Thiết kế và chế tạo máy khắc gỗ CNC 4 bậc tự do

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: Thiết kế chế tạo máy khắc gỗ CNC bậc tự Người hướng dẫn: TS VÕ NHƯ THÀNH Người duyệt: PGS TS TRẦN XUÂN TÙY Sinh viên thực hiện: NGUYỄN ĐỨC THÔI LÊ NHẤT CẢNH Số thẻ sinh viên : 101150186 101150157 Lớp: 15CDT1 Đà Nẵng, 12/2019 TÓM TẮT Tên đề tài: thiết kế chế tạo máy khắc gỗ cnc bậc tự Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thôi Lê Nhất Cảnh Số thẻ SV: 101150186 Lớp: 15CDT1 Số thẻ SV: 101150157 Lớp: 15CDT1 Cụm từ máy CNC khơng cịn xa lạ mà ngược lại trở nên thân thuộc tất Tuy nhiên mà vai trị máy CNC bị suy giảm mà ngày quan trọng lĩnh vực khí – tự động nói chung gia cơng gỗ mỹ nghệ nói riêng Để làm sản phẩm nội thất hoàn chỉnh thẩm mỹ, đòi hỏi tay nghề người thợ phải khéo léo cần tới hỗ trợ thiết bị đại Máy phay gỗ công cụ hỗ trợ tốt mà người làm nghề muốn có Với nhu cầu đời sống tinh thần ngày cao sản phẩm mỹ nghệ tạo yêu cầu mức độ thẩm mỹ độ tinh xảo ngày cao Nhờ hỗ trợ máy CNC mà ngành mỹ nghệ có bước tiến vượt bậc Năng suất ngày cao chất lượng sản phẩm đồng so với phương pháp truyền thống Hiện nước ta chế tạo máy CNC gỗ phục vụ sản xuất giá thành cao so với giá trị thật máy Với lòng đam mê với chế tạo máy móc cơng nghệ tự động, chúng em định chọn đề tài “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC GỖ CNC BẬC TỰ DO” cho Đồ án tốt nghiệp Hy vọng với nhiệt huyết có với giúp đỡ thầy, bạn bè lớp,… chúng em chế tạo thành công máy khắc gỗ CNC bậc tự với giá thành rẻ so với thị trường đáp ứng yêu cầu độ xác tối ưu hóa thiết kế mà thị trường sản xuất Để đáp ứng điều đồ án chúng em bao gồm cơng đoạn sau: Giới thiệu tổng quan tình hình nghiên cứu máy khắc gỗ CNC ngồi nước; Phân tích lựa chọn phương án tối ưu; Thiết kế sản phẩm phần mềm Solidwords; Tính tốn thiết kế phận máy; Thiết kế kết nối phận điều khiển với phận khí; Tiến hành chế tạo, gia cơng đánh giá chất lượng máy ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ CỘNG HỊA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TT Họ tên sinh viên Nguyễn Đức Thôi Số thẻ SV 101150186 Lớp Ngành 15CDT1 Kỹ thuật Cơ điện tử Lê Nhất Cảnh 101150157 15CDT1 Kỹ thuật Cơ điện tử Tên đề tài đồ án: Thiết kế chế tạo máy khắc gỗ CNC bậc tự Đề tài thuộc diện: ☒ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: …………………………………… …………………………………………… …… ………………………………………………………………………………………… … ………………………………….… ……………………… ……………………… Nội dung phần thuyết minh tính tốn: a Phần chung: TT Họ tên sinh viên Nội dung - Lập kế hoạch Nguyễn Đức Thôi Lê Nhất Cảnh - Tổng quan đề tài - Phân tích lựa chọn phương án thiết kế - Tính tốn thiết kế sản phẩm - Lập hồ sơ thiết kế sản phẩm - Gia công lắp đặt - Đánh giá sản phẩm - Viết thuyết minh báo cáo b Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Nguyễn Đức Thôi Lê Nhất Cảnh Nội dung - Xây dựng phần điều khiển - Vẽ mơ hình 3D mô lực tác dụng Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): a Phần chung: TT Họ tên sinh viên Nguyễn Đức Thôi Lê Nhất Cảnh Nội dung Xây dựng vẽ A0: -1 Bản vẽ tổng thể máy CNC, kích thước A0 -3 Bản vẽ lắp, kích thước A0 -1 Bản vẽ sơ đồ nguyên lý thuật tốn, kích thước A0 b Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Nguyễn Đức Thôi Lê Nhất Cảnh Nội dung -1 Bản vẽ sơ đồ động, kích thước A0 -1 Bản vẽ chi tiết, kích thước A0 Họ tên người hướng dẫn: Phần/ Nội dung: TS Võ Như Thành Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 10/8/2019 Ngày hoàn thành đồ án: 10/12/2019 Trưởng Bộ môn……………………… Đà Nẵng, ngày 13 tháng 12 năm 2019 Người hướng dẫn LỜI CẢM ƠN Trong trình thực đồ án tốt nghiệp, chúng em nhận nhiều giúp đỡ Trước hết, chúng xin cảm ơn ba, mẹ, anh, chị gia đình ln chăm sóc, động viên quan tâm đến việc học chúng suốt thời gian học tập đại học hoàn thành đồ án Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy Khoa Cơ Khí, trường Đại học Bách Khoa –Đại học Đà Nẵng tham gia trình đào tạo suốt thời gian học đại học, truyền đạt cho chúng em nhiều kiến thức chuyên môn kinh nghiệm thực tế quý báu để chúng em có đủ kiến thức thực đề tài Chúng em xin cảm ơn q thầy Viện khí tự động hóa Trong q trình thực đồ án, Viện Cơ Khí hỗ trợ cho chúng em nhiều môi trường làm việc cung cấp đầy đủ trang thiết bị cho trình thực nghiệm, chế tạo mơ hình Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Võ Như Thành ln theo sát hướng dẫn tận tình q trình thực đồ án chúng em Thầy đưa nhiều lời khuyên, dẫn, cho chúng em phương pháp nghiên cứu, phương pháp tư giải vấn đề tác phong làm việc người kỹ sư Đây kinh nghiệm quý báu để làm hành trang cho công việc chúng em sau Bên cạnh đó, chúng tơi xin chân thành cảm ơn hợp tác giúp đỡ bạn học lớp 15CDT nhiệt tình giúp đỡ chúng tơi q trình thực đồ án Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến người giúp đỡ chúng tơi q trình thực luận văn mà chưa nêu tên đây, giúp đỡ dù hay nhiều đóng góp phần vào thành công đề tài tốt nghiệp Đà Nẵng, ngày 25 tháng 12 năm 2019 Sinh viên thực Nguyễn Đức Thôi, Lê Nhất Cảnh i CAM ĐOAN Kính gửi: - Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng - Khoa Cơ khí Tơi tên : NGUYỄN ĐỨC THÔI Lớp LÊ NHẤT CẢNH : 15CDT1 Khoa : Cơ khí Đề tài : Thiết kế chế tạo máy khắc gỗ CNC bậc tự Tôi xin cam đoan đồ án tốt nghiệp thực không chép hay trùng với đề tài thực hiện, sử dụng tài liệu tham khảo nêu báo cáo Các số liệu, kết nêu đề tài trung thực Nếu sai, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Sinh viên