Tiểu luận Thiết kế và chế tạo máy phay CNC mini

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHAY CNC MINI ` CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN MÁY PHAY CNC MINI Tốc độ quay của trục chính: Smax= 1500 (vg/ph) Dụng cụ cắt: Φ2 …Φ6 (mm) Kích thước bao: 600x400x600. Hành trình: Trục x: 240 (mm). Trục y: 280 (mm). Trục z: 200 (mm). Vật liệu chế tạo: Nhôm hợp kim, thép, đồng, nhựa. Vật liệu gia công: Gỗ, nhựa, mêca, nhôm… Độ chính xác gia công: ≤0,01. Điện áp sử dụng: 220 V. Khối lượng máy: 60 kg. Công suất: 1kw. Động cơ truyền động: Sử dụng động cơ bước 24V - 3A Động cơ trục chính: Sử dụng động cơ Spindle 3 Kw. Mạch điện: mạch Driver, mạch giao tiếp dùng cổng LPT Phần mềm điều khiển: Mach3, Kcam Trong đề tài lớn nhóm chúng em chọn làm đề tài: “Nghiên cứu và thiết kế mạch truyền dữ liệu cho máy CNC” điều khiển 3 trục x, y, z của máy phay. Cùng với việc tìm hiểu nghiên cứu và thiết kế chế tạo chúng em đã làm 2 mạch giao tiếp dùng cổng LPT. MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Trong công cuộc xây dựng và phát triển đát nước đang bước thời kỳ công nghiệp hóa hiện đại hóa với những cơ hội thuận lợi và những khó khăn thách thức lớn. Điều này dặt ra cho thế hệ trẻ, những người chủ tương lai của đất nước những nhiệm vụ nặng nề. Đất nước đang cần sức lực và trí tuệ cũng như lòng nhiệt huyết của những tri thức trẻ, trong đó có những kỹ sư tương lai. Với sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và trong các lĩnh vực điện- điện tử –tự động hóa – tin học nói riêng làm cho bộ mặt của xã hội thay đối từng ngày Trong đó Điều khiển chuyển động là một trong những lĩnh vực đa dạng và phát triển nhanh trong ngành điều khiển và tự động hoá. Trong những hệ thống điều khiển vị trí, tốc độ và moment yêu cầu sự chính xác cao rất cần đến một thiết bị đáp ứng.Đây là thách thức và các nhà khoa học, nhà sản xuất đã chế tạo ra một loại động cơ thể làm được nhiệm vụ này đó là động cơ servo. Ngày nay động cơ bước được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống, các máy công cụ, máy điều khiển số, robot,... yêu cầu sự chính xác cao. Với các ý nghĩa đó trong môn học Đồ án Hệ thống cơ điện tử với sự hướng dẫn của thầy giáo Ths. Nguyễn Hồng Lĩnh về đề tài “Thiết kế mạch giao tiếp ”. Trong thời gian nghiên cứu và thực hiện chắc chắn không tránh được sai sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ các quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực hiện Tôn Văn Hiếu Nguyễn Hữu Lợi LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc tới thầy Nguyễn Hồng Lĩnh truyền đạt cho chúng em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian vừa qua,thầy đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình làm “Đồ án môn học” này. Trong thời gian học tập, chúng em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả của thầy, đây là những điều rất cần thiết cho chúng em trong quá trình học tập và công tác sau này. NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY CNC Điều khiển số (Numerical Control) ra đời với mục đích điều khiển các quá trình công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ. Về thực chất, đây là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi và sản phẩm…) trên cơ sở cá dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống. Trước đây, cũng đã có các quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theo chương trình bằng các kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình bằng hệ thống thủy lực, cam hoặc điều khiển bằng mạch logic… Ngày nay, với việc ứng dụng các thành quả tiến bộ của Khoa học-Công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển số và tin học đã cho phép các nhà Chế tạo máy nghiên cứu đua vào máy công cụ các hệ thống điều khiển cho phép thực hiện các quá trình gia công một cách linh hoạt hơn, thích ứng với nền sản xuất hiện đại và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn. Về mặt khoa học: Trong những điều kiện hiện nay, nhờ những tiến bộ kỹ thuật đã cho phép chúng ta giải quyết các bài toán phức tạp hơn với độ chính xác cao hơn mà trước đây hoặc chưa đủ điề kiện hoặc quá phức tạp khiến ta phải bỏ qua một số yếu tố và dẫn đến một kết quả gần đúng. Chính vì vậy đã cho phép các nhà Chế tạo máy thiết kế và chế tạo các máy với các cơ cấu có hiệu suất cao, độ chính xác truyền động cao cũng như những khả năng chuyển động tạo hình phức tạp và chính xác hơn. Lịch sử phát triển của NC bắt nguồn từ các mục đích về quân sự và hàng không vũ trụ khi mà yêu cầu các chỉ tiêu về chất lượng của các máy bay, tên lửa… là cao nhất. Ngày nay, lịch sử phát triển NC đã trải qua các quá trình phát triển không ngừng cùng với sự phát triển trpng lĩnh vực vi xử lý thừ 4bit, 8bit… cho đến nay đã đạt đến 32bit và cho phép thế hệ sau cao hơn thế hệ trước và mạnh hơn về khả năng lưu trữ và xử lý. CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp. Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác do con người thực hiện được giảm thiểu. Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát triển đáng kể về chiính xác và chất lượng. Kỹ thuật tự động của CNC giảm thiểu các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các công việc khác. Ngoài ra còn cho phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác. Trong môi trường sản xuất, một loạt các máy CNC kết hợp thành một tổ hợp, gọi là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận. Máy CNC ngày nay được điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM, MACH3… vì thế một bộ phận hay lắp ráp có thể trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần các bản vẽ in của từng chi tiết. Có thể nói CNC là các phân đoạn của các hệ thống robot công nghiệp, tức là chúng được thiết kế để thực hiện nhiều thao các sản xuất (trong tầm giới hạn). I.Tổng quan về máy CNC 1. Khái niệm máy CNC Một định nghĩa hàn lâm và chặt chẽ về máy CNC được trình bày ở trang wikipedia.com: CNC – viết tắt cho Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) (điều khiển bằng máy tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc khác với mục đích sản xuất (có tính lập lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng kí hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G. Vì thế, bộ não của máy CNC là máy tính. Đây không phải là máy tính bình thường mà là máy tính với công suất tính toán cực nhanh. Hệ điều hành mà nó sử dụng là Fanuc, Fargor hoặc Mazak, chứ không phải là Windows  hay Mac như các máy tính (computer) mà chúng ta thường dùng hàng ngày (H1.1). H1.1-Máy tính được gắn liền với máy CNC thành một khối Máy tính này sẽ điều khiển các bộ phận cơ khí để cắt gọt kim loại. Chương trình được viết sẵn và được tự động thi hành khi bạn nhất nút Start. Chương trình này được dịch ra một thứ ngôn ngữ để máy tính có thể hiểu được. Sau đó, máy tính chuyển lệnh từ các chương trình qua các mạch điện tử đến điều khiển các bộ phận cơ khí. CNC được phát triển cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950 ở phòng thí nghiệm Servomechanism của trường MIT. H1.2-Máy tiện CNC H1.3-Máy phay CNC Tuy nhiên, dưới góc độ thực hành, chúng ta thấy như sau: Từ CNC là viết tắt của cụm từ tiếng Anh Computer Numerical Control, nghĩa là Máy tiện kim loại được điều khiển bằng máy tính. Vì thế, bộ não của máy CNC là máy tính. Đây không phải là máy tính bình thường mà là máy tính với công suất tính toán cực nhanh. Hệ điều hành mà nó sử dụng là Fanuc, Fargor hoặc Mazak, chứ không phải là Windows  hay Mac như các máy tính (computer) mà chúng ta thường dùng hàng ngày.  Máy tính này sẽ điều khiển các bộ phận cơ khí để cắt gọt kim loại. Chương trình được viết sẵn và được tự động thi hành khi bạn nhất nút Start. Chương trình này được dịch ra một thứ ngôn ngữ để máy tính có thể hiểu được. Sau đó, máy tính chuyển lệnh từ các chương trình qua các mạch điện tử đến điều khiển các bộ phận cơ khí. 2.Cấu tạo  Gồm hai phần: phần thân và Auto Bar (H1.4) H1.4-Cấu tạo máy CNC Phần Autobar dùng để chứa phôi và đẩy phôi lên bằng hệ thống khí. Khi hết phôi, hoặc kẹt phôi nếu bạn không xử lí, đèn Autobar sẽ báo hiệu. Nếu hệ thống khí không hoạt động, Autobar lập tức ngừng hoạt động. Khi thao tác với máy, bạn phải hết sức chú ý đến AutoBar, phải chắc chắn rằng Autobar mở trước khi cho máy hoạt động.      Chúng ta sẽ tập trung nhiều vào phần thân máy (xem H1.3) H1.5-Cấu tạo phần thân máy của máy CNC Đặc điểm và chức năng của các bộ phận: (từ trái sang phải, từ trên xuống dưới trong H1.3) Nắp đậy: Khi làm việc, dầu cắt phun vào nơi tiếp xúc giữa phôi và công cụ và bay tung tóe khắp buồn làm việc. Nếu bạn không đậy nắp này lại, dầu có thể dính vào người bạn. Vì lí do an toàn, phải đảm bảo nắp đậy trước khi xả dầu cắt.  Bảng cảnh báo: Hình ảnh trên bảng cảnh báo trong trường hợp này nhắc bạn rằng nếu bạn không đóng nắp đậy, có thể có những vật bay từ buồn làm việc ra và trúng vào người bạn.  Ống phun dầu: phun dầu cắt giữa nơi tiếp xúc giữa phôi và lưỡi dao để quá trình gia công có thể diễn ra. Dầu cắt có 2 tác dụng: Giảm độ mài mòn của lưỡi dao, và làm mát. Các ụ dao: chứa các holder. Ống đỡ phôi: ngậm phôi thông qua bush. Bàn phím nhập dữ liệu: Nơi bạn nhập các câu lệnh dưới dạng mã G và mã M. Bảng điều khiển: Gồm các nút bấm để điều khiển máy. Băng truyền: khi băng truyền chạy, nó nhặt chip dụng rơi xuống và vận chuyển ra ngoài. Chip là những mảnh dụng rơi ra khi dao gia công trên thanh phôi. 3.Chức năng Chức năng của máy CNC là cắt gọt kim loại, nghĩa là bạn đưa thanh thép hình trụ (phôi) vào máy CNC, máy sẽ gia công để tạo hình sản phẩm. Máy CNC cắt phôi bằng các lưỡi dao. Các lưỡi dao này phải có bộ phận để giữ nó. Những bộ phần này gọi là holder. Holder được gắn trên các ụ dao. H1.6-Dao phay 4.Nguyên lí gia công Những máy CNC mà chúng ta sẽ nghiên cứu sẽ có quy ước hệ tọa độ như sau: H1.7-Hệ tọa độ gia công Thông thường, quá trình gia công được tiến hành bằng một trong 2 cách sau: Phôi quay và tịnh tiến theo trục z, dao tịnh tiến theo trục z hoặc trục x hoặc trục y. Dao quay (thường là drill_khoan), phôi tịnh tiến hoặc đứng yên. II.Kết cấu chung của máy CNC 1. Nguyên tắc cấu trúc của máy CNC Phần lớn máy CNC làm việc theo hệ thống kín bao gồm 4 bộ phận sau: * Bộ phận chương trình: Bộ phận này bao gồm có bản chương trình, cơ cấu di chuyển chương trình, cơ cấu đọc chương trình. Các máy CNC hiện địa được trang bị những thiết bị có tính công nghệ cao phục vụ cho việc lập trình và điều khiển máy. Các máy tính có tốc độ xử lý cao dung lượng bộ nhớ lớn do đó có thể lưu trong bộ nhớ nhiều chương trình gia công đồng thời. Căn cứ vào bản vẽ chế tạo của chi tiết mà ta lập được các chương trình gia công cho máy thông qua các câu lệnh. Từ các câu lệnh đã được lập bộ phận nội suy của máy sẽ thiết lập được đường dịch chuyển của dụng cụ cắt. Có nhiều cách để lập chương trình cho máy CNC: Lập trình bên ngoài máy (offline): các chương trình được lập sẵn bên ngoài sau đó được lưu trữ vào các vật mang tin như đĩa từ, đĩa compact… rồi đưa vào trong bộ nhớ của máy CNC thông qua các thiết bị đọc hoặc truyền trực tiếp từ máy tính (đối với những máy CNC có kết nối với máy tính). Cách lập trình này thường được áp dụng cho những chi tiết phức tạp. Lập trình trực tiếp trên máy tính (online): các chương trình được lập trực tiếp tại phân xưởng gia công thông qua bàn phím của máy. Thường áp dụng cho những chi tiết gia công đơn giản. H1.8-. Hộp điều khiển * Bộ phận điều khiển: Từ chương trình gia công được đưa vào máy bộ nội suy của máy sẽ tính toán ra các đường đi của dụng cụ. Bộ phận điều khiển sẽ phát ra các lệnh điều khiển các thông số của quá trình gia công cũng như các quá trình phụ trợ ( điều khiển tốc độ quay của từng động cơ servo ứng với từng trục X,Y,Z, đóng hoặc mở dung dịch trơn lạnh, thay đổi dụng cụ cắt). Trong máy gia công điều khiển theo chương trình số, quãng đường chạy của các dụng cụ hoặc của chi tiết đã được cho trước mét cách chính xác thông qua các chỉ dẫn điều khiển trong chương trình NC. Tùy theo dạng của các chuyển động giữa điểm đầu và điểm cuối của quãng đường chạy này mà người ta chia thành 3 dạng điều khiển: - Điều khiển theo điểm - Điều khiển theo đường - Điều khiển theo đường viền (contour). Trong các dạng điều khiển ở trên thì dạng điều khiển theo điểm là đơn giản nhât được ứng dụng khi gia công theo các tọa độ xác định đơn giản, quá trình gia công chỉ được thực hiện ở điểm đích. Dạng điều khiển theo đường phức tạp hơn dạng điều khiển dạng điểm cho phép tạo ra các đường chạy song song với các trục tọa độ, trong khi chạy dao cắt gọt liên tục tạo nên bề mặt gia công. Trong điều kiện điều khiển mở rộng 2 trục của máy chuyển động với tốc độ như nhau đồng thời ta có thể gia công bề mặt côn 45. * Bộ phận liên hệ ngược ( bộ phận phản hồi) và bộ phận đo lường: Để chính xác cần có hệ thống đo đảm bảo độ chính xác. Để biết được khoảng dịch chuyển của bàn trượt máy và góc quay của bàn quay, người ta sử dụng cảm biến đo gia số, bộ mã góc và xenxin. Vị trí bàn máy thường không đo trực tiếp qua hệ thống đo trên các sống trượt của thân máy mà đo gián tiếp qua việc đo góc tại các cơ cấu chuyển động. Cảm biến đo dịch chuyển là thươc đo có khắc vạch, các tấm khắc vạch không tiếp xúc qua ánh sáng hoặc từ tính. Khi đo theo phương pháp ánh sáng đi qua người ta thường dùng thước vạch bằng thủy tinh có các vạch không cho ánh sáng đi qua và các khe hở cho ánh sáng đi qua. Thiết bị quét gồm một nguồn sáng mạnh, một tấm quét và một hệ thống đánh giá điện tử. Các tấm quét giống như một cái thước có khắc vạch không cho ánh sáng đi qua và khe hở cho ánh sáng đi qua. Khi các khe hở của thước và của các tấm quét đứng đối diện mét cách chính xác, ánh sáng từ nguồn sáng có thể đến được các đi-ốt quang điện rất nhạy cảm với ánh sáng và được đnáh giá bằng điện tử. Tín hiệu sáng, tối sẽ được thiết bị đếm xung ghi nhận và từ đó tính được khoảng dịch chuyển của bàn máy. Tùy theo bước chia của thước mà ta sẽ có được độ chính xácđo tương ứng và xác định được chính xác vị trí bàn máy.  2 Kết cấu cơ khí của máy phay CNC 2.2.1. Bộ phận thân máy. Thân máy phải đảm bảo độc cứng vững, kết cấu gọn nhẹ. Thân máy có nhiệm vụ đỡ toàn bộ các bộ phận của máy có chuyển động tương đối với nhau để tạo ra quá trình cắt gọt. Vì vậy kết cấu của thân máy phải đảm bảo chống được rung động trong quá trình gia công. Thân máy bao gồm các bộ phận sau: H1.9 – Thân máy 1-  Chân đế.  2-  Bu lông điều chỉnh nền móng.  3-  Đường hướng (Dẫn hướng trục x ).  4-  Hệ thống lắp trục vít me đai ốc bi. 2.2.2 Bộ phận trục X.  Nhiệm vụ : Thực hiện chuyển động dọc theo thân máy. Để thực hiện chuyển động này nhờ trục vít me đai ốc bi dẫn động bằng động cơ bước hoặc động cơ servo. Kết cấu của trục X như sau: H 1.10 - Trục X.       1 - Khung ( Phải đảm bảo cứng vững).     2 - Cụm đường hướng.  3 - Đường dẫn hướng trục Y.    4 - Công tắc hành trình.     5 - Cơ cấu lắp trục vít me đai ốc bi.  2.2.3. Bộ phận trục Z Nhiệm vụ : Có tác dụng đỡ toàn bộ phần cụm trục chính để cụm trục chính thực hiện chuyển động lên xuống tạo ra chiều sâu cắt. Thực hiện chuyển động này nhờ trục vít me đai ốc bi, dẫn động nhờ động cơ bước hoặc động cơ servo. Kết cấu trục Z như sau: H 1.11- Trục Z              1 - Khung.              2 - Gân tăng cứng.               3 - Công tắc hành trình.             4 - Cụm đường hướng.             5 - Hệ thống lắp trục vít me đai ốc bi.  2.2.4. Bộ phận trục Y.  Nhiệm vụ: Thực hiện chuyển động vuông góc với trục X. Chuyển động trên đường dẫn hướng của trục X. Thực hiện chuyển động này nhờ trục vít me đai ốc bi, dẫn động nhờ động cơ bước hoặc động cơ servo. Kết cấu trục Y như sau: H1.12- Trục Y.            1 - Mặt bàn ( Bố trí các rãnh chữ T để kẹp phôi ).         2 - Cụm  đường hướng.          3 - Cơ cấu lắp trục vít me đai ốc bi.          4 - Công tắc hành trình.           5 - Vỏ bọc che chắn bôi và phoi.  2.2.5. Bộ phận đầu máy Nhiệm vụ: Mang cụm trục chính thực hiện chuyển động dọc theo trục Z, thực hiện chuyển động này nhờ trục vít me đai ốc bi dẫn động bằng động cơ bước hoặc động cơ servo. Kết cấu chính của đầu máy như sau: H1.13-. Đầu máy           1 - Khung          2 - Xy lanh khí nén           3 – Trục chính           4 – Động cơ điện           5 – Puly dẫn động           6 - Đai t