Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu, chế tạo và thiết kế máy cnc 3 trục

Nhóm em xin cam đoan đồ án này tổng quát lại kết quả quá trình nghiên cứu của chúng em Các số liệu, hình ảnh, thông tin trong đồ án đều trung thực, do chúng em tìm hiểu, tham khảo từ nhiều nguồn tư liệu Đồ án nàykhông sao chép các đồ án đã

bàytỏlòngbiếtơnsâusắcđếntấtcảcácthầy,côvànhàtrườngđãtạođiềukiệngiúp đỡ trong quá trình học tập suốt 4 năm qua và đề tài đồ án này.

Trước hết chúng em xin gửi tới các thầy, cô viện kỹ thuậtl ờ i c h à o t r â n t r ọ n g , và nghiên cứu đề tài.

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế, nên trong quá trình thực hiện đồ án này không thể tránh được những thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô để chúng em có điều kiện bổ sung, nâng cao kiến thức, kinh nghiệm của mình, phục vụ tốt hơn công việc

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy phay CNC 3 trục được thực hiện dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và mô hình thực nghiệm Mô hình máy được ứng dụng chủ yếu để phục vụ trong công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học Sử dụng phần mềm kỹ thuật để đưa ra được các bản vẽ thiết kế chi tiết máyvà mô hình tổng thể củamáy,sauđótiếnhành chếtạocác chitiếtvà lắpráp chúnglạithành môhình máy hoàn chỉnh Khi sử dụng mô hình này có thể gia công chế tạo được nhiều dạng chi tiết nhờ vào việc sử dụng phần mềm Mach 3 trên máytính để điều khiển và design drawings of the machine and the overall model of the machine, then proceed to manufacture the details and assemble them into a complete machine model.Whenusingthismodel,itispossibletoprocessandmanufacturemanytypes

ofpartsthankstotheuseofMach3softwareonthecomputertocontrolandsimulate.

Bảng2.1Quyướckítựđịachỉ 24 Bảng3.1Sosánhđộngcơbướcvàđộngcơservo 33

Hình5.15a.Sảnphẩmhoànthành 83

kinhtế.Nhucầuvềcácthiếtbịnóichungngàycàngtăngcủacácdoanhnghiệptrong nước, đặc biệt là trong giai đoạn hội nhập và phát triển công nghiệp của đất nước Các doanhn g h i ệ p p h ả i đ ố i m ặ t v ớ i v i ệ c c ạ n h t r a n h k h ố c l i ệ t k h ô n g n h ữ n g ở t h ị t r ư ờ n g nướcngoàimà cònngaychính ởtrongthịtrườngtrongnước, dovậynhucầu thiếtbịsảnxuấtđóngmộtvaitròsốngcònđốivớicácdoanhnghiệp.Đểphụcvụsản xuất thường các doanh nghiệp nhập khẩu nhóm sản phẩm máy móc, thiếtb ị , d ụ n g c ụ vàphụtùngphụcvụchosảnxuấtchếtạo.Dựkiếntrongnhữngnămtới,saukhủng hoảng là giai đoạn các doanh nghiệp phải loại bỏ công nghệ cũ, đầu tư công nghệ mớinhằmnhanhchóngchiếmlĩnhthịtrường.Trongngànhcơkhíchínhxác,nhucầu

cácmáycôngcụchínhxácnhưCNC,cácmáycôngcụchuyêndùnggiacôngtựđộng hóa theo nhu cầu doanh nghiệp sẽ rất lớn.

NgàynaymáyCNCkhôngcònlàkháiniệmxalạtạiViệtNam.MáyCNCxuất hiện tại hầu hết các lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là trong công nghiệp Tuynhiên hầu hết các máy CNC trong nước đều là nhập từ một số nước như Đức, Nhật và Trung Quốc, và giá thành các máyCNC đều rất cao Những máyCNC thiết kế và sản xuất tạiviệt namcòn rất ít vàhầu nhưchỉdừng lại ở mức độ“chế máyCNCchạyđược” Do vậy chúng em đã quyết định chọn đề tài thiết kế hệ thống điều khiển cho máy CNC, để mong rằng trong một tương lai gần, những máy CNC được thiết kế và sản xuấttạiViệtNamsẽcóchấtlượngtốthơnvàngàycàngphổbiếnhơn,từđóthúcđẩy sự phát triển của nền khoa học công nghệ trong nước.

Trong đề tàiđồ án môn tốtnghiệp, mục tiêu trước tiên mà emhướng tớilàchế tạo được mô hình máy CNC hoạt động hoạt động với sai số nhỏ, sau đó em hướng tới khắc phụcdao động,sai sốvà nângcao tính tựđộng củamáynhưkhảnăngthay

dao tự động, hệ thống cấp phôi tự động Tuynhiên do kinh nghiệm còn hạn chế và thời gian thực hiện có hạn, nên đồ án của em còn những thiếu xót, và mục tiêu ổn địnhdaođộngvà hệthốngcấpphôitựđộngemchưathểhoànthiện.Emmongnhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô để hoàn thiện hơn đề tài.

EmxinchânthànhcảmơnthầyTiếnSĩNgôHàQuangThịnhđãgiúpđỡvàtạo điều kiện tốt

để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài“Nghiên cứu, chế tạo và thiết kế máy

TỔNGQUANGIẢIPHÁPCÔNGNGHỆ2.1 Tổngquantìnhhìnhnghiêncứutrongvàngoàinước:

Trongbốicảnhpháttriểnngànhcôngn g h i ệ p nướctahiệnnayhầuhếtcáccông nghệ chúng ta đang sử dụng đều phải nhập khẩu Trong quá trình sử dụng, sẽ có rất nhiềuhệthốngcầnphảithaythế,sửachữa,nângcấpvàchúngvẫnphảinhậpkhẩuvì trong nước không có những thiết bị, dâychuyền để chế tạo ra các hệ thống đó Máy CNCchế tạotrongnước vớichiphíthấpsẽ là chìa khoá để đảmbảochúngtacó thể nhanhchóngcóthểchếtạođượccáchệthốngthaythếphùhợpvừaphụcvụchocông nghiệp vừa đáp ứng nhu cầu các doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ.

HiệnnaytrênthếgiớiviệcchếtạoramáycôngcụtựđộngCNCđạttớitrìnhđộ rất cao Máy CNC được nghiên cứu và đầu tư để tạo ra các loạim á y m ó c t h i ế t b ị , d â y chuyềnsảnxuấtđ ể phụcv ụ tấtcảcácngànhcôngnghiệpkhác.Cóthểphânloại các máy

- Các máyCNCdùng để giacông theocông nghệ phitruyềnthống:m á y xung tia lửa điện, máycắt dâytia lửa điện, máycắt bằng Plasma, cắt bằng Laser, máytạo mẫu nhanh RP

- Các máy CNC dùng để gia công biến dạng bằng áp lực: máy CNC tự động theo chương trình, máy cán, máy ép, máy dập điều khiển số

- Cácm á y CNCchuyêndụngphụcvụchocácngànhcôngnghiệpsảnxuấthàng loạthoặcđặcbiệt:sảnxuấtphụtùngôtô,đồtiêudùng,sảnxuấtvũkhí,hoáchấtđộchại…

HiệnnaycáclĩnhvựcứngdụngcủamáyCNCtrongnướckháđadạngvàphong phú Các sản phẩm do máy CNC tạo ra tập trung các lĩnh vực sau:

- Máy CNC dùng để chế tạo ra các máy móc, thiết bị và dây chuyền sản xuất phụcvụtoànbộcácngànhk i n h tếk h á c như:côngnghiệpnặng(đóngtàu,khaithác mỏ, điện, dầu khí, thiết bị vận chuyển như ô tô, tàu hoả,…), công nghiệp nhẹ (dệt may, đóng giày, thựcp h ẩ m , … ) , c ô n g n g h i ệ p q u ố c p h ò n g ( d â y c h u y ề n s ả n x u ấ t v ũ k h í , thuốcnổ,…),công nghệthông tin(dâychuyềnsản xuất vi mạch điệntử,lắpráp máy tính và thiết bị viễn thông,…), các thiết bị dùng cho giáo dục và đào tạo, các

