Nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phay CNC mini

Nguyễn Anh đức giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà nội - luận văn thạc sĩ khoa học công nghệ chế tạo máy ngành : công nghệ chế tạo máy nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phay cnc mini Nguyễn anh đức 2007 - 2009 Hà Nội 2009 Hà Nội 2009 giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà néi - luận văn thạc sĩ khoa học nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phay cnc mini ngành : công nghệ chế tạo máy mà số :j 003453.04.3898 Nguyễn anh ®øc Ng­êi h­íng dÉn khoa häc : TS Ngun träng doanh Hµ Néi 2009 MỤC LỤC Trang Lêi më đầu Chng 1- Tổng quan máy CNC 1.1 Lịch sử phát triển, hiệu kinh tế máy công cụ CNC dùng công nghiệp 1.1.1 Lịch sử phát triển máy công cụ CNC 1.1.2 Hiệu kinh tế máy CNC 1.1.3 Máy CNC dùng công nghiệp B 1.1.3.1 Máy khoan CNC 1.1.3.2 M¸y phay CNC 10 1.1.3.3 M¸y tiện CNC 11 1.1.3.4 Trung tâm gia công 12 1.2 Những định nghĩa máy công cụ CNC 13 1.2.1 Định nghĩa trục trục máy 13 1.2.1.1 Định nghĩa trục 13 1.2.1.2 Định nghĩa trục máy 14 1.2.2 15 CÊu tróc hƯ trơc m¸y CNC 1.2.2.1 Ba trục thẳng thứ nhất: X, Y Z 15 1.2.2.2 Ba trơc quay: A, B vµ C 17 1.2.2.3 Ba trục thẳng thứ hai: U, V W 19 1.2.3 20 Hệ tọa độ 1.2.3.1 Hệ tọa độ Đecac 20 1.2.3.2 HƯ täa ®é cùc 21 1.2.3.3 Täa ®é quy chiếu 26 1.3 26 Đặc điểm kết cấu máy công cụ CNC 1.3.1 Đặc điểm chung kết cấu 26 1.3.1.1 HƯ thèng trun ®éng trơc chÝnh 26 1.3.1.2 Hệ thống đo lường 27 1.3.1.3 Hệ thống chạy dao 28 1.3.2 28 Hệ thống điều khiển máy CNC 1.3.2.1 Các dạng điều khiển 28 1.3.2.2 Đặc điểm hệ thống điều khiển 31 Chương - Nghiên cứu, thiết kế kết cấu động lực học máy phay CNC mini 37 2.1 Lùa chän kÕt cÊu m¸y phay CNC mini 37 2.2 Phân tích tĩnh học, động lực học máy ,tính toán công suất 42 2.2.1 Chn ch độ thử máy 42 2.2.2 Phân tích ngoại lực tác dụng lên cấu 43 2.2.3 Tính tốn cơng xuất động 46 2.3 Cơ cấu truyền động 48 2.3.1 Cơ cấu truyền động vít me - đai ốc 48 2.3.1.1 Cơ cấu vít me - đai ốc thường 48 2.3.1.2 C¬ cÊu vÝt me - đai ốc bi 49 2.3.2 Cơ cấu truyền động dùng đai 51 2.3.3 Bộ truyền vít me-đai ốc bi động 51 2.3.3.1 Bé trun vÝt me - ®ai èc bi 51 2.3.3.2 Dẫn động động bước ( Stepp motor) 57 Chương Thiết kế hệ thống điều khiển phần mềm điều khiển 69 3.1 Thiết kế hệ thèng điều khiển 69 3.2 Phần mềm điều khiển 78 Kết luận 90 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức Lời mở đầu Với phát triển không ngừng thành tựu Khoa hoc - Công nghệ, đặc biệt lĩnh vực điều khiển số công nghệ thông tin đà giúp cho nhà Chế tạo máy ứng dụng vào máy cắt kim loại hệ thống điều khiển ngày tin cậy với tốc độ xử lý nhanh Đó sở cho đời máy công cụ đại điều khiển theo chương trình số CNC Do tinh trội máy công cụ điều khiển số CNC khiến trở thành nhân tố thiếu dây chuyền tự đông hoá sản xuất linh hoạt Sử dụng máy công cụ điều khiển số cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao độ xác gia công hiệu kinh tế, đồng thời rút ngắn chu kỳ sản xuất Chính nhiều nước giới đà ứng dụng rộng rÃi máy điều khiển số vào lĩnh vực khí chế tạo Việt Nam máy CNC nhập sử dụng rộng rÃi để chế tạo sản phẩm khí, đặc biệt lĩnh vực chế tạo khí xác, công nghiệp quốc phòng Nhà nước có dự án trọng điểm quốc gia nhằm mục đích tự thiết kế chế tạo máy công cụ điều khiển số CNC Để đạt mục tiêu sản xuất máy CNC đòi hỏi phải có nhiều bước đi, bước đào tạo đội ngũ cán kỹ thuật có trình độ hiểu biết máy công cụ điều khiển máy công cụ CNC Tuy nhiên, việc đào tạo gặp nhiều khó khăn sinh viên trường đại học dạy nghề hội để nghiên cứu tìm hiểu thực hành trực tiếp máy CNC máy CNC có giá thành cao Trong luận văn tốt nghiệp tác giả đà sâu nghiên cứu tìm hiểu cấu trúc động học, hệ thống điều khiển phần mền điều khiển máy phay CNC mini Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức Mục đích để tài Nghiên cứu xây dựng mô hình động học máy phay CNC mini, nắm số kiến thức thiết kế máy gia công điều khiển số CNC Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu kết cấu động lực học, hệ thống điều khiển phần mềm ®iỊu khiĨn m¸y phay CNC mini ý nghĩa thùc tiƠn đề tài Có kiến thức máy công cụ điều khiển số Khai thác phần mềm tiêu chuẩn chuyên dụng điều khiển máy công ®iỊu khiĨn sè tõ ®ã thiÕt kÕ hƯ thèng mạch điều khiển điện tử có sử dụng nguyên lý chíp chuyên dụng kết nối với phần mềm Ni dung luận văn Toàn luận văn chia làm chương Chương 1: Giới thiệu tổng quan máy gia công CNC Chương 2: Nghiên cứu, thiết kế động lực học máy phay CNC mini Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển phần mềm điều khiển cho máy phay CNC mini Kết luận chung Bản luận văn chắn nhiều thiếu sót, rát mong thầy, cô bạn đồng nghiệp góp ý bổ sung để luận văn hoàn chỉnh Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu, đến tác giả đà hoàn thành nội dung luận văn Việt Nam vấn đề nghiên cứu thiết kế náy CNC mẻ, đồng thời khả kinh nghiệm thân hạn chế nên luận văn có thiếu sót, tồn Tác giả mong bảo người để kết tìm hiểu, nghiên cứu luận văn hoàn thiện Nhân dịp Tôi xin chân thành cảm ơn Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức TS Nguyễn Trọng Doanh đà tận tình hướng dẫn giúp đỡ hoàn thành luận văn Tác giả Nguyễn Anh Đức Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức Chương - TổNG QUAN Về MáY CNC 1.1 Lịch sử phát triển, hiệu kinh tế máy công cụ CNC dùng công nghiệp 1.1.1 Lịch sử phát triển máy công cụ CNC Máy điều khiển sè (Computer Numerical Control - CNC) ®· ®êi tõ lâu Người ta cho kiện đời máy dệt dùng thép có lỗ để tù ®éng ®iỊu khiĨn ®­êng chun ®éng cđa kim dƯt Joseph M Jacquard chế tạo năm 1808 thời ®iĨm ®êi cđa m¸y ®iỊu khiĨn sè M¸y dƯt điều khiển sở thông tin hai trạng thái, trạng thái thứ kim vị trí có lỗ, tương ứng với mức logic trạng thái thứ hai kim vị trí lỗ, tương ứng với mức logic Khi thay đổi quy luật vị trí lỗ thép cho kiểu áo cần gia công quy luật lỗ thép chương trình điều khiển máy Chương trình điều khiển máy mà thông tin điều khiển viết dạng gọi chương trình điều khiển số máy điều khiển theo chương trình gọi máy điều khiển theo chương trình số Tấm thép mang chương trình điều khiển tự động hoàn chỉnh xem vật lưu trữ chương trình điều khiển máy Khi nói đến hình thành phát triển dạng máy công cụ ®iỊu khiĨn sè kh«ng thĨ kh«ng nãi tíi sù đời phát triển máy tính số Phát minh máy tính bước ngoặt quan trọng điều khiển số Máy tính lần Pascal chế tạo vào năm 1642 Máy tính hình thành sở tổ hợp truyền bánh Cho đến năm 1834 Babbage chế tạo máy tính máy tính với độ xác cao Máy Babbage không thực phép tính số học mà hình thành nhiều hàm toán học máy tính ngày Đặc biệt máy tính có khả Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức lưu trữ, nhớ, nhập xuất liệu Do kết cấu máy phức tạp nên không hội phát triển đến năm 1940 Aiken (người Mỹ) Zuse (người Đức) đà thiết kế máy tính sở tổ hợp rơ le Ba năm sau, Mauchly Eckert thiết kế chế tạo máy tính điện tử đặt tên ENIAC chữ viết tắt tiÕng Anh (Electronic numerical intergrator and computer) ENIAC ®· sư dụng gần hai chục nghìn bóng điện tử, điện tích lắp đặt thiết bị lên tới hàng nghìn mét vuông, trọng lượng máy hai ba chục tiêu hao hàng trăm kW, chương trình điều khiển máy phức tạp Máy tính điện tử ổn định làm việc hoạt động vài phút Hệ điều khiển máy ENIAC thực hàm logic sở hàng nghìn chuyển mạch rơle độ tin cậy làm việc thấp Máy gồm nhiều bóng điện tử làm việc lúc nên làm tăng nhanh nhiệt độ máy nhiệt độ tăng theo thời gian làm việc Bước ngoặt quan trọng làm cho công nghệ máy tính phát triển mạnh mẽ phát minh đèn bán dẫn năm 1948 Đèn bán dẫn có nhiều ưu điểm kích thước nhỏ, giá thành rẻ, độ tin cậy cao, tiêu thụ lượng nhiệt sinh trình làm việc không đáng kể nên nhanh chóng thay bóng điện tử Trên sở phát triển kỹ thuật bán dẫn, năm 1949 mét sè kü s­ ng­êi Mü tiÕn hµnh thiÕt kÕ thành công hệ thống điều khiển dùng linh kiện bán dẫn cho máy phay ba trục Máy có khả thùc hiƯn di chun dơng ®Õn mét ®iĨm ®· tính toán tự động từ trước Trong trình gia công khí, nhiều chi tiết yêu cầu gia công đạt độ bóng, độ xác cao, thay đổi nhanh chóng dạng sản phẩm Do máy công cụ cần phải hoàn thiện mặt thiết kế điều khiển nhằm nâng cao độ xác gia công Vì điều khiển số đà nhanh chóng ứng dụng vào hệ thống điều khiển máy công cụ, đồng thời máy tính ứng dụng để tính toán,lưu trữ liệu đường dẫn dụng cụ băng đục lỗ, băng từ Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức thiết bị khác Cùng với bước phát triển ứng dụng điều khiển số máy công cụ thành công có ý nghĩa to lớn hệ thống máy công cụ điều khiển số MIT (Masachusette institute of technology - MIT) lµ thiÕt kÕ vµ chế tạo thành công hệ dẫn động động secvo dùng để điều khiển trục máy công cụ Và thành công thúc đẩy ngành máy công cụ điều khiển số phát triển mạnh mẽ ngày Năm 1959, mạch IC (integrated circuits) đời nhanh chóng thay bóng bán dẫn IC chip nhỏ, người ta lắp số lớn linh kiện (tới hàng triệu linh kiện) để thực trình điều khiển IC có kích thước nhỏ, độ tin cậy cao, công suất tiêu hao nhỏ sở để hình thành vi xử lý sau IC đưa vào sử dụng nhiều sản xuất bắt đầu vào năm 1965 Do IC cã nhiỊu ­u ®iĨm nh­ ®· nãi ë nên nhanh chóng ứng dụng vào nghệ chế tạo máy tính điện tử Trên sở mạch IC người ta thiết kế chế tạo thành công vi xử lý (microprocessor) cho máy tính số Năm 1958 người ta sử dụng số từ tiếng Anh ký tự để hình thành chương trình điều khiển máy Hệ điều khiển máy gồm: chương trình điều khiển, chương trình tính toán thông số hình học, tính toán lựa chọn chế độ gia công tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt, bôi trơn làm mát Tập hợp ký tự hình thành chương trình dùng để điều khiển máy gọi ngôn ngữ APT (Automatically programmed Tool) ưu điểm ngôn ngữ APT thuận lợi cho người viết chương trình, dễ dàng chuyển đổi thành chương trình mà máy hiểu Trên sở APT người ta phát triển nhiều dạng chương trình điều khiển khác: ADAPT vµ AUTOSPOT cđa IBM; CINTURIN cđa Cincinati Milacron; EXAPT I, EXAPT II, EXAPT III cđa §øc; GENTURN cđa General Electric; MILTURN cña Metaalinstitut ë Netherland; NEL 2PL, NEL 2C, NEL 2CL Ferranti; Luận văn thạc sĩ khoa häc Ngun Anh §øc + Ngun lý tổng: 78 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 3.2 Phần mềm điều khiển Quá trình tìm hiểu tham khảo đề tài nhgiên cứu nhận thấy có hai su hướng đa phần đề tài thường chọn viết phần mền điều khiển cho máy Người viết tìm hiều qua phần mền C++ , VC, VB hay CVI hồn tồn viêt song việc cho thấy nhiều thời gian công sức mà quỹ thời gian có hạn nên kết khơng mong đợi Một su hướng thứ hai khai thác hăng viết phần mền cho máy công cụ, tương thích sãn Sau thiết lập mạch điều khiển kết nối đièu khiển trực tiếp luôn.các phần mềm tiện lợi đầy đủ modun tính ổn định tốt,nếu tự viêt hoàn chỉnh nhiều thời gian Trong số cung cấp phần mền miễn phí Cụ thể số phần mền thông dụng sau: + Turbo CNC ( DAK Engineering): chạy DOS, có dung lượng nhỏ 9.29M thích hợp cho dư án nhỏ khơng địi hỏi q cầu kì, dao diện đơn giản Phần mền cho phep nhâp mã lệnh Gcode + Mill Master Pro For Win: phiên hãng Micro kinetics chạy Win, cho dao diện Turbo CNC, cho phép thao tác chuột, có mơ phng quỏ trỡnh gia cụng 79 Luận văn thạc sĩ khoa häc Ngun Anh §øc + Kcam (Kelly Ware ) : tương tù Mill Master Pro, liệu vào cho phép nhập Gcos file DXF Dung lượng nhỏ 5.85M (bản 40024), cài đạt đơn giản + Mach2, Mach3 (hãng ArcSoft): Mach2 có dung lượng 5M, Mach3 24.9M Chương trình đánh giá phong phú modun, chức thiết yếu chương trình cịn cung cấp nhiều chức phụ khác tương tự phần mền hoàn thiện cho máy công cụ công nghiệp; cho phép lựa chọn loại máy cơng cụ phay tiện hay Plasma Ngồi nhập mã lệnh Gcos trực tiếp trương chình, cịn cho phép nhập từ file Gcos từ phần mềm cam khác, cho phép thao tác với nhiều định dạng file khác DXF, file ảnh … giao diện đại thao tác chuột đơn giản 80 LuËn văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức + Ngoi cịn có nhiều chương trình khác DesKam, DeskCnc, … * Thiết lập trương trình điều khiển Mach3: phần mền điều khiển kết nối với mạch drive qua cổng LPT1 (địa ), để PC điều khiển phải thiết lập địa PIN, PORT ban đầu tương ứng với thiết kế mạch bước Cài đạt trương trình, chạy trương trình giao diện ra: Giao din chớnh lm vic: 81 Luận văn thạc sĩ khoa häc Ngun Anh §øc + Thiết lập kết nối PC với mạch bước: Nhấn reset, chọn mục: config  Thiết lập địa chỉ: Dùng Port #1 : địa 378 Tần số PC điều khiển: 25Khz Các địa Pin cấp xung chiều quay động bước cỏc trc tng ng: chn Motor Outputs 82 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức v c bn thiết lập đủ thông số tối thiểu hệ CNC chạy Tuy nhiên cần trang bị thêm phím bấm điều kiển trình, tăt bật hệ thống phụ, phản hồi vị trí dùng encocder thiết lập mục “input signals” & “output signals” Tiếp tục chọn hệ đơn vị gia công: config select native units chọn Mm + Tính tốn chọn số bước DC Stepp tương ứng với units: Hiện dùng DC Stepp: 200 stepp/1 vịng, trục vít đường kính 8mm Cách tính: 200 stepp (1 vòng)  bước ren (mm) x stepp 83 (mm) Luận văn thạc sĩ khoa học Ngun Anh §øc x = 200/ bước ren [bước] Với bước ren vít me f = 1.25 mm, chế độ điều khiển nửa bước ( 400 stepp/vòng) => x = 320 [bước] Tính tốn xong khai báo mục : Stepp per : 320 [bước/mm] Vận tốc tối đa : 1000[ mm/min] Gia tốc : 90 [mm/s2 ] Tương tự vy lm vi c trc x,y,z 84 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức + i li chiều quay trục tại, giới hạn không gian làm việc bàn máy : config  home/limits + Thiết lập phím tắt hệ thống: config  system/hotkey setup 85 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh §øc * Nạp chương chình: Chương trình cho phép nạp file chứa mã G-code viết sãn dạng txt file Dxf hay file ảnh.ví dụ : Vào : file  load G- code Đưa đường dẫn n mt file G-code ó vit sn: 86 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức Giao din Mach3 sau nạp file G-code : Có thể hiệu chỉnh lnh G-code bng chc nng Edit G-code: 87 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức Sau hon tất hiệu chỉnh, đưa dao đên vị trí lập trình sau nhấn ref all home để phần mền ngầm chọn điểm lập trình Nhấn Cycle Start bắt đâu q trình gia cơng Bên cạnh nạp lệnh G-code trực tiếp tay mục Input chế công cụ MIDI 88 LuËn văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức ã Cỏc khu vực, phím chức thơng dụng: Khởi động lại tồn hệ thống: Băt đầu chạy trương trình: Tạm dừng trương trình cuối dịng lệnh thời: Tạm dừng tức thời trương trình : Chạy lại trương trình t u: Chy tng dũng lnh: 89 Luận văn thạc sÜ khoa häc Ngun Anh §øc Tăng giảm đồng loạt tốc độ chạy dao trục: Tăng giảm tốc ct (trc chớnh): 90 Luận văn thạc sĩ khoa häc Ngun Anh §øc KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu thực hiện, luận văn hoàn thành thu số kết hạn chế định Luận văn tài liệu lý thuyết tương đối đầy đủ tổng quát phương pháp tạo mẫu nhanh, đặc biệt sâu nghiên cứu thiÕt kÕ kÕt cÊu, hƯ thèng ®éng lực học, thiết bị điều khiển máy phay CNC mini Luận văn cung cấp nhìn tổng quan c¸c kÕt cÊu m¸y phay CNC mini, phân tích cách khoa học ưu, nhược điểm cđa c¸c kÕt cÊu ®ã Luận văn cịn tài liệu tham khảo bổ ích thiết thực cho số lĩnh vực quan trọng khác như: CAD/CAM, vi điều khiển, lập trình, cơng nghệ chế tạo máy Các kiến thức cung cấp luận văn dạng lý thuyết Trong trình thực hiện, thời gian lực có hạn số khó khăn khách quan, hoàn thành theo yêu cầu luận văn số mặt hạn chế định, chưa trình bày phân tích cách sâu sắc, đầy đủ tất yÕu tè ngoại lực tác động trình gia công để hoàn thiện hệ thống động lực học điều khiển máy Mặt khác, luận văn lý thuyết chưa có sản phẩn thực tế để so sánh khiểm chứng Và hạn chế ca lun m tự thân tác giả tự đánh giá, nhiên hướng phát triển hoàn thiện mà luận văn đặt cho nghiên cứu Các hướng phát triển tiếp đề tài bao gm: Nghiên cứu thiết kế động lực học máy phay CNC mini cách đầy đủ hoàn thiện có tính đến yếu tố ngoại lực tác động Bổ sung hoàn thiện phần thiết kế hệ thống điều khiển máy 91 Luận văn thạc sĩ khoa häc Ngun Anh §øc Trong suốt q trình thực hiện, nhận nhiều giúp đỡ quý báu Tôi xin chân thành cám ơn thầy cô môn Công nghệ chế tạo máy - Khoa khí - Trường Đai học Bách khoa Hà Nội, t«i xin chân thành cảm ơn Viện nghiên cứu Cơ khí đà tạo điều kiện cho suốt tr×nh häc tËp Đặc biệt tơi xin chân thành cám ơn thầy TS Ngun Träng Doanh tận tình hướng dẫn, giúp đỡ suốt thời gian qua 92 ... học máy phay CNC mini, nắm số kiến thức thiết kế máy gia công điều khiển số CNC Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu kết cấu động lực học, hệ thống điều khiển phần mềm điều khiển máy phay CNC mini. .. đại học bách khoa hµ néi - luận văn thạc sĩ khoa học nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phay cnc mini ngành : công nghệ chế tạo máy. .. sâu nghiên cứu tìm hiểu cấu trúc động học, hệ thống điều khiển phần mền điều khiển máy phay CNC mini Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức Mục đích để tài Nghiên cứu xây dựng mô hình động học