thực Lê Nhất Cảnh, Nguyễn Đức Thôi ii MỤC LỤC Tóm tắt Nhiệm vụ đồ án Lời nói đầu cảm ơn i Lời cam đoan liêm học thuật Mục lục ii iii Danh sách bảng biểu, hình vẽ sơ đồ v Trang MỞ ĐẦU .1 Chương 1: PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ 1.1 Phát biểu toán thiết kế 1.1.1 Mô tả tóm lược sản phẩm 1.1.2 Mục đích thương mại sản phẩm 1.1.3 Thị trường mục tiêu 1.1.4 Các giả thiết 1.2 Lập kế hoạch thiết kế sản phẩm 1.2.1 Xác định nhiệm vụ thiết kế 1.2.2 Phát triển mục tiêu nội dung cho nhiệm vụ Chương 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO KHẮC GỖ CNC BẬC TỰ DO 2.1 Giới thiệu máy CNC 2.1.1 Quá trình phát triển 2.1.2 Tình hình nghiên cứu nước 2.1.3 Đặc điểm phân loại 2.1.4 Kết cấu chung máy CNC phay gỗ 11 2.2 Thị trường chế biến gỗ Việt Nam 18 2.3 Tính cấp thiết đề tài 18 2.4 Nhiệm vụ đồ án 19 2.5 Giới hạn đề tài 19 Chương 3: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 20 3.1 Lựa chọn phương án cho trục xoay 20 3.1.1 Phân loại 20 3.1.2 Cơ cấu truyền động cho trục xoay 21 3.2 Lựa chọn cấu truyền động 22 iii 3.3 Hệ thống dẫn hướng 23 3.4 Truyền động từ cấu sang cấu chấp hành 24 3.5 Lựa chọn vật liệu làm khung máy 26 3.6 Lựa chọn phần kẹp phôi 28 3.7 Lựa chọn phần mền điều khiển 29 Chương 4: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN CƠ KHÍ 35 4.1 Bảng thông số kỹ thuật máy 35 4.2 Tính tốn lực cắt cơng suất cắt 35 4.3 Chọn động trục 38 4.4 Tính tốn thiết kế cụm trục Y 39 4.4.1 Vít me – đai ốc 39 4.4.2 Ổ lăn 43 4.4.3 Nối trục 46 4.4.4 Tính toán động điều khiển 47 4.4.5 Động điều khiển 48 4.4.6 Thanh trượt – trượt 48 4.5 Tính tốn thiết kế cụm trục X 52 4.5.1 Vít me – đai ốc 52 4.5.2 Ổ lăn 57 4.5.3 Nối trục 59 4.5.4 Tính tốn động điều khiển 60 4.5.5 Động điều khiển 61 4.5.6 Thanh trượt – trượt 62 4.6 Thiết kế tính tốn cụm trục Z 66 4.6.1 Vít me – đai ốc 66 4.6.2 Ổ lăn 70 4.6.3 Nối trục… 73 4.6.4 Tính tốn động điều khiển 74 4.6.5 Động điều khiển 75 4.6.6 Thanh trượt – trượt 75 4.7 Tính tốn chọn truyền bánh vít trục vít 79 4.7.1 Lựa chọn động trục xoay 79 4.7.2 Thiết kế trục xoay 80 Chương 5:THIẾT KẾ MƠ HÌNH 3D VÀ MƠ PHỎNG LỰC TÁC DỤNG 84 5.1 Thiết kế mơ hình 3D 84 5.1.1 Các chi tiết thiết kế 84 iv 5.1.2 Mơ hình 3D sau lắp 89 5.2 Mô lực tác dụng 92 5.2.1 Mục tiêu việc mô 92 5.2.2 Quá trình mơ 92 5.2.3 Kết mô 93 Chương 6: ĐIỀU KHIỂN VÀ VẬN HÀNH MÁY 95 6.1 Hướng dẫn cài đặt CNC USB Controller (MK1) 95 6.1.1 Đặc điểm 95 6.1.2 Các bước cài đặt 95 6.1.3 Quá trình cài đặt 96 Chương 7: GIA CÔNG LẮP ĐẶT KHUNG MÁY 100 7.1 Lập hồ sơ thiết kế sản phẩm 100 7.2 Lắp đặt khung máy 101 KẾT LUẬN 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 v DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Bảng 1.1 Tóm tắt nhiệm vụ làm việc