Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cnc 3 trục phục vụ trong công tác giảng dạy tại trường đại học công nghệ tp hcm

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cnc 3 trục phục vụ trong công tác giảng dạy tại trường đại học công nghệ tp hcm Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cnc 3 trục phục vụ trong công tác giảng dạy tại trường đại học công nghệ tp hcm Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cnc 3 trục phục vụ trong công tác giảng dạy tại trường đại học công nghệ tp hcm Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cnc 3 trục phục vụ trong công tác giảng dạy tại trường đại học công nghệ tp hcm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY CNC TRỤC PHỤC VỤ TRONG CÔNG TÁC GIẢNG DẠY TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM THỰC HIỆN: PHẠM BÁ KHIỂN TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2015 MỤC LỤC Danh mục hình Nghiên cứu khoa học CHƯƠNG ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Lý chọn đề tài Các máy công cụ trụ cột kinh tế sản xuất, khơng làm sản phẩm mà làm thiết bị hệ thống khác phục vụ cho tất ngành kinh tế Nhu cầu thiết bị nói chung ngày tăng doanh nghiệp nước, đặc biệt giai đoạn hội nhập phát triển công nghiệp đất nước Các doanh nghiệp phải đối mặt với việc cạnh tranh khốc liệt khơng thị trường nước ngồi mà cịn thị trường nước, nhu cầu thiết bị sản xuất đóng vai trị sống doanh nghiệp Để phục vụ sản xuất thường doanh nghiệp nhập nhóm sản phẩm máy móc, thiết bị, dụng cụ phụ tùng phục vụ cho sản xuất chế tạo Dự kiến năm tới, sau khủng hoảng giai đoạn doanh nghiệp phải loại bỏ công nghệ cũ, đầu tư cơng nghệ nhằm nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường Trong ngành khí xác, nhu cầu máy cơng cụ xác CNC, máy cơng cụ chun dùng gia cơng tự động hóa theo nhu cầu doanh nghiệp lớn Máy CNC sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực sản xuất nước ta Đặc biệt, ngành khí lĩnh vực tự động hố khí xác, việc nghiên cứu ứng dụng máy CNC tạo điều kiện cho q trình tự động hố, linh hoạt hố dây chuyền sản xuất quan trọng doanh nghiệp trường đạo tạo kỹ thuật quan tâm Đây lĩnh vực khó, cần có bước thích hợp từ đơn giản đến phức tạp để tiếp cận vấn đề Theo hướng đó, năm qua nhiều đề tài nghiên cứu chế tạo máy CNC phục vụ gia công khí thực trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghệ TP.Hồ Chí Minh với mong muốn chế tạo máy CNC đạt độ xác cao ứng dụng vào sản xuất Bên cạnh đó, việc đào tạo sinh viên có nắm vững kiến thức thiết kế CAD, lập trình gia cơng CAM làm tảng vận hành điều khiển máy CNC công nghiệp đưa vào chương trình đào tạo khóa với thời lượng lý thuyết vừa thực hành Chương trình đào tạo trường ln quan tâm đến chất lượng đào tạo sinh viên vừa vững lý thuyết giỏi thực hành Do đó, thực hành trường thường ký hợp đồng Thực hiện: Phạm Bá Khiển Nghiên cứu khoa học liên kết đào tạo với trường Cao đẳng nghề địa bàn Thành phố để đào tạo tay nghề cho sinh viên môn học thực hành CAD/CAM/CNC cho sinh viên hai ngành Kỹ thuật Cơ khí, kỹ thuật Cơ – Điện tử năm qua Vấn đề đào tạo nguồn nhân lực có chất lượng sinh viên sau trường tốt hàng trăm học viên mà có từ đến máy để thực hành Giá thành cao, đồ thay đắt, người hướng dẫn không đào tạo tâm lý sợ “làm hỏng” thiết bị đắt tiền làm cho việc đưa máy CNC vào đào tạo gặp nhiều khó khăn Do chủ động chế tạo máy CNC trường điểm tựa để việc đào tạo chất lượng cao thuận lợi hơn, giảm chi phí th khốn chun mơn cho sở đào tạo bên Từ yếu tố trên, việc thiết kế, chế tạo máy CNC cần thiết để phục vụ cho công tác đào tạo, giảng dạy trường Kỹ thuật Công nghệ Tp HCM Sau chế tạo thử nghiệm thành công trường hướng đến đáp ứng nhu cầu doanh nghiệp khí, tự động hóa, sản xuất thủ cơng mỹ nghệ… nước nước với mứt giá cạnh tranh so với máy từ Đài Loan, Trung Quốc Do vậy, tác giả chọn đề tài: “Thiết kế chế tạo máy CNC trục phục vụ công tác giảng dạy trường Đại học Công nghệ Tp HCM” 1.2 Mục đích đề tài Đề tài có mục đích sau: - Chế tạo mơ hình máy CNC trục gia công vật liệu mềm mica, gỗ, nhơm v.v - Độ xác u cầu gia cơng có sai số từ 0.05 đến 0.1mm - Gia cơng chi tiết kích thước từ Dài x Rộng x Cao khoảng từ 300x400x100mm 1.3 Nhiệm vụ đề tài - Thiết kế khí kết cấu máy CNC với hành trình bàn máy X 600mm, trục Y 900mm, trục Z 300mm - Thi cơng phần khí, chế tạo lắp ráp hồn thiện mơ hình máy CNC - Thiết kế hệ thống mạch điện, board mạch đệm nối từ máy tính xuống hệ thống Driver điều khiển động trục cơng tác X,Y, Z; điều khiển trục chính… - Thiêt kế thi cơng hệ thống điện, cử hành trình an toàn vận hành, hệ thống làm mát trục chính, hệ thống đèn báo trạng thái hoạt động v.v Thực hiện: Phạm Bá Khiển Nghiên cứu khoa học 1.4 Đối tượng nghiên cứu giới hạn đề tài - Đối tượng nghiên cứu đề tài máy cơng cụ điều khiển chương trình số CNC - Người nghiên cứu tập trung nghiên cứu thiết kế, thi cơng hệ thống khí hệ thống điều khiển máy CNC 1.5 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tính tốn, thiết kế sở yêu cầu đặt - Sử dụng phần mềm hỗ trợ xây dựng mơ hình tính tốn thực mơ kiểm tra kết tính tốn q trình trao đổi nhiệt - Phương pháp tham khảo tra cứu tài liệu qua thư viện, Internet… 1.6 Nội dung đề tài: Nội dung đề tài gồm chương chính: - Chương 1: Đặt vấn đề - Chương 2: Tổng quan đề tài nghiên cứu - Chương 3: Thiết kế khí điều khiển máy - Chương 4: Giao tiếp phần mềm điều khiển - Chương 5: Kết thực đề tài - Chương 6:Kết luận hướng phát triển Thực hiện: Phạm Bá Khiển Nghiên cứu khoa học CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước Trong bối cảnh phát triển ngành công nghiệp nước ta hầu hết công nghệ sử dụng phải nhập Trong trình sử dụng, có nhiều hệ thống cần phải thay thế, sửa chữa, nâng cấp chúng phải nhập nước khơng có thiết bị, dây chuyền để chế tạo hệ thống Máy CNC chế tạo nước với chi phí thấp chìa khố để đảm bảo nhanh chóng chế tạo hệ thống thay phù hợp vừa phục vụ cho công nghiệp vừa đáp ứng nhu cầu doanh nghiệp khí vừa nhỏ Nghiên cứu giới: Hiện giới việc chế tạo máy công cụ tự động CNC đạt tới trình độ cao Máy CNC nghiên cứu đầu tư để tạo loại máy móc thiết bị, dây chuyền sản xuất