Các điểm chuẩn cần được xác định trong vùng làm việc của máy.
4.1. Điểm chuẩn của máy M (điểm gốc O của máy)
Điểm gốc O của máy (điểm chuẩn M của máy) là điểm góc của hệ tọa độ máy. Điểm M được nhà chế tạo quy định theo kết cấu của từng loại máy. Điểm M là điểm giới hạn của vùng làm việc máy. Điều đó nghĩa là trong phạm vi vùng làm việc của máy các dịch chuyển của các cơ cấu máy có thể thực hiện theo chiều dương của các tọa độ. Ở các máy phay điểm M thường nằm ở điểm giới hạn dịch chuyển của bàn máy. Điểm chuẩn M (điểm O của máy) của máy khoan cần và máy phay đứng được thể hiện trên hình 2.4.
Hình 2.4 Điểm M của máy khoan cần (a) và của máy phay đứng (b) Điểm M của máy tiện được mơ tả trên hình 1.5a,b.
4.2. Điểm O của chi tiết (điểm W)
13
Điểm W của chi tiết là gốc tọa độ của chi tiết. Vị trí điểm W phụ thuộc vào sự lựa chọn của người lập trình.
Đối với các chi tiết tiện thì điểm W của chi tiết nằm trên đường tâm của chi tiết hoặc ở mặt đầu bên trái hoặc mặt đầu bên phải. Hình 2.5c cho thấy điểm W nằm ở mặt đầu bên trái của chi tiết.
Đối với các chi tiết phay chọn điểm W tại điểm góc ngồi đường viền chi tiết (hình 2.6a).
Khi gia cơng các bề mặt chi tiết có thể chọn nhiều tọa độ khác nhau với các điểm gốc W1 và các hệ tọa độ phụ W2, W3, W3, W4 và W5 (hình 2.6b).
14
Hình 2.5 Hệ tọa độ và các điểm chuẩn
15
Hình 2.6 Một điểm W (a) và nhiều điểm W (b)
4.3. Điểm chuẩn của dao (P)
Các dao tiện, dao khoan có điểm chuẩn là đỉnh dao (hình 2.7a,b). Các dao khoét, dao doa hoặc dao phay thì điểm P là tâm của mặt đầu dao (hình 2.7c, d, đ). Điểm P được dùng khi tính quỹ đạo chuyển động của dao.
Hình 2.7 Điểm chuẩn của dao 4.4. Điểm chuẩn
của giá dao T và điểm gá dao N
Điểm T được dùng để xác định hệ trục tọa độ của dao. Điểm T phụ thuộc vào việc gá dao trên máy. Thơng thường khi gá dao trên máy thì điểm T trùng điểm gá dao N (hình 2.8).
16
Hình 2.8 Điểm của giá dao T và điểm gá dao N
4.5. Điểm điều chỉnh dao E
Khi gia công ta phải sử dụng nhiều dao, như vậy các kích thước của chúng phải được xác định bằng cơ cấu điều chỉnh dao.
Mục đích của việc điều chỉnh dao là để có thơng tin chính xác cho hệ thống điều khiển về kích thước dao (hình 2.9).
Hình 2.9 Điểm điều chỉnh dao E
Khi dao được lắp vào giá dao thì điểm E và điểm N trùng nhau.
4.6. Điểm gá đặt (hay điểm tỳ) A
Điểm A là điểm tỳ của bề mặt chi tiết lên đồ định vị của đồ gá. Điểm A có thể trùng với điểm W của chi tiết (hình 2.10) hoặc có thể lựa chọn tùy ý trên mặt định vị của chi tiết gia cơng.
17
Hình 2.10 điểm gá đặt A
4.7. Điểm O của chương trình
Điểm O của chương trình (chính xác hơn là điểm P của dụng cụ cắt) là điểm trước khi gia công dụng cụ cắt nằm ở đó. Điểm O của chương trình phải xác định sao cho khi thay dao không bị ảnh hưởng của chi tiết hoặc của đồ gá (hình 2.5c).
4.8. Các điểm chuẩn khác
Khi nghiên cứu các hệ trục tọa độ người ta còn dùng các điểm chuẩn khác như điểm F, điểm K để xác định các kích thước liên quan.
18
CHƯƠNG III: PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 3.1. Phương án thiết kế phần cơ khí
Yêu cầu: Cấu trúc máy đạt độ cứng vững phù hợp, đảm bảo an tồn để có thể gia cơng các kim loại mềm (đồng, nhơm,...). Các chi tiết truyền động cơ khí đạt độ chính xác cao đảm bảo dung sai gia cơng ± 0.01mm.
3.1.1. Lựa chọn vít me
Có 2 loại vít me thơng dụng: Vít me đai ốc dạng thường và vít me đai ốc bi.