Bảng 2.1 Các thông số chế độ gia công đặc trưng Bảng 3.1 Thông số làm việc máy Bảng 3.2 Phân tích phương án cấu truyền động Bảng 3.3 Phân tích phương án hệ thống dẫn hướng Bảng 4.1 Kết thông số làm việc máy trục Y Bảng 4.2 Kết thông số làm việc máy trục X Bảng 4.3 Kết thông số làm việc máy trục Z Bảng 4.4 Kết thông số làm việc máy trục A Bảng 7.1 Trình tự gia cơng chi tiết Hình 2.1 Máy tiện CNC biên dạng trịn xoay Hình 2.2 Máy CNC khoan gỗ Hình 2.3 Máy CNC phay gỗ trục Hình 2.4 Máy CNC phay gỗ mini trục Hình 2.5 Bàn xoay dùng máy CNC phay gỗ Hình 2.6 Ổ tích dao máy CNC Hình 2.7 Hộp số máy phay gỗ CNC mini Hình 2.8 Đầu trục Hình 2.9 Cấu tạo trục vít me bi Hình 2.10 Đầu dẫn động trục Hình 2.11 Các loại băng dẫn hướng Hình 2.12 Các động step servo thường dùng Hình 2.13 Mạch giao tiếp Hình 2.14 Màn hình điều khiển máy CNC Hình 2.15 Tủ điện máy CNC Hình 3.1 Bộ truyền vít me - đai ốc lăn ren Hình 3.2 Bộ truyền vít me - đai ốc bi Hình 3.3 Ray trượt vng Hình 3.4 Ray trượt trịn Hình 3.5 Nối trục đàn hồi với đĩa hình Hình 3.6 Nhơm Hình 3.7 Sắt vi Thiết kế chế tạo máy khắc gỗ CNC bậc tự Hình 5.21 Ứng suất lớn  Nhận xét: Kết biểu đồ cho thấy, ứng suất lớn đạt  = 9,5  106 Pa vị trí gá động trục Giá trị nằm giá trị cho phép Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thôi, Lê Nhất Cảnh Hướng dẫn: TS Võ Như Thành 94 Thiết kế chế tạo máy khắc gỗ CNC bậc tự Chương 6: ĐIỀU KHIỂN VÀ VẬN HÀNH MÁY 6.1 Hướng dẫn cài đặt CNC USB Controller (MK1) 6.1.1 Đặc điểm Bo BOB ( mạch đệm ) trục giao tiếp USB tiện lợi Thích hợp với máy khơng có cổng lpt laptop Bob có phần mềm DK riêng cnc usb controller, trực quan dễ sử dụng Đây giải pháp đồng phần cứng mềm, thay tốt cho Nc studio Mach • Yêu cầu phần cứng máy tính: CPU —- tốc độ 1.6g; — RAM 1G trở lên; • Yêu cầu hệ thống máy tính: hệ thống WINDOWS hỗ trợ hệ điều hành, xp, bit • win7-32, bit win7-64; Nó hỗ trợ tập tin G-mã tiêu chuẩn, chẳng hạn * nc, * vịi đường gia cơng khác tài liệu; khắc, SW, UG, PW, phần mềm khác để tạo đường chạy dao hỗ trợ; • Hỗ trợ cho trục, trục đơn tần số đầu lên đến 25K.4-trục tần số tối đa đầu • đồng thời 100K Hz; Nó hỗ trợ tập tin DXF tạo phần mềm CAD; PLT / HPGL; Nó hỗ trợ giới hạn chức 4-trục; • • • Hỗ trợ tốc độ trục chính, kiểm sốt chuyển đổi, nước, điều khiển phun; Tất tính hỗ trợ tùy chỉnh phím tắt bàn phím; 6.1.2 Các bước cài đặt - Bước Chuẩn bị - Bước Cài đặt cho CNC USB controller - Bước Cài đặt phần cứng thẻ chuyển động - Bước Bảng kết nối thẻ chuyển động - Bước Sơ đồ kết nối thẻ chuyển động - Bước Núm điều chỉnh - Bước Đầu PWM tốc độ trục - Bước Đo tốc độ quay trục - Bước Công cụ tự động zero - Bước 10 Cài đặt MPG Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thôi, Lê Nhất Cảnh Hướng