THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 3 TRỤC

Vietnam J Agri Sci 2018, Vol 16, No 11: 1005-1016 Tạp chí Khoa học Nơng nghiệp Việt Nam 2018, 16(11): 1005-1016 www.vnua.edu.vn THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY PHAY CNC TRỤC Nguyễn Thị Thu Trang*, Phạm Thanh Cường, Tống Ngọc Tuấn, Ngô Đăng Huỳnh, Nguyễn Hữu Hưởng Khoa Cơ - Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam * Tác giả liên hệ: ntttrang.cd@vnua.edu.vn Ngày nhận bài: 23.10.2018 Ngày chấp nhận đăng: 22.01.2019 TÓM TẮT Thiết kế chế tạo mơ hình máy phay CNC trục thực dựa nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm Mơ hình máy ứng dụng chủ yếu để phục vụ công tác đào tạo nghiên cứu khoa học Khi sử dụng mơ hình gia công chế tạo nhiều dạng chi tiết nhờ vào việc sử dụng phần mềm Mach máy tính để điều khiển mơ Sử dụng phần mềm kỹ thuật đưa vẽ thiết kế chi tiết máy mơ hình tổng thể máy, sau tiến hành chế tạo chi tiết lắp ráp chúng lại thành mơ hình máy hồn chỉnh Từ khóa: Máy phay CNC trục, phần mềm Mach 3, điều khiển số, chế tạo, lắp ráp Design and Manufacture of Model for 3-Axis CNC Mini Milling Machine ABSTRACT The design and manufacture for a model of a 3-axis CNC milling machine were made based on theoretical and empirical research The machine model is used mainly in the training and scientific research Using this model, it is possible to fabricate many kinds of details by using MACH3 software on the computer for control and simulation The technical software is used to produce detailed design drawings and overall model of the machine, followed by fabricating the parts and assembling them into a complete machine model Keywords: Axis CNC milling machine, Mach software, fabrication, assembly ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, hæu hết lïnh văc sân xuỗt cụng nghip nhỵ: ụ tụ, xe mỏy, in t, thiết bð y tế, hàng không, hàng tiêu dùng, thiết b cụng nghip, quỏ trỡnh gia cụng chỷ yu ỵc thc hin t ng húa v rỗt linh hoọt sõn xuỗt nh vic ng dýng mỏy cụng cý iu khiển số CNC Các thiết bð điều khiển sā dýng máy gia công CNC cho phép thăc quy trình gia cơng cĄ sć thơng số v kớch thỵc v hỡnh dọng cỷa sõn phốm, ỵc chuyển thành quỹ đäo chuyển động không gian chiều (Træn Vën Đðch, 2007; Phan HĂu Phúc, 2000) Việc áp dýng CAD/CAM vào việc thiết kế, tính tốn kết cỗu v mụ phúng quỏ trỡnh gia cụng nỵc ta, cỏc mỏy CNC (Computer Numerical Control) ang ỵc s dýng rỗt ph bin sõn xuỗt, o tọo nghiên cĀu khoa học Trên thăc tế, máy CNC ang s dýng thỵng i Loan, Trung Quc, Nhờt, c sõn xuỗt, cú phổn iu khin mua cỷa cỏc hóng ni ting nhỵ: FANUC, MITSHUBISHI, nhỵng giỏ thnh tỵng i cao Do ũ, mt