TỔNG QUAN
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
Nghiên cứu và chế tạo máy CNC yêu cầu sinh viên tích lũy kiến thức đa dạng về cơ khí, điện tử và tin học Đây là cơ hội để họ khám phá, kiểm nghiệm và hiểu biết sâu sắc về các máy CNC hiện đại, từ đó phát triển máy CNC phù hợp với khả năng và nhu cầu sử dụng Đề tài mà nhóm thực hiện sẽ giúp củng cố kiến thức và kỹ năng toàn diện Sản phẩm hoàn thiện sẽ phục vụ cho sản xuất gia công trong lĩnh vực điêu khắc, trang trí và nội thất bằng gỗ.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Hoàn thiện hệ thống điều khiển và các chức năng hỗ trợ gia công
Gia công thử nghiệm máy với nhiều chế độ để đánh giá độ ổn định
Lập trình, điều khiển máy CNC trên để gia công ra sản phẩm và đạt độ chính xác theo yêu cầu
Tình hình chạm khắc đồ gỗ hiện nay
Nghề chạm khắc gỗ tại Việt Nam là một ngành nghề truyền thống, được hình thành và phát triển qua nhiều thế hệ Kinh nghiệm trong việc chế tác các sản phẩm gỗ mang đậm nét văn hóa dân tộc đã được truyền từ đời này sang đời khác Nghề này sử dụng nguyên liệu và phương pháp chạm khắc mang tính truyền thống, với các công cụ thủ công như chàng tách và đục để tạo ra những bức hoa văn, phù điêu, bệ tủ chè, bệ sập, cũng như tượng người và con giống.
Sự phát triển kinh tế - xã hội đã làm gia tăng nhu cầu về giá trị nghệ thuật, dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của các sản phẩm như tủ, giường, bàn ghế và các mặt hàng văn hóa tại nhiều làng nghề và cơ sở sản xuất trên cả nước Hiện nay, tranh khắc gỗ Việt Nam đang trở thành lựa chọn ưa chuộng của khách du lịch trong và ngoài nước.
Máy CNC điêu khắc gỗ ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về số lượng đơn hàng lớn và mẫu mã đa dạng trong ngành sản phẩm mộc Thiết bị này cho phép cải tiến đường nét, hoa văn và kiểu dáng, phù hợp với yêu cầu và thị hiếu của người tiêu dùng hiện đại.
Hình 1 2 Một số máy phay gỗ CNC
Những lợi ích nó mang lại là vô cùng lớn nhƣ:
Máy CNC khắc gỗ giúp tăng cao năng suất lao động đáng kể, cho phép sản xuất nhiều sản phẩm hơn trong cùng một khoảng thời gian so với phương pháp thủ công truyền thống.
Tiết kiệm thời gian: máy khắc CNC giúp tận dụng tối đa thời gian hiện có của mình để thực hiện ƣớc mơ một cách nhanh nhất có thể
Sử dụng máy khắc CNC giúp tiết kiệm chi phí nhân công đáng kể, vì không cần thuê thợ đục, đẽo, giảm gánh nặng tài chính Bên cạnh đó, việc trang bị máy hút bụi công nghiệp cho máy CNC không chỉ làm sạch môi trường làm việc mà còn bảo vệ sức khỏe cho bản thân và gia đình, giảm thiểu tác động của bụi bẩn và mùn cưa gỗ.
Sử dụng máy CNC khắc gỗ không chỉ giúp tạo ra những sản phẩm tinh tế mà còn nâng cao an toàn lao động trong ngành chế biến gỗ Việc giảm thiểu thao tác trực tiếp giúp người lao động tránh được những rủi ro và nguy hiểm khi làm việc với dụng cụ sắc nhọn, từ đó nâng cao hiệu quả và an toàn trong quá trình sản xuất.
Nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, nhóm đã quyết định nghiên cứu và hoàn thiện máy phay gỗ điều khiển số sử dụng phần mềm MACH3 Đề tài này tập trung vào việc gia công chạm khắc các chi tiết gỗ, đặc biệt là các chi tiết 3D phức tạp, giúp rút ngắn thời gian và nâng cao độ chính xác, khắc phục những hạn chế của phương pháp thủ công truyền thống.
PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Khái quát về máy cnc
CNC (Điều khiển chương trình số bằng máy tính) là hệ thống máy công cụ sử dụng mã số, chữ cái và ký tự đặc biệt để điều khiển tự động Các bộ phận của máy được lập trình để hoạt động theo các sự kiện liên tiếp với tốc độ xác định, giúp tạo ra các chi tiết với hình dạng và kích thước theo yêu cầu.
Dựa vào đặc điểm gia công và hình dạng, CNC có thế chia làm 3 nhóm:
Nhóm máy CNC phay, khoan và doa có đặc trưng với chuyển động chính là chuyển động vòng của dao cắt, tương tự như các loại máy phay, khoan và doa ngang.
- Nhóm CNC tiện - khoan hoặc tiện - phay: với chuyển động chính là chuyển động vòng của phôi, và hình dạng gần giống máy tiện
Nhóm CNC đặc biệt bao gồm các phương pháp gia công đa dạng, ngoại trừ nguyên công bào, với hình dạng và kích thước sản phẩm rất phong phú.
So với các máy điều khiển công cụ bằng tay, máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển mà dựa vào chương trình đã được lập trình sẵn Người điều khiển chủ yếu thực hiện nhiệm vụ giám sát và kiểm tra các chức năng hoạt động của máy.
- Độ chính xác làm việc cao Thông thường các máy CNC có độ chính xác máy là 0.001mm do đó có thể đạt đƣợc độ chính xác cao hơn
Chọn cơ cấu dẫn động cho các trục
2.2.1 Sử dụng động cơ bước:
Các dạng điều khiển động cơ bước:
Điều khiển cả bước là phương pháp điều khiển động cơ bằng cách cấp xung, giúp động cơ quay một góc nhỏ nhất tương ứng với bước góc ghi trên nhãn Phương pháp này có hai sơ đồ cấp xung: dạng cấp xung lần lượt cho từng cuộn pha, trong đó chỉ có một cuộn dây dẫn điện tại mỗi thời điểm, dẫn đến mômen xoắn thu được thấp hơn so với thông số kỹ thuật Dạng cấp xung thứ hai cho phép hai cuộn dây luôn có dòng điện chạy qua, tạo ra mômen xoắn lớn hơn và tận dụng tối đa khả năng của động cơ.
Điều khiển nửa bước là phương pháp điều khiển kết hợp hai dạng cấp xung của điều khiển đủ bước, trong đó điện được cấp lần lượt cho một cuộn dây và hai cuộn dây xen kẽ nhau Kết quả là bước góc giảm xuống một nửa so với điều khiển cả bước, trong khi momen xoắn cũng giảm khi chỉ có một cuộn dây được cấp điện Tuy nhiên, có thể tăng cường độ dòng điện đi qua cuộn dây để bù lại sự giảm momen này.
Hình 2 2 Điều khiển cả bước
Điều khiển vi bước cho phép động cơ quay với các bước nhỏ hơn bằng cách sử dụng các dòng điện khác nhau qua hai đầu dây động cơ tại mỗi thời điểm.
Bộ điều khiển mạch hở có nhiều Ƣu điểm nổi bật như giá thành rẻ, khả năng duy trì moment rất tốt và chi phí bảo dưỡng thấp Đặc biệt, loại bộ điều khiển này không yêu cầu điều chỉnh các thông số điều khiển, giúp tiết kiệm thời gian và công sức cho người sử dụng.
Nhược điểm của động cơ này bao gồm phạm vi ứng dụng hạn chế chỉ ở lĩnh vực công suất nhỏ và trung bình, kích cỡ của nó cũng có giới hạn, hoạt động ồn ào, mô-men xoắn giảm theo tốc độ, và hiệu suất thấp hơn so với các loại động cơ khác.
2.2.2 Tính công suất động cơ trục X:
- Trọng lƣợng các bộ phận trên trục vít me X, m x = 342 N (tính từ mô hình 3-D trong Solidworks)
Hình 2 3 Điều khiển nửa bước
Hình 2 4 Dòng điện qua 2 pha
- Lực ma sát theo hướng song song với trục của vít me trục X:
2.2.3 Tính công suất động cơ trục Y:
- Trọng lƣợng các bộ phận trên trục vít me Y, my = 1067N (tính từ mô hình 3D trong Solidworks)
- Lực ma sát theo hướng song song với trục của vít me trục Y:
2.2.4 Tính công suất động cơ trục Z:
- Trọng lƣợng các bộ phận trên trục vít me Z, mz = 253 N (tính từ mô hình 3-D trong Solidworks)
- Khi không cắt trục z tịnh tiến lên nâng các bộ phận trục z nên tải trọng tối đa trên trục z là:
Dựa trên các tính toán, lực cực đại xuất hiện khi vận hành trục x Vì vậy, chúng ta quyết định chọn trục x để tính toán động cơ cho cả ba trục.
Chọn động cơ bước và bộ Driver
Hình 2 8 Động cơ bước và driver Động cơ 3000 rpm, encoder 8192 ppr, mô-men xoắn 0,64Nm
Cơ cấu truyền động
Vitme-đai ốc bi có cấu tạo gồm: trục vitme, đai ốc, bi và ống hồi bi
Bề mặt ren của trục vitme được tôi cứng, cho phép hoạt động hiệu quả trên các viên bi đỡ Nhờ vào các viên bi này, ma sát trượt trên vitme-đai ốc được thay thế bằng ma sát lăn, giúp cải thiện hiệu suất hoạt động của hệ thống vitme-đai ốc bi.
Kết quả là ma sát nhỏ hơn và hiệu suất vitme-đai ốc bi trên 90%
- Mô-men xoắn cần thiết cho trục vít trên trục x:
Chọn động cơ có mô-men xoắn lớn hơn 14,68 N.cm đảm bảo đƣợc các yêu cầu kỹ thuật
Hình 2 9 Cấu tạo vitme - đai ốc bi
Trong các hệ thống máy móc, thanh trượt đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn hướng chuyển động Trong số nhiều loại thanh trượt khác nhau, thanh trượt bi là loại chủ yếu được sử dụng trong máy CNC.
Cấu tạo của thanh trượt bi gồm có: thanh ray (thanh dẫn hướng), ổ trượt, bi, rọ chứa bi, rãnh chứa bi
Khi lực tác động lên ổ trượt theo chiều thanh dẫn, ổ trượt và thanh ray có sự chuyển động tương đối nhờ vào chuyển động lăn của các viên bi tiếp xúc giữa chúng Những viên bi này, kết hợp với lớp mỡ bôi trơn, giúp giảm đáng kể lực ma sát, từ đó làm cho chuyển động trượt trở nên dễ dàng hơn.
Mạch nguồn
Trong mô hình máy CNC, thiết kế và chế tạo các mạch điện tử là rất quan trọng Một trong những thành phần chủ chốt là mạch nguồn, có chức năng chuyển đổi điện lưới xoay chiều 220V thành điện một chiều với điện áp thấp, nhằm cung cấp năng lượng cho các mạch điện và thiết bị khác hoạt động hiệu quả.
Mạch nguồn được chia thành hai loại chính: mạch nguồn dùng biến áp thường và mạch nguồn xung Mạch nguồn biến áp thường có nhược điểm là không cung cấp đủ dòng, đáp ứng chậm và sụt áp lớn Ngược lại, mạch nguồn xung có kích thước nhỏ gọn, đảm bảo cung cấp đủ dòng và có tốc độ đáp ứng nhanh hơn Do đó, mạch nguồn xung là sự lựa chọn tối ưu.
Thông số kĩ thuật của mạch nguồn:
Khi cung cấp dòng điện 220V AC/50Hz, bộ lọc và chỉnh lưu sẽ chuyển đổi dòng AC thành dòng DC thông qua cầu điốt, cuộn dây và các tụ hóa dung lượng lớn Dòng DC sau đó được biến đổi thành tần số cao từ 20 đến 200kHz nhờ MOSFET hoặc transistor lưỡng cực, và được đưa vào cuộn dây sơ cấp của biến áp xung hạ áp Kết quả là dòng điện có tần số cao nhưng điện áp thấp hơn (khoảng 24V) xuất hiện ở cuộn thứ cấp Cuối cùng, dòng điện này được xử lý qua bộ sửa dòng để chuyển thành dòng một chiều, loại bỏ dao động bằng cách sử dụng điốt Zener, cuộn dây và tụ điện Mạch nguồn cũng có bộ hồi tiếp để duy trì mức điện áp đầu ra ổn định ở 24V.
Hình 2 12 Các chân in – out của nguồn
Phần mềm điều khiển
Hệ điều khiển là một thành phần quan trọng của máy phay gỗ điều khiển số, có chức năng chuyển đổi các lệnh mã G thành xung cho động cơ Quá trình này diễn ra sau khi các lệnh được xử lý qua bộ nội suy bằng phần mềm.
Phần mềm cho mô hình máy phay gỗ điều khiển số cần có khả năng giao tiếp với mạch điều khiển, bao gồm việc thu nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến Ngoài ra, phần mềm phải nhận diện G-code và thực hiện nội suy, điều này đặc biệt quan trọng khi máy phay cần khắc các hình dạng phức tạp Do đó, việc lựa chọn phần mềm điều khiển chuyên nghiệp từ một nhà sản xuất uy tín là giải pháp tối ưu cho hiệu suất và độ chính xác.
Phần mềm Mach3 của hãng Art Soft là lựa chọn phổ biến cho máy phay gỗ điều khiển số tự chế, nổi bật với thiết kế chuyên nghiệp và nhiều tính năng vượt trội so với các phần mềm khác như Kcam của Kellyware Mach3 không chỉ mô phỏng quá trình làm việc rõ ràng mà còn cho phép người dùng dễ dàng khai báo và thiết lập các thông số cũng như điều khiển hệ thống, trong khi Kcam có giao diện đơn giản và ít tính năng hơn.
Tóm lại, nhóm quyết định sử dụng Mach3 để điều khiển máy phay gỗ cnc điều khiển số
Hình 2 13 Giao diện phần mềm Mach 3
Chọn spindle trục chính
Khi thiết kế máy, việc xác định công suất động cơ spindle là rất quan trọng để tính toán động lực học cho các chi tiết và bộ phận máy Tuy nhiên, việc xác định chính xác công suất động cơ điện trong thiết kế mới thường gặp khó khăn.
Khó khăn trong việc xác định chính xác lực cắt và lực chạy dao trong các quá trình gia công khác nhau trên máy, đặc biệt là trong giai đoạn khởi động và đảo chiều.
- Chƣa hiểu rõ các điều kiện sử dụng máy
Việc xác định tổn thất do ma sát trong các khâu truyền động, đặc biệt là ở vận tốc cao, thường gặp khó khăn Do đó, trong thực tế, công suất động cơ thường được xác định dựa trên kinh nghiệm hoặc thông qua việc so sánh với công suất của các máy móc hiện có.
Công suất cắt N c đƣợc tính trên cơ sở lực cắt tới hạn [6]
(m/ph) vận tốc cắt (2.2) lực cắt tới hạn (N) , Bảng 1-4 [6]
Với: c = 140: Hệ số xét đến vật liệu gia công và điều kiện khi tính vận tốc cắt t = 4 : chiều sâu cắt (mm) sz =0,05 : Lƣợng chạy dao răng (mm/r)
Công suất cắt Nc thường chiếm khoảng 70 80% công suất động cơ điện, nên tính gần đúng công suất động cơ điện theo công thức sau:
Vậy nên ta chọn động cơ điện spindle 1,5 kW > 1,4 kW
Hệ số ma sát giữa các bộ phận chuyển động trong cấu trúc máy, như vít me bi và mặt bích, là 0,02, trong khi hệ số ma sát giữa các bộ phận chuyển động trên ray trượt là 0,03.
- Lực cắt tối đa trên trục chính: (N)
- Hệ số của ma sát μ = 0,03
Bảng 2 1 Bảng thông số tính toán
Thông số Giá trị Đường kính dao (D) 10 mm
Chiều sâu cắt (t) 4 mm Tốc độ chạy dao max (Sm) 1200 mm/min Cống suất spindle 1500 W
188 mm Điện áp sử dụng (v) 220v (điện áp đầu ra biến tần) hoặc 3 phase
Vòng bi sử dụng c7002 Đầu kẹp dao
3kg Bảng 2 2 Thông số spindle
Dụng cụ khắc (dao V Shaped Flat Bottom Cutters (Dao khắc 3D))
+ Vật liệu: Hợp kim cứng YG10X (thép cacbua vonfram)
+ Ứng dụng dao khắc: Khắc 3D, cắt, phay…
Dao khắc phù hợp với nhiều loại vật liệu như gỗ, acrylic, PVC, bảng hai màu, MDF và nhựa Ưu điểm nổi bật của dao khắc là khả năng làm việc nhanh chóng, cho bề mặt mịn, có sức mạnh lớn, dễ sử dụng và bền bỉ theo thời gian.
HOÀN THIỆN PHẦN KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA MÁY
Tính toán kiểm bền phần cơ khí
Để đảm bảo máy hoạt động hiệu quả và bền bỉ, việc xây dựng mô hình 3D và kiểm tra độ bền của các chi tiết lắp ráp là rất quan trọng Điều này giúp tránh hư hỏng trong quá trình lắp ráp và vận hành do thiếu độ bền, từ đó giảm thiểu chi phí phát sinh không mong muốn Kiểm tra độ bền của các chi tiết máy là một bước không thể thiếu trong quy trình sản xuất.
Mô hình của máy xây dựng bằng solidwork
Theo kết quả tính toán từ Chương 2:
Ta có lực tác động vào các trục:
Lực cắt lớn nhất tác dụng vào trục chính Pz = 93,36 N
Chọn hệ số an toàn bằng 3 ta đƣợc P z 300N
Sử dụng phần mềm Solidwork để hỗ trợ kiểm bền và từ các thông số trên ta có:
3.1.1 Kiểm bền đế khung máy và vai trục Y:
- Fix 4 phía dưới của 4 chân đế
- Đặt lực vào mặt trên của khung đế và lực tác động trục Y :
Lực đặt trên khung đế máy là trọng lƣợng của trục X và trục Y tính theo hình 2.6 và trọng lƣợng bàn máy P = 1066 + 300 = 1366 N
Lực tác động trục Y : P ty 125.37 N
Sau đó tiến hành kiểm bền ta đƣợc kết quả: Ứng suất : - Công thức tính ứng suất:
Trong đó: z : Ứng suất phát sinh khi chịu lực tác dụng (N/mm 2 ), (MPa)
Fz: Lực tác dụng (N) A: Diện tích bề mặt chịu lực (mm 2 )
Có nhiều ứng Ứng suất phát sinh trên vật liệu chỉ có 3 loại:
Ứng suất cắt là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá khả năng chịu lực của vật liệu Chúng ta cần so sánh ứng suất tương đương của vật liệu khi có lực tác động với ứng suất cho phép của nó Qua đó, ta có thể xác định xem vật liệu có đáp ứng được yêu cầu làm việc hay không Nếu không đạt yêu cầu, cần tìm kiếm phương án thay thế hợp lý để đảm bảo hiệu suất và an toàn trong sử dụng.
33 và tránh được trường hợp phát sinh chi phí không có trong phương án thực hiện sản phẩm
Hình 3 1 Kết quả kiểm tra ứng suất khung đế máy và vai trục Y
Kết quả cho thấy ứng suất tương đương lớn nhất trên chi tiết là 5,05MPa, thấp hơn nhiều so với ứng suất cho phép tối đa của vật liệu là 250MPa Điều này chứng tỏ chi tiết có độ bền đủ để đáp ứng yêu cầu hoạt động của máy.
- Kí hiệu cho đại lƣợng lực (bao gồm lực tập trung và ngẫu lực) : P k là lực tại vị trí và theo phương k
- Kí hiệu cho đại lƣợng chuyển vị: ∆
+ ∆k: Chuyển vị tại vị trí và theo phương k
+ ∆km: Chuyển vị tại vị trí và theo phương k do lực Pm sinh ra
- ∂ km : Chuyển vị đơn vị tai vị trí và theo phương k do tải trọng P m =1 gây ra
- Vật liệu đàn hồi tuyến tính nên ta có :
∆km = Pm x ∂km và ∆k 1 n i ki i
Hình 3 2 Kết quả chuyển vị khung đế máy và vai trục Y
Kết quả cho thấy chuyển vị lớn nhất của chi kiểm bền là 0.035 mm, nhỏ hơn độ chính xác của máy là 0.05 mm Điều này chứng tỏ rằng khi gia công, sai lệch kích thước nhỏ hơn so với kích thước thực tế, từ đó đáp ứng được yêu cầu đề ra.
3.1.2 Kiểm bền vai trục X và thanh truyền động trục Y:
- Fix mặt dưới vai trục X
- Đặt lực vào 2 bên vai: lực tác dụng vào trục X
Hình 3 3 Kiểm tra ứng suất vai trục X và thanh truyền động trục Y
Kết quả cho thấy ứng suất tương đương lớn nhất trên chi tiết là 8,607 MPa, thấp hơn nhiều so với ứng suất tối đa cho phép của vật liệu là 250 MPa Do đó, chi tiết này đủ bền và đáp ứng yêu cầu hoạt động của máy.
Hình 3 4 Kết quả chuyển vị vai trục X và thanh truyền động trục Y
Kết quả cho thấy chuyển vị lớn nhất của chi kiểm bền là 0.033 mm, nhỏ hơn độ chính xác của máy là 0.05 mm Do đó, khi gia công, sai lệch kích thước nhỏ hơn kích thước thực tế vẫn đáp ứng được yêu cầu đề ra.
3.1.3 Kiểm bền giá đỡ spindle trục chính:
- Fix 4 con bulông gắng gá spindle với trục Z
- Đặt lực vào các vị trí lắp spindle, lực Pz = 100,95 N là phản lực khi gia công do dao sinh ra
Hình 3 5 Kiểm tra ứng suất giá đỡ spindle
Kết quả phân tích cho thấy ứng suất tương đương lớn nhất trên chi tiết là 0.2135 MPa, thấp hơn nhiều so với ứng suất cho phép tối đa của vật liệu là 250 MPa Do đó, chi tiết này đủ bền và đáp ứng yêu cầu khi máy hoạt động.
Hình 3 6 Kết quả chuyển vị giá đỡ spindle
Kết quả cho thấy chuyển vị lớn nhất của chi kiểm bền là 0.00075 mm, nhỏ hơn độ chính xác của máy là 0.05 mm (theo kiểm tra ở chương 5 trang 59) Do đó, khi gia công, sai lệch kích thước nhỏ so với kích thước thực tế vẫn đáp ứng yêu cầu đề ra.
Lắp đặt hệ thống giải nhiệt và dây dẫn điện cho máy
Khi gia công spindle liên tục trong thời gian dài, nước trong hệ thống có thể nóng lên, dẫn đến nhiệt độ cao trong spindle Để khắc phục tình trạng này, sử dụng két nước giải nhiệt của xe máy để dẫn nước qua các lá nhôm, giúp tản nhiệt hiệu quả hơn Bên cạnh đó, việc gắn thêm quạt hút trên các lá nhôm sẽ cải thiện khả năng giải nhiệt, đảm bảo quá trình gia công diễn ra liên tục mà nhiệt độ nước không vượt quá mức an toàn.
Hình 3 7 Sơ đồ hệ thống làm mát
Dùng dây xích nhựa để đi dây điện và dây dẫn nước làm máy spindle: Máng xích nhựa 25x75: 245.000/m kích thước trong Cao 25mmxRộng 75mmxDài 1000mm
Lắp đặt bàn máy
Bàn máy đƣợc làm bằng nhôm định hình 80x40 và dài 1200 (mm):
Hình 3 9 Nhôm định hình làm bàn máy
Các thanh nhôm được gắn chặt với đế máy bằng bulông và đai ốc, nằm trên hai thanh nhôm nằm ngang Sự kết nối giữa các thanh nhôm được thực hiện thông qua các kê vuông.
Kết cấu của máy
Sau khi nghiên cứu sản phẩm từ xưởng nghề và xem xét các đơn đặt hàng trước đó, nhóm đã xác định các sản phẩm và kích thước phù hợp với nhu cầu thực tế, đảm bảo chất lượng và số lượng Để tối ưu hóa thời gian, nhóm quyết định xây dựng một mô hình 3D cho máy CNC.
Hình 3 11 Hình ảnh thực tế của máy
Từ yêu cầu về kích thước sản phẩm của khách hàng ta thiết kế máy theo kích thước: Máy gồm 3 trục chính x, y, z kích thước bao: 1360x965x1087
- Sử dụng động cơ bước truyền động cho vít me để di chuyển bàn máy với thanh trượt vuông dẫn hướng
Đối với trục x ta chọn vít me bi có đường kính % bước 5, dài 1200 mm
Đối với trục y ta chọn vít me bi có đường kính = 25 bước 5, dài 810 mm
Đối với trục z ta chọn vít me bi có đường kính = 20 bước 5, dài 420 mm
3.4.1 Thiết kế và chế tạo các chi tiết máy điển hình:
Đế máy được làm từ thép hộp 75x75 và 40x40, cùng với thép tấm dày 8 mm, mang lại kết cấu vững chắc, dễ dàng gia công và lắp ghép, đồng thời có giá thành hợp lý.
- Gá đỡ trục X: 2 tấm đối xứng nhau và đƣợc gắn vào đế máy thông qua con trƣợt tròn gắn trên thanh trƣợt trục x
Vật liệu thép tấm kích thước 380x220x15 Vì yêu cầu độ chính xác cao nên chi tiết đƣợc gia công trên máy CNC
- Gá đỡ spindle: đƣợc lắp trên thanh trƣợt của trục z
Hình 3 14 Giá đỡ spindle ( Nguồn: CNC24h.com) Vật liệu nhôm định hình 600x110x30 đƣợc đặt hàng tại CNC24h.com
Gá đỡ 1 : là chi tiết liên kết trục y với trục z Đƣợc gắn lên đế con trƣợt trục y
Hình 3 15 Giá đỡ trục 1 trục Z Vật liệu thép tấm kích thước 240x380x8 được gia công trên máy phay cơ
Gá đỡ 2 : là chi tiết liên kết giữa con trƣợt và gá đỡ spindle
Hình 3 16 Giá đỡ 2 trục Z Vật liệu nhôm tấm kích thước 260x220x12 được gia công trên máy phay
HOÀN THÀNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC CHỨC NĂNG HỔ TRỢ
Giới thiệu về phần mềm mach 3
Mach3 là phần mềm điều khiển máy CNC do Artsoft phát triển, tương thích với hệ điều hành Windows Phần mềm này cho phép điều khiển động cơ bước và động cơ servo thông qua lệnh G-code.
Giao diện chính của mach3 (trang Program Run):
Tín hiệu từ Mach3 được truyền qua cổng LPT, với cổng song song (Parallel port) là phương tiện chính để giao tiếp giữa máy tính và máy in Cổng này có 8 hàng dữ liệu 1 bit, cho phép truyền đồng thời 1 byte qua 8 dây dẫn Cổng song song sử dụng 3 thanh ghi 8 bit, bao gồm thanh ghi trạng thái, thanh ghi dữ liệu và thanh ghi điều khiển, để quản lý quá trình truyền thông tin.
Cổng song song bao gồm 25 chân được bố trí theo sơ đồ dưới đây:
8 chân dùng để gởi và nhận dữ liệu (từ chân số 2 đến số 9) gọi là DATA Port Dữ liệu trao đổi qua 8 pin này đƣợc gói gọn trong 1 byte
Hình 4 2 Cổng song song (LPT)
Hình 4 3 Sơ đồ chức năng từng chân của cổng máy in (LPT) Cổng LPT trên máy tính:
+ 8 chân D0-D7 là các chân OUTPUT của thanh ghi DATA
+ 5 chân S3- S7 là các chân INPUT của thanh ghi STATUS
+ 4 chân C0-C3 là các chân OUTPUT của thanh ghi CONTROL Chức năng mặc định của các chân LPT do Mach3 xuất tín hiệu
Ngoài ra ta có thể hiệu chỉnh số chân và số cổng LPT trên phần mềm bằng cách: Trên menu bar chọn Config => Ports and Pins:
Bảng 4 1 Thông số cổng LPT
Hình 4 4 Bảng hiệu chỉnh số chân tín hiệu LPT Trong hộp thoại gồm 7 trang:
+ Port setup and axis selection: cho phép thiết lập số cổng LPT
+ Motor output: tín hiệu xuất ra cho đông cơ cho phép ta chọn chân xung và chân hướng di chuyển của mỗi trục
+ Input signals: cho phép thiết lập chân tín hiệu ngõ vào(nhƣ các tín hiệu cử hành trình
+ Output signals: cho phép thiết lập chân tín hiệu ngõ ra (nhƣ đóng mỡ động cơ trục chính, bơm tưới nguội )
+ Encoder/MPG‟s: Cho phép thiết lập chân tín hiệu Handle
Cài đặt trục chính trong spindle setup cho phép điều chỉnh tín hiệu đóng mở và chọn chế độ tưới nguội, trong khi đó, tùy chọn Mill cung cấp các lựa chọn mở rộng như cài đặt khoảng cách an toàn cho trục Z.
Lựa chọn động cơ bước
Thông số của Driver điều khiển động cơ trục X, trục Z:
3128A sử dụng chip THB7128 để điều khiển động cơ bước với hiệu suất cao và ổn định
Tự động bảo vệ quá nhiệt
Tự động kiểm soát và điều chỉnh dòng giảm tối đa, không gây nóng động cơ Sử dụng cho các động cơ hai pha, bốn pha, 6, 8 dây )
Nguồn cung cấp đầu vào: 10v - 40vDC
Chế độ điều khiển: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 6, 128 xung/bước
Thông số của Driver DMA860H Leadshine điều khiển động cơ trục Y:
- Hiệu suất tốc độ cao
- Cung cấp điện áp đến 70VAC hoặc + 110VDC
- Cường độ dòng điện lên đến 7.2A
- Driver DMA860H có công nghệ tự điều chỉnh
- Công nghệ điều khiển dòng điện Pure-sin
- Tần số xung đầu vào lên đến 300 KHz
- TTL đầu vào tương thích và quang học bị cô lập
- Giảm nhàn rỗi tự động
Hình 4 5 Driver điều khiển động cơ bước cho trục x, trục z
- 16 độ phân giải lựa chọn trong số thập phân và nhị phân, lên đến 51.200 bước / vòng quay
- Driver DMA860H thích hợp cho động cơ 2 pha và 4 pha
- Hỗ trợ chế độ PUL/ DIR và CW/ CCW
- Bảo vệ ngắn áp, quá áp, quá dòng và ngắn dòng
Hình 4 6 Driver điều khiển động cơ bước DMA860H
Thông số mạch mach 3
- Hoàn toàn tương thích với phần mềm MACH3
- Cấp nguồn qua cổng USB và các thiết bị ngoại vi độc lập nhằm tránh sốc điện cho máy tính khi vận hành
- Điện áp nguồn ngoài có thể thay đổi trong khoảng từ 12V đến 24V
- Tất cả các tín hiệu vào đều đƣợc bảo vệ bằng cách ly quang để bảo vệ mạch
- Sử dụng 1 rơ le, có thể dùng để điều khiển spindle (tắt P17)
- Có đầu ra analog (0 – 10V) để nối với bộ biến tần khi cần điều khiển tốc độ spindle
- Có thể điều khiển cùng lúc tới 5 động cơ bước (5 trục)
- Có thể kết nối với driver động cơ bước theo Anốt chung hoặc Catốt chung.
Hỗ trợ điều khiển : 5 trục X, Y, Z, A, B
Hỗ trợ 1 cổng xuất xung PWM điều khiển Spindle
Các ngõ điều khiển khác :
1 ngõ ra Relay (loại 220V 10A): có jump để chọn ngõ ra thường đóng /thường mở
Bài viết này đề cập đến 5 ngõ vào có khả năng kết nối với công tắc hành trình hoặc các loại biến khác Tất cả các ngõ ra được cách ly bởi opto và IC đệm, giúp đảm bảo sự ổn định của tín hiệu.
Thiết kế hệ thống điện
+ Thiết kế nhỏ gọn, bố trí thông minh
+ Dễ dàng kết nối, tháo lắp, sửa chữa, nâng cấp về sau
+ Các yêu cầu về an toàn điện: cách điện, tiếp đất, chống nhiễu…
Thông số quy cách: Dài 500 mm, rộng 400 mm, sâu 220 mm, vật liệu bằng thép đƣợc sơn tĩnh điện
Phương án bố trí tủ điện như hình:
Hình 4 9 Tủ điện đã đấu dây
4.4.2 Sơ đồ đấu nối của toàn bộ hệ thống điều khiển:
Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển:
Hình 4 10 Sơ đồ tổng quát hệ thống điện điều khiển
Sơ đồ kết nối board với driver và động cơ bước:
Hình 4 11 Sơ đồ kết nối mạch mach 3 với driver điều khiển động cơ bước
Sơ đồ kết nối board với biến tần sunfar E300:
Hình 4 12 Sơ đồ kết nối mạch mach 3 với biến tần sunfar E300.
Các chức năng hổ trợ khi gia công
Trong quá trình gia công có thể xảy ra những vấn đề không mong muốn nhƣ :
- Gia công không đúng theo mẫu ban đầu
- Trong quá trình gia công máy bị lỗi chạy quá hành trình của các trục…
Để ngăn chặn sự cố xảy ra khi máy hoạt động, cần lắp đặt thêm một số công tắc hành trình trên các trục của máy Khi máy chạy đến cuối hành trình mà không dừng lại do sự cố, các công tắc này sẽ gửi tín hiệu về mạch điều khiển để thực hiện dừng khẩn cấp toàn bộ hệ thống.
Công tắc hành trình là một phần quan trọng trong hệ thống, và việc lắp đặt nút dừng khẩn cấp (E-Stop) là cần thiết để đảm bảo an toàn Khi xảy ra sự cố, việc nhấn nút E-Stop sẽ ngay lập tức dừng toàn bộ hệ thống, giúp ngăn chặn các tình huống nguy hiểm.
57 Hình 4 15 Sơ đồ nối công tắc hành trình và nút Estop
GIA CÔNG THỬ NGHIỆM NHIỀU CHẾ ĐỘ ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH
Gia công mica để kiểm tra độ chính xác của máy
Để đánh giá độ chính xác của máy, chúng ta tiến hành gia công thử trên miếng mica, tạo ra một đường tròn có bán kính r = 20 mm, với tâm là dao endmill ф4 Qua đó, chúng ta sẽ kiểm tra nội suy cung tròn vừa gia công để xác định độ chính xác của máy.
Tấm mica có kích thước: 100x60x10 (mm)
Các thông số gia công:
Tốc độ quay trục chính: 700 vòng/phút
Vận tốc tiến dao : 50 mm/phút
Chiều sâu mỗi lần cắt : 0.5 mm
Hình 5 2 Gia công đường tròn bán kính r = 20 (mm) Trong quá trình gia công nhóm đã rút ra đƣợc kết luận:
Trong khi hoạt động gia công theo cung tròn máy bị rung
Nếu cắt mica có độ dày quá cao sẽ dẫn đến gãy dao
Kích thước đo được khi gia công:
- lần 3: 44 Độ chính xác của máy phay gỗ CNC là: 0,05 mm (5%)
Gia công thử trên gỗ mềm
Gia công thử nghiệm để kiểm tra tính ổn định của máy: gia công trên gỗ mềm (gỗ sồi) có kích thước 90x70x10 (mm)
Hình 5 3 Gỗ sồi Các thông số gia công:
Tốc độ quay trục chính: 24000 vòng/phút
Vận tốc tiến dao : 1200 mm/phút
Chiều sâu mỗi lần cắt : 8 mm, bán kính dao R=0,2 mm
Bước ăn dao: 0.2 mm cho mỗi lần cắt theo trục Y
(a) (b) Hình 5 4 Gia công con ngựa, (a) file BMP, (b) sản phẩm thật Trong quá trình gia công nhóm đã rút ra đƣợc kết luận:
Để nâng cao hiệu quả gia công, cần tăng tốc độ tiến dao và bước ăn dao, đồng thời sử dụng dao có bán kính R = 0.5 mm, mặc dù thời gian gia công có thể kéo dài.
Gia công thử nghiệm trên các loại gỗ làm bàn ghế, tủ thờ …
Gia công thử nghiệm để kiểm tra tính ổn định của máy: gia công có độ cứng cao (căm xe) có kích thước 200x200x20 (mm)
Hình 5 5 Gỗ căm xe Các thông số gia công:
Tốc độ quay trục chính: 24000 vòng/phút
Vận tốc tiến dao : 1200 mm/phút
Chiều sâu mỗi lần cắt : 5 mm, bán kính dao R=0,5 mm
Bước ăn dao : 0.5 mm cho mỗi lần cắt theo trục Y
Một số chi tiết mà nhóm đã gia công:
Hình 5 6 Một số chi tiết gia công Trong quá trình gia công nhóm đã rút ra đƣợc kết luận:
- Thời gian gia tương đối hợp lý
- Bề mặt gia công đạt độ bóng yêu cầu
- Có thể tăng thêm vận tốc cắt của máy (khoảng 5000mm/phút)
