Thiết kế chế tạo máy phay, điêu khắc gỗ điều khiển số phục vụ các làng nghề thủ công

Trong lĩnh vực gia công cơ khí, hàng loạt máy CNC ra đời (CNC 3 trục, 5 trục, máy CNC tốc độ cao) cùng những ưu điểm đem lại cho người sử dụng như: Khả năng tự động hóa trong quá trình sản xuất dễ dàng, độ chính xác gia công và độ chính xác lặp lại cao cho sản phẩm, giúp tổ chức quá trình sản xuất linh hoạt hơn, đáp ứng kịp thời những nhu cầu thực tế cả về số lượng lẫn sự đồng đều về chất lượng sản phẩm. Từ việc tìm hiểu về nhu cầu chạm khắc các sản phẩm gỗ mỹ nghệ với số lượng lớn và rút ngắn.

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 39 THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHAY, ĐIÊU KHẮC GỖ ĐIỀU KHIỂN SỐ PHỤC VỤ CÁC LÀNG NGHỀ THỦ CÔNG NUMERICAL CONTROL CARVING MACHINE FOR WOOD PRODUCTION Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Văn Trí, Phạm Huy Tuân Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Việt Nam Ngày soạn nhận 27/6/2018, ngày phản biện đánh giá 8/7/2018, ngày chấp nhận đăng 15/7/2018 TÓM TẮT Ngày nay, khoa học kỹ thuật ngày phát triển máy móc đại phục vụ cho sản xuất đời sống đời ngày nhiều Trong lĩnh vực gia công khí, hàng loạt máy CNC đời (CNC trục, trục, máy CNC tốc độ cao) ưu điểm đem lại cho người sử dụng như: khả tự động hóa q trình sản xuất dễ dàng, độ xác gia cơng độ xác lặp lại cao cho sản phẩm, giúp tổ chức trình sản xuất linh hoạt hơn, đáp ứng kịp thời nhu cầu thực tế số lượng lẫn đồng chất lượng sản phẩm Từ việc tìm hiểu nhu cầu chạm khắc sản phẩm gỗ mỹ nghệ với số lượng lớn rút ngắn thời gian so với gia công thủ công, đề tài đề xuất kết cấu tính tốn thiết kế máy CNC trục điều khiển phần mềm Mach3 để hỗ trợ q trình gia cơng cho sở mộc vừa nhỏ Từ khóa: Máy điêu khắc gỗ; điều khiển số; tự động hóa; CNC; khí ABSTRACT Nowadays, the fast moving of science and technology has created various machines which have made the manufacturing industry more efficient In mechanical engineering, various types of computer numerical control (CNC) machines have been developed including 3-axis CNC, 5-axis CNC, and high-speed CNC The usage of this kind of machines has many advantages It elevates the automation of manufacturing processes The accuracy and uniformity of the processed products are high It is suitable for the Flexible Manufacturing System (FMS) From the increasing demand for wood carving products with higher quality, larger quantity and shorter lead time, the handicraft production has no longer fulfilled the markets This research proposes the design and manufacturing of a 3-axis numerical control carving machine for wood production Keywords: Wood carving machine; numerical control; automation; CNC; mechanical engineering TỔNG QUAN Cùng với phát triển kinh tế - xã hội, nhu cầu thưởng thức giá trị nghệ thuật người ngày tăng cao Hiện nay, sản phẩm chạm khắc gỗ tranh khắc gỗ nước ta du khách ngồi nước ưa chuộng Sự Hình Sản phẩm chạm khắc gỗ phong phú loại gỗ, chất liệu làm tranh Từ nhu cầu thực tế số lượng mạnh để tranh khắc gỗ đơn hàng lớn mẫu mã đa dạng máy biết đến rộng rãi 40 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh CNC điêu khắc gỗ đời Những lợi ích mang lại vơ lớn [1]:  Nâng cao suất lao động  Tiết kiệm thời gian  Tiết kiệm chi phí nhân cơng  Đảm bảo sức khỏe tạo môi trường làm việc an toàn cho người lao động Từ ưu điểm máy gia công điều khiển số nêu trên, đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế kết cấu khí máy Sau chế tạo lắp ráp hoàn thiện, máy sử dụng hệ thống điều khiển dùng phần mềm Mach3 nhằm giúp việc gia công chạm khắc chi tiết gỗ nhanh xác Máy đặc biệt phát huy tác dụng gia công chi tiết 3D phức tạp vốn làm thủ công tốn thời gian không đạt độ xác mong muốn Từ kết phân tích phương án thiết kế, sơ đồ khối máy chạm khắc gỗ biểu diễn Hình Theo sơ đồ này, máy thiết kế với trục điều khiển trực giao Từng động điều khiển độc lập thông qua động bước 2.2 Tính tốn cơng suất máy Việc tính tốn thiết kế kết cấu khí cho cụm trục tiến hành bước từ xác định lực tải trọng làm việc, tính tốn hệ thống truyền động, xác định công suất động kiểm tra ứng suất, biến dạng kết cấu [2] Trong đó, kết cấu cụm trục điều khiển chuyển động dụng cụ cắt theo phương x, y, z thể Hình TÍNH TỐN THIẾT KẾ 2.1 Lựa chọn phương án thiết kế Với yêu cầu đặt ban đầu cho máy gia công tranh khắc gỗ có kích thước (400×400×35) mm có khả gia công đồng thời sản phẩm lúc, kết cấu máy lựa chọn bảng tổng hợp phương án Bảng Bảng Các phương án xây dựng mơ hình Cơ cấu Phương án lựa chọn Dẫn động trục Di chuyển phôi Truyền động Động bước Phơi cố định Cơ cấu truyền động vít me bi đai ốc Hình Kết cấu khí trục z (a), trục x (b) trục y (c)  Công suất cắt Nc cho động trục (spindle) tính sở lực cắt tới hạn [3]: 𝑃𝑉 Hình Sơ đồ khối máy 𝑧 [𝑘𝑊] 𝑁𝑐 = 61200 (1) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh  Vận tốc cắt 𝑉= 𝜋.