Nghiên cứu phát triển máy CNC với hệ thống thay dao tự động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỀN MÁY CNC VỚI HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2020-73 S KC 0 7 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỀN MÁY CNC VỚI HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG MÃ SỐ : SV2020-73 Chủ nhiệm đề tài : Trịnh Thanh Tịnh Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2020 LỜI CẢM ƠN Trong trình tháng thực đề tài, nhóm trải qua khơng khó khăn thử thách, với khối lượng cơng việc lớn, xong nhóm gần hồn thiện đề tài Đóng góp vào thành cơng khơng thể khơng nhắc đến tìm hiểu tâm thành viên nhóm, thành viên hỗ trợ nhiệt tình, ủng hộ, động viên nhiệt tình thầy bạn bè Đầu tiên, nhóm chúng em xin cảm ơn trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM, thầy cô khoa Đào Tạo CLC tạo điều kiện cho chúng em có hội thực đồ án Tiếp theo, nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giáo viên hướng dẫn: KS Hoàng Văn Hướng Thầy tận tình hướng dẫn góp ý, đưa dẫn cho nhóm để giải vấn đề khó khăn suốt q trình thực đồ án Bên cạnh đó, khơng thể khơng kể đến giúp đỡ nhiệt tình thầy xưởng CAD-CAM-CNC Các Thầy Cơ ln sẵn lịng cho nhóm ý kiến dẫn, tư vấn nhóm gặp vấn đề khó khăn thiết kế, gia công lựa chọn trang thiết bị, máy móc gia cơng, giúp nhóm sử dụng vật tư xưởng để tiến hành thực đề tài Cuối cùng, nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, người đồng hành nhóm suốt thời gian qua Một lần xin chân thành cảm ơn ! Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2020 MỤC LỤC DANH SÁCH VIẾT TẮT vii DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU viii DANH SÁCH HÌNH ẢNH ix Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.5.1 Cơ sở phương pháp luận 1.5.2 Phương pháp nghiên cứu cụ thể Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khái quát máy CNC 2.2 Cấu tạo chung quy ước máy CNC 2.2.1 Phần điều khiển 2.2.2 Phần chấp hành 2.2.3 Quy ước hệ tọa độ máy CNC .10 2.2.4 Các kiểu hệ thống điều khiển 12 2.2.5 Các lưu ý thiết kế, chế tạo máy phay CNC 13 2.3 Khái quát hệ thống thay dao tự động 14 2.3.1 Khái niệm chung 14 2.3.2 Nguyên lý hoạt động 15 2.3.3 Các dạng ổ dao 15 2.3.4 Một số kiểu thay dao 17 Chương 3: PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 19 3.1 Phương án thiết kế 19 3.1.1 Lựa chọn phương án thiết kế trục 19 3.1.2 Lựa chọn vít me 21 3.1.3 Lựa chọn cấu dẫn hướng .23 3.1.4 Cơ cấu truyền động tích hợp vitme bi-đai ốc ray trượt 25 3.2 Chọn phần điện 25 3.2.1 Lựa chọn động .25 3.2.2 Đề xuất phương án mạch điện tủ điện 29 3.2.3 Lựa chọn cơng tắc hành trình cảm biến Home cho máy .30 3.3 Lựa chọn phương án kẹp dao thay dao tự đông 31 3.3.1 Lựa chọn dạng ổ dao 33 3.4 Lựa chọn phương án đo dao máy CNC mini thay dao tự động 34 3.4.1 Đo dao tiếp xúc thủ công 34 3.4.2 Đo chiều dài dao tiếp xúc tự động 35 Chương 4: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MÁY CNC TRỤC 37 4.1 Thiết kế lắp đặt chi tiết: 38 4.1.1 Lựa chọn trượt vuông: 38 4.1.2 Lựa chọn truyền động tích hợp vít me-đai ốc bi ray trượt .40 4.1.3 Thiết kế, tính tốn trục X 42 4.1.4 Thiết kế, tính tốn trục Y 46 4.1.5 Thiết kế,tính tốn trục Z 49 4.1.6 Tính tốn động .54 4.1.7 Thiết kế ụ dao nắp che phoi 55 4.1.8 Hình ảnh thực tế Error! Bookmark not defined 4.2 Cài đặt thiết lập hệ điều hành Mach 56 4.3 Hướng dẫn sử dụng Mach 68 4.4 Hệ thống điều khiển tay Manual 71 4.4.1 Lựa chọn bảng điều khiển khối hiển thị 71 4.4.2 Thiết kế lắp đặt tủ điện: .73 4.4.3 Lưu đồ giải thuật thay dao tự động máy CNC mini 77 Chương 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯƠC, KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ 79 5.1 Kết đạt 79 5.2 Sản phẩm ban đầu: 80 Chương 6: KẾT LUẬN 81 6.1 Phần khí 81 6.2 Phần điện phần mềm điều khiển 81 6.3 Phần mềm gia công 81 6.4 Đề xuất cải tiến cho đề tài 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 DANH SÁCH VIẾT TẮT BOB Break Out Board Bo mạch mở rộng kết nối CAD Computer Aided Design Thiết kế có trợ giúp máy CAE Computer Aided Engineering CAM Computer Aided Manufacturing CIM Computer Integrated Manufacturing Hệ thống sản xuất tích hợp dùng máy tính NC Numerical Control Máy cơng cụ điều khiển chương trình số CNC Computer Numerical Control Máy cơng cụ điều khiểu chương trình thơng qua máy tính PC Personal Computer Máy tính cá nhân CP Control Panel Bảng điều khiển ATC Automatic Tool Changer Thay dao tự động Phân tích kỹ thuật với trợ giúp máy tinh Sản xuất với trợ giúp máy tính DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 So sánh động .29 Bảng 4.1 Lực dọc trục trục X Error! Bookmark not defined Bảng 4.2 Chọn thông số tải 46 Hình 4.3: Lực dọc trục trục Y .48 Hình 4.4: Chọn thơng số tải 49 Hình 4.3:Lực dọc trục trục Z 52 Hình 4.4:Chọn thơng số tải Error! Bookmark not defined Bảng 4.7 Các thiết bị tủ điện .75 Bảng 4.8 Đấu nối chân mạch điều khiển Error! Bookmark not defined DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1: Máy Phay NOVA MILL .1 Hình 1.2: Máy tiện CNC ANTON Hình 1.3: Máy CNC trục CNC-1 .1 Hình 1.4: Máy CNC khắc Lazer Hình 2.1: Mơ hình khái qt máy CNC Hình 2.2: Cấu tạo máy CNC Hình 2.3: Thanh trượt bi mang cá .8 Hình 2.4: Vit me dạng bi .8 Hình 2.5: Vít me dạng bi cấu tạo profin .9 Hình 2.6: Hồi bi theo lỗ khoan đai ốc Hình 2.7: Hồi bi theo ống Hình 2.8: Khử khe hở Hình 2.9: Khử khe hở lị xo đệm Hình 2.10: Khử khe hở vành 10 Hình 2.11: Hệ tọa độ máy CNC 10 Hình 2.12: Quy tắc bàn tay phải 10 Hình 2.13: Các điểm M, N and W 11 Hình 2.14: Điểm chuẩn dao 12 Hình 2.15: Các điểm chuẩn gá dao 12 Hình 2.16: Hệ điều khiển hở .12 Hình 2.17: Hệ điều khiển vịng kín 13 Hình 2.18: Cấu tạo Spindle ATC 14 Hình 2.19: Ổ chứa dao 14 Hình 2.20: Dụng cụ kẹp dao .14 Hình 2.21: Ổ dao dạng trống .15 Hình 2.22: Ổ dao dạng tĩnh .16 Hình 2.23: Mâm dao đài dao 16 Hình 2.24: Mâm dao dạng xích 16 Hình 2.25: Cơ cấu tay gắp 17 Hình 2.26: Cơ cấu đĩa xoay .18 Hình 2.27: Cơ cấu thay dao thẳng .18 Hình 3.1: Bàn máy di chuyển theo hướng X Y 20 Hình 3.2: Bàn làm việc di chuyển theo trục Y 20 Hình 3.3: Bàn làm việc đứng yên, trục XYZ di chuyển 21 Hình 3.4: Vit me đai ốc 22 Hình 3.5: Vit me dạng bi 22 Hình 3.6: Mối quan hệ ma sát tốc độ dạng vít me 23  Reverse Run: Chạy lại điểm ban đầu  MDI (ALT-2) Cho phép người dùng nhâp thưc dịng G-code input Người dùng tạo chương trình G-code thơng qua trang cách nhấn Start teach, nhập lệnh G-code vào ô input, sau hồn thành chương trình nhấn Stop teach để lưu lại chương trình Nhấn Load/Edit để load chương trình vào Mach Hình 4.32: Giao diên MDI  Tool Path (ALT-4) Thể đường chạy dao tọa độ Hình 4.33: Giao diện Tool Path  Offsets (ALT-5) Nhập thông số work offset thiết lập thông số cần thiết cho dao Hình 4.34: Giao diện Offset  Setting (ALT-6) Tùy chỉnh theo nhu cầu người dùng Hình 4.35: Giao diện Setting  Diagnostics (ALT-7) Hiện thị tồn thơng tin máy bao gồm: Tọa độ, work offset, tool offset, đường chạy dao, tốc độ, tín hiệu chân Input-Output Hình 4.36: Giao diện Diagnotics 4.4 Hệ thống điều khiển tay Manual 4.4.1 Lựa chọn bảng điều khiển khối hiển thị  Bảng điều khiển Lựa chọn phương án thiết kế bảng điều khiển: Yêu cầu đặt bảng điều khiển:  Bảng điều khiển phải cho phép thực thao tác sau:  Có nút nhấn bắt đầu, tạm dừng, dừng chương trình NC chạy  Có nút bấm dừng khẩn cấp Emegency-Stop để ngắt hoàn toàn hệ thống gặp cố  Có nút bấm cho phép bật/tắt van khí 3/2 kết nối với máy nén khí để đập nhả dao  Nút bật/tắt đèn LED  Có nút bật/tắt CPU máy tính Các phương án lựa chọn, thiết kế chế tạo bảng điều khiển:  Phương án 1: Mua bảng điều khiển có sẵn thị trường, sau thiết kế lại cho phù hợp với yêu cầu sử dụng Ưu điểm: bảng điều khiển đầy đủ nút chức năng, đèn báo, dễ dàng cho việc sử dụng Nhược điểm: Yêu cầu mở rộng kết nối input/output Nếu mua cũ chất lượng khơng ổn định giá bán cao Hình 4.37: Giá tham khảo số bảng điều khiển thị trường Thiết kế bảng điều khiển với đầy đủ nút chức năng: E-stop, Start, gắn thẳng vào thân máy Ưu điểm: Tự thiết kế chế tạo phí thấp mua mới, đáp ứng đầy đủ chức cần thiết Kết luận: Vì sản phẩm mơ hình máy phay trục phục vụ cho học tập nghiên cứu chủ yếu, dùng để phay vật liệu phi kim kim loại mềm (gỗ, mica, nhựa, nhôm, ) Cũng không yêu cầu nhiều chế độ điều khiển tay Đồng thời giao diện bảng điều khiển chương trình Mach cung cấp đầy đủ cấp nút chức cần thiết cho trình vận hành thơng qua phím tắt bàn phím máy tính Do đó, lựa chọn bảng điểu khiển theo hướng phương án làm theo hướng đơn giản, lượt bỏ nút điều khiển Hình 4.38: Bảng điều khiển máy 4.4.2 Thiết kế lắp đặt tủ điện: Bảng điều khiển tủ điện bao gồm thành phần sau: STT Tên thiết bị Số lượng Máy vi tính (PC) hệ điều hành Window XP trở lên 01 02 Driver Stepper Motor TB6600 Tính Dùng để làm tảng chạy chương trình điều khiển Mach3 Mạch đọc xung tín hiệu từ BOB giải mã để điều khiển động bước truyền động Thông số Core dual 2.3Ghz - Ram 1GB - Win XP Kích thước danh nghĩa: 92x52 mm Chip chuyên dụng THB7128 Dòng tối đa 3A trục máy Nguồn 24V-15A 03 Cấp nguồn ni cho dirver động bước Kích thước danh nghĩa: 250x110x70mm Input 220V-50Hz Output 24V-15A Công tắc xoay Công tắc nguồn Input: 220V-50Hz 12V cung cấp cho Output: 12V-1A board Mach3 05 Dùng để dừng khẩn cấp xảy cố 06 Cấp khí nén Mạch cơng suất, điều khiển động không chổi than 04 Nút dùng khẩn cấp E-stop 07 Vật liệu: Nhựa Nút bấm có giữ trạng thái Điên áp:5-36 V Công suất: 350W (BOB) Mach3 mở rộng 08 Mở rộng input đáp ứng cho máy Bảng 4.7 Các thiết bị tủ điện Yêu cầu tủ điện:  Thiết kế nhỏ gọn, bố trí hợp lý  Dễ dàng kết nối, tháo lắp, sửa chữa, nâng cấp sau  Các yêu cầu an toàn điện: cách điện, tiếp đất, chống nhiễu, … Giá thành phải  Trước tiên cần xác định thiết bị lắp đặt tủ điện:  driver dùng để điều khiển trục  Bộ nguồn 24 V  Bob Mach  Replay  Lọc điện (dùng để lọc nhiễu) Hình 4.3: Sơ đồ mạch điện 4.4.3 Lưu đồ giải thuật thay dao tự động Hình 4.57: Sơ đồ thay dao tổng quan Từ lưu đồ nhóm tìm hiểu nhiều nguồn tài liệu tham khảo máy thị trường để hiểu sâu ngơn ngữ lập trình Thơng qua giải thích q trình thay dao thơng qua đoạn code Trong phần mêm Mach3 có hỗ trợ ngơn ngữ lập trình macro, nên từ lưu đồ giải thuật, lập trình để máy thay dao tự động ý muốn Có thể nói phần khó đề tài u cầu độ xác tỉ mỉ cao, nhóm trải qua nhiều lần thử nghiệm thay đổi nhiều cách thức để cuối đưa chương trình thay dao nói xác mượt mà Một đoạn code chương trình thay dao máy Chương 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯƠC, KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ 5.1 Kết đạt Sau thời gian dài thực đề tài nhóm đạt nội dung công việc sau: - Thiết kế chế tạo thành công máy CNC thay dao tự động Có thể vận hành trơn tru, gia cơng chi tiết thành sản phẩm Có thể tiến hành gia công áp dụng thay dao tự động dao lần gia cơng sản phẩm Bố trí máy hệ thống điện, phần điều khiển thành cụm máy cơng nghiệp có thị trường Hình 5.1: Máy hồn chỉnh 5.2 Sản phẩm ban đầu: Hình 5.2: Chi tiết đã gia công Chương 6: KẾT LUẬN 6.1 Phần khí Nhóm thiết kế, gia cơng lựa chọn chi tiết theo tiêu chuẩn nên thuận tiên cho việc lắp láp máy Hoàn thiện phần khung khí máy Phần khí máy hồn chỉnh với khả di chuyển ba trục Máy cứng vững gia công chi tiết gỗ, mica, nhựa, kim loại màu… Hoàn thành phần thay dao tự động cho ổ dao máy Các thông số thực tế máy:     Tốc độ gia công tối đa: F = 1500 mm/ph Tốc độ quay tối đa Spindle: S = 50000 v/ph Hành trình tối đa máy: 150x150x50 mm (XxYxZ) Số dao tối đa sử dụng: dao có đường kính cán dao 6mm 6.2 Phần điện phần mềm điều khiển Hồn thành phần điều khiển có khả nội suy trục Nhóm dùng phần mềm Mach3, điều khiển trục X, Y, Z Phần mềm điều khiển Mach3 kết nối với máy tính thơng qua cổng LPT Thiết lập, lắp đặt giới hạn hành trình điều khiển qua phần mềm Mach3 Mill 6.3 Phần mềm gia công Gia công chi tiết chủ yếu sử dụng G-CODE Hiểu đường chạy dao để đưa đường chạy dao thích hợp cho chi tiết Có thể sử dụng phần mềm Creo để thiết kế chi tiết xuất file vẽ dùng cho gia công 6.4 Đề xuất cải tiến cho đề tài  Thiết kế lắp đặt probe xét chuẩn tự động cho máy thời gian xét chuẩn máy lâu, khó thao tác  Nâng cấp trục z cứng vững cao  Hiện máy sử dụng dao có chiều dài khơng q 50 mm dài va chạm với nắm che dao tương lai cần nâng cấp trục X, Z cao nữa, tăng thêm không gian làm việc cho máy  Thiết kế, chế tạo thêm trục A,C để thành máy CNC trục  Thay động bước động servo  Nâng cấp động trục có cơng suất lớn hơn, TÀI LIỆU THAM KHẢO Trong nước [1] Nguyễn Ngọc Đào “Giáo trình Cơng nghệ CAD\CAM_CNC bản” – Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, 2002 [2] GS TS Trần Văn Địch “Công Nghệ CNC” – Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2007 [3] TS Lê Hiếu Giang, ThS Nguyễn Trường Thịnh, Máy điều khiển theo chương trình số, TP HCM 2005 [4] TS Bùi Quý Lực, Hệ thống điều khiển số công nghiệp, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2006 [5] Nguyễn Ngọc Đào, Trần Thế San, Hồ Viết Bình, Chế độ cắt gia cơng khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM [6] GS.TS Trần Văn Địch, Thiết kế đồ án công nghệ chế tạo máy, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật [7] ThS Trần Quốc Hùng, Dung sai kỹ thuật đo, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM [8] PGS.TS Trịnh Chất, TS Lê Văn Uyển, Thiết kế hệ dẫ động khí tập 1, Nhà xuất Giáo Dục Ngoài nước [1] Ball screw catalogue of THK [2] LMGuide - catalogue of THK [3] James Floys, Kelly, Patrick Hood - Daniel, Build your own CNC machine Nguồn khác [1] Mach3 CNC controler software installation and configuration [2] Diễn đàn Điện tử Việt Nam: http://dientuvietnam.net [3] Diễn đàn Thế giới cnc: http://thegioicnc.com [4] Diễn đàn điện tử việt: http://codientuviet.com/ S K L 0 ... loại máy đại Nhận thấy vấn đề nên việc nhóm định chọn đề tài ? ?Nghiên cứu phát triển máy CNC với hệ thống thay dao tự động? ?? cần thiết cấp bách 1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn Nghiên cứu sản xuất máy. .. công 1.3 Mục tiêu nghiên cứu Để hiểu rõ kiến thức cấu trúc, nguyên tắc vận hành, điều khiển lập trình máy phay CNC tự chế Nghiên cứu thiết kế hệ thống thay dao tự động cho máy CNC để tiết kiệm... dụng máy tăng cao, them vào loại máy cơng nghệ cao địi hỏi cần thầy trực tiếp hướng dẫn vận hành đảm bảo Chính lẽ thơi thúc nhóm tâm thực đề tài ? ?Nghiên cứu phát triển máy CNC với hệ thống thay dao