Thiết kế và chế tạo máy phay CNC tạo chữ 2d

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 55 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHAY CNC TẠO CHỮ 2D DESIGN AND MANUFACTURE OF A MILLING MACHINE FOR MAKING LETTERS 2D SVTH: Trương Văn Hưng, Võ Huy Khoa , Trường Đại học Bách khoa GVHD: ThS. Trần Minh Chính Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách khoa TÓM TẮT Máy phay CNC là một trong những thành tựu của tiến bộ khoa học kỹ thuật trên thế giới. Nó ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo máy, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí chính xác và tự động hóa. Sự ra đời của máy CNC đã giải quyết được những nhiệm vụ cấp bách hiện nay là tự động hoá quá trình sản xuất và nhất là sản xuất hàng loạt nhỏ, sản xuất linh hoạt. Đề tài này đi sâu vào việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy phay CNC tạo chữ nhằm ứng dụng vào giảng dạy, học tập và sản xuất một cách có hiệu quả. ABSTRACT CNC milling machine is one of the achievements of scientific breakthroughs in the world. It is applied more and more widely in mechanical manufacturing, especially in the precise machinery and automatic fields. Nowadays, CNC machines have resolved imperative needs such as automation in the manufacturing process and in particular small-scale mass manufacture, flexible manufacturing system. Therefore, the research will concentrate on the design and manufacturing of a CNC milling machine for making letters in order to be used for teaching, studying and manufacturing effectively. 1. Đặt vấn đề Hiện nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển, thế giới cũng vừa trải qua cuộc khủng hoảng kinh tế trầm trọng đã gây ảnh hưởng không nhỏ đến nền công nghiệp toàn cầu. Chính vì thế, việc ứng dụng các kĩ thuật tiên tiến vào sản xuất nhằm tạo ra những sản phẩm có năng suất, chất lượng cao, giá thành chấp nhận được ngày càng trở nên cấp thiết, đặc biệt đối với những nước đang phát triển. Ở Việt Nam, máy CNC đã được đưa vào sử dụng ở các xí nghiệp dân sự và quốc phòng nhưng chưa phổ biến. Gần đây, phong trào chế tạo máy CNC (Homemake CNC) đang được nhiều bạn sinh viên cũng như kỹ sư quan tâm. Tuy nhiên ở khu vực miền Trung – Tây Nguyên, vấn đề này còn gặp rất nhiều hạn chế. Do đó, để cập nhật được kiến thức, đồng thời giúp cho các sinh viên có cái nhìn hoàn thiện hơn về máy CNC,đề tài tập trung nghiên cứu và chế tạo một máy phay Mini CNC hoàn chỉnh, phục vụ cho công tác giảng dạy, học tập của trường, của khoa. 2. Nội dung 2.1. Khả năng công nghệ của máy Vật liệu gia công: Nhôm, hợp kim nhôm, mêca, gỗ… Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 56 Dụng cụ gia công: Dao phay ngón Dmax = 10 mm. Tốc độ trục chính: n = 1000 vòng/phút. Khoảng dịch chuyển bàn máy: Sd = 200 mm, Sn = 160 mm, Sd = 40 mm. 2.2. Thiết kế máy 2.2.1. Động cơ dẫn động trục chính a. 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. b. 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 cơ cấu chấp hành để đảm bảo an toàn, momen khởi động nhỏ. – Mạch điều khiển tốc độ phức tạp, thường sử dụng biến tần. c. 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: 90VDC. Dòng điện khởi động: 1.6A. Tốc độ cực đại: 1000 vòng/phút. 2.2.2. Động cơ dẫn động các trục tọa độ a. Động cơ bước (Stepping Motor) Ưu điểm: – Điều khiển vị trí, tốc độ chính xác, không cần mạch phản hồi. – Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC. Nhược điểm: – Giá thành cao, momen xoắn nhỏ. b. 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. c. Kết luận Ta chọn động cơ bước làm động cơ dẫn động các trục tọa độ với các thông số: Loại động cơ đơn cực, hai pha. Điện áp làm việc: 5.7V. Dòng điện lớn nhất: 1.6A. Số bước trên 1 vòng quay: 200 bước/vòng (hay 1.8o/bước). Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 57 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 cấu 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 Ưu điểm: – Đa năng, điều khiển được nhiều loại động cơ bước khác nhau. – Đơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ. Nhược điểm: – Vì điều khiển gián tiếp qua vi điều khiển nên đáp ứng chậm. – Cần phải lập trình cho vi điều khiển, tương đối phức tạp. 2.4.2. Mạch sử dụng các IC LOGIC Ưu điểm: – Điều khiển trực tiếp nên đáp ứng nhanh. Nhược điểm: – Mạch tương đối phức tạp. 2.4.3. Sử dụng các driver điều khiển động cơ bước bán sẵn trên thị trường Hình 2.1. Driver 2- phase UDK2120 điều khiển động cơ bước của hãng VEXTA Ưu điểm: – Làm việc ổn định trong môi trường khắc nghiệt, kích thước gọn nhẹ. – Đáp ứng nhanh, điều khiển trực tiếp qua máy tính dễ dàng. Nhược điểm: – Khó tìm, giá thành cao. – Phải có phần mềm để điều khiển các driver thông qua giao tiếp cổng COM hay LPT của máy tính. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 58 2.4.4. Kết luận Chọn driver 2-phase UDK2120 của hãng VEXTA để điều khiển động cơ bước thông qua phần mềm KCAM 4. 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 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. – Các bo mạch chủ đời mới của máy tính phần lớn không có tích hợp cổng COM. 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: – Khoảng cách truyền ngắn, dễ bị nhiễu. – Khó lập trình. – Các bo mạch chủ đời mới của máy tính phần lớn không có tích hợp cổng LPT. Kết luận Chọn giao tiếp với máy tính qua cổng LPT để điều khiển đồng thời các trục và việc nội suy đường cong dễ dàng hơn. 2.6. Giao diện làm việc Cửa sổ Plot: cho phép quan sát vị trí và hành trình chạy dao theo 3 phương từ các câu lệnh được lập trình theo mã Gcode. Cửa sổ CNC Controls: cho phép chọn chế độ điều khiển bằng tay (manual) hoặc tự động (automatic) và hiển thị tọa độ vị trí dao hiện tại theo các trục. Cửa sổ Gcode: cho phép quan sát và hiệu chỉnh các câu lệnh mã Gcode. 3. Kết luận và kiến nghị 3.1. Kết luận Đề tài đã thiết kế, chế tạo được máy phay CNC tạo chữ có thể sử dụng trong việc giảng dạy, học tâp và ứng dụng ở các cơ sở thiết kế bảng quảng cáo, bảng tên, cơ sở sản Hình 2.2. Giao diện làm việc phần mềm KCAM 4 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 59 xuất đá mỹ nghệ... Các thông số kỹ thuật của máy: Tên sản phẩm: máy CNC tạo chữ – HK Tại trọng: 128 kg Kích thước (mm): 830 x 740 x 830 Công suất động cơ trục chính: 150W Nguồn cấp cho các driver: 110 VAC 3.2. Kiến nghị Máy tạo chữ nên mở rộng một số điểm sau: Cần có môđun mở rộng để có thể điều khiển ở chế độ bằng tay qua bàn phím, không thông qua máy tính. Nên sử dụng các cảm biến vị trí hoặc công tắc hành trình để phản hồi vị trí các tọa độ một cách chính xác. Khi gia công kim loại, cần có hệ thống bơm làm mát được điều khiển từ chương trình. Cần có một driver và một cảm biến tốc độ hoặc encoder để điều khiển động cơ trục chính tùy theo vật liệu và chế độ gia công. Có thể sử dụng cơ cấu cấp phôi tự động và lấy phoi hợp lí để nâng cao hiệu suất làm việc của máy. Trường nên hỗ trợ thêm kinh phí để máy hoàn thiện hơn, đẹp hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thanh Hải (2009), Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình máy khoan CNC, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật. [2] PGS, TS Trần Văn Địch (2000), Công nghệ trên máy CNC, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, tr.5-91 & tr. 180 - 188. [3] PGS, TS Trương Hữu Chí, TS Võ Thị Ry (2007), Cơ Điện Tử trong Chế tạo máy, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [4] Nguyễn Quang Hùng, Trần Ngọc Bình, Động cơ bước Kỹ Thuật điều khiển và ứng dụng, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [5] Nguyễn Ngọc Đào, Trần Thế San, Hồ Viết Bình (2001), Chế độ cắt gia công cơ khí, Nhà xuất bản Đà Nẵng. [6] Jan Axelson (2000), Parallel Port Complete: Programming, Interfacing & Using the PC's Parallel Printer Port.