s c s o tọo tọi cỏc trỵng k thuờt, ũ cũ Khoa C - in, Hc vin Nụng nghip Vit Nam chỵa ỏp ng ỵc ổy ỷ trang thit b phýc vý cho trình đào täo, thăc hành, thăc têp cho sinh viờn cỹng nhỵ phýc vý cho nghiờn cu khoa học Trên cĄ sć đò, việc têp trung nghiên cĀu để thiết kế, tính tốn chế täo mơ hình máy phay CNC trýc cỉn thiết 1005 Thiết kế chế tạo mơ hình máy phay CNC trục PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu Mt s dọng mỏy CNC cú mt trờn th trỵng ang ỵc s dýng mt s c s sõn xuỗt ln nhú; phổn mm thit k c khớ, phổn mềm Mach chuyển đổi PC tiêu chuèn thành máy CNC đỉy đû tính nëng; số vêt liệu sā dýng để chế täo chi tiết máy (Træn Vën Đðch cs., 2006), vêt liệu để gia công mơ hình máy nhơm nhăa mica 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết Nghiên cĀu tổng hĉp tài liệu lý thuyết về: thiết kế chi tiết máy, công nghệ chế täo máy, công nghệ lêp trình gia cơng CNC, cách sā dýng phỉn mềm Mach Nghiên cĀu lý thuyết q trình gia cơng cít gọt máy phay CNC làm cĄ sć cho vic tớnh toỏn, la chn kt cỗu, kớch thỵc v đâm bâo khâ nëng làm việc cûa máy sau ch tọo v s dýng Sau nghiờn cu phỵng pháp lêp trình gia cơng máy CNC, tÿ đị ỵa ỵc chỵng trỡnh NC cỷa mt s chi tiết cý thể 2.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm Sā dýng phæn mềm vẽ kỹ thuêt 2D, 3D để thiết kế chi tiết máy thiết kế toàn hệ thống mơ hình cûa máy phay CNC trýc Ứng dýng phỉn mềm Mach để lêp trình, điều khiển mơ phóng q trình gia cơng chi tiết hình máy tính (http://forum cncprovn.com; http://www.centroidcnc.com) Chế täo chi tiết máy tồn mơ hình máy cĄ sć thiết bð có, vĆi mýc đích sā dýng mơ hình việc gia cơng vờt liu nhỵ: nhụm, nha mica nhỡm phýc vý cho trình thăc hành, thăc têp cûa sinh viên cĄ khí việc nghiên cĀu cûa cán chun mơn KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Phân tích, lựa chọn nguyên lý kết cấu máy phay CNC trục Qua thu thêp thơng tin, phân tích, khâo sát méu máy phay CNC trýc cò th 1006 trỵng hoc ó ỵc nghiờn cu, phự hĉp vĆi u cỉu thiết kế, chế täo mơ hình máy phay CNC trýc sā dýng thăc hnh, thớ nghim ó la chn kt cỗu mỏy gm cú cỏc b phờn chớnh nhỵ hỡnh 1, ũ l: Thån máy, đế máy, bàn máy, cým trýc chính, phờn dộn hỵng, b truyn ng tnh tin, khp ni trýc, hệ thống điều khiển,… Đế máy phæn đĈ tồn phên cûa máy phía nị, thồn mỏy ỵc lớp vo bỡng h thng bu lơng - đai ốc phỉn đĈ cým trýc Z, cým trýc chính, động cĄ truyền động trýc Bàn máy để gá đặt phôi đồ gá gia cơng nhą có să chuyển động linh hột cûa bàn máy làm tëng khâ nëng gia công cho nhiều däng chi tiết Cým trýc để líp dýng cý gia cơng, chuyển động quay cûa trýc sinh lăc cít phơi q trình gia cơng H thng trỵt dộn hỵng cú nhim vý