- Vit me đai ốc dạng thường:
Hình 3.1 Vit me đai ốc.
Vít me đai ốc có độ chính xác truyền động cao, tỷ số truyền lớn, truyền động tương đối êm, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn tuy nhiên do sử dụng đai ốc nên gây ra ma sát lớn, hiệu năng truyền động thấp nên ít được sử dụng rộng rãi.
- Vít me đai ốc bi:
Vít me đai ốc bi có cấu tạo giống với vít me đai ốc dạng thường, tuy nhiên do sử dụng đai ốc dẫn hướng bằng các viên bi trịn giúp hạn chế tối đa ma sát nên có hiệu suất cao, có thể đạt từ 90 – 95 %. Hầu như khơng có khe hở trong mối ghép và có thể tạo ra lực căng ban đầu, đảm bảo độ cứng vững hướng trục cao.
19
Hình 3.2 Vít me đai ốc bi
Vì những ưu điểm đó vít me đai ốc bi thường được sử dụng cho những máy cần có truyền động thẳng chính xác như máy khoan, doa tọa độ, các máy điều khiển chương trình số.
Xét về khả năng năng làm việc và độ hiệu quả cần thiết nhóm quyết định chọn loại vít me dạng bi vì có độ ma sát nhỏ và ổn định, hiệu suất truyền động cao, hầu như khơng phụ thuộc vào tốc độ.
.
Hình 3.3 Mối quan hệ giữa ma sát và tốc độ của 2 dạng vít me
20
Quan sát thấy được ở biểu đồ trên rằng vít me đai ốc bi ở thời điểm khởi đầu để chạy trục vít dạng bi cần một khoảng thời gian nhỏ hơn nhiều so với vít me đai ốc thường. Vì vậy, vít me đai ốc dạng bi là sự lựa chọn thích hợp nhất.
3.1.2. Lựa chọn cơ cấu dẫn hướng
Thanh trượt vng
Hình 3.4 Cấu tạo thanh trượt vng
Ưu điểm: Bởi vì q trình dẫn hướng tuyến tính chịu ảnh hưởng của ma sát lăn của ổ đỡ nên dễ trượt hơn; độ cứng cao; chịu tải tốt; tuổi thọ cao; hiếm khi bị mài mịn; chống rung tốt, dễ bảo trì và sửa chữa.
Nhược điểm: Chi phí cao.
Bên cạnh đó, để dễ dàng gia cơng và lắp đặt, có thể sử dụng các bộ phận có sẵn của cấu trúc dẫn hướng, bao gồm ổ trượt, thanh ray.
Thanh trượt trịn
21
Hình 3.5 Thanh trượt trịn
Ưu điểm: Thanh trượt, con trượt trịn có độ chính xác cao mà lại có giá thành phải chăng
Nhược điểm: chịu tải khơng tốt , độ chính xác và cứng vững không ổn định
Thanh trượt mang cá
Nhược điểm: cần gia công rãnh mang cá rất phức tạp. Khi gia cơng, phoi có thể rơi vào bề mặt trượt giữa các rãnh do đó tạo ma sát mài mịn rãnh. Sau một thời gian cần thay thế các nêm, khá khó khăn trong việc bảo trì và sửa chữa.
Ưu điểm: Giá thành rẻ.
Hình 3.8: Thanh trượt mang cá
Để đạt được khả năng chịu tải cao theo yêu cầu thiết kế, tăng sự tiện lợi cũng như đơn giản hóa q trình gia cơng và lắp đặt, nhóm quyết định sử dụng cơ cấu thanh trượt vng.
3.1.3. Cơ cấu truyền động tích hợp vitme và ray trượt.
Bên cạnh các loại cơ cấu dẫn hướng và truyền động thơng thường, cịn có các sản phẩm tích hợp sẵn cả cơ cấu dẫn hướng và truyền động chung với nhau.
22
KR
LM Guide Actuator Model KR
LM Guide + Ball Screw = Integral-structure Actuator
Housing AStopper
Bearing (fixed side)
Hình 3.1: Cấu tạo của LM Guide Actuator Model KR Cơ cấu truyền động tích hợp dẫn hướng có các đặc điểm:
- Tăng độ cứng vững chống moment xoắn tốt.
- Các sản phẩm đa dạng trên thị trường với nhiều loại kích cỡ khác nhau (Giảm thời gian thiết kế và lắp đặt).
- Dễ bảo trì, bảo dưỡng, tiết kiệm khơng gian.
- Có thể được sử dụng trong mọi hướng lắp đặt.
Kết luận lựa chọn dẫn động và dẫn hướng.
Để tiết kiệm khơng gian và thời gian khi thiết kế mơ hình trung tâm gia công CNC đồng thời đảm bảo độ cứng vững và hoạt động êm ái thì bên cạnh các cơ cấu truyền động dẫn hướng thơng thường, nhóm cịn sử dụng thêm cụm cơ cấu truyền động tích hợp vitme và thanh ray trượt. Sử dụng bộ vít me thanh ray trượt của hãng THK, Model Kr cho trục X. Vì trục X chịu trách nhiệm truyền động cho trục A chứa mâm cặp kẹp phơi gia cơng nên phải chịu tải lớn và có hành trình làm việc lớn nhất trong các trục.
3.2. Lựa chọn phần điện
3.2.1. Lựa chọn động cơ
Động cơ phay là 1 trong những bộ phận quan trọng ảnh hưởng đến khả năng gia công và chất lượng sản phẩm khi gia công. Đặc biệt với mục đích chế tạo mơ hình gia cơng CNC tích hợp thay dao tự động thì động cơ trục chính cịn phải có khả năng kẹp và
23
nhả dao để thay đổi dao trong q trình gia cơng chi tiết. Với yêu cầu trên, động cơ trục chính được chia làm 2 loại:
Động cơ một chiều (DC)
Đối với máy gia cơng CNC loại nhỏ có thể cân nhắc sử dụng động cơ một chiều (DC), động cơ DC có moment khởi động lớn, dễ điều khiển chiều và tốc độ của động cơ tuy nhiên dải điều kiện tốc độ hẹp và cần phải có mạch cấp nguồn riêng nên chỉ áp dụng cho các loại máy CNC công suất nhỏ hoặc mơ hình.
Động cơ một chiều gồm có 2 loại cơ bản:
- Động cơ một chiều có chổi than
Hình Động cơ khơng chổi than Ưu điểm: giá thành rẻ, dễ điều khiển
Nhược điểm: ồn, nóng khi hoạt động, tuổi thọ động cơ khơng cao
- Động cơ một chiều khơng chổi than
Hình Động cơ một chiều có chổi than
Ưu điểm: cho phép điều khiển tốc độ và mơmen động cơ dễ dàng, chính xác hơn, hoạt động êm ái.
Nhược điểm: giá thành khá đắt .
24
Động cơ xoay chiều (AC)
Động cơ xoay chiều đa dạng, phong phú về chủng loại, mạch điều khiển có thể điều khiển nhiều mức tốc độ khác nhau bằng biến tần. Việc sử dụng động cơ xoay chiều mang lại nhiều thuận lợi như việc sử dụng trực tiếp nguồn điện 220V sẵn có.
Động cơ servo xoay chiều khơng chổi than BTD4 0860 Động cơ xoay chiều chiều gồm 2 loại:
- Động cơ một xoay chiều lồng lồng sốc không đồng bộ, dùng biến biến tần để điều khiển, có kích thước lớn.
- Động cơ Servo tốc độ cao có hồi tiếp, giúp điều khiển chính xác tốc độ động cơ, có thể thay đổi tốc độ liên tục và quá trình đáp ứng thay đổi tốc độ rất nhanh, khả năng duy trì momen ổn định trong các dải tốc độ nhưng giá thành rất đắt.
Kết luận
Sau khi phân tích xem xét các lựa chọn và để đáp ứng nhu cầu thay dao trong quá trình gia cơng cũng như hiệu quả về kinh tế. Nhóm quyết định lựa chọn Spindle NSK Nakanishi NR50-5100 ATC sử dụng đầu kẹp dao CHR collet được thiết kế đặc biệt tích hợp hệ thống kẹp, nhả dao trực tiếp trên động cơ giúp việc thay thế dụng cụ gia công dễ dàng và linh hoạt. Dụng cụ cắt được thay đổi tự động bằng cách cung cấp khí nén áp lực cao cho trục chính. Động cơ sử dụng 3 vịng bi có độ chính xác cao, trong đó có 1 vịng bi bằng sứ đem lại khả năng gia cơng chính xác, tốc độ cao.
25
Hình 3.7 Spindle NSK Nakanishi NR50-5100 ATC. Thơng số động cơ:
- Tốc độ quay tối đa cho phép: 50.000 vịng /phútμ.
- Độ sai lệch của trục chính: trong khoảng 1 m.
- Áp suất khí để đóng mở Collet: 80 ~ 87 PSI
- Trọng lượng: 1,4 kg.
- Sử dụng nguồn điện: DC 36V - 5A
Động cơ trục chính (động cơ tiện)
Động cơ tiện dẫn động quay trực tiếp cho măm cặp trong q trình gia cơng tiện nên cần đạt tốc độ quay nhất định và yêu cầu lực kéo cao, bên cạnh đó cũng cần đáp ứng nhu cầu chuyển động xoay góc với độ chính xác cao của trục A. Xem xét các yêu cầu trên xét thấy động cơ Servo đáp ứng đầy đủ các nhu cầu cần thiết và vận hành tốt nhưng để phù hợp hơn về kinh tế nhóm quyết định lựa chọn động cơ bước thay vì động cơ Servo vì động cơ bước vẫn cung cấp khả năng chuyển động xoay với góc chính xác bên cạnh đó do nhu cầu dẫn quay cho măm cặp để tiện khơng địi hỏi tốc độ vịng quay khơng q cao (1500~2000 vòng/phút) nên động cơ bước vẫn đáp ứng nhu cầu cần thiết.
Do nhu cầu momen xoắn cao nên nhóm quyết định chọn động cơ bước 86BYGH250. 26
- Bước góc: 1,8°
- Dịng điện định mức: 5A
- Điện áp định mức: DC 18V
- Trọng lượng: 2,3 kg
Động cơ cho các trục X, Y, Z và các cụm truyề n động khácThôngsốđộngcơ:
Động cơ truyền động cho các trục của máy CNC yêu cầu chuyển động với độ chính xác cao, có 2 loại động cơ được sử dụng phổ biến là động cơ bước hoặc động cơ servo. Mỗi loại động cơ đều có những ưu và nhược điểm riêng, dưới dây là bảng so sánh 2 loại động cơ: Mạch driver Nhiễu, rung động Tốc độ Hiện tượng trượt bước Phương pháp điều khiển Giá thành (Động cơ + driver) Độ phân giải
Bảng 3.1: So sánh 2 động cơ
Vì các động cơ truyền động cho các trục trong máy CNC cần độ chính xác quá cao nhưng khi xem xét đến số lượng động cơ sử dụng (6 cái) và mục đích của mơ hình thì việc sử dụng động cơ Servo cần nhiều chi phí cũng như hệ thống điều khiển khá phức tạp trong khi đó sử dụng động cơ bước vẫn đáp ứng được nhu cầu truyền động các trục với sai lệch cho phép cũng như việc điều khiển dễ dàng hơn. Vì vậy nhóm quyết định sử dụng động cơ bước để truyền động cho các trục của máy. Cụ thể, nhóm sử dụng 3 động cơ StepSyn 103H7822-0440 , 1 động cơ StepSyn 103H7124-1145, 1 động cơ StepSyn 103H7123-0740 , và 1 động cơ Guzik S1701B.
3.2.2. Lựa chọn phần mềm điều khiển
Một phần quan trọng khơng thể thiếu dành cho máy CNC chính là hệ thống điều khiển. Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ chuyển các dịng lệnh G-code thành các xung điều khiển cho các động cơ, sau khi đã qua nội suy bằng phần mềm.
Phần mềm sử dụng cho máy CNC phải có khả năng giao tiếp với mạch điều khiển. Đồng thời phần mềm đó phải có khả năng nhận diện được G-code, sau đó tiến hành nội suy. Đối với các kiểu nội suy 2D đơn giản như đường thẳng, đường trịn,… thì người chế tạo có thể tự viết phần mềm. Tuy nhiên, với u cầu máy CNC có thể gia cơng các bề mặt cong, hình dạng phức tạp dạng 3D thì cơng việc nội suy rất phức tạp, việc lập trình một phần mềm đáp ứng được các yêu cầu đó là một trở ngại rất lớn. Như vậy, việc sử dụng phần mềm điều khiển chuyên nghiệp sẵn có được cung cấp bởi bên thứ 3 là giải pháp tối ưu.
Phần mềm được sử dụng khá phổ biến dành cho các máy CNC tự chế tạo là phần mềm Mach 3. Mach 3 sẽ chịu trách nhiệm chính trong việc ra lệnh cho máy CNC thực hiện những công việc theo ý muốn của người gia cơng. Nhiệm vụ chính của phần mềm này là điều khiển những chuyển động của trục chính để gia trên bề mặt của vật liệu, có thể hiểu là thực hiện theo lập trình có sẵn.
1.
28
CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH TRUNG TÂM GIA CƠNG CNC
Thiết kế là cơng đoạn rất quan trọng trong chế tạo máy, giúp định hình ý tưởng, vị trí tổng quan của các chi tiết, đồng thời thơng qua bản thiết kế có thể đánh giá được tính hợp lí và khả thi của tồn bộ dự án.
Quy trình thiết kế mơ hình trung tâm gia cơng CNC được tiến hành như sau: Lên ý tưởng thiết kế ban
đầu. Tìm nơi mua vật tư.
Vẽ 3D lại các chi tiết đã mua trên phần mềm Solidworks. Thiết kế các chi tiết máy cịn lại và tiến hành lắp ráp mơ phỏng.