dẫn: TS Võ Như Thành 95 Thiết kế chế tạo máy khắc gỗ CNC bậc tự 6.1.3 Quá trình cài đặt 6.1.3.1 Sơ đồ kết nối Hình 6.1 Sơ đồ kết nối mạch điều khiển 6.1.3.2 Sơ đồ mạch Hình 6.2 Sơ đồ mạch kết nối 6.1.3.3 Bước 1: Chuẩn bị - Chuẩn bị phần mềm cnc usb controller - Chuẩn bị cáp USB - Cài đặt phần mềm cnc usb controller - Kết nối cáp USB với PC bo mạch 6.1.3.4 Bước 2: Thiết lập cnc usb controller Sau mở phần mềm cnc usb controller, xuất giao diện hình Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thôi, Lê Nhất Cảnh Hướng dẫn: TS Võ Như Thành 96 Thiết kế chế tạo máy khắc gỗ CNC bậc tự Hình 6.3 Giao diện phần mềm CNC USB controller Chọn ngôn ngữ − file > language > English Hình 6.4 Chọn ngơn ngữ Thiết lập tín hiệu đầu vào − file > setting >output Hình 6.5 Thiết lập tín hiệu vào Thiết lập thông số cho trục ❖ Động trục Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thôi, Lê Nhất Cảnh Hướng dẫn: TS Võ Như Thành 97 Thiết kế chế tạo máy khắc gỗ CNC bậc tự Hình 6.6 Thiết lập động trục Hình 6.7 Thiết lập số trục Hình 6.8 Thơng số chỉnh Driver động Step Steps per = 3200/5 = 640 Trong 3200 (Hình 4.25) bước vít me Thiết lập động Spindle Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thôi, Lê Nhất Cảnh Hướng dẫn: TS Võ Như Thành 98 Thiết kế chế tạo máy khắc gỗ CNC bậc tự Hình 6.9 Thơng số Spindle Vì Spindle chạy trực tiếp khơng qua truyền nên Ratio = Sau thiết lập xong phần mếm nhấn config > Save Setting… Chương trình lưu tồn thiết lập cho lần khởi động sau Thiết lập thông số biến tần − Chọn ESC > P087 > Enter > : Reset lại biến tần mặt định − Nhấn ESC > P000 > Enter > − P001 > 7: Dòng định mức biến tần 7A − P003 > 400: Thiết lập tần số 400Hz phù hợp với Spindle 24000 vòng tương đương 400Hz − P021 > 400: Tần số tối đa biến tần − P038 > 3: Thời gian tăng tốc tới tốc độ tối đa 3s − P039 > 10: Thời gian dừng động 10s − P065 > 1: Điều khiển từ phần mềm Hình 6.10 Biến tần BEST FC300 – 03 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thôi, Lê Nhất Cảnh Hướng dẫn: TS Võ Như Thành 99 Thiết kế chế tạo máy khắc gỗ CNC bậc tự Chương 7: GIA CÔNG LẮP ĐẶT KHUNG MÁY 7.1 Lập hồ sơ thiết kế sản phẩm - Yêu cầu kỹ thuật: + Các chi tiết sau gia công phải đảm bảo kích thước, dung sai hình dáng, dung sai kích thước, độ nhám đặt theo vẽ chế tạo + Các chi tiết lắp ráp theo vẽ lắp, phải đảm bảo yêu cầu kĩ thuật đặt - Thiết bị sử dụng gồm: + Các chi tiết gia công dựa theo yêu cầu vẽ chi tiết Việc sử dụng máy thiết lập quy trình gia cơng cho chi tiết phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, tiết kiệm thời gian để từ lựa chọn máy, ngun cơng cho hợp lý + Đối với chi tiết có dạng hình khối, bề mặt gia công mặt phẳng khoan lỗ, tarơ, khơng địi hỏi độ xác cao (