dộn hỵng cho cỏc chuyn ng cỷa bn mỏy theo trýc X, Y chuyển động lên xuống theo trýc Z Bộ gruyền vít me - đai ốc bi dùng chuyển động chäy dao, biến chuyển động quay cûa trýc vớt me thnh chuyn ng tnh tin v ngỵc lọi Hệ điều khiển vĆi să tham gia cûa máy tính cho phộp thay i v hiu chợnh chỵng trỡnh gia cụng chi tit v chỵng trỡnh hoọt ng cỷa mỏy 3.2 Cơ sở tính tốn, lựa chọn mạch điều khiển, động trục cấu truyền động máy 3.2.1 Lựa chọn mạch điều khiển Yêu cæu đặt q trình thiết kế chế täo mơ hình mỏy phay CN3 trýc l phõi giao tip ỵc vi mỏy tớnh iu khin ng c bỵc tọi cỏc trýc X, Y, Z cûa máy cỉn có mäch nhên tín hiệu tÿ cổng LPT PIC Microstep Driver P441 - Mọch iu khin ng c bỵc P441 (Hỡnh 2) l sõn phốm ỵc nõng cỗp lờn t sõn phốm Mọch iu khin ng c bỵc P440 vi mýc đích tëng moment khći động giúp động cĄ hột động êm hĄn chäy có tâi Nó khơng chỵ ỵc ng dýng Nguyn Th Thu Trang, Phm Thanh Cường, Tống Ngọc Tuấn, Ngô Đăng Huỳnh, Nguyễn Hữu Hưởng cỏc mỏy CNC m củn ỵc ng dýng rng rói hệ thống dây chuyền cơng nghiệp Tính nëng cûa sân phèm - Dñng điện dén căc đäi: A; - Nguồn điện hoät động tối đa: 36 V; - Vi bỵc: 1, 1/2, 1/8, 1/16; - Tớn hiu iu khin tổn s cao ỵc cỏch ly; - Tổn s xung dch bỵc lờn ti 15 kHz; - T ng giõm dủng in ng c gi bỵc; - T động chuyển chế độ delay phù hĉp; - Bâo vệ q dịng, q nhiệt độ hột động; - Vó nhơm 100% täo khâ nëng chống nhiễu, chống va đêp 3.2.2 Tính tốn lựa chọn động trục Mơ hình máy phay CNC trýc phâi đâm bâo số yờu cổu k thuờt nhỵ lm vic ỵc nhiu chế độ tâi trọng tốc độ khác nhau, điều khiển dễ dàng, làm việc êm dðu, đò thc t mỏy phay CNC thỵng s dýng ng c trýc để líp dao cít thơng qua collet spindle thăc q trình gia cơng Động cĄ trýc chớnh cổn ỵc s dýng bin tổn kt ni vi mỏy tớnh, chỗt lỵng iu khin tt v cõ tc độ mơ men Hình Mơ hình tổng thể máy phay CNC trục lựa chọn để thiết kế chế tạo Hình Hình ânh Driver điều khiển động bước Microstep Driver P441 1007 Thiết kế chế tạo mơ hình máy phay CNC trục Dăa vào mýc đích sā dýng mơ hình máy CNC trýc việc gia công số vêt liu nhỵ nhụm, g hoc nha mica, chỳng tụi ó la chn ng c cũ mt s thụng s nhỵ sau: Số vịng quay trýc cûa động cĄ là: nmax = 9.000 vịng/phút; Tốc độ chäy khơng tâi: V0max = 2.500 vũng/phỳt; Tc cớt ln nhỗt: Vmax = 1.000 vũng /phỳt; ỵng kớnh dao phay ngún ln nhỗt: D = 10 (mm) = B (bề rộng cít); Số lỵi dao cớt: Z = 4; Chiu sõu cớt ln nhỗt: t = mm; H s an ton: 2,5 Lc cớt ỵc xỏc nh theo cụng thc (Nguyn ớc Lộc cs., 2000): PZ  x 10.CP t SZy B u Z k MP (N ) q w D n kMP l h s iu chợnh cho chỗt lỵng cûa vêt liệu gia công Đối vĆi nhôm kMP = Thay vào, có: PZ  10.68,2.5 0,86.0,0270,72.10.4 100,87.90000 Vên tốc cít xác đðnh theo cơng