TỔNG QUAN
Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, nhờ vào sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành gia công cơ khí chính xác đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể Sự xuất hiện của các loại máy CNC hiện đại cho phép gia công các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao, từ đó nâng cao năng suất sản xuất.
Hình 1.1: Máy phay 4 trục FMB Hình 1.2: Máy phay 5 trục M8Cube
Hình 1.3: Máy tiện cao tốc NLX Hình 1.4: Máy tiện CNC TK36
Máy móc hiện đại thường có chi phí đầu tư cao, điều này đã thúc đẩy nhiều người tìm hiểu và sáng tạo ra các máy CNC nhỏ gọn, giá rẻ nhưng vẫn đáp ứng tốt nhu cầu sản xuất.
Hiện nay, việc chế tạo máy CNC cỡ nhỏ ngày càng phổ biến ở Việt Nam và trên thế giới, phục vụ cho nhu cầu sử dụng tại nhà và các xưởng sản xuất nhỏ với chi phí hợp lý Nhiều sinh viên tại các trường đại học, cao đẳng cũng đang nghiên cứu và chế tạo máy CNC mini để phục vụ cho học tập và nghiên cứu Vì vậy, nghiên cứu phát triển thiết kế và hoàn thiện máy CNC 4 trục trở nên cần thiết và cấp bách.
Tổng quan về tình hình nghiên cứu
Nghiên cứu và chế tạo mô hình máy phay CNC 4 trục yêu cầu người thực hiện có kiến thức vững về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phay CNC hiện đại Ngoài ra, việc tham khảo các máy CNC mini đã được chế tạo trong và ngoài nước cũng cung cấp nguồn tư liệu quý giá, giúp nhóm có cơ sở sáng tạo cho đề tài đang thực hiện.
Điều khiển số bắt nguồn từ ý tưởng điều khiển dụng cụ qua một chuỗi lệnh liên tiếp, tương tự như máy công cụ Khái niệm này đã được thực hiện từ thế kỷ XIV, khi người châu Âu sử dụng các chốt hình trụ để điều khiển chuyển động của các hình trang trí trên những chiếc đồng hồ lớn tại các nhà thờ.
Năm 1808, Joseph M Jacquard dùng những tấm tôn đục lổ để điều khiển tự động các máy dệt
Năm 1863, M Fourneaux phát minh ra đàn Piano nỗi tiếng thế giới Với băng giấy đục lỗ làm vật mang tin
Năm 1938, Claud E Shannon đã kết luận trong luận án tiến sĩ của mình rằng việc tính toán và truyền tải dữ liệu nhanh chóng có thể được thực hiện thông qua mã nhị phân.
Từ năm 1949 đến 1952, Jonh Parsons cùng với Học viện Kỹ thuật Massachusetts (MIT) đã phát triển một hệ thống điều khiển cho máy công cụ, cho phép điều khiển trực tiếp vị trí của các trục dựa trên dữ liệu đầu ra từ máy tính Hệ thống này được thiết kế theo hợp đồng với không lực Hoa Kỳ, nhằm chứng minh khả năng gia công chi tiết hiệu quả.
Cũng trong thời gian này, Parsons cùng với đồng nghiệp của ông đã đưa ra 4 tiên đề cơ bản sau:
1 Những vị trí được tính ra trên một biên dạng được ghi nhớ vào băng đục lỗ
2 Các vị trí đục lỗ được đọc trên máy một cách tự động
3 Những vị trí đã được đọc ra được liên tục truyền đi và được bổ sung thêm tính toán cho các giá trị trung gian nội tại
4 Các động cơ servo (vô cấp tốc độ) có thể điều khiển được chuyển động các trục
Vào năm 1952, chiếc máy phay điều khiển số đầu tiên mang tên “Cincinnate Hydrotel” được ra mắt, được trang bị trục thẳng đứng và phát triển bởi Học viện kỹ thuật Massachusetts Đơn vị điều khiển của máy sử dụng bóng đèn điện tử chân không và có khả năng điều khiển 3 trục, nhận dữ liệu thông qua băng đục lỗ mã nhị phân.
Năm 1954, Bendix đã mua bản quyền phát minh của Parsons và chế tạo thành công thiết bị điều khiển NC công nghiệp đầu tiên, mặc dù vẫn sử dụng bóng đèn điện tử chân không.
Năm 1958, “Công cụ lập trình tự động G Code” (Automatically Programmed Tool) ra đời Đánh dấu một bước phát triển mới về lập trình cho máy
1.2.2 Trong nước Ở Việt Nam trước năm 1990 khi nhắc đến công nghệ NC, CNC quả là rất xa lạ và ít người biết đến nó
Bắt đầu từ năm 1991, công nghệ CNC đã được giới thiệu tại Việt Nam thông qua các dự án chuyển giao công nghệ và hợp tác quốc tế, như dự án “Chuyển giao công nghệ thiết kế, phát triển và chế tạo khuôn mẫu” Sự xuất hiện của các máy móc CNC như máy phay, máy tiện và thiết bị đo lường đã thu hút sự quan tâm từ các chuyên gia và doanh nghiệp trong nước cũng như liên doanh nước ngoài Mặc dù mới du nhập, công nghệ CNC đã nhanh chóng khẳng định vị thế tại Việt Nam và dự kiến sẽ được ứng dụng rộng rãi trong các xí nghiệp, phân xưởng và nhà máy trong những năm tới, nhờ vào hiệu quả kinh tế cao mà nó mang lại Do đó, việc thúc đẩy ứng dụng công nghệ CNC là một nhu cầu thiết yếu cho các cơ sở sản xuất, đặc biệt là trong ngành chế tạo máy.
Hiện nay, nhiều trường đại học và cao đẳng đã tập trung vào việc chế tạo mô hình máy CNC để phục vụ cho công tác giảng dạy, điển hình như mô hình máy phay CNC của trường Đại học Sư Phạm.
Kỹ thuật tại TPHCM, đặc biệt là từ ĐH Bách Khoa TPHCM, đang phát triển mạnh mẽ với các thiết bị hiện đại như máy tiện CNC, phay CNC và máy cắt plasma Ngoài ra, khoan mạch in của ĐH Bách Khoa Hà Nội và mô hình máy khắc chữ từ ĐH Bách Khoa Đà Nẵng cũng góp phần nâng cao chất lượng đào tạo kỹ thuật tại Việt Nam.
Hình 1.5: Máy phay CNC ĐHBK HCM Hình 1.6: Máy phay CNC ĐHBK HN
Ngoài các máy CNC được thiết kế cho mục đích giảng dạy trong các trường học, một số sinh viên và kỹ sư cũng chế tạo máy CNC để phục vụ cho việc gia công gỗ, điêu khắc, cắt xốp và cắt kim loại bằng plasma.
Hình 1.7: Máy CNC GDTX Quy Nhơn Hình 1.8: Máy phay CNC gia công gỗ
Hình 1.9: Máy tiện CNC ĐHBK Hà Nội Hình 1.10: Máy cắt xốp.
Kết quả dự kiến đạt được
Hoàn thiện được mô hình máy phay CNC 4 trục với: cover, tấm đế, hệ thống điện đã được cải tiến.
