B GIO DC V O TO TRNG I HC BCH KHOA H NI - Nguyễn hữu định Nghiên cứu Thiết kế máy đột dập cnc Chuyên ngành: công nghệ chế tạo máy LUN VN THC S KHOA HC ngành: công nghệ khí hớng dẫn khoa học: pgs.ts phạm văn nghệ H NI - 2010 Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC Lời cảm ơn Trớc tiên xin đợc bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS PHạM VĂN NGHệ ngời hớng dẫn khoa học tận tình bảo suốt trình làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Viện Cơ khí, Trung tâm Việt Nhật Trờng Đại học Công nghiệp Hà Nội, Công ty cổ phần khí xác vinashin bạn bè đồng nghiệp tạo điều kiện giúp đỡ qúa trình nghiên cứu Hà nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010 Học viên Nguyễn Hữu Định Luận văn thạc sỹ Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC Lời cam đoan Tôi xin cam đoan nội dung luận văn trung thực công trình nghiên cứu Hà nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010 Học viên Nguyễn Hữu Định Luận văn thạc sỹ Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC Lời nói đầu Ngày kỹ thuật tự động hoá xâm nhập phát triển mạnh mẽ vào nhiều lĩnh vực hoạt động đời sống xã hội Tự động hoá đem lại hiệu qủa rõ rệt sản xuất nh: tăng suất lao động, nâng cao tính đồng chất lợng sản phẩm, tiết kiệm vật liệu, cải tiến điều kiện lao động môi trờng độc hại, thay động tác đơn thuần, lặp lại ngời ứng dụng tự động hoá ngành nghề chế tạo máy với kỹ thuật điều khiển theo chơng trình số cho đời hệ thống máy công cụ CNC mở bớc phát triển cho gia công khí, hệ thống CAD/CAM cho phép thiết kế kết cấu lập trình tự động gia công với trợ giúp máy vi tính Nhờ phát triển kỹ thuật điện tử, thiết bị điều khiển logic có khả lập trình PLC xuất vào năm 1969 thay hệ thống điều khiển rơ le Càng ngày PLC trở nên hoàn thiện đa Các PLC ngày có khả thay hoàn toàn thiết bị điều khiển logic cổ điển, mà có khả thay thiết bị điều khiển tơng tự Các PLC đợc sử dụng rộng rãi công nghiệp số lý sau: - Tốn không gian: Một PLC cần không gian máy tính tiêu chuẩn hay tủ điều khiển rơ le để thực chức - Tiết kiệm lợng: PLC tiêu thụ lợng mức thấp, tất máy tính thông thờng - Giá thành thấp: Một PLC giá tơng đơng cỡ đến 10 rơ le, nhng có khả thay hàng trăm rơ le - Khả thích ứng với môi trờng công nghiệp: Các vỏ PLC đợc làm từ vật liệu cứng, có khả chống chịu đợc bụi bẩn, dầu mỡ, Luận văn thạc sỹ Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC độ ẩm, rung động nhiễu nhờ CPU PCL đợc cách ly với hệ thống bên - Giao diện trực tiếp: Các máy tính tiêu chuẩn cần có hệ thống phức tạp để giao tiếp với môi trờng công nghiệp Trong PLC giao diện trực tiếp nhờ mô đun vào I/O - Lập trình dễ dàng: Phần lớn PLC sử dụng ngôn ngữ lập trình sơ đồ thang, tơng tự nh sơ đồ đấu dây hệ thống điều khiển rơ le thông thờng - Tính linh hoạt cao: Chơng trình điều khiển PLC thay đổi nhanh chóng dễ dàng cách nạp lại chơng trình điều khiển vào PLC lập trình trực tiếp, thẻ nhớ, truyền qua mạng Vận dụng kiến thức học trờng ĐHBK - HN công tác thực tế với hớng dẫn nhiệt tình PGS.TS Phạm Văn Nghệ Tôi tổng hợp đợc khối lợng kiến thức định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC phục vụ thiết thực cho sản xuất thực tế công tác thiết kế khí nghành công nghiệp đóng tàu Việt Nam Vì điều kiện nghiên cứu kinh nghiệm thực tế hạn chế nên đề tài tránh khỏi thiếu sót Rất mong đợc góp ý thầy, cô bạn! Tôi xin trân thành cảm ơn ! Học viên Nguyễn Hữu Định Luận văn thạc sỹ Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC MC lục TT Danh mục Trang Chơng1: Nghiên cứu lý thuyết máy công cụ 16 điều khiển theo chơng trình số 1.1: Tổng quan máy CNC 16 1.1.1 Nghiên cứu tổng quan hệ máy công cụ điều khiển theo chơng trình số 16 1.1.2 Sơ đồ nguyên tắc cấu trúc máy CNC 18 1.1.3 Kết luận yêu cầu kỹ thuật máy công cụ CNC 20 1.2: Nghiên cứu hệ thống điều khiển máy đột dập cnc 21 Sơ đồ hệ thống 21 1.2.1 Phân tích hệ điều khiển 21 1.2.1.1 Khối máy tính 21 1.2.1.2 Khối giao tiếp RS232 21 1.2.1.3 Khối mạch MCU 21 1.2.1.4 Khối mạch logic mạch công suất 21 1.2.1.5 Khối cảm biến 21 1.2.2 Khối máy tính 22 1.2.2.1 Giới thiệu 22 1.2.2.2 Ưu điểm VB 22 1.2.2.3 Các kí hiệu sơ đồ thuật toán 23 1.2.2.4 Sơ đồ thuật toán khối máy tính 24 1.2.3 Khối giao tiếp với máy tính 27 Luận văn thạc sỹ Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC 1.2.3.1 Giới thiệu giao tiếp 27 1.2.3.2 Giới thiệu cổng COM 27 1.2.3.3 Sơ đồ chân IC MAX 232 28 1.2.3.4 Sơ đồ mạch thực tế đợc thiết kế nh sau: 28 1.2.4 Khối động & mạch công suất 29 1.2.4.1 Giới thiệu động bớc 29 1.2.4.2 Lợi ích việc dùng động bớc 29 1.2.4.3 Cấu tạo phân loại động bớc 30 1.2.4.4 Mạch điều khiển động bớc 32 1.2.4.5 Sơ đồ mạch đợc thiết kế nh sau: 36 1.2.4.6 Nguyên lí hoạt động mạch công suất 38 1.2.5 Khối Vi Điều Khiển: 38 1.2.5.1 Giới thiệu họ 8051 chip AT89C5x hãng ATMEL: 38 1.2.5.2 Cấu trúc vi điều khiển 8051 40 1.2.5.4 Hoạt động Timer 8051 ghi SFR Timer 44 1.2.5.5 Hoạt động PORT nối tiếp 8051 49 1.2.5.6 Hoạt động ngắt 8051 51 1.2.5.7 Sơ đồ mạch MCU đợc thiết kế nh sau 53 1.2.5.8 Lu đồ thuật toán khối MCU 54 1.2.6 Khối MCU 57 1.3 Phân tích cấu trúc điều khiển máy đột dập CNC 57 1.3.1 1.3.2 Thông số kỹ thuật máy đột dập CNC CP-1250 Tính điều khiển máy đột dập CNC CP-1250 Luận văn thạc sỹ 57 60 Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC 1.3.2.1 1.3.2.1.1 1.3.2.1.2 60 Các mã lệnh máy 60 Các mã lệnh G Các mã lệnh M Chơng 2: phân tích tính toán yêu cầu kỹ thuật 61 63 hệ thống cấp phôi Khảo sát kết cấu máy hệ thống cấp phôi máy đột dập 2.1.2 65 MD160 2.1.2.1 Kết cấu thân máy 65 2.1.2.2 Kết cấu hệ thống cấp phôi 65 2.1.2.3 Kết cấu hệ thống bàn đỡ phôi 65 2.1.2.4 Kết cấu hệ thống dẫn hớng 65 Những u điểm thiết kế hệ thống cấp phôi tự động sử dụng 2.2 66 kỹ thuật PLC 2.3 Thiết kế tính toán kỹ thuật thống cấp phôi 66 2.3.1 Hệ thống truyền động vít me đai ốc bi (ball screw) 67 2.3.2 Động dẫn động 68 2.3.3 Hệ thống đo đờng dịch chuyển 70 2.3.4 Hệ thống dẫn động định hớng 71 2.3.5 Hệ thống kẹp chặt phôi 72 2.3.6 Tính toán thiết kế hệ thống bàn đỡ phôi 72 2.3.6.1 Bàn đỡ phôi bi cầu 72 2.3.6.2 Bàn đỡ phôi bàn chải 73 Luận văn thạc sỹ Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC Chơng 3: phân tích tính toán thông số kỹ thuật 75 hệ thống thay chày cối 3.1 Khảo sát hệ thống thay đổi chày cối đột 77 3.2 Lắp đặt chày cối 77 3.2.1 kiểm tra dụng cụ 77 3.2.2 Lắp dụng cụ chày cối 78 3.2.3 Bảo dỡng định kỳ 78 3.2.4 Căn chỉnh giữ cối 79 3.2.4.1 Kiểm tra vị trí 1/2" ữ 1-1/4" 79 3.2.4.2 Căn chỉnh vị trí 1/2" ữ 1-1/4" 79 3.2.4.3 Căn chỉnh vị trí 2, 3-1/2 4-1/2 80 3.2.5 Khe hở chày cối 81 3.3 Hệ thống điều khiển ổ quay tự động 83 3.4 Hệ thống điều khiển trục 83 90 4.1 4.2 Chơng 4: Hệ thống điều khiển máy đột dập Lựa chọn hệ thống điều khiển truyền động Thông số thiết bị hệ thống truyền động điều 90 91 khiển máy 4.2.1 Động bớc 91 4.2.2 CPU 224 94 4.3 Modul điều khiển vị trí EM253 95 Luận văn thạc sỹ Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC 4.4 FM Stepdriver 95 4.5 Sơ đồ kết nối thiết bị 95 4.5.1 Nối nguồn cho CPU 96 4.5.2 Kết nối modul SM253 với CPU 96 4.5.3 Kết nối CPU với máy tính 96 4.5.4 Kết nối CPU với modul EM253 FM Stepdriver 97 4.5.5 Kết nối động bớc với FM Stepdriver 98 4.6 Kết nối modul điều khiển vị trí EM253 với công tắc hành trình 98 giới hạn vị trí Luận văn thạc sỹ Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC + Vấu d: Vị trí vấu thép: 2200 Hình 3.20 Vị trí trục thứ hai + Vấu e: Vị trí vấu thép: 2100 Hình 3.21 Vị trí trục thứ ba + Vấu f: Vị trí vấu thép: Điều chỉnh vị trí cho vấu xác định điểm chết khuỷu vị trí 00 Luận văn thạc sỹ 87 Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC Hình 3.22 Vị trí trục thứ t Quá trình điều khiển Lực đột đợc tạo nhờ động xoay chiều pha truyền động thông qua bánh đai, qua ly hợp truyền mô men xoắn tới trục Với máy đột dập CNC, để đảm bảo làm việc đợc đòi hỏi phải có phối hợp đồng chuyển động trục với chuyển động trục khác thông qua chơng trình điều khiển từ máy tính Vấn đề đặt : Khi đầu búa xuống thực tiến trình đột dụng cụ lựa chọn phải sẵn sàng vị trí, bàn máy phải đứng yên Khi đột xong, khuỷu lên tới đỉnh (điểm chết trên) phải dừng vị trí bàn máy dịch chuyển phôi tới vị trí đột tiếp theo, mâm quay xoay dụng cụ cần thiết tới vị trí đột (nếu vị trí đột yêu cầu loại dụng cụ khác) sau khuỷu lại xuống thực tiến trình đột Quá trình điều khiển tiến trình máy đột dập CNC CP-1250 nh sau: Khi khuỷu xuống thực xong điểm đột lên, qua góc 2200 sensor vị trí kết thúc đột nhận tín hiệu truyền tới máy tính Máy tính xử lý đa tín hiệu điều khiển tới động servo trục X,Y điều khiển bàn máy di chuyển đa phôi tới vị trí đột đồng thời điều khiển động co servo khác xoay mâm quay đa dụng cụ lựa chọn vào vị trí đột (trong trờng hợp vị trí đột yêu cầu dụng cụ khác) Trục tiếp tục quay, qua góc mà bố trí vấu thép cho hành trình phanh, sensor vị trí phanh nhận tín hiệu truyền tới máy tính, máy tính truyền tín hiệu điều khiển van thuỷ lực đóng cửa van dầu hệ thống ly hợp Luận văn thạc sỹ 88 Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC đồng thời mở cửa van dầu hệ thống phanh dừng khuỷu điểm chết Khi bàn máy đa phôi tới vị trí cần đột, tín hiệu servo phản hồi máy tính điều khiển cửa van cấp dầu cho hệ thống phanh đóng cửa van cấp dầu cho hệ thống ly hợp mở kết khuỷu xuống thực tiến trình đột Nh nhờ tín hiệu phản hồi từ động servo, tín hiệu từ sensor, máy tính xử lý đa tín hiệu điều khiển cấu chấp hành (các động servo, van thuỷ lực) để điều khiển trục máy làm việc cách đồng để thực tiến trình đột Với máy đột dập CNC CP-1250, chức điều khiển hệ thống điều khiển máy hoàn hảo với chức bảo vệ khác nh chức cảnh báo an toàn, chế độ bảo dỡng, nhiệt độ, áp lực dầu Mọi thông tin đợc hiển thị hình CRT thuận lợi cho việc kiểm tra xử lý Luận văn thạc sỹ 89 Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC Chơng 4: Hệ thống điều khiển máy đột dập 4.1 Lựa chọn hệ thống điều khiển truyền động Căn vào yêu cầu kỹ thuật tiêu kinh tế hệ thống truyện động điều khiển máy đợc chọn là: + Bàn máy truyền động động bớc theo trục dịch chuyển X-Y, động lựa chọn động bớc SIMOSTEP mã hiệu 1FL3061- 0AC31- 0BK0 hãng Siemens - Đức + Điều khiển toàn hoạt động máy sử dụng điều khiển PLC S7-200 hãng Siemens - Đức kết hợp với hai modul điều khiển vị trí EM253 Sơ đồ khối hệ thống truyền động điều khiển máy nh sau: Cảm biến vị trí chày đột Giới hạn trục X Giới hạn trục Y Cảm biến vị trí gốc bàn máy Đầu vào Bộ điều khiển PLC Đầu Khởi động từ Stepdriver Stepdriver Động chày đột Động bớc trục X Động bớc trục Y Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển Luận văn thạc sỹ 90 Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC Sơ đồ điều khiển vị trí hai trục triển khai thiết bị: Máy tính CPU224 EM253 EM253 FM Driver FM Driver Bàn máy Động trục Y Động trục X Hình 4.2 Sơ đồ triển khai thiết bị điêù khiển trục X Y 4.2 Thông số thiết bị hệ thống truyền động điều khiển máy 4.2.1 Động bớc Động bớc lựa chọn toán động bớc pha Simostep có mã hiệu 1FL3061- 0AC31- 0BK0 hãng Siemens - Đức Luận văn thạc sỹ 91 Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC Hình 4.3 Động bớc - Động có thông số nh sau: Các thông số Giá trị Mô men cực đại Mm(Ncm) 1000 Mô men giữ MH(Ncm) 1130 Quán tính rotor JR(Kgcm2) 10.5 Số bớc Z 1000 Bớc góc o 0,36 Dòng điện làm việc I(A) 4,1 Điện trở cuộn dây pha R() 1,8 Cân nặng G(kg) Điện áp động U(V) 325 Luận văn thạc sỹ 92 Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC - Kích thớc lắp đặt - Đ ặ c t í n h Hình 4.4 Kích thớc lắp đặt động Hình 4.5 Đờng đặc tính momen động Luận văn thạc sỹ 93 Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC 4.2.2 CPU 224 Hình 4.6 Bộ xử lý tín hiệu CPU224 Các thông số kỹ thuật CPU 224 + Các thông số chung: Mã sản phẩm 6ES7 214-1BD22-0XB0 CPU model CPU224 Nguồn cấp 120-240 Vac Số đầu vào CPU 14x24Vdc Số đầu CPU 10xRelay Kích thớc 120,5 x 80 x 65 Cân nặng 410g Điện tiêu thụ 10W Luận văn thạc sỹ 94 Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC + Thông số nhớ Vùng nhớ đệm đầu vào I I 0.0 ữ I 7.7 Vùng nhớ đệm đầu Q Q 0.0 ữ Q 7.7 Vùng V V 0.0 ữ V 4095.7 Vùng M M 0.0 ữ M 31.7 Vùng SM SM 0.0 ữ SM 85.7 Vùng thời gian T ữ T 127 Vùng đếm C ữ C 127 4.3 Modul điều khiển vị trí EM253 Hình 4.7 Modul điều khiển vị trí EM253 4.4 FM Stepdriver Hình 4.8 Modul FM Stepdriver 4.5 Sơ đồ kết nối thiết bị Luận văn thạc sỹ 95 Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC 4.5.1 Nối nguồn cho CPU Hình 4.9 Sơ đồ nối nguồn cho CPU 4.5.2 Kết nối modul SM253 với CPU Hình 4.10 Sơ đồ kết nối CPU vớí modul điều khiển SM253 4.5.3 Kết nối CPU với máy tính Hình 4.11 Sơ đồ kết nối CPU vớí máy tính Luận văn thạc sỹ 96 Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC 4.5.4 Kết nối CPU với modul EM253 FM Stepdriver Error! Hình 4.12 Sơ đồ CPU với modul EM253 FM Stepdriver Luận văn thạc sỹ 97 Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC 4.5.5 Kết nối động bớc với FM Stepdriver Hình 4.13 Sơ đồ kết nối FM Stepdriver với động bớc 4.6 Kết nối modul điều khiển vị trí EM253 với công tắc hành trình giới hạn vị trí Hình 4.14 Sơ đồ kết nối EM253 với công tác hành trình giới hạn vị trí Luận văn thạc sỹ 98 Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC CHƯƠNG Kết luận Và BàN LUậN Sau kết nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC Tác giả có nhận xét sau Về yêu cầu kỹ thuật - Hệ thống đảm bảo kết nối hoàn chỉnh thiết bị hệ thống cấp phôi v hệ thống thay chày cối - Đảm bảo độ xác gia công nhờ việc sử dụng cấu chấp hành có độ xác cao nh cấu truyền động vít me bi, động bớc dẫn động chuyển động - Kích thớc gia công đợc đảm bảo nhờ hệ thống đo lờng, giám sát dch chuyển điện tử - ứng dụng công nghệ tiên tiến theo hớng tự động hóa trình sản xuất Về giá trị kinh tế - Hệ thống cấp phôi sau cải tiến đáp ứng đợc yêu cầu cao trình sản xuất đặt nh đa dạng hóa đợc sản phẩm nhà máy Khai thác tối đa thời gian máy móc thiết bị - Nâng cao đợc suất gia công rút ngắn đợc thời gian gá đặt phôi - Cải thiện điều kiện cho ngời lao động Luận văn thạc sỹ 99 Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC Về giá trị khoa học kỹ thuật - Luận văn xây dựng hồ sơ kỹ thuật làm phong phú thêm mảng tự động hóa trình sản xuất - Luận văn gắn kết hớng nghiên cứu kết hợp với sản xuất thực tế giải đợc nhu cầu doanh nghiệp Mang lại lợi ích cho doanh nghiệp xã hội - Luận văn sử dụng làm tài liệu tham khảo cho cán kỹ thuật chuyên ngành đột dập tự động, đồng thời giúp cho ngời bớc vào lĩnh tự động hóa có nhìn tổng quát Luận văn thạc sỹ 100 Học viên : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC Tài liệu tham khảo Máy công cụ CNC Tạ Duy Liêm, ĐHBK Hà Nội Công nghệ CNC Trần Văn Địch, ĐHBK Hà Nội Computer Numerical Control Prentice Hall, 2000 CAD/CAM Technology Prentice Hall, 2000 PGS.TS Nguyễn Đắc Lộc; PGS.TS Lê Văn Tiến; PGS.TS Ninh Đức Tốn; TS Trần Xuân Việt (2001), Sổ tay công nghệ chế tạo máy, NXB Khoa học kỹ thuật Tăng Huy, Nguyễn Đắc Lộc(1999), Điều khiển số công nghệ máy điều khiển số CNC, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến (2002), Giáo trình cảm biến, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Trần Xuân Việt(2006), Những khái niệm gia công CNC, Bài giảng cao học 2006 Tài liệu hớng dẫn sử dụng vận hành máy đột dập CNC (loại CP-1250 hãng Taift, đài loan) 10 Nguyễn Mậu Đằng, Công nghệ tạo hình kim loại tấm, Nhà xuất khoa học kỹ thuật 2006 11 Phạm Văn Nghệ, Đỗ Văn Phúc, Máy ép khí thiết bị dập tạo hình, Nhà xuất khoa học kỹ thuật 2004 Luận văn thạc sỹ 101 Học viên : Nguyễn Hữu Định ... Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC iii đối tợng phạm vi nghiên cứu - Đối tợng nghiên cứu: Nghiên cứu sản phẩm, cụm chi tiết máy, vận hành tháo lắp - Phạm vi nghiên cứu: Do điều... : Nguyễn Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC Chơng 1: Nghiên cứu lý thuyết máy công cụ điều khiển theo chơng trình số 1 tổng quan máy CNC 1.1 Nghiên cứu tổng quan hệ máy công cụ điều... Hữu Định Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC MC lục TT Danh mục Trang Chơng1: Nghiên cứu lý thuyết máy công cụ 16 điều khiển theo chơng trình số 1.1: Tổng quan máy CNC 16 1.1.1 Nghiên cứu tổng