thĀc sau (Nguyễn Đíc Lộc cs., 2000): V Cv Dq Tm t x SZy Bu Zp T - chu kĊ bền cûa dao (phút); kv - hệ số điều chỵnh chung cho tốc độ cít; kv = kMV.knv.kuv= 1.0,9.1= 0,9 Ta có: V 145.100,44 80 0,37 0,24 0,0270,26.100,1.4 0,13 N số vòng quay cûa dao (vòng/phút) Ntc  PZ V 1020.60 154,8.81,9 0,21 (kW) 1020.60 Cụng suỗt dng c trýc chính: N = 2,5 Ntc = 2,5.0,21 = 0,525 (kW) rëng Cp = 68,2; x = 0,86; y = 0,72; u = 1; q = 0,86; w=0 = > Chn ng c trýc chớnh cú cụng suỗt 0,6 (kW) = 600 (W) Hình Hình dáng kích thước trục vít me - đai ốc bi theo trục Y 1008 0,9 81,9 (m / phỳt) Cụng suỗt cớt: V max 1000 0,027 - lỵng chọy dao Z.n 4.9000 k v (m / phút) Trong đò: Cv = 145; m = 0,37; x = 0,24; y = 0,26; u = 0,1; q = 0,44; p = 0,13: Hệ số số mü: Trong đò: Z số rëng dao phay; Sz   154,8 (N ) Nguyễn Thị Thu Trang, Phạm Thanh Cường, Tống Ngọc Tuấn, Ngơ Đăng Huỳnh, Nguyễn Hữu Hưởng Hình Kết cấu kích thước gối đỡ trục vít me - đai ốc bi 3.2.3 Lựa chọn trục vít me Lăa chn thụng s kớch thỵc cỷa trýc vớt me - đai ốc bi cĄ sć nghiên cĀu, tìm hiểu mt s mỏy phay CNC trýc ang ỵc s dýng phổ biến phù hĉp vĆi mơ hình thiết k xỏc nh ỵc: ỵng kớnh trýc vớt me - c: d = 20 (mm); Bỵc vớt me: l = 10 (mm); Chiều dài trýc vít me trýc X: Lx = 400 (mm); Chiều dài trýc vít me trýc Y: Ly = 500 (mm); Chiều dài trýc vít me trýc Z: Lz = 300 (mm) Hình dáng kích thỵc cỷa vớt me-ai c bi theo trýc Y ỵc thể ć hình 3, theo trýc X trýc Z thỡ vớt me cú hỡnh dỏng tỵng t vi kớch thỵc nhỵ ó la chn phớa trờn Trờn c s ũ, la chn ỵc gi cho cỏc trýc vớt me-ai c bi nhỵ hỡnh 3.2.4 La chọn phận dẫn hướng Để tên dýng tối đa phỉn làm việc cûa trýc vít me, nên trýc dộn hỵng cú chiu di õm bõo yờu cổu: ldh ≥ L Trýc X có bề rộng cûa phỉn gá cým trýc chớnh v bn mỏy tỵng i nhú nờn chỵ cỉn trýc vít me bi để dén động chớnh v mt trýc dộn hỵng vi ty trỵt trũn lớp sỏt Chiu di trýc dộn hỵng trýc X chọn: ldhx = 400 (mm) Trýc Y đĈ cĄ cỗu hnh trỡnh cỷa trýc X nờn cổn cú dộn hỵng hai bờn vi ty trỵt trũn trýc vit me bi để dén ng chớnh Chiu di trýc dộn hỵng trýc Y chn: ldhy = 500 (mm) Trýc Z đĈ câ phæn động c trýc chớnh nờn s dýng dộn hỵng hao bên để dén động trýc Chiều dài trýc dộn hỵng trýc Z chn: ldhz = 300 (mm) 3.3 Thiết kế chế tạo số phận mơ hình máy 3.3.1 Cụm đế máy Đế máy thỵng ỵc ch tọo bỡng gang, cú th ỳc lin khối khung hàn, có khoan hệ thống lỗ để líp ráp vĆi chi tiết khác cûa máy Da vo phỵng ỏn la chn nguyờn lý, kt cỗu nêu ć phæn 3.1 thiết kế chế tọo ỵc b phờn mỏy nhỵ hỡnh (Trổn Vën Đðch, 2003) Đế máy phâi cò độ cĀng vĂng cao, có khâ nëng giâm rung động máy làm việc cò độ ổn đðnh nhiệt 3.3.2 Chi tiết bàn máy Bàn máy có däng chĂ nhêt làm bỡng vờt liu gang, bờn dỵi cũ rónh ghộp vi mng trỵt cỷa bn dao v h thng vớt đai ốc để täo chuyển động chäy dao Bàn máy phâi thỵng, phỵng, cị độ cĀng cao bð mài mòn làm việc, rãnh chĂ T để gá đặt chi tiết đồ gá Bàn máy có th di chuyn theo phỵng trýc X v trýc Y v ỵc iu khin chuyn ng mt cỏch chớnh xỏc 1009 Thiết kế chế tạo mơ hình máy phay CNC trục Hình Hình ânh trục dẫn hướng ty trượt Hình Hình ânh kết cấu kích thước đế máy Trên cĄ sć đị kết hĉp vĆi việc tham khâo số méu máy ỵc s dýng trờn th trỵng, bn mỏy ó ỵc thiết kế chế täo phù hĉp cị hình dỏng, kớch thỵc nhỵ hỡnh yờu cổu k thuờt Trờn hỡnh l hỡnh dỏng v kớch thỵc cỷa cým thân máy 3.3.3 Cụm khung thân máy Trên cĄ sć tính tốn, thiết kế chế täo phỉn cûa hệ thống mơ hình máy phay CNC trýc, xõy dng ỵc bõn v tng th cỷa mỏy (Hỡnh 9) để tiến hành kiểm tra chỵnh sāa să tỵng thớch v xỏc nh ỵc kớch thỵc cỷa mỏy đâm bâo phù hĉp cho việc líp đặt Thån máy đĈ bàn máy cým truyền động, yêu cæu phâi cị độ cĀng vĂng tốt, phâi có độ thỵng đät u cỉu dễ dàng líp ráp chi tiết, cým chi tiết, có thiết bð chống rung động ổn đðnh nhiệt täo să cân bìng cho máy, đâm bâo độ xác gia cơng (Tọ Duy Liờm, 2005) Thồn mỏy ỵc ch tọo bỡng vêt liệu gang, cò độ bền cao đâm bõo ỵc cỏc 1010 3.3.4 Tng th h thng mụ hình máy phay CNC trục Sau chế täo chi tiết máy cën cĀ vào mơ hình thiết kế tổng thể xác đðnh vð trí cý th cỷa tng b phờn, tng c cỗu, tng chi Nguyễn Thị Thu Trang, Phạm Thanh Cường, Tống Ngọc Tuấn, Ngô Đăng Huỳnh, Nguyễn Hữu Hưởng tiết để tiến hành lớp rỏp ỵc h thng mỏy nhỵ hỡnh 10 v kết nối vĆi hệ thống điều khiển bìng máy tính (Hình 11) - Chuyển đổi PC tiêu chuèn thành máy CNC đỉy đû tính nëng, trýc điều khiển CNC 3.4 Ứng dụng phần mềm Mach để gia - Cho phép trăc tiếp nhêp DXF, BMP, JPG file HPGL qua LazyCam công số chi tiết mơ hình máy phay CNC trục - Visual Gcode hiển thð - Täo Gcode qua LazyCam Wizards 3.4.1 Thiết lập thông số gia công phần mềm Mach Tính chức cung cấp Mach3: - Hoàn toàn tùy chỵnh giao diện - Tùy biến M-code Macros bìng cách sā dýng VBScript Giao diện cûa phỉn mềm (Hình 12) Hình Hình ânh kết cấu kích thước bàn máy Hình Hình ânh kết cấu kích thước cụm khung thân máy 1011 Thiết kế chế tạo mơ hình máy phay CNC trục Hình Hình ânh mơ hình hồn chỵnh máy phay CNC trục Hình 10 Hình ânh hệ thống mơ hình máy phay CNC trục 1012 Nguyễn Thị Thu Trang, Phạm Thanh Cường, Tống Ngọc Tuấn, Ngô Đăng Huỳnh, Nguyễn Hữu Hưởng Hình 11 Hình ânh hệ thống máy tính điều khiển mơ hình máy phay CNC trục Hình 12 Hình ânh giao diện phần mềm Mach 1013 Thiết kế chế tạo mơ hình máy phay CNC trục Hình 13 Hình ânh q trình cài đặt thơng số làm việc cho máy Hình 14 Hình ânh chi tiết gia cơng thử nghiệm