Phần cơ khí: đế máy, thân máy, bàn máy, bàn xoay, trục vít me bi, ổ tích dụng cụ, cụmtrục chínhvà băng dẫnhướng Ở Việt Namhiệnnaychưa thể chế tạora hai bộ phận quan trọng của máy là: cụm trục chính và băng dẫn hướng mà mới chỉ chế tạo được những cơ cấu đơn giản là: thân máy, bàn máy, bàn xoay.

Phầnđiềukhiển:cácloạiđộngcơ,cáchệthốngđiềukhiểnvàmáytínhtrung tâm.

Hình2.1KếtcấuchungcủamáyCNC2.2.1 Đầutrụcchính:

Là nơi lắp dụng cụ, chuyển động quay của trục chính sẽ sinh ra lực cắt để cắt gọt phôi trong quá trình gia công (hình 2.2).

Hình2.2Cụmtrụcchính Nguồnđộnglựcđiềukhiểntrụcchính:

Trục chínhđược điềukhiển bởicác độngcơ Thườngsử dụng động cơServo theochếđộvònglặpkín,bằngcôngnghệsốđểtạoratốcđộđiềukhiểnchínhxácvà hiệu quả cao dưới chế độ tải nặng.

Hệ thống điều khiển chính xác góc giữa phần quayvà phần tĩnh của động cơ trục chínhđể tăng momenxoắnvà giatốc nhanh Hệ thốngđiềukhiểnnàycho phép người sử dụng có thể tăng tốc độ của trục chính lên rất nhanh.

Yêucầucủa hệthốngthanhtrượttrượt phảithẳng,cókhả năngtảicao,độ cứng vững tốt, không có hiện tượng dính, trơn khi trượt

2.2.3 Trụcvítmeđaiốcbi

2.2.3.1 Giớithiệuchungtrụcvítmeđaiốcbi

Trong máy công cụ điều khiển số người ta sử dụng hai dạng vít me cơ bản đó là: vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi.

+Vítmeđaiốcthường:làloạimàvítmevàđaiốccódạngtiếpxúcmặt +Vítmeđaiốcbi:làloạimàvítmevàđaiốccódạngtiếpxúclăn.

Ta xét mối quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi (hình 2.5):

Hình 2.5 Quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me thường và vít me bi Đườngcongtrênlàđườngcongbiểuthị mối quanhệgiữalựcmasátvàtốcđộ củavítmeđaiốcthường.Đườngcongnàychialàmhaiphần:

+ Phần từ a đến b là vùng ma sát nửa ướt Vùng này có sự tiếp xúc trực tiếp giữa vít me và đai ốc Khivận tốc bằng không,lực masát lớn nhất, khivận tốc tăng lên dầu dần dần hình thành làm lực ma sát giảm dần tới b.

+ Giai đoạn tiếp theo là quá trình bôi trơn giữa hai bề mặt thủy động và như đồ thị thì lực ma sát tăng theo tốc độ.

Khi điều khiển máy CNC hai hoặc nhiều trục đòi hỏi thời gian khởi động bàn máy nhanh và momen nhỏ Nhìn vào đường cong trên ta thấy vít me đai ốc thường không đảm bảo được yêu cầu trên của máy CNC.

Thayvìtrạngtháitiếpxúc mặtnhưvít međai ốcthườngthìvítmeđaiốcbicó

+ Trên mỗi phần đai ốc thiết kế dạng mặt bích để liên kết hai phần đai với nhauthôngqua mốighépren.Đểkhử khehở vàtạosứccăngbanđầuchobộtruyền bằng cách giữa hai mặt người ta đặt các tấm đệm Với chiều dày các tấm đệm khác nhau cho phép thayđổi sức căng và vị trívùng tiếpxúc giữa bivớiđai ốc và vít me Thực hiện điều chỉnh theo phương pháp này có kết cấu đơn giản nhưng việc điều chỉnh khó khăn.

+ Một dạng khác của kết cấu khử khe hở và tạo sức căng là giữ cố định một phần của đai ốc, khe hở và tạo sức căng ban đầu bằng lực của lò xo(Hình2 8 )

+Trênmỗiphầncủađaiốc,vànhngoàicủanócóvànhrăngbướcnhỏvàtrong cũng có bố trí vành răng trong.

2.3 Kháiniệmcơbảnvềđiềukhiểnvàđiềukhiểnsố2.3.1 Kháiniệm

Là quá trình xảy ra trong môt hệ thống giới hạn, trong đó một hay nhiều đại lượng là đại lượng đầu vào, các đại lượng khác là đại lượng đầu ra, chúng tác động và ảnh hưởng đến hệ thống theo những quy luật riêng.

−Điềukhiểnmáycósựthamgiaphầnlớncủangườivậnhànhtừkhâucấpphôi, gá phôi, hiệu chỉnh dụng cụ cho đến khâu kiểm tra sản phẩm.

−Cácthaotáccủahệthốngđiềukhiểnthườngkhóthayđổi(chínhxáclàkhông thay đổi được) Do vậy, nó không thích ứng với sự thay đổi sản phẩm.

− Nếu không có sự tham gia của người vận hành thì cơ cấu máy thực hiện chu trình làm việc liên tục như các máy tự động Với các loại máy này không thay đổi đượchoặc muốnthayđổicũngrấtphứctạp.Dovậy,khuynhhướngpháttriểnchung làngườita muốncó nhữngHTĐK mà nódễ dàng thíchnghivớisự thayđổicủa sản phẩm Nhìn chung, các HTĐK theo kiểu truyền thống tuy càng lúc càng được cải

Máy hiểu theo nghĩa rộng bao gồm: các máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công…

Dữliệusốđượcmãhoábaogồm:cácchữsố,sốthậpphân, các chữ cáivà một số các ký tự đặc biệt.

Các chữ số và ký tự đó đại diện cho các đặc tính gia công như kích thước của chitiết,cácdụngcụđượcyêucầu,dungdịchtrơnnguội,tốcđộvòngquaytrụcchính, tốc độ chạy dao và được tổ hợp thành câu lệnh.

2.3.4 Cáchệđiềukhiểnsố

2.3.4.1 HệđiềukhiểnsốNC(Numericalcontrol)

Đặctínhcủahệđiềukhiểnnàylà“chươngtrìnhhoácácmốiliênhệ”trongđó mỗi mảng linh kiện điện tử riêng lẻ được xác định một nhiệm vụ nhất định, liên hệ giữa chúng phải thông qua những dây nối hàn cứng trên các mạch logic điều khiển (hình 2.9).

Chứcnăngđiềukhiểnđượcxácđịnhchủyếubởiphầncứng.

Các chương trình CNC và các hàm logic được lưu trên các vi mạch máytính đặc biệt (các thanh ghi bộ nhớ của máytính) dưới dạng các phần mềm thayvì được nối kết cứng (nối dây) do đó các chương trình làm việc có thể thiết lập trước.

tácđộngb ê n ngoàicủahệthốngcôngnghệđểđiềuchỉnhchukỳgiacông(quátrình gia công) nhằm loại bỏ ảnh hưởng của các yếu tố đó tới độ chính xác gia công.

HệthốngsảnxuấtlinhhoạtFMS(FlexibleManufacturingSystem)làhệthống sản xuấtcó mức độtự độnghoá cao bao gồm các máyCNCđể giacôngtự động, hệ thống cấp và tháo phôi, hệ thống vận chuyển phôi tự động, các máy tính hệ thống cung cấp chương trình điều khiển toàn bộ công việc.

HệthốngtíchhợpCIM(ComputerIntegratedManufacturing)làsựliênkếttoàn bộ giữa CAD(Computer Aided Design) và CAM(Computer Aided Manufacturing) vào một quá trình giám sát và điều khiển hoàn toàn bằng máy tính.

Đượcdùng để gia công các lỗbằngcác phươngpháp khoan, khoét,doa, và cắt renlỗ.Trongquátrìnhgiacông,chitiếtđượccốđịnhtrênbànmáycòndụngcụthực hiện việc chạy dao nhanh đến vị trí đã được lập trình Trong khi dịch chuyển nhanh daocụkhôngthựchiệnviệccắtgọt.Chỉkhinàođạtđượctoạđộtheo yêucầuthìnó mới bắt đầu thực hiện các chuyển động cắt gọt.

Hình2.11Điềukhiểnđiểm–điểm

2.3.5.2 Điềukhiểntheođườngthẳng

Là dạng điều khiển mà khi gia công dụng cắt được thực hiện lượng chạy dao theo một đường thẳng nào đó (hình 2.12a).

2.3.5.3 Điềukhiểntheobiêndạng(Contour)

Làdạngđiềukhiểnchophépthựchiệnchạydaonhiềutrụccùngmộtlúc,nghĩa là nó có thể gia công một đường cong bất kì trên mặt phẳng hay trong không gian(hình1.12b).

Hình2.12aĐ i ề u khiểntheođườngthẳng Hình2.12bĐiềukhiểntheobiêndạng

2.3.5.4 Điềuk h i ể n 2D

Cho phép dịch chuyển dụng cụ trong một mặt phẳng nhất định nào đó Thí dụ như trên máy tiện, dụng cụ sẽ dịch chuyển trong mặt phẳng xOz để tạo nên đường điềukhiểnđồngthờicả 3trụccủa máytheo mộtquan hệràngbuộc nào đó tại từng thời điểm để tạo nên vết quỹ đạo của dụng cụ theo yêu cầu.

2.3.5.6 Điềukhiển2.5D

Chophép dịch chuyển 2trục đồng thời để tạo nên một đường congphẳng, còn trụcthứ3đểđiềukhiểnchuyểnđộngđộclập.Điểmkhácbiệtgiữaphươngphápnày với phương pháp điều khiển 2D ở chỗ 2 trục được điều khiển đồng thời có thể được đổi vị trí cho nhau, có nghĩa là hoặc trong mặt phẳng xoy, yoz hoặc xoz.

Mặt khác, vì lý do công nghệ nên có những bề mặt không thể thực hiện được việc gia công bằng 3D vì có thể tốc độ cắt sẽ khác nhau hoặc sẽ có những điểm có tốc độcắt bằngkhông(nhưtạiđỉnh củadao phayđầu cầu)haylưỡicắtcủa dụngcụ

không thể thực hiện việc gia công theo mong muốn (ví dụ như góc cắt không thuận lợi hay có thể bị vướng thân dao vào các phần khác của chi tiết ).

Tómlại,tùythuộcvào yêucầubề mặtgiacôngcụ thểmà cóthểlựa chọn máy thíchhợpvìmáycàngphứctạpthìgiáthànhmáycàngcaovàcầnphảibổsungthêm nhiều công cụ khác như các phần mềm CAD/CAM hỗ trợ lập trình

Hơn thế nữa, máy càng phức tạp (càng nhiều trục điều khiển) thì tính an toàn trong quá trình vận hành và sử dụng máy càng thấp (dễ bị va chạm dao vào phôi và máy).Vìthếđểsửdụngđượccácmáynày,ngườiđiềukhiểntrướchếtđãsửdụngrất thành thạo các máyđiều khiển theo chương trình số 2D và 3D Cũng dễ thấylà máy phức tạp hơn có thể hoàn toàn đảmnhiệm đượcvai trò của máyđơn giản hơn, ví dụ như máy 3D có thể đảm nhiệm cho máy 2D và 2,5D.

giới hạn vùng làm việc của máy, nó được nhà chế tạo quy định Ở máy phay thường nằm ở điểm giới hạn dịch chuyển của bàn máy.

− Đối với chi tiết phayngười ta thường chọn điểm W tại điểm gốc ngoài của đường viền chi tiết.

2.4.3.4 ĐiểmgốcchươngtrìnhP(Programed)

− Chú ý khi chọn điểm P phải thuận tiện cho việc thay dao (không làm ảnh hưởngđ ế n c h i t i ế t v à đ ồ g á )

Trên các máy CNC quá trình gia công được thực hiện một cách tự động Hệ thống điều khiển số sẽ điều khiển quá trình gia công theo một chương trình đã lập sẵn Trong đó, quá trình CNC đóng một vai trò rất quan trọng Nó là một mắc xích quan trọng của quá trình chuẩn bị sản xuất.

Trên cơ sở này, cho phép ta định nghĩa lập trình là gì ? Lập trình là quá trình thiết lập các lệnh cho dụng cụ cắt, trên cơ sở bản vẽ chi tiết và các thông tin công

daocóthểtrùngvớibiếndạngcủachitiết,cụthểtheođườngcáchđềubiêndạngchi tiết hoặc cụ thể thay đổi vị trí theo một quy luật xác định so với biến dạng của chitiết.

Để giacông toànbộ các bề mặtcủa biêndạng chitiếtthìquỹđạochuyểnđộng củatâmdaophảiliêntục.Tuynhiên,việcxácđịnhquỹđạocủatâmdaotrongkhông gian rất phức tạp Do đó, khi lập trình quỹ đạo của tâm dao thì ta thường lập trình theo từng phần biên dạng riêng biệt.

2.4.4.2 Cáchghikíchthướcchitiết

Để lập trình gia công trên máy CNC thì kích thước trên bản vẽ phải được ghi theo toạ độ Đề Các Có hai cách ghi kích thước trên bản vẽ:

2.5 Chươngtrìnhgiacông

Mộtchươngtrìnhđược thiếtlậpđể giacông mộtchitiếtgọilàchươngtrìnhchitiết Nó bao gồm nhiều từ lệnh và các từ lệnh này nằm trong các câu lệnh.

những biên dạng hình học đơn giản Nó có thể được điều khiển trong từng bước gia công hay trong một câu lệnh của chương trình.

Cấutrúccơbảncủa mộtchươngtrìnhgiacônggồm:

1 Chiabiêndạngthànhcácyếutốhìnhhọcđơngiản.2 Chiaquátrìnhgiacôngthànhcácbướcgiacông.3 Lậpchươngtrình.

Xuấtpháttừ yêucầuvềtínhlinhhoạtvàmứcđộtựđộnghoácaocủatấtcảcác thiết bị gia công, dẫn tới bước nhảyvọt trong việc ứng dụng các hệ điều khiển CNC trongcácphânxưởng,xínghiệpsảnxuấtvàchếtạo.Sựpháttriểnđótácđộngrấtlớn đến khả năng thiết lập các chương trình CNC Các phương pháp lập trình :

+ Lập trình trực tiếp trên máy CNC:l à q u á t r ì n h t ì m r a c á c đáng kể nhờ các bộ vi xử lí, bộ nội suyvà một số khối lượng lớn các dữ liệucầnthiếtđược cài đặtsẵntrong máykhicầnchỉ việc truycậptheođịa chỉ và sử dụng.

2.7 Tínhtoánlựachọnđộngcơtrụcchính

Mô hình máy phay CNC 3 trục phải được đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật và làm được ở nhiều chế độ tải khác nhau, dễ dàng điều khiển, làm việc ổn định, trong thực tế máy phay cnc thường được sử dụng động cơ trục chính để lắp đặt dao cắt thôngquacollectspindlethựchiệnquátrìnhgiacông.Độngcơcầnđượckếtnốivới biến tầng và được điều khiển thông qua máy tính.

DựavàomụcđíchsửdụngmôhìnhmáyphayCNC3trụctrongviệcgiacông cácvậtliệunhư:nhôm,gỗ,nhựamicavàlựachọnđượcđộngcơvớicácthôngsốnhưsau.