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
Việc nghiên cứu, chế tạo máy CNC trong sinh viên sẽ gợi mở ra nhiều giải pháp mới, phương hướng phát triển mới
Nghiên cứu và chế tạo máy CNC yêu cầu sinh viên có kiến thức tổng hợp về cơ khí, điện tử và tin học, đồng thời tạo cơ hội cho họ tìm hiểu sâu sắc về các máy CNC hiện đại Đề tài phát triển máy phay CNC mà nhóm thực hiện không chỉ giúp củng cố kiến thức và kỹ năng mà còn tạo ra sản phẩm phục vụ cho dạy học và gia công nhôm, kim loại màu dùng trong trang trí, đồ lưu niệm, cũng như gia công các chi tiết lắp ráp với độ chính xác không quá cao.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Nắm vững kiến thức về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách truyền động, lập trình và điều khiển máy phay CNC
- Vận dụng kiến thức để nghiên cứu phát triển và hoàn thiện mô hình máy phay CNC 4 trục
- Lập trình, điều khiển máy CNC trên để gia công ra sản phẩm và đạt độ chính xác theo yêu cầu.
Cách thức đề tài
Dựa trên kiến thức hiện có về máy phay CNC 4 trục, chúng tôi tiến hành phân tích và tìm kiếm giải pháp mới, sau đó chế tạo và thực nghiệm Cuối cùng, chúng tôi tổng hợp và đánh giá các giải pháp để xác định tính tối ưu của chúng, cũng như điều kiện áp dụng trong từng trường hợp cụ thể.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các nội dung liên quan đề tài
2.1.1 Vài nét sơ lược về máy CNC Điều khiển số NC (Numerical Control) là phương pháp tự động điều chỉnh các máy công tác (máy công cụ, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu, chi tiết gia công, sản phẩm ) trong đó các chuyển động điều khiển được sản ra trên cơ sở cung cấp các dữ liệu ở dạng mã nhị phân Nó được biểu diễn dưới dạng các con số thập phân, các chữ cái và kí hiệu đặc trưng tạo thành một chương trình làm việc của thiết bị hay của hệ thống
Trước đây, quá trình gia công cắt gọt chủ yếu được điều khiển bằng các kỹ thuật chép hình theo mẫu và hệ thống thủy lực Ngày nay, nhờ sự tiến bộ vượt bậc của khoa học và công nghệ, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển số và tin học, quá trình gia công đã được cải tiến đáng kể với sự hỗ trợ của máy tính.
Việc ứng dụng máy CNC trong gia công cơ khí không chỉ giúp giảm khối lượng công việc mà còn nâng cao độ chính xác và hiệu quả kinh tế, đồng thời rút ngắn chu kỳ sản xuất Hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới đã tích cực áp dụng công nghệ này, đặc biệt trong việc chế tạo các khuôn mẫu chính xác và các chi tiết phức tạp với yêu cầu cao về độ chính xác.
Trong thời gian gần đây, ngành công nghiệp đã nhận thức rõ ràng về tiềm năng của kỹ thuật điều khiển số, buộc họ phải xem xét kỹ lưỡng các vấn đề trong ngành chế tạo máy Họ cũng cần tìm hiểu cách mà công nghệ mới có thể cải tiến phương pháp hiện tại Nhiều bài toán cắt gọt kim loại như khoan, tiện, và phay không nhất thiết cần bộ điều khiển hiện đại Tuy nhiên, việc ứng dụng APT, ngay cả ở dạng cơ bản nhất cho các thành phần hình học đơn giản, vẫn gặp phải nhiều khó khăn về tính cồng kềnh, phức tạp và chi phí.
Nhiều ngôn ngữ đơn giản hơn đã được phát triển cho các mục đích đặc biệt, nhưng phần lớn trong số đó đều dựa trên APT làm nền tảng.
Vào giữa những năm 70 và 80, sự phát triển của công nghệ vi xử lý đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực điều khiển số Lần đầu tiên, công nghệ này được áp dụng vào thiết bị điều khiển số với sự hỗ trợ của máy tính, giúp chuyển đổi từ các máy điều khiển số NC thành máy điều khiển số CNC (Computerized Numerical Control).
Máy công cụ điều khiển số CNC hiện đại sử dụng bộ vi xử lý làm trung tâm cho việc điều khiển và tính toán, kết hợp với các mô-đun điện tử để lưu trữ dữ liệu và tạo xung Tốc độ chuyển nhanh của các phần tử này cho phép thực hiện nhiều chức năng và nhiệm vụ tính toán mà không ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của máy Nếu một bộ vi xử lý không đáp ứng đủ yêu cầu trong thời gian cho phép, có thể bổ sung thêm một hoặc hai đơn vị xử lý để thực hiện các nhiệm vụ đặc biệt theo cách song song hoặc luân phiên.
Từ thập niên 80, sự phát triển công nghệ truyền số liệu đã giúp kết nối các máy CNC thành các trung tâm gia công DNC, tối ưu hóa quy trình sản xuất Dựa trên nền công nghiệp này, nhiều thiết bị, phần mềm và hệ thống được phát triển để đáp ứng nhu cầu thiết kế và chế tạo đặc biệt Các phần mềm CAD/CAM hỗ trợ thiết kế và gia công, kết hợp với hệ thống sản xuất linh hoạt FMS, và đặc biệt là tổ hợp CIM, cho phép chế tạo và gia công chi tiết hoàn toàn qua máy tính.
Cho đến năm 2003 này, lịch sử phát triển của máy công cụ điều khiển số đã được
Máy CNC đã có 51 năm phát triển và ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới, từ các ứng dụng gia công đơn giản như di chuyển máy khoan đến các máy công cụ điều khiển 2 trục, 3 trục như máy tiện và máy phay Nó còn được sử dụng cho các nhiệm vụ gia công phức tạp như khuôn rèn, khuôn đúc áp lực, cánh tuabin và chi tiết máy bay, tàu thủy Hiện nay, máy CNC cũng đóng vai trò quan trọng trong kiểm tra giám sát và nhiều lĩnh vực khác, mang lại chất lượng và hiệu quả kinh tế cao Trong tương lai, việc kết nối các hệ thống CNC để tạo thành mạng lưới sẽ thúc đẩy chiến lược gia công toàn cầu, với thông tin được truyền tải qua hệ thống vệ tinh, liên kết nhu cầu thị trường với thiết kế và cung cấp sản phẩm trong mạng lưới toàn cầu WAR (World Area Network).
2.1.2 Cấu tạo chung và quy ước máy CNC
Hình 2.1: Mô hình khái quát của máy CNC
Máy gồm 2 phần chính: a) Phần điều khiển : Gồm chương trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển
Chương trình điều khiển là tập hợp tín hiệu được mã hóa bằng chữ cái, chữ số và các ký hiệu như dấu cộng, trừ, và dấu chấm, nhằm điều khiển máy Chương trình này được lưu trữ trên cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã số, ví dụ như mã nhị phân trong bộ nhớ máy tính.
Các cơ cấu điều khiển nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình và thực hiện các phép biến đổi cần thiết để tạo ra tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ cấu chấp hành Chúng cũng kiểm tra hoạt động thông qua tín hiệu từ các cảm biến liên hệ ngược Các thành phần bao gồm cơ cấu đọc, giải mã, chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, nội suy, so sánh, khuếch đại, đo hành trình, đo vận tốc, bộ nhớ và thiết bị xuất nhập tín hiệu Phần chấp hành bao gồm máy cắt kim loại và các cơ cấu tự động hóa như tay máy, ổ chứa dao, bôi trơn, và vận chuyển phôi.
Máy cắt kim loại là thiết bị quan trọng trong việc tạo hình chi tiết, bao gồm nhiều bộ phận như hộp tốc độ, hộp chạy dao, thân máy, sống trượt, bàn máy, trục chính, ổ chứa dao và các tay máy Mặc dù cấu trúc của các bộ phận chính tương tự như máy vạn năng thông thường, nhưng có một số điểm khác biệt để đảm bảo quá trình điều khiển tự động diễn ra ổn định, chính xác và nâng cao năng suất, mở rộng khả năng công nghệ của máy.
Hộp tốc độ là thiết bị điều khiển tốc độ với phạm vi lớn, thường sử dụng hệ thống truyền động vô cấp Thiết bị này áp dụng các ly hợp điện từ để dễ dàng thay đổi tốc độ hoạt động.
- Hộp chạy dao có nguồn dẫn động riêng thường là động cơ bước, sử dụng phương pháp khử khe hở của bộ truyền vitme - đai ốc bi…
- Thân máy cứng vững, kết cấu hợp lý để dễ thoát phoi, thay dao tự động.…
Trong các máy CNC, có thể áp dụng nhiều hình thức điều khiển thích nghi khác nhau nhằm tối ưu hóa các thông số như lực cắt, độ ồn, độ rung và chế độ cắt.
Quy ước hệ tọa độ của máy CNC:
Hình 2.2: Hệ tọa độ máy CNC
Trong hệ thống máy CNC, ba trục chuyển động chính được ký hiệu là X, Y, Z, trong đó trục Z vuông góc với hai trục còn lại, tạo thành hệ tọa độ vuông góc theo quy tắc bàn tay phải Trục Z thường được quy ước là trục chính, với chiều dương là chiều dụng cụ cắt rời xa khỏi chi tiết Chiều quay dương được xác định là chiều kim đồng hồ khi nhìn từ gốc tọa độ Trục X thường là trục tạo ra chuyển động tịnh tiến lớn nhất, trong khi trục Y vuông góc với hai trục còn lại theo quy tắc bàn tay phải.
Hình 2.3: Qui tắc bàn tay phải
Hệ tọa độ chuẩn: Điểm gốc của máy M (Machine Zero Point)
QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN
Lựa chọn phương án di chuyển cho trục 4
Căn cứ vào khả năng chuyển động của bàn máy CNC có thể chia làm 3 loại mô hình máy CNC như sau:
+ Trục 4 là trục C và spindle nằm ngang (hình 3.1b)
Hình 3.1: Các kiểu mô hình CNC 4 trục
Mỗi loại kết cấu máy CNC trên đều có những ưu - nhược điểm riêng, tùy vào nhu cầu chế tạo mà lựa chọn kiểu mô hình phù hợp
Trục 4 thuộc loại A – loại 1, hoàn toàn nằm trên bàn máy, mang lại ưu điểm lớn về độ cứng vững cho máy Kết cấu này không yêu cầu thay đổi cấu trúc của trục X, Y, Z, giúp duy trì hiệu suất hoạt động ổn định.
Máy CNC loại này được sử dụng phổ biến và thịnh hành trong các xưởng sản xuất, là lựa chọn ưu tiên của nhóm trước.
Trục 4 là trục C và spindle nằm ngang - loại 2 (hình 3.1b):
Kết cấu máy loại này gần giống với loại 1, nhưng spindle và cơ cấu xoay đổi vị trị cho nhau
Trục 4, được phân loại là trục B - loại 3, có ưu điểm nổi bật là tích hợp trên trục z thẳng đứng, cho phép di chuyển linh hoạt theo trục này Điều này đòi hỏi trục z phải đảm bảo độ cứng vững cao, giúp tăng cường khả năng hoạt động của spindle.
Nhược điểm: Muốn tang tốc độ cắt hoặc gia công vật liệu cứng thì cơ cấu mang spindle phải cứng vững
Sau khi phân tích các ưu và nhược điểm của ba loại kết cấu, nhóm đã quyết định chọn mô hình trục 4 loại 1 cho đồ án, dựa trên mô hình đã được xây dựng trước đó.
Hoàn thiện trục A
Cụm trục A bao gồm mâm cặp, hộp số và bát đỡ, trong đó bát đỡ cần được thiết kế đủ cứng vững để hỗ trợ mâm cặp và hộp số Khi lắp ghép, đường tâm của mâm cặp phải đảm bảo song song với bàn máy để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Hộp số sử dụng là loại hộp số ăn khớp bánh răng thông thường, có khe hở nhất định Do hộp số cũ đã qua sử dụng không đảm bảo độ chính xác gia công, nên việc thay mới là cần thiết để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Hình 3.4: Hình ảnh hộp số bi ( ball reducer) và 2 tấm bích
Hộp số mới thay thế là hộp số bi (ball reducer), chuyên dụng cho máy CNC với ưu điểm nổi bật là không có độ rơ Điều này nhờ vào việc tiếp xúc giữa bánh chủ động và bị động được thực hiện bởi các viên bi, giúp điều chỉnh và khử khe hở một cách hiệu quả.
Để lắp đặt hộp số lên bát đỡ, cần sử dụng tấm bích để kết nối Tương tự, cũng cần có tấm bích để kết nối giữa động cơ và hộp số, do hộp số và động cơ mới không được thiết kế theo bộ như các hệ thống cũ.
+ Đảm bảo độ đồng tâm giữa mâm cặp và hộp số
+ Đảm bảo độ song song giữa tâm mâm cặp và phương chuyển động X
Hình 3.5: Hình ảnh trục A thiết kế Hình 3.6: Hình ảnh trục A thực tế
3.2.2 Động cơ Để tiện cho hướng phát triến lên 5 trục nên tiến hành chọn lại động cơ trục A
Khi lựa chọn động cơ cho trục A của máy CNC, hai loại động cơ phổ biến thường được xem xét là động cơ bước và động cơ servo Việc so sánh các đặc điểm của hai loại động cơ này là cần thiết để đưa ra quyết định phù hợp.
Bảng 3.1: So sánh động cơ bước và động cơ servo Động cơ bước Động cơ servo
Mạch driver Đơn giản (người dùng có thể chế tạo chúng)
Phức tạp (người sử dụng phải mua mạch driver từ các nhà sản xuất)
Nhiễu, rung động Đáng kể Rất ít
Chậm (tối đa 1000 - 2000 vòng/phút)
Nhanh (tối đa 3000 - 5000 vòng/phút)
Hiện tượng trượt bước Có thể xảy ra
Khó xảy ra (Động cơ vẫn chạy trơn tru nếu tải đặt vào tăng)
Vòng hở (không có encoder)
Giá thành (Động cơ + driver) Thấp Cao Độ phân giải
Phổ biến loại 1.8 o (200 bước/vòng), còn có bước góc nhỏ hơn như 0.72 o , 0.36 o
Phụ thuộc độ phân giải của encoder
Khi chọn động cơ cho máy CNC, việc lựa chọn kiểu điều khiển là rất quan trọng, trong đó nhiều người sử dụng kiểu điều khiển vòng hở không có hồi tiếp tín hiệu Do giá thành cao của động cơ servo và driver, động cơ bước trở thành lựa chọn kinh tế phù hợp, đáp ứng tốt yêu cầu sử dụng.
- Xác định công suất động cơ truyền động trục A:
Ta có momen xoắn cần thiết để cung cấp cho trục vitme được tính theo công thức 9-1trang 221 sách thiết kế chi tiết máy của Nguyễn Trọng Hiệp:
Trong đó : P min : Công suất cần thiết n :Số vòng quay trục chủ động
Mmin: Mômen xoắn cần thiết
- Tính momen xoắn cần thiết: Để tính ta dựa vào phần mềm của trang web www.orientalmotor.com
Nhập các thông số cần thiết vào ô trống:
Imperial: Hệ Inch Metric: Hệ mét
- Table Shape and Dimension: Dạng bàn quay và kích thước
Round table: Bàn dạng tròn \
Table Diameter : Đường kính mâm cặp là 130mm
Table mass: Khối lượng mâm cập là 7kg
- Drive Shaft Dimension: Kích thước trục truyền động
Shaft diameter: Đường kính trục truyền động là 20mm
Length: Chiều dài trục là 38mm
Material: Vật liệu là thép (Steel)
- Table Support: Ổ bi đỡ bàn quay
Friction coeficient between the table and the supporting mechanism: Hệ số ma sát giữa bàn quay và ổ bi, ở đây ta tra bảng và chọn hệ số 0.5
Bảng 3.2: Hệ số ma sát giữa các bề mặt
- Tranmission belt and pulleys or gear: Truyền động qua dây đai hoặc hộp số
Ta cho Dp1 =1 và Dp2 = 20 theo tỉ số truyền, tương ứng là khối lượng bánh chủ động và bị động là 0
- Mechanism condition: Hình thức truyền động
Horizontal operation: Truyền động quay theo phương nằm ngang
Vertical Operation: Truyền động quay theo phương thẳng đứng (chọn)
- Other requirement(s): Các yêu cầu khác
It is necessary to hold the load even after the power supply is turned off: Cần độ tự hãm khi nguồn bị ngắt
It is essential to maintain load retention after the motor has stopped, but it is not required to do so once the power supply is disconnected.
- Operating Conditions: Đặc điểm hoạt động
Fixed speed: Hoạt động ở vận tốc cố định
Variable speed: Hoạt động ở khoảng vẫn tốc từ 50 (V1) đến 100 (V2) vòng/phút
- Safety factor: Hệ số an toàn
Ta tính được mômen xoắn cần thiết theo phần mềm là:
Vậy công suất cần thiết là: (sách thiết kế máy Nguyễn Trọng Hiệp) ct 6 6 n M 1000 0.046
Một cách gần đúng, ta có công suất của động cơ được xác định như sau:
với hệ số truyền động: 𝜂 = 0.7 lt
Có sự chênh lệch nhỏ giữa công suất động cơ được tính toán theo tài liệu Thiết kế hệ dẫn động và phần mềm của nhà sản xuất Sự khác biệt này xuất phát từ việc nhà sản xuất bổ sung các thông số như hệ số ma sát, đỡ lực của ổ bi, đường kính và chiều dài trục truyền động Để đảm bảo tính chính xác cao, nên chọn công suất theo phần mềm của nhà sản xuất.
Tiến hành chọn công suất động cơ với : P lt = 0.014 kW n = 1000 v/ph
Do động cơ sau này dùng cho trục 5 nên tính toán theo kết cấu 5 trục ta có:
GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC 5 PHA PK596BE VÀ DRIVER UDX5128 (CỦA HÃNG VEXTA)
Hình 3.7: Động cơ bước 5 pha PK596BE
Theo catalog của nhà sản xuất Oriental Motor ta có các thông số như sau: Động cơ bước 5 pha PK596BE
- Loại động cơ : Động cơ bước 5 phase
- Dòng điện làm việc max 1.4A
Khi lựa chọn động cơ bước, cần chú trọng đến sự biến thiên của momen xoắn thay vì chỉ dựa vào công suất Đặc biệt, động cơ truyền động qua hộp số Bi có tỷ số truyền 1:1, điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống.
20, do đó để vận tốc bàn quay đạt 30 ~ 50 vòng/phút thì động cơ bước cần quay được 600-1000 vòng/phút
Hình 3.8: Đồ thị momen xoắn
Ta có momen xoắn M theo tính toán: 0.096N.m
Căn cứ vào đồ thị momen xoắn (hình) do nhà sản xuất cung cấp, động cơ PK596BE đạt momen xoắn từ 2 ~ 1.2 N.m trong khoảng 600-1000 vòng/phút
3.2.3 Thiết kế và chế tạo ụ động
Khi gia công chi tiết có phôi dài, việc sử dụng mâm cặp để định vị và kẹp chặt không đảm bảo độ cứng vững, dẫn đến tình trạng phôi bị rung và cong Do đó, cần thiết phải thiết kế và chế tạo ụ động để cải thiện khả năng định vị phôi một cách hiệu quả hơn.
Hình 3.9: Một số hình ảnh ụ động tham khảo
Tiến hành thiết kế Ụ động
Yêu cầu quan trọng đối với Ụ động trục A là đảm bảo độ đồng tâm giữa trục A và ụ động, với độ đảo hướng kính của chống tâm không vượt quá 0.01 mm Có hai phương án thiết kế Ụ động được đề xuất để đáp ứng các tiêu chí này.
Ụ động chế tạo bằng phương pháp đúc có độ cứng vững cao và độ rung động thấp khi máy làm việc, nhờ vào việc sử dụng gang xám Phương pháp này mang lại cho ụ động một kết cấu nhỏ gọn, tối ưu hóa hiệu suất làm việc.
Phương án 2 cho thấy rằng Ụ động được chế tạo bằng phương pháp gia công cắt gọt sẽ có độ cứng và độ rung động thấp khi máy hoạt động, nhờ vào việc sử dụng gang xám trong quá trình đúc Bên cạnh đó, phương án này cũng mang lại cho Ụ động một kết cấu nhỏ gọn.
- So sánh hai phương án Ưu Khuyết
Phương án 1 Độ chính xác cao Kết cấu nhỏ gọn
Chi phí cao Chế tạo phức tạp
Phương án 2 Độ chính xác vừa
Dễ chế tạo Chi phí vừa phải
Bảng 3.3: Lựa chọn phương án Ụ động
Biện luận để chọn phương án Ưu Khuyết
Phương án 1 Độ chính xác cao + + + Chi phí cao - - -
Phương án 2 Độ chính xác vừa + +
Căn cứ vào kết quả so sánh, tiến hành gia công ụ động theo phương án 2 vì nó có nhiều điểm cộng và ít điểm trừ
Lựa chọn, tính toán lại thanh trượt
Hình 3.11 Một số loại thanh trượt trên thị trường
Việc chọn thanh trượt cho hệ thống máy móc cần trải qua nhiều bước để đảm bảo tính chính xác, khả năng chịu tải và thời gian sử dụng, đồng thời phải cân nhắc yếu tố kinh tế.
Dưới đây là lưu đồ lựa chọn thanh trượt bi cho hệ thống, dựa trên tài liệu của THK - công ty Nhật Bản chuyên sản xuất vítme và thanh trượt Quá trình lựa chọn thanh trượt bi cho máy phay CNC sẽ được thực hiện theo sơ đồ này, nhưng do yêu cầu về độ chính xác không quá khắt khe, một số bước trong quy trình sẽ được đơn giản hóa.
Hình 3.12 Lưu đồ lựa chọn thanh trượt
Thanh trượt bi có nhiều kiểu lắp đặt khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng Tuy nhiên, mỗi loại thanh trượt bi chỉ phù hợp với một số kiểu lắp đặt nhất định, và điều này được quy định trong catalogue của nhà sản xuất.
Hình 3.13 Vị trí lắp đặt cho thanh trượt
Khi lắp đặt thanh trượt, cần chú ý đến số lượng thanh trượt trên mỗi bề mặt phẳng để đảm bảo độ cứng vững và tối ưu hóa các thông số kỹ thuật từ nhà sản xuất, như độ chính xác và khe hở trong quá trình chuyển động tịnh tiến.
Hình 3.14 Kí hiệu thanh trượt
Kí hiệu số thanh trượt yêu cầu được thể hiện bằng số La Mã trong dãy kí hiệu của thanh trượt, trong đó có các trường hợp tương ứng như I, II, III cho việc lắp đặt thanh trượt.
Hình 3.15 Số lượng thanh trượt yêu cầu trong một mặt phẳng
Dựa vào nhu cầu sử dụng, bạn có thể lựa chọn loại thanh trượt phù hợp bằng cách tham khảo kích thước và khả năng chịu tải trong catalogue của nhà sản xuất.
Hình 3.16 Trích catalogue của thanh trượt bi hãng THK
Tiếp theo, xét đến khả năng chịu tải, lực và mômen tác dụng lên thanh trượt
Hình 3.17 Lực, mômen tác dụng lên thanh trượt
Hình 3.18 Thanh trượt dưới tác động của mômen
Khả năng chịu tải của thanh trượt phụ thuộc vào vị trí của dãy bi trong khối trượt Với thanh trượt có 4 dãy bi, khả năng chịu tải đồng đều ở mọi hướng cho phép lắp đặt theo kiểu H (nằm ngang), R (ngược lại H) và K (kiểu lắp Wall mount) Trong khi đó, thanh trượt kiểu Radial với các dãy bi bố trí trên cung tròn có khả năng chịu lực tốt nhất khi được lắp theo kiểu H.
Quá trình tính toán thanh trượt rất phức tạp, bao gồm nhiều bước liên tiếp, trong đó kết quả của mỗi bước là đầu vào cho bước tiếp theo Mục tiêu cuối cùng là xác định hành trình phục vụ hoặc tuổi thọ của thanh trượt.
Hình 3.19 Khả năng chịu tải theo các hướng
Hình 3.20 Quy trình tính toán
Khi tải được đặt lên thanh trượt, các giá trị MA, MB, MC xuất hiện cho phép tính toán lực tác dụng lên khối trượt theo công thức P = K * M, trong đó K là hệ số tra bảng theo từng loại thanh trượt Đối với bài toán cụ thể, cần xác định lực tác dụng khi tải chuyển động đều, tăng tốc và giảm tốc.
Con trượt chịu tác dụng của lực hướng tâm (radial) và phản lực của nó (reverse-radial)
Con trượt chịu tác dụng của lực theo hướng vào 2 thành bên con trượt (lateral)
Con trượt chịu tác dụng của lực hướng tâm (radial) và phản lực của nó (reverse-radial)
Hình 3.21 Lực tác dụng lên thanh trượt
Để tính toán tải tương đương tác dụng lên khối trượt, ta sử dụng công thức PE = PR + PT Sau đó, cần xác định tải trọng trung bình bằng cách xem xét cả ba quá trình chuyển động: chuyển động đều, tăng tốc và giảm tốc.
Pm: Tải trọng trung bình (N)
Pn: Tải tương tương theo các phương (N) L: Hành trình của thanh trượt (mm)
Ln: Hành trình chịu tải Pn (mm)
Hệ số an toàn tĩnh (Fs) được tính bằng công thức Fs = Co / Pmmax, trong đó Co đại diện cho tải trọng tĩnh, một thông số đặc trưng cho từng loại thanh trượt Đối với máy công cụ, nếu không xảy ra rung động và va đập, hệ số an toàn tĩnh cần đạt mức tối thiểu từ 1 đến 1.3 Tuy nhiên, trong trường hợp có rung động và va đập, yêu cầu này tăng lên từ 2.5 đến 7 (Xem thêm trong catalogue, bảng 10 của THK, trang 122).
Hình 3.22 Hệ số an toàn khuyến cáo của nhà sản xuất
Khi chế tạo máy móc, việc chú trọng đến thời gian phục vụ của các chi tiết là rất quan trọng, nhằm thuận tiện cho bảo trì và sửa chữa cũng như đảm bảo tính kinh tế Đặc biệt, tuổi thọ của thanh trượt bi được xác định dựa trên hành trình di chuyển của nó trong suốt quá trình hoạt động.
P C ) 3 ∗ 50 L: hành trình phục vụ (km)
Pc: tải trọng trung bình (N) fH, fT, fC, fW: các hệ số độ cứng, nhiệt độ, va chạm, hệ số tải (tra bảng)
Khi lựa chọn thanh trượt, nếu tuổi thọ không đáp ứng nhu cầu sử dụng, cần xem xét thay đổi loại thanh trượt Preload, hay tải trọng ban đầu, là một thông số quan trọng giúp khử khe hở và tăng độ cứng vững Thanh trượt có preload cao mang lại độ chính xác và cứng vững tốt hơn, nhưng giá thành cũng sẽ cao hơn Độ chính xác của thanh trượt được phân loại thành nhiều cấp khác nhau; đối với ứng dụng máy CNC, nên chọn thanh trượt có độ chính xác P (Precision grade) hoặc SP (Super Precision grade), đây là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Khi lựa chọn thanh trượt, người dùng cần xem xét điều kiện làm việc để có thể chọn thêm các tùy chọn phù hợp như thanh trượt chống ăn mòn với lớp phủ crôm, hoặc thanh trượt được trang bị các tấm chắn bụi nhằm bảo vệ vòng bi khỏi bụi bẩn.
Quy trình lựa chọn thanh trượt bi phù hợp cần được điều chỉnh linh hoạt dựa trên từng ứng dụng cụ thể, quy mô dự án và điều kiện tài chính.
Tính toán kiểm nghiệm lại vít me
Hình 3.24 Quy trình lựa chọn vítme bi
Khi lựa chọn vítme, điều quan trọng đầu tiên là xác định cấp chính xác mong muốn Ví dụ, nếu yêu cầu độ chính xác là ± 0.1 / 300mm, bạn nên tham khảo catalogue của nhà sản xuất để tìm cấp chính xác phù hợp nhất Đối với catalogue của THK, cấp chính xác C7 có thể đáp ứng yêu cầu này với sai số chỉ ± 0.05 / 300mm.
Khi lựa chọn chiều dài vítme cho máy CNC, cần căn cứ vào nhu cầu không gian làm việc, với chiều dài khoảng 30cm là hợp lý cho mô hình máy này Thanh trượt nên có kích thước tương đương với chiều dài vítme Đối với bước ren, nếu sử dụng thanh vítme ngắn và cần độ phân giải cao, nên chọn bước ren nhỏ Ngược lại, với thanh vítme dài hơn 500mm cho máy yêu cầu tốc độ cao, bước ren lớn như 10mm hoặc 20mm sẽ phù hợp hơn Ngoài ra, bước ren cũng có thể được tính toán qua công thức cụ thể.
Bước ren = v n vmaxlà tốc độ di chuyển lớn nhất (mm/s) nmaxlà tốc độ quay lớn nhất (vòng/s)
Khi đã xác định được bước ren, bước tiếp theo là tra cứu bảng để tìm đường kính ngoài của vítme tương ứng Đường kính ngoài của vítme có mối liên hệ chặt chẽ với bước ren đã chọn.
Chiều dài vítme có mối liên hệ chặt chẽ với cấp chính xác, và các bảng tra có thể khác nhau tùy thuộc vào từng hãng sản xuất Dưới đây là một phần trích dẫn từ bảng tra của hãng THK.
Lắp đặt thanh vítme là một yếu tố quan trọng cần được chú ý, với nhiều phương pháp khác nhau, mỗi phương pháp lại có những ưu và nhược điểm riêng Việc lựa chọn cách lắp đặt phù hợp sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác và độ ổn định của hệ thống.
Hình 3.25 Trích bảng tra đường kính, chiều dài, bước ren của vítme bi
Vít me có ba phương pháp lắp đặt: fixed-fixed, fixed-support và fixed-free Trong số đó, lắp đặt kiểu fixed-free là đơn giản nhất, trong khi kiểu fixed-fixed có cấu trúc phức tạp nhất và yêu cầu độ chính xác cao để tránh hư hỏng thanh vít me Kiểu lắp fixed-support lại đơn giản hơn và được áp dụng phổ biến trong thực tế.
Trong việc đánh giá khả năng chịu tải dọc trục, độ cứng vững và tốc độ quay tối đa, kiểu lắp fixed-fixed được coi là tốt nhất, trong khi kiểu lắp fixed-free có hiệu suất kém nhất Về sai số vị trí khi chuyển động, kiểu lắp fixed-fixed cũng cho kết quả tốt nhất, trong khi fixed-free và fixed-support có hiệu suất tương đương nhau.
Hình 3.26 Kiểu lắp vít me fixed-fixed, fixed-free và fixed-support
Nhóm quyết định sử dụng vít me kiểu fixed-support vì nó vừa đơn giản vừa đảm bảo độ cứng vững và độ chính xác ở mức trung bình.
Khi lựa chọn vítme bi, cần khảo sát kỹ lưỡng các loại vítme có trên thị trường, bao gồm cả giá cả Nhóm đã quyết định chọn vítme bi có chiều dài 495 mm, bước ren 5 mm và đường kính ngoài 20 mm Để đảm bảo an toàn cho thanh vítme, cần kiểm tra độ cứng vững thông qua các thông số như độ uốn dọc trục, khả năng chịu kéo và tốc độ quay tối đa cho phép.
Lực có khả năng gây uốn dọc trục cho vít me bi: (Trang 721 THK)
l Với: P 1 : Lực uốn dọc trục (N) d1: Đường kính trong vít me (mm) la:Khoảng cách giữa hai bề mặt lắp ghép (mm)
2: Hệ số phụ thuộc kiểu lắp
Lực kéo - nén gây nguy hiểm:
Với: P 2 : Lực kéo – nén cho phép (N) d1: Đường kính trong vít me (mm)
Tốc độ quay tối đa cho phép:
Với:N 1 : Tốc độ quay tối đa cho phép (vòng/phút)
Hệ số phụ thuộc vào cách lắp vít me, trong đó kiểu lắp fixed-support có λ 1 = 3.927 và λ 2.1 Đường kính trong của vít me (d1) được đo bằng mm, trong khi khoảng cách giữa hai bề mặt kiểu lắp (la) cũng được tính bằng mm Việc kiểm tra thanh vít me hiện có là rất cần thiết để đảm bảo hiệu suất và độ an toàn trong ứng dụng.
Lực gây ra uốn dọc trục cho vítme: (Trang 753 THK)
Lực gây kéo - nén cho vítme:
Tốc độ quay tối đa không phá hủy trục vítme:
Trục vítme trong mô hình máy CNC cỡ nhỏ luôn đảm bảo độ cứng vững do các giá trị tải lớn Hơn nữa, tốc độ động cơ dẫn động vítme chỉ dưới 2000 vòng/phút, giúp ngăn chặn hiện tượng cộng hưởng có thể làm hỏng vítme.
Trong quy trình tiếp theo, việc lựa chọn và tính toán đai ốc bi dựa trên bước ren và đường kính trục vít me đã được xác định trước đó là rất quan trọng Mỗi loại đai ốc có cấu tạo và thông số tải trọng động C cũng như tải trọng tĩnh Co khác nhau, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu tải và tuổi thọ của hệ thống vít me - đai ốc bi.
Tải dọc trục thanh vít me-đai ốc bi
Tải dọc trục khi chuyển động đều sang trỏi: Fa2 = à.mg + f
Tải dọc trục khi tăng tốc sang trỏi: Fa1= à.mg + f + mα (Trang 752 THK)
Tải dọc trục khi giảm tốc sang trỏi: Fa3 = à.mg + f – mα
Tải dọc trục khi chuyển động đều sang phải: Fa5 = -à.mg – f
Tải dọc trục khi tăng tốc sang phải: Fa4 = -à.mg - f – mα
Tải dọc trục khi giảm tốc sang phải: Fa6 = -à.mg - f + mα
Với à: hệ số ma sỏt (à≈0.003ữ0.01) m: khối lượng tải (kg) α: gia tốc (m/s 2 ) f: lực cản ban đầu khi không có tải ngoài (N)
Fan: tải dọc trục tương ứng (N)
Sau đó tính tải dọc trục trung bình
Công thức tính toán tải dọc trục trung bình: (Trang 756 THK)
Với Fm: Tải dọc trục trung bình (N)
Fn: Tải thành phần (N) ln: Quãng đường chịu tải Fn (mm) l: Tổng hành trình vít me (mm)
Tuổi thọ thanh vítme - đai ốc bi tính theo số vòng quay được: (Trang 756 THK)
Với C: Hệ số tải trọng động (N)
Fa: Tải dọc trục trung bình lớn nhất (N) fw: Hệ số tải (tra bảng hình 5.14)
Tuổi thọ thanh vítme - đai ốc bi tính theo thời gian (giờ): (Trang 757 THK) h
Với N: Tốc độ quay (vòng/ph)
L: Tuổi thọ thanh vítme - đai ốc bi tính theo số vòng quay (vòng)
Sau khi xác định giá trị thời gian phục vụ, cần so sánh với nhu cầu sử dụng Nếu không đáp ứng được, có thể thay thế bằng loại đai ốc khác có khả năng tải trọng động cao hơn.
Kiểm tra hệ số an toàn tĩnh:
Tải trọng tĩnh C f Lực dọc trục lớn nhất Fa
Tương tự thanh trượt, hệ số an toàn tĩnh dành cho mô hình máy CNC được chọn fs ≥2.5÷7, theo bảng dưới đây
Bảng tra hệ số an toàn tĩnh cho phép tính toán và kiểm nghiệm sơ bộ thanh vítme - đai ốc bi hiện có Trong đó, tải trọng động được áp dụng là C = 2.5 kN (tương đương 2500 N) và tải trọng tĩnh là Co = 5.8 kN (tương đương 5800 N) Momen quán tính của trục vít me được xác định là Js = 1.6 * 10^-4 kg.cm^2/mm.
Hình 3.27 Bảng tra hệ số tải f w
Hình 3.28 Mô hình máy CNC
Trục vít me bi trên trục Y (dưới bàn máy) phải chịu tải lớn hơn so với trục X và Z, vì vậy chỉ cần thực hiện tính toán sơ bộ về khả năng chịu tải và tuổi thọ gần đúng cho trục Y.
Lựa chọn tính toán lại động cơ
Xác định công suất động cơ truyền động trục Y:
Ta có momen xoắn cần thiết để cung cấp cho trục vitme được tính theo công thức 9-1trang 221 sách thiết kế chi tiết máy của Nguyễn Trọng Hiệp:
Trong đó : P min : Công suất cần thiết n :Số vòng quay trục chủ động
Mmin: Mômen xoắn cần thiết
Tính momen xoắn cần thiết: Để tính ta dựa vào phần mềm của trang web www.orientalmotor.com
Nhập các thông số cần thiết vào ô trống:
- Load and linear guide: Tải và dẩn hướng
- Total mass of loads and table: Tổng khối lượng bao gồm vật nặng, bàn máy, trục X, tấm trung gian, trục A: m5 kg
- Friction coefficient of the guide: Hệ số ma sát của thiết bị dẫn hướng : = 0.05 Ball / lead screw specification: Thông số kỹ thuật vitme
- Diameter (mm) đường kính: d mm
- Total length(mm) tổng chiều dài: ld2 mm
- Lead(pitch) (mm/rev) (bistance the screw moves in one rotation) Bước vitme: 5 mm
- Material chất liệu: thép CT3
- Break away torque of the screw (Nm): Moment xoắn của vítme bi 200 N.m
+ External force : Ngoại lực FA 55 N
+ Mechanism placement: Cơ chế vị trí
- Mechanism angle: Góc làm việc của cơ cấu: 0 𝑜
Operating condition: Điều kiện hoạt động
- Variable speed operation: Biến tốc độ hoạt động: v1=1 mm/s; v2= 5 mm/s
- Stopping accuracy: Dừng chính xác: 0.05 mm
- Safety factor: Hệ số an toàn 1.75
Ta tính được mômen xoắn cần thiết theo phần mềm là:
Vậy công suất cần thiết là: min min 6 6 n M 350 0.320
Một cách gần đúng, ta có công suất của động cơ điện được xác định như sau: min lt
với hệ số truyền động: 𝜂 = 0.7 lt
Thông số của động cơ đã chọn:
Động cơ bước 5 pha UPH599H-B
- Loại động cơ : Động cơ bước 5 phase
- Dòng điện làm việc max 2.8A
Công suất động cơ: Pđc= 0.13(kW)
Động cơ đã chọn có Pđc= 0.13(kW) > Plt=0.017 (kW) vẫn thỏa mãn được điều kiện hoạt động của máy
Hình 3.28 Động cơ bước 5 pha UPH599H-B
Cố định đế trục Y
Hình 3.30 Bệ máy và đế trục Y
Để đảm bảo an toàn, cần cố định đế trục Y lên bệ máy bằng cách lắp một tấm thép trung gian Tấm thép này được hàn chắc chắn với bệ máy, sau đó sử dụng bu-lông để cố định đế trục Y lên tấm thép thông qua bốn tấm bát gắn trên đế trục Y.
Hình 3.31 Bệ máy sau khi đặt tấm thép trung gian lên
- Ta khoan 4 lỗ trên trên tấm thép và hàn 4 bát vào chân đế trục Y rồi đặt máy lên, găn bulon cố định đế trục Y
Thiết kế, chế tạo cover
Ý tưởng thiết kế vỏ máy CNC nhằm đảm bảo an toàn cho nhân viên vận hành, thuận tiện cho việc bảo trì bảo dưỡng và nâng cao tính thẩm mỹ của máy Vỏ máy giúp ngăn chặn phoi văng trong quá trình gia công, giảm thiểu nguy hiểm cho người sử dụng, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc vệ sinh máy sau khi sử dụng Ngoài ra, thiết kế vỏ máy còn mang đến vẻ đẹp công nghiệp, làm tăng giá trị thẩm mỹ cho thiết bị.
Nhóm đã quyết định thiết kế vỏ máy với phong cách công nghiệp hơn, dựa trên việc tham khảo các mẫu vỏ máy công cụ sản xuất hiện có tại Việt Nam và quốc tế.
Hình 3.33: Máy phay CNC Warrior 3040 của Cty TNHH Cơ Điện Tử Hiệp
Hình 3.34: Máy phay CNC VMC – 65 của Cty TNHH Cơ Điện Tử (BKMech)
Dựa trên quá trình tham khảo ý tưởng bên ngoài và cấu trúc thực tế của máy phay, cover đã được thiết kế và chế tạo để đảm bảo độ cứng vững, an toàn và tính thẩm mỹ Với các thông số hành trình làm việc của trục X, Y, Z cùng khả năng làm việc của máy, kiểu dáng cover được lựa chọn là dạng khối hộp chữ nhật với kích thước 1300x1000x1000.
Vỏ máy được chế tạo bằng các tấm thép mỏng dày 1mm đã chấn theo kích thước thiết kế và lắp ghép với nhau bằng bu lông
Bảng 3.4: Các chi tiết Cover
Hình 3.35: Hình ảnh thiết kế cover hoàn chỉnh
Cover được chế tạo và lắp ghép thô ban đầu
Hình 3.36: Cover sau khi chế tạo
Cover sau khi chỉnh sửa,lắp ghép và được sơn để chống rỉ và tăng độ thẩm mỹ
Tủ điện và khí cụ điện
Sau một thời gian hoạt động, các driver trong máy gặp hiện tượng nóng lên và nhiễu, ảnh hưởng đến độ chính xác Nguyên nhân chính là do kích thước tủ điện ban đầu quá nhỏ và hệ thống tản nhiệt chưa hoàn thiện, không đủ khả năng tỏa nhiệt Do đó, cần tính toán và thay thế tủ mới cho máy để cải thiện hiệu suất hoạt động.
- Tủ điện mới: kích thước 1000x800x300mm, được sơn tĩnh điện để chống rò điện
Hình 3.39 Nút nhấn và đèn báo Hình 3.40 CB và Contactor
Mạch nguồn chuyển đổi điện lưới xoay chiều 220V thành điện một chiều với điện áp thấp, cung cấp năng lượng cho các mạch điện và thiết bị điện khác hoạt động hiệu quả.
Thông số kĩ thuật của mạch nguồn: Đầu vào: AC 110V-240V, 50/60 Hz Đầu ra: DC 24V, 10A
- Bộ lọc nhiễu: được gắn phía trước biến tần có tác dụng làm cho dòng tín hiệu từ biến tần đến spindle ổn định hơn
+ Hãng sản xuất: World Tech
+ Lọc tần số 50KHz, điện áp 2500VAC/1min
Hình 3.42 Bộ lọc nhiễu 1 pha
- Biến tần: điều khiển tốc độ của trục chính bằng cách thay đổi tần số của nó + Hãng sản xuất: Yaskawa
+ Tên thiết bị: Biến tần Yaskawa V1000
+ Tần số làm việc: 50/60Hz
Hình 3.44 Máy biến áp Hình 3.45 Quạt gió
Giới thiệu các chân vào-ra
+ Các ngõ vào & ngõ ra đều được cách ly quang
+ 1 ngõ ra analog điều khiển tốc độ động cơ phay
+ Led hiển thị trạng thái
+ Có thể điều khiển tối đa 4 driver động cơ bước
+ Đây là dòng driver tốc độ cao của hãng Vexta
+ Điều khiển động cơ ở chế độ đủ bước hay nửa bước + Có chức năng giảm dòng khi không làm việc
+ Đây cũng là dòng driver tốc độ cao của hãng Vexta + Dòng làm việc cao 2.5A
+ Điều khiển động cơ ở chế độ đủ bước hay nửa bước + Có chức năng giảm dòng khi không làm việc
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy CNC:
Hình 3.48 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy CNC
Sơ đồ mạch Mach3 điều khiển máy CNC
Hình 3.49 Sơ đồ mạch điều khiển máy CNC 4 trục
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Hoàn thiện trục A
4.1.1 Tính toán và lựa chọn động cơ
Bảng 4.1: Trục A trước và sau cải tiến
Tính toán và thiết kế Kết quả
4.1.2 Thiết kế và chế tạo ụ động
Bảng 4.2: Ụ động trước và sau thiết kế
Hoàn thiện đế máy
Bảng 4.3: Tấm đế thiết kế và chế tạo
Thiết kế và chế tạo vỏ máy
Bảng 4.4: Cover thiết và bản chế tạo
Cải tiến hệ thống điện
Trước cải tiến Sau cải tiến
TỔNG THỂ MÁY SAU KHI HOÀN THÀNH
Một số hình ảnh gia công thực tế
Hình 4.1: Hình ảnh thiết kế cover hoàn chỉnh
Hình 4.2 Gia công thân ụ động
Hình 4.3: Gia công nòng ụ động
Hình 4.4: Lắp ráp các mặt của vỏ máy
Hình 4.5: Sơn bệ máy và thân máy
Hình 4.6: Sơn các chi tiết của vỏ máy
Hình 4.7: Nâng cấp và đấu dây tủ điện
Hình 4.8 Lắp ráp hoàn thiện cụm trục A
THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Kiểm nghiệm lại các trục
Để kiểm tra và đánh giá độ chính xác của trục A, cần dựa vào nền tảng của máy CNC 3 trục, do đó, việc thực hiện thí nghiệm trên cả ba trục là rất quan trọng.
Sử dụng đồng hồ so để điều chỉnh độ song song của thanh trượt và độ vuông góc giữa các trục là cách hiệu quả để nâng cao độ chính xác cho máy trong quá trình gia công.
Sau khi hiệu chỉnh các trục, tiến hành lập trình máy và thử nghiệm trục A để kiểm tra độ chính xác của sản phẩm Hình 5.1 minh họa quy trình kiểm tra độ song song của thanh trượt.
Hình 5.2: Gia công chi tiết trên trục A
5.2 Đánh giá kết quả Để đánh giá sai số trục A,ta tiến hành gia công sản phẩm trụ vuông có cạnh 29 mm để kiểm tra góc quay của trục A và di chuyển của các trục X,Y,Z
Hình ảnh Kích thước thiết kế
Kích thước gia công Sai số
Bảng 5.1: Đánh giá sai số chi tiết gia công trên trục A
Hình 5.3: Đo các cạnh của hình vuông
Hình 5.4 Đo góc của hình vuông
Khả năng công nghệ
Kích thước bàn máy 300x290 mm
Hành trình vít me 400 x 320x 300 mm
Không gian có thể gia công (kích thước phôi lớn nhất có thể gia công được)
390x300 mm Động cơ bước Độ phân giải 1000 xung/vòng Động cơ trục chính 24000 vòng/ph
Công suất 2.2kW Tốc độ cắt lớn nhất 350 ÷ 400 mm/ph (sâu 2 mm) Ổ chứa dao 1 Đường kính dao tối đa 12mm
Khả năng gia công Phay biên dạng 2D,3D,4D khắc chữ, khoan, gia công mặt cong phức tạp Độ chính xác đo đạc sau gia công 0.05 mm
Bảng 5.2: Khả năng công nghệ của máy CNC 4 trục
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận
Hướng phát triển
Nhóm đã đạt được những kết quả nhất định và mong muốn chia sẻ một số kiến nghị nhằm khuyến khích các sinh viên có đam mê nghiên cứu về máy CNC Chúng tôi hy vọng rằng các bạn sẽ bổ sung những vấn đề còn thiếu mà nhóm chưa thể thực hiện.
Thiết kế và chế tạo bộ phận thay dao tự động cùng bộ phận cấp phôi tự động, đồng thời sử dụng động cơ servo thay cho động cơ bước, giúp nâng cao độ chính xác trong quá trình gia công.
- Thiết kế hệ thống tưới nguội, hệ thống tín hiệu báo động khẩn cấp khi gặp sự cố
- Gia công lại bàn máy và các cử định vị đạt độ chính xác cao hơn để giảm sai số cho sản phẩm
Bạn có thể tối ưu hóa kết cấu sản phẩm để trở nên nhỏ gọn và thẩm mỹ hơn, đồng thời gia công nhiều loại sản phẩm đa dạng theo nhu cầu của thị trường hiện tại.
Sử dụng vật liệu giá rẻ trong quá trình chế tạo máy giúp giảm chi phí sản xuất, từ đó tạo ra sản phẩm với giá thành thấp hơn Điều này không chỉ giúp doanh nghiệp tăng tính cạnh tranh trên thị trường mà còn mở rộng cơ hội cung cấp máy móc cho thị trường bên ngoài.
