Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình máy phay khoan CNC (2D)

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 1 NGHIÊN CỨU THIẾT CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHAY KHOAN CNC (2D) RESEARCH DESIGN AND MANUFACTURING MODEL OF MILLING- MACHINE CNC (2D) SVTH: ĐOÀN LÊ ANH - NGUYỄN DUY VŨ Lớp 03CDT, Trường Đại Học Bách Khoa GVHD: ThS. TRẦN MINH CHÍNH Khoa Cơ khí, Trường Đại Học Bách Khoa TÓM TĂT Trong lĩnh vực cơ khí, đặc biệt là cơ khí chính xác và lĩnh vực tự động hoá, máy phay CNC là một trong những thiết bị được sử dụng nhiều để gia công những chi tiết phức tạp, với độ chính xác cao, mà các máy phay thường không mà làm được. Do vậy, đề tài này tập trung vào các phần thiết kế, chế tạo loại máy phay CNC (2D). SUMMARY In mechanics, especially in the precise machinery and automatic fields, milling-machine CNC is one of the devides which is used a lot of process complicated details with high precision while types of formal milling-machine. Therefore, the them of research will concentrate on parts of design and manufacturing the model of milling-machine CNC 1. Mở đầu Hiện nay máy CNC được sử dụng rộng rãi trong nước ta, đặc biệt là trong lĩnh vực cơ khí chính xác cao và tự động hoá. Bởi vậy, việc nghiên cứu chế tạo ra máy phay khoan CNC là rất cần thiết trong công nghiệp hiện hoá ngày nay và cũng như tham gia sâu rộng vào quá trình hội nhập của thế giới. Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Giải quyết các vấn đề liên quan đến máy phay CNC (2D), đưa ra các giải pháp hợp lý để chế tạo thành công mô hình máy phay CNC. Mục đính chính của đề tài này là thiết kế chế tạo thành mô hình máy CNC để có thể sử dụng trong việc giảng dạy, học tập. 2. Nội dung 2.1. Xác định điều kiện cắt gọt Chọn vật liệu của chi tiết gia công và của dao: - Dao phay ngón: D18 ,vật liệu P18, Z=4 - Vật liệu gia công : Nhôm, mêca, đồng hợp kim, thép Ta xác định đụơc chế độ cắt gọt như trong bảng Bảng 2.1 Vật liệu gia công Chiều sâu cắt (mm) Vận tốc cắt (m/ph) Lượng chạy dao răng (mm/răng) Nhôm 3,5 300 - 400 0,08-0,12 Mêca - Đồng hợp kim - 70-67 0,1-0,12 Thép - 74-53 0,05-0,08 Từ bảng trên ta có đựoc các thong số chính về vận tốc cắt lớn nhất và bé nhất,và lượng chạy dao răng lớn nhất và bé nhất. Từ đó ta suy ra được vận tốc giới hạn của động cơ thực hiện chuyển động phay như sau: Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 2 max min min 1000 D V n   min max max 1000 D V n   Trong đó: Vmim : vận tốc cắt bé nhất Dmin : Đường kính dao bé nhất Vmax : Vận tốc cắt lớn nhất Dmax: Đường kính dao lớn nhất Và tiếp tục dựa vào bước vít của vít me đai ốc bi chọn trước ta có được vận tốc giới hạn mà động cơ bước thực hiện chuyển động theo phương X,Y phải đáp ứng được: t S ndc min min  t S ndc max max  Trong đó: Smin : lượng chạy dao bé nhất Smax : lượng chạy dao lớn nhất Sau khi tính toán ta có các số liệu sau: Bảng 2.2 Vật liệu nmax nmin ndcmax ndcmin Nhôm 8000 6000 576 512 Mêca Đồng hợp kim 1390 1330 127 108 Thép 1472 1054 67 59 2.2. Thiết kế máy 2.2.1. Động cơ dẫn động trục chính Động cơ một chiều (DC Motor) Ưu điểm: – Momen khởi động lớn,dễ điều khiển tốc độ và chiều, giá thành rẻ Nhược điểm: – Dải tốc độ điều khiển hẹp. – Phải có mạch nguồn riêng. Động cơ xoay chiều (AC Motor) Ưu điểm: – Cấp nguồn trực tiếp từ điện lưới xoay chiều. – Đa dạng và rất phong phú về chủng loại,giá thành rẻ Nhược điểm: – Phải có mạch cách ly giữa phần điều khiển và phần chấp hành để đảm bảo an toàn,monen khởi động nhỏ. – Mạch điều khiển tốc độ phức tạp,(biến tần). Kết luận Ở đề tài này, ta chọn động cơ dẫn động trục chính là động cơ DC với thông số : – Điện áp làm việc: 12VDC. – Dòng điện khởi động: 3A. – Tốc độ cực đại: 750 vòng/phút. 2.2.2. Động cơ dẫn động các trục tọa độ Động cơ bước (Stepping Motor) Ưu điểm: – Điều khiển vị trí, tốc độ chính xác, khônng cần mạch phản hồi – Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC. Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 3 Nhược điểm: – Giá thành cao, momen xoắn nhỏ. Động cơ một chiều (DC Motor) Ưu điểm: – Momen xoắn lớn, giá thành rẻ Nhược điểm: – Đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp. – Phải có mạch phản hồi thì mới có thể nâng cao độ chính xác. Kết luận Ta chọn động cơ bước làm động cơ dẫn động các trục tọa độ với các thông số : – Điện áp làm việc: 5V. – Dòng điện lớn nhất: 1,5A. – Loại động cơ lai, đơn cực, hai pha. 2.3. Bộ truyền biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến 2.3.1. Bộ truyền vít me – đai ốc Ưu điểm: – Giá thành rẻ, dễ chế tạo Nhược điểm: – Ứng suất tiếp xúc lớn, ma sát lớn,hiệu suất thấp – Khó loại trừ được khe hở giữa vít me và đai ốc. 2.3.2. Bộ truyền vít me – đai ốc bi Ưu điểm: – Đã có sẵn kết cầu khử khe hở và tạo sức căng ban đầu nhằm tăng độ cứng vững dọc trục, ma sát nhỏ, hiệu suất cao Nhược điểm: – Giá thành cao, khó chế tạo. 2.3.3. Kết luận Động cơ bước có khuyết điểm là momen xoắn nhỏ do đó đối với bộ truyền biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, ta chọn bộ truyền vít me – đai ốc bi. 2.4. Mạch điều khiển động cơ bước 2.4.1. Mạch sử dụng vi điều khiển Q1 IRF540N/TO Q2 A564 R1 15K R2 330 R3 15K Q3 IRF540N/TO Q4 A564 R4 15K R5 330 R6 15K Q5 IRF540N/TO Q6 A564 R7 15K R8 330 R9 15K Q7 IRF540N/TO Q8 A564 R10 15K R11 330 R12 15K GND GND GND GND RED YELLOW ORANGE BLUE 8051 VCC VCC VCC VCC Hình 2.1. Nguyên lý điều khiển động cơ bước dùng vi điều khiển 8051. Nguyên lý: Xem hình 2.1 Ưu và nhược điểm: Ưu điểm: Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 4 – Đa năng, điều khiển được nhiều loại động cơ bước khác nhau. – Đơn giản, dễ chế tạo mạch Nhược điểm: – Vì điều khiển gián tiếp qua vi điều khiển nên đáp ứng chậm. 2.4.2. Mạch sử dụng các IC LOGIC Nguyên lý: Xem hình 2.2 Q1 IRFZ44 Q2 IRFZ44 Q3 IRFZ44 Q4 IRFZ44 4013 D 5 CLK 3 Q 1 Q 2 VD D 14 S 6 GND 7 R 4 4013 D 9 CLK 11 Q 13 Q 12 VDD 14 S 8 GN D 7 R 10 RED ORANGE YELLOW BLUE 4030 1 2 3 4030 5 6 4 4030 8 9 10 4030 12 13 11 J1 X DIR 1 2 R1 47K VCC VCC VCC DIR STEP Hình 2.2. Nguyên lý điều khiển động cơ bước dùng các IC Logic. Ưu điểm: – Điều khiển trực tiếp nên đáp ứng nhanh. Nhược điểm: – Mạch tương đối phức tạp. 2.4.3. Kết luận Chọn mạch điều khiển động cơ bước dùng các IC Logic. 2.5. Cổng giao tiếp với máy tính 2.5.1. Cổng nối tiếp (Serial Port hay COM Port) Ưu điểm: – Truyền tín hiệu đi được khá xa. – Dễ lập trình điều khiển vì hầu hết các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng đều đã tích hợp sẵn module điều khiển cổng nối tiếp. Nhược điểm: – Tín hiệu truyền nối tiếp nên việc đồng bộ chuyển động các trục khó khăn. – Sử dụng chuẩn RS-232 không tương thích TTL. Phải có module chuyển đổi qua lại giữa RS-232 và TTL. 2.5.2. Cổng song song (LPT Port hay Parallel Port) Ưu điểm: – Tín hiệu được truyền song song, việc nội suy được thực hiện dễ dàng. – Tương thích TTL nên không cần module chuyển đổi. Nhược điểm: – Tín hiệu truyền đi không được xa. – Khó lập trình 3. Kết luận và kiến nghị: 3.1. Kết luận: Đề tài đã thiết kế, chế tạo được mô hình của máy phay CNC có thể sử dụng trong việc giảng dạy, học tâp. Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 5 3.2. Kiến nghị: Mô hình nên mở rộng một số điểm sau: – Nên giao tiếp bằng cổng nối tiếp để có thể truyền dữ liệu đi khoảng cách xa. – Cần có môdun mở rộng để có thể điều khiển bằng tay, không thông qua máy tính. – Nên sử dụng động cơ servo để điều khiển đến các toạ độ một cách chính xác. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS. Bùi Quý Lực, Hệ thống điều khiển số trong công nghiệp, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2004. [2] PGS. TS. Nguyễn Đắc Lộc, PGS. TS. Lê Văn Tiến, PGS. TS. Ninh Đức Tốn, TS Trần Xuân Việt, Sổ tay Công nghệ chế tạo máy (Tập 1 và 2), Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật (In lần thứ 2 có sữa chữa và bổ sung), 2002. [3] Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy (Tập 1 và 2), Nhà xuất bản Giáo Dục (Tái bản lần thứ 6), 2003. [4] ThS. Nguyễn Văn Phòng, Kỹ thuật số, Trường đại học Bách Khoa Đà Nẵng. [5] Douglas W. Jones, Control of Stepping Motors, 1995. [6] Jan Axelson, Parallel Port Complete: Programming, Interfacing & Using the PC'S Parallel Printer Port, 2000. [7]