𝐷.𝑛 1000 = 𝜋.10.24000 1000 𝑚 = 754 (𝑝ℎ) (2)  Lực cắt tới hạn: Pz  c.t x s zy Z B z D n (3) Trong đó:  c = 140: hệ số xét đến vật liệu gia cơng điều kiện tính vận tốc cắt  t = 4: chiều sâu cắt (mm) 41 Việc kiểm bền kết cấu thực cách đưa thơng số lực tính tốn vào phần mềm phân tích Ansys Workbench Kết phân tích ứng suất biến dạng khung máy thể Hình Sau tính tốn, kiểm tra thơng số để dự đốn điều kiện làm việc, kết cấu CAD tổng thể máy biểu diễn Hình  sz =0,05: lượng chạy dao (mm/r)  Z = 1: số  B = 10: chiều rộng phay (mm)  D = 10: đường kính dao (mm)  n = -0,83 𝑃𝑧 = 140 0,050,65 1.101 10−0,83 = 93.36 (𝑁) 0,83 Từ (1) tính 𝑁𝑐 = 93.36×754 61200 = 1.15 (𝑘𝑊) Công suất cắt Nc thường chiếm khoảng 70  80% cơng suất động điện, nên tính gần công suất động điện theo công thức sau: 𝑁đ𝑐 = 𝑁𝑐 𝜂 = 1,15 0,8 = 1.4 (𝑘𝑊) Vậy công suất động điện chọn cho spindle 1.5 kW Bảng tổng hợp thông số sau tính tốn thể Bảng Hình Tính tốn mơ ứng suất biến dạng kết cấu chịu lực Bảng Bảng số liệu sau tính tốn Thơng số Đường kính dao (D) Số vòng quay (n) Vận tốc cắt (V) Chiều sâu cắt (t) Tốc độ chạy dao max (Sm) Giá trị 10 (mm) 24000 (v/ph) 754 (m/s) (mm) 1200(mm/ph) Công suất spindle (Nc) 1500 (W) Lực cắt (Pz) 93.36 (N) Hình Thiết kế CAD 3D máy điêu khắc gỗ điều khiển số 42 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh CHẾ TẠO VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Chế tạo Hình ảnh máy sau gia cơng lắp ráp thể Hình Hình Tủ điện điều khiển Hình Hình ảnh thực tế máy sau gia công lắp ráp 3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển Chương trình điều khiển cho máy chạm khắc gỗ đề tài sử dụng phần mềm Mach3 Cách kết nối động bước với board mạch Mach3 máy tính biểu diễn Hình Trong mơ hình máy tại, biến tần sử dụng để điều khiển tốc độ trục Tủ điện điều khiển sau lắp ráp Hình GIA CƠNG THỬ NGHIỆM MÁY Để tiến hành gia công gỗ, cần phải có file liệu CAD thiết kế cần chạm khắc Dữ liệu đưa vào phần mềm JDPAINT để thiết lập thông số gia công tiến hành mơ q trình gia cơng máy điều khiển số CNC Kết xuất file gia công G-code nhập vào phần mềm điều khiển Mach3 Phần mềm tiến hành xuất lệnh nội suy để điều khiển trục Hình biểu diễn số sản phẩm mẫu gia công máy thiết kế Hình Sản phẩm gia cơng Hình Sơ đồ điện hệ thống điều khiển KẾT LUẬN Mục tiêu báo nhằm giới thiệu quy trình tính tốn thiết kế chế tạo máy khắc gỗ CNC trục đầu dao điều khiển số nhằm phục vụ cho ngành khắc tranh gỗ Máy Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh hồn tồn có khả cạnh tranh với máy ngoại giá thành đáp ứng yêu cầu độ xác chất lượng sản phẩm chạm khắc Trong tương lai, máy cịn phát triển thêm nhiều tính giúp tăng hiệu suất làm việc, rút ngắn thời gian gia công, tăng chất lượng sản phẩm ngày cải thiện tính thẩm mỹ 43 LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn Cơ sở sản xuất mộc Minh Khánh Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM hỗ trợ kinh phí thực đề tài thông qua đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên, mã số SV2018-88 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] Y Altintas, Manufacturing Automation, Metal Cutting Mechanics, Machine Tool Vibrations, and CNC Design, Cambridge University Press, 2nd Edition, 2012 Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí, tập 1-2, NXB Giáo Dục Việt Nam, 2010 P Childs, Mechanical Design, Elsevier Butterworth-Heinemann, 2nd Edition, 2004 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Phạm Huy Tuân Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Email: phtuan@hcmute.edu.vn ... Minh CHẾ TẠO VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Chế tạo Hình ảnh máy sau gia công lắp ráp thể Hình Hình Tủ điện điều khiển Hình Hình ảnh thực tế máy sau gia công lắp ráp 3.2 Thiết kế hệ thống điều. .. diễn số sản phẩm mẫu gia cơng máy thiết kế Hình Sản phẩm gia cơng Hình Sơ đồ điện hệ thống điều khiển KẾT LUẬN Mục tiêu báo nhằm giới thiệu quy trình tính tốn thiết kế chế tạo máy khắc gỗ CNC... nhân công  Đảm bảo sức khỏe tạo mơi trường làm việc an tồn cho người lao động Từ ưu điểm máy gia công điều khiển số nêu trên, đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế kết cấu khí máy Sau chế tạo