để phục vụ tất ngành công nghiệp khác Có thể phân loại máy CNC sau: - Các máy CNC dùng để cắt gọt kim loại dụng cụ cắt (theo công nghệ truyền thống): máy phay CNC, máy tiện CNC, trung tâm tiện phay CNC, máy mài CNC - Các máy CNC dùng để gia công theo công nghệ phi truyền thống: máy xung tia lửa điện, máy cắt dây tia lửa điện, máy cắt Plasma, cắt Laser, máy tạo mẫu nhanh RP - Các máy CNC dùng để gia công biến dạng áp lực: máy đột tự động theo chương trình, máy cán, máy ép, máy dập điều khiển số - Các máy CNC chuyên dụng phục vụ cho ngành công nghiệp sản xuất hàng loạt đặc biệt: sản xuất phụ tùng ô tô, đồ tiêu dùng, sản xuất vũ khí, hố chất độc hại… Nghiên cứu nước: Thực hiện: Phạm Bá Khiển Nghiên cứu khoa học Hiện lĩnh vực ứng dụng máy CNC nước đa dạng phong phú Các sản phẩm máy CNC tạo tập trung lĩnh vực sau: - Máy CNC dùng để chế tạo máy móc, thiết bị dây chuyền sản xuất phục vụ toàn ngành kinh tế khác như: cơng nghiệp nặng (đóng tàu, khai thác mỏ, điện, dầu khí, thiết bị vận chuyển tơ, tàu hoả,…), cơng nghiệp nhẹ (dệt may, đóng giày, thực phẩm,…), cơng nghiệp quốc phịng (dây chuyền sản xuất vũ khí, thuốc nổ,…), cơng nghệ thơng tin (dây chuyền sản xuất vi mạch điện tử, lắp ráp máy tính thiết bị viễn thông,…), thiết bị dùng cho giáo dục đào tạo, thiết bị y học… - Máy CNC dùng để tạo sản phẩm thông dụng sản phẩm công nghệ cao sử dụng sống công nghiệp: khuôn mẫu dùng để tạo chi tiết nhựa dùng sống hàng ngày, chi tiết để cấy chế tạo ống nano, chi tiết vật liệu sinh học để thay xương y học, đồ gá dùng sản xuất chíp điện tử… 2.2 Kết cấu máy CNC Máy CNC gồm hai phần chính: Phần khí: đế máy, thân máy, bàn máy, bàn xoay, trục vít me bi, ổ tích dụng cụ, cụm trục băng dẫn hướng Ở Việt Nam chưa thể chế tạo hai phận quan trọng máy là: cụm trục băng dẫn hướng mà chế tạo cấu đơn giản là: thân máy, bàn máy, bàn xoay Phần điều khiển: loại động cơ, hệ thống điều khiển máy tính trung tâm Thực hiện: Phạm Bá Khiển Nghiên cứu khoa học Hình 2.1 Kết cấu chung máy CNC 2.2.1 Đầu trục Là nơi lắp dụng cụ, chuyển động quay trục sinh lực cắt để cắt gọt phơi q trình gia cơng (hình 1.2) Hình 2.2 Cụm trục Nguồn động lực điều khiển trục chính: Trục điều khiển động Thường sử dụng động Servo theo chế độ vịng lặp kín, cơng nghệ số để tạo tốc độ điều khiển xác hiệu cao chế độ tải nặng Hệ thống điều khiển xác góc phần quay phần tĩnh động trục để tăng momen xoắn gia tốc nhanh Hệ thống điều khiển cho phép người sử dụng tăng tốc độ trục lên nhanh Thực hiện: Phạm Bá Khiển Nghiên cứu khoa học Hình 2.3 Các dạng dẫn động trục 2.2.2 Băng dẫn hướng Hệ thống trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho chuyển động bàn theo X,Y chuyển động lên xuống theo trục Z trục (hình 2.4) Yêu cầu hệ thống trượt trượt phải thẳng, có khả tải cao, độ cứng vững tốt, khơng có tượng dính, trơn trượt Hình 2.4 Băng dẫn hướng Thực hiện: Phạm Bá Khiển 10 Nghiên cứu khoa học Hình Động AC Servo trục Z 5.2.2 Driver điều khiển động Servo Phần Driver điều khiển động AC Servo lắp tủ điện điều khiển: Hình Driver động AC Servo 5.2.3 Động trục Động trục thi cơng đặt đế trược trục Z máy CNC: Thực hiện: Phạm Bá Khiển 56 Nghiên cứu khoa học Hình Động trục 5.2.4 Biến tần điều khiển động trục Hình 10 Biến tần động trục 5.2.5 Mạch đệm tín hiệu Mạch đệm tín hiệu truyền từ máy tính điều khiển động trục máy Thực hiện: Phạm Bá Khiển 57 Nghiên cứu khoa học Hình 11 Bố trí mạch đệm tủ điện 5.2.6 Cử hành trình Cử hành trình an tồn bảo vệ máy CNC bị hoạt động giới hạn bàn máy tự động ngắt liệu truyền từ máy tính xuống máy Hình 12 Cử hành trình bảo vệ an toàn cho máy trục 5.2.7 Tủ điện điều khiển Tủ điện thi công cách điện an toàn cho sinh viên thực tập, hệ thống CB chống tải trang bị nguồn 5V, 12V, 24V chiều cho board đệm hoạt động Thực hiện: Phạm Bá Khiển 58 Nghiên cứu khoa học Hình 13 CB mạch điện áp chiều hỗ trợ mạch đệm Hình 14 Thi cơng tủ điện hoàn thiện điều khiển máy CNC Thực hiện: Phạm Bá Khiển 59 Nghiên cứu khoa học Hệ thống nút nhấn thiết kế thuận thân thiện cho người sử dụng Ngoài trang bị thêm nút Reset chống cử “ Over limit” ngồi tủ điện mà khơng cần cang thiệp vào phần mềm máy tính xảy tượng cử hành trình Hình 15 Hệ thống nút nhấn điều khiển 5.3 Kết ứng dụng mơ hình máy CNC cơng tác giảng dạy Qua q trình thử nghiệm đưa mơ hình vào cơng tác giảng dạy môn học “Thực hành công nghệ CAD/CAM/CNC” đem lại nhiều hiệu Sinh viên sau học lý thuyết lập trình gia cơng máy tính phần mềm MasterCAM, xuất chương trình G-codes truyền vào máy tính điều khiển máy gia đạt cơng kích thước xác hình dáng thiết kế phần mềm CAD Trải qua trình thực tập, sinh viên thực tập vừa nắm vững lý thuyết, vừa giỏi thực hành Một số hình ảnh giới thiệu ứng dụng mơ hình máy CNC cho sinh viên học môn “Thực hành công nghệ CAD/CAM/CNC” Trung tâm thí nghiệm Khoa Cơ – Điện – Điện tử: Thực hiện: Phạm Bá Khiển 60 Nghiên cứu khoa học Hình 16 Thiết kế lập trình phần mềm MasterCAM X5 Kiểm tra nguyên công gia công kiểm tra đường chạy dao cắt gọt trên phần mềm trước gia cơng: Hình 17 Mơ gia cơng phần mềm Chuyển chương trình G-codes xuống máy tiến hành gia công Kết thực gia cơng nhóm sinh viên thực hành mơ hình máy CNC: Thực hiện: Phạm Bá Khiển 61 Nghiên cứu khoa học Hình 18 Kết mơ gia cơng vật liệu Mica Nhóm tác giả thực hiện: Hình 19 Hình lưu niệm nhóm Một số sản phẩm khác gia cơng Mica hồn thành: Thực hiện: Phạm Bá Khiển 62 Nghiên cứu khoa học Hình 20 Hình trường Đại học KT CN khắc Mica Hình 21 Hình Logo Đại học KT CN khắc Mica Thực hiện: Phạm Bá Khiển 63 Nghiên cứu khoa học Hình 22 Hình Cơ sở Ung Văn Khiêm khắc Mica Thực hiện: Phạm Bá Khiển 64 Nghiên cứu khoa học Hình 23 Hình mỹ thuật thiết kế khắc Mica Sản phẩm gia công gỗ: Sản phẩm thiết kế phần mềm ArtCAM xuất chương trình G-codes Thực hiện: Phạm Bá Khiển 65 Nghiên cứu khoa học Hình 24 Thiết kế sản phẩm phần mềm ArtCAM Kết sử dụng máy điêu khắc sản phẩm gỗ thơng: Hình 25.Sản phẩm điêu khắc gỗ Thông Thực hiện: Phạm Bá Khiển 66 Nghiên cứu khoa học Hình 26 Sản phẩm điêu khắc gỗ đào Nhận xét: Sản phẩm gia cơng xác, đường chạy dao mịn đẹp không bị bước trục Z Thực hiện: Phạm Bá Khiển 67 Nghiên cứu khoa học CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Kết luận Trải qua gần tháng phối hợp nghiên cứu giảng viên sinh viên, kết ban đầu chế tạo thành công mơ hình máy CNC hoạt động ổn định độ xác tương đối cao, sai số đo 0.05-0.1 mm Tuy nhiên, mơ hình máy CNC sau chế tạo ban đầu có chi phí thấp, nên khả nội suy độ cứng vững máy chưa đạt máy chuẩn công nghiệp thị trường thương mại Tuy nhiên, qua trình thực tập cho sinh viên, mơ hình máy CNC đủ để gia công vật liệu độ cứng thấp gỗ, mica, nhựa hay nhôm mềm Ưu điểm máy sử dụng hệ thống lệnh G-code thông qua phần mềm Mach3, nên lập trình tay lập trình tự động cách dễ dàng Vì mơ hình máy chế tạo đặc biệt cho giảng dạy nên tác giả cố gắng thiết kế gần giống với thao tác vận hành máy CNC công nghiệp Rủi ro có cố hệ thống khí hay điều khiển điều dễ dàng sửa chửa, bảo trì Đây ưu điểm khắc phục tâm lý sợ thiếu kinh nghiệm dẫn đến sai sót trình làm việc gây hậu nghiêm trọng tổn thương mặt thân thể hay tổn hại chi phí sữa chữa cao máy CNC công nghiệp Hướng phát triển Trong tương lai, số lượng sinh viên vào khối ngành Kỹ thuật điện tử Kỹ thuật khí tăng cao Do chi phí thuê liên kết đào tạo thực tập sở ngồi tốn Qua tính tốn ban đầu, hàng năm giảm bớt 50% chi phí đào tạo so với việc gửi SV thực tập bên Thời gian thu hồi vốn vịng năm Đồng thời chủ động thời gian nâng cao hiệu đào tạo, tăng cường hình ảnh sở vật chất phục vụ đào tạo trường Qua kết đạt được, kính mong Ban giám hiệu quản lý Khoa tạo điều kiện đầu tư phát triển đề tài để có mơ hình máy hồn thiện với độ Thực hiện: Phạm Bá Khiển 68 Nghiên cứu khoa học xác cao Trong tương lai, dự án đầu tư phát triển, nhóm tác giả phát triển nghiên cứu thiết kế chế tạo thêm mơ hình máy CNC trục, mơ hình máy CNC trục Thiết kế thêm hệ thống giao tiếp nút nhấn với giao diện hoàn toàn giống với máy CNC chuẩn công nghiệp Thực hiện: Phạm Bá Khiển 69 Nghiên cứu khoa học TÀI LIỆU THAM KHẢO Lâm Quỳnh Trang – Lê Trọng Hiền – Nguyễn Minh Trung, Động Servo, – Đoàn Hiệp Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh PTS Đồn thị Minh Trinh; Cơng nghệ CAD/CAM; NXB Khoa học Kỹ thuật; năm 1998 Mikell P.Groover, Emory W.Zimmer, Jr CAD/CAM – Computer Aided Design and Manufacturing, Prentice-hall of India Private Limited, New Dehi, 1998 CNC ROBOTICS, McGraw –hill International Edition, 1991 www.picvietnam.com www.dientuvietnam.com www.diendandientu.com www.tailieu.vn Thực hiện: Phạm Bá Khiển 70 ... cho sở đào tạo bên Từ yếu tố trên, việc thiết kế, chế tạo máy CNC cần thiết để phục vụ cho công tác đào tạo, giảng dạy trường Kỹ thuật Công nghệ Tp HCM Sau chế tạo thử nghiệm thành công trường hướng... mỹ nghệ? ?? nước nước với mứt giá cạnh tranh so với máy từ Đài Loan, Trung Quốc Do vậy, tác giả chọn đề tài: ? ?Thiết kế chế tạo máy CNC trục phục vụ công tác giảng dạy trường Đại học Cơng nghệ Tp HCM? ??... qua nhiều đề tài nghiên cứu chế tạo máy CNC phục vụ gia cơng khí thực trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghệ TP. Hồ Chí Minh với mong muốn chế tạo máy CNC đạt độ xác cao ứng dụng vào sản xuất Bên cạnh