vật liệu nhôm 3.4.2 Kết gia công số chi tiết Hệ thống mơ hình máy phay CNC trýc ỵc iu khin bi mỏy tớnh ỵc líp đặt khâo nghiệm täi phịng thăc hành cûa Khoa C - in Dỵi ồy l mt s hỡnh ânh làm việc hình ânh kết q gia cơng thā nghiệm số 1014 chi tiết bìng nhăa mica nhơm mơ hình (Hình 13, 14, 15) Mụ hỡnh mỏy phay CNC trýc ỵc iu khin bi mỏy tớnh cú nhiu ỵu vit hn mỏy phay thụng thỵng, c bit l nhng mỏy phay ỵc trang b tọi Khoa C - in v cỏc mt nhỵ: Nguyễn Thị Thu Trang, Phạm Thanh Cường, Tống Ngọc Tuấn, Ngụ ng Hunh, Nguyn Hu Hng Phay gia cụng ỵc biên däng phĀc täp cách đĄn giân, có cým trýc chớnh ỵc tớch hp i lin vi trýc cỷa ng c Spindle nờn giõm ỵc rung ng v ting n, kt cỗu gn nh hn v õm bõo độ đồng tâm giĂa động cĄ dao, độ cng vng cao, ỵc iu khin thụng qua h thng mỏy tớnh nờn chớnh xỏc rỗt cao; tc x lý, tc gia cụng cao cho nởng suỗt vỵt tri hn hợn Ngoi ra, cỏc thụng s gia cụng, tỡnh trọng mỏy hoọt ng, chỵng trỡnh gia cụng, quỏ trỡnh gia cụng ỵc thụng bỏo, hin th mơ phóng hình vi tính KẾT LUN Mụ hỡnh mỏy phay CNC trýc ó ỵc tính tốn thiết kế chế täo vĆi hệ thống cỏc phổn ỵc b trớ v lớp rỏp hp lý Hệ thống dễ tháo líp có kết nối vĆi mỏy tớnh, d vờn hnh gia cụng, rỗt phự hĉp cho thăc hành, thăc têp gia công CNC cüng nhỵ phự hp gia cụng cỏc vờt liu bỡng nhôm, nhăa mica gỗ Driver điều khiển động cĄ bỵc Microstep Driver P441 ỵc dựng liờn kt mỏy tớnh vi h thng iu khin, mọch cụng suỗt v iu khin ng c bỵc cỷa cỏc trýc X, Y, Z Mỏy tớnh ỵc ci t phổn mm Mach để chuyển thành máy CNC cị đỉy đû tính nëng hồn chỵnh Đåy Āng dýng gián tiếp, đị máy tính dùng để lêp kế hộch, tiến độ, d bỏo, cung cỗp thụng tin, ỵa cỏc chợ th quõn lý v iu hnh sõn xuỗt Nhúm tác giâ gia cơng thā nghiệm mơ hình máy vĆi vêt liệu nhơm nhăa mica Máy hột ng bỡnh thỵng v gia cụng cho kt quõ tt Hình 15 Hình ânh số chi tiết gia công máy CNC trục 1015 Thiết kế chế tạo mơ hình máy phay CNC trục TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Đắc Lộc, Ninh Đức Tốn, Lê Văn Tiến, Trần Xuân Việt (2000) Sổ tay công nghệ chế tạo máy, tập Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Phan Hữu Phúc (2000) CAD/CAM thiết kế chế tạo có máy tính trợ giúp, tập Nhà xuất Giáo dục Tạ Duy Liêm (2005) Kỹ thuật điều khiển điều chỉnh lập trình khai thác máy công cụ Nhà xuất 1016 Khoa học Kỹ thuật Trần Văn Địch (2007) Công nghệ CNC Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Trần Văn Địch Ngơ Trí Phúc (2006) Sổ tay thép giới Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Trần Văn Địch, Nguyễn Trọng Bình, Nguyễn Thế Đạt, Nguyễn Viết Tiếp, Trần Xuân Việt (2003) Công nghệ chế tạo máy Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật