ viết, hoa văn.Vì Inkscape phù hợp để tạo chương trình gia cơng cho máy cắt giấy, nhựa Hình Máy cắt phi kim loại dao Hình Giao diện phần mềm. .. lưỡi dao lớn để S nhỏ 2.3.3 Một số hình cắt minh họa Hình 12 Cắt hình chữ K với vật liệu giấy da nhân tạo KẾT LUẬN Kết báo ứng dụng phần mềm Inkscape Mach để điều khiển chạy dao tiếp tuyến theo biên