Luận văn thạc sĩ: Thiết kế, chế tạo mô hình máy phay CNC 3D

Chia sẻ: Sdfas Vfdtg | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

293
lượt xem 120
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thiết kế, chế tạo mô hình máy phay CNC 3D, điều khiển tự động chuyển động theo 3 phương X, Y, Z trong hệ tọa độ đề cac giao tiếp với máy tính.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ: Thiết kế, chế tạo mô hình máy phay CNC 3D

1 B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O Đ I H C ĐÀ N NG NGUY N KIM THÀNH THI T K , CH T O MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 3D Chuyên ngành : Công ngh ch t o máy Mã s : 60.52.04 TÓM T T LU N VĂN TH C SĨ K THU T Đà N ng - Năm 2011
2 Công trình ñư c hoàn thành t i Đ I H C ĐÀ N NG Ngư i hư ng d n khoa h c: TS. Ph m Đăng Phư c Ph n bi n 1: TS. Nguy n Xuân Hùng Ph n bi n 2: PGS.TS. Tăng Huy Lu n văn ñư c b o v trư c H i ñ ng ch m Lu n văn th c sĩ k thu t h p t i Đ i h c Đà N ng vào ngày 28 tháng 8 năm 2011 * Có th tìm hi u lu n văn t i: - Trung tâm Thông tin - H c li u, Đ i h c Đà N ng - Trung tâm H c li u, Đ i h c Đà N ng
3 M Đ U 1. Lý do ch n ñ tài: Ngày nay máy công c CNC ñư c s d ng r ng rãi trong vi c s n xu t, ch t o các s n ph m cơ khí. Đi u này th t s mang l i m t cu c cách m ng l n trong lĩnh v c cơ khí ch t o máy. V i máy công c CNC hoàn toàn có th gia công các lo i chi ti t khác nhau mà không c n ñ n thao tác v n hành máy c a con ngư i, có th ch t o ñư c nh ng b m t ph c t p mà máy công c truy n th ng r t khó ho c không th th c hi n ñư c. Vi c nghiên c u máy CNC và công ngh gia công trên máy CNC là ñi u h t s c c n thi t, nh t là khi công ngh này ngày càng có nh ng bư c phát tri n h t s c nhanh chóng. Đ có th n m b t và t ng bư c ti n k p v i trình ñ công ngh khoa h c hi n ñ i c n thi t ph i tri n khai nghiên c u, thi t k , ch t o máy CNC trong nư c. Bư c ñi ñ u tiên chính là vi c thi t k , ch t o nh ng mô hình máy CNC các c p ñ t ñơn gi n ñ n ph c t p. Thi t k , ch t o thành công mô hình máy CNC chính là cơ s , là ti n ñ quan tr ng ñ có th thi t k ch t o máy CNC trong nư c ph c v s n xu t; nh t là nh ng máy CNC c nh v i chi phí th p, giá thành h p lý, t ng bư c t ñ ng hóa s n xu t cũng như t ng bư c làm ch k thu t công ngh cao. V i mong mu n ñó tác gi l a ch n ñ tài “Thi t k , ch t o mô hình máy phay CNC 3D” làm lu n văn t t nghi p cao h c ngành công ngh ch t o máy, khóa 2008-2011. 2. N i dung nghiên c u - Nghiên c u, thi t k , ch t o mô hình máy phay CNC 3D, ñi u khi n t ñ ng chuy n ñ ng theo 3 phương X, Y, Z trong h t a ñ Đ -cac giao ti p v i máy tính.
4 3. Ph m vi nghiên c u - Không ñi u khi n t c ñ tr c chính - Ch y u ñi u khi n s ph i h p chuy n ñ ng c a 3 tr c trong không gian 3 chi u ñ gia công các b m t. 4. Phương pháp nghiên c u - Nghiên c u lý thuy t k t h p v i th c nghi m thông qua vi c thi t k , ch t o mô hình máy phay CNC 3D. 5. Ý nghĩa khoa h c và th c ti n - Thi t k mô hình là bư c ñi ñ u tiên trong vi c nghiên c u, thi t k ch t o máy CNC trong nư c, k t qu ñ t ñư c là ti n ñ quan tr ng ñ nghiên c u ch t o máy CNC ph c v s n xu t nh t là ñ i v i nh ng máy CNC c nh , giá thành th p. - Ti p c n vi c thi t k ch t o m t s n ph m tương ñ i hoàn ch nh k t h p cơ khí - ñi n t - l p trình làm cơ s cho vi c thi t k ch t o nh ng s n ph m có ch t lư ng t t hơn trong tương lai. 6. C u trúc c a lu n văn Lu n văn có b n chương, ph n k t lu n và ph l c, n i dung tóm t t như sau: Chương 1: T NG QUAN Chương 2: THI T K CƠ KHÍ Chương 3: THI T K M CH ĐI N T ĐI U KHI N Chương 4: PH N M M ĐI U KHI N CNC
5 Chương 1 T NG QUAN 1.1 T ng quan v máy phay CNC 1.1.1 K t c u cơ b n máy phay CNC H th ng ñi u khi n s CNC có hai thành ph n cơ b n: C m ñi u khi n máy (Machine Control Unit) và c m d n ñ ng ñ ng cơ. C u trúc c a máy phay CNC ñư c thi t k trên cơ s h t a ñ Đ các theo quy t c bàn tay ph i v i 3 tr c t a ñ vuông góc v i nhau. 1.1.2 H tr c t a ñ máy công c CNC Các tr c t a ñ c a máy CNC cho phép xác ñ nh chi u chuy n ñ ng c a các cơ c u máy và d ng c c t. Các tr c t a ñ ñó là X, Y, Z. Chi u dương c a tr c X, Y, Z ñư c xác ñ nh theo quy t c bàn tay ph i. a) Tr c Z Tr c Z luôn luôn song song v i tr c chính c a máy. b)Tr c X Tr c X là tr c n m trên m t bàn máy và thông thư ng nó ñư c xác ñ nh theo phương n m ngang. c)Tr c Y Tr c Y ñư c xác ñ nh sau kh các tr c X, Z ñã ñư c xác ñ nh theo quy t c bà tay ph i. Ngón tay tr ch chi u dương c a tr c Y. d) Các tr c ph Các ñi m chu n Các ñi m chu n c n ñư c xác ñ nh trong vùng làm vi c c a máy. Đi m chu n c a máy M (ñi m g c O c a máy) Đi m O c a chi ti t (ñi m W)
6 Đi m chu n c a dao (P) Đi m chu n c a giá dao T và ñi m gá dao N Đi m ñi u ch nh dao E Đi m gá ñ t (hay ñi m tỳ) A. Đi m O c a chương trình Các ñi m chu n khác F; K Quan h gi a các h tr c t a ñ 1.1.3 Các d ng ñi u khi n c a máy công c CNC Các máy CNC khác nhau có kh năng gia công ñư c các b m t khác nhau như các l , m t ph ng, các m t ñ nh hình, v.v… Do . 1.1.3.1 Đi u khi n ñi m – ñi m 1.1.3.2 Đi u khi n ñư ng th ng 1.1.3.3 Đi u khi n biên d ng (ñi u khi n contour) 1.1.3.4 Đi u khi n 2D 1.1.3.5 Đi u khi n contour 21/2D 1.1.3.6 Đi u khi n contour 3D 1.1.4 B truy n bi n ñ i chuy n ñ ng quay thành chuy n ñ ng t nh ti n Trong máy công c ñi u khi n s ngư i ta s d ng hai d ng vít me cơ b n: a) vít me-ñai c v i c p ti p xúc m t còn g i là vít me-ñai c thư ng b) vít me-ñai c v i c p ti p xúc lăn g i là vít me-lăn (bi) Vít me-bi có t o chung g m: - Vít me - Đai c - Viên bi - ng h i d u
7 1.1.5 H th ng d n hư ng Đ ñ m b o ñ chính xác trong các máy CNC thư ng s d ng các cơ c u d n hư ng Ray trư t Cơ c u d n hư ng Ray d n hư ng ñ chính xác cao Cơ c u d n hư ng ki u mang cá . 1.1.6 Đ ng cơ d n ñ ng các tr c t a ñ và tr c chính Trong máy công c ñi u khi n s , ngư i ta s d ng r ng rãi hai lo i ñ ng cơ d n ñ ng ch y dao, ñ ng cơ d n ñ ng th y l c và ñ ng cơ ñi n. Đ ng cơ th y l c dùng ñ bi n ñ i năng lư ng th y l c thành chuy n ñ ng t nh ti n (xilanh – pittông) ho c chuy n ñ ng quay (ñ ng cơ th y l c). Đ ng cơ ñi n dùng ñ bi n ñ i năng lư ng ñi n thành chuy n ñ ng cơ h c. Đ ng cơ ñi n d n ñ ng bàn máy là ñ ng cơ bư c, ñ ng cơ m t chi u ho c ñ ng cơ xoay chi u ñi u khi n t n s . 1.1.6.1 Đ ng cơ bư c Ưu ñi m c a ñ ng cơ bư c là ch nó có kh năng ñi u khi n tr c ti p b ng m ch s . Vì v y, trong m ch ñi u khi n không c n m ch bi n ñ i s tương t (DAC). Và nó cũng không c n các chuy n m ch ho c ch i than như ñ ng cơ m t chi u (DC) ñi u khi n secvo. Đ ng cơ bư c có ba ki u: ñ ng cơ bư c nam châm vĩnh c u PM (Permanent motor), ñ ng cơ bư c có t tr bi n ñ i VR (Variable Reluctance stepper motor) và ñ ng cơ bư c k t h p hai d ng ñ ng cơ PM và VR g i là ñ ng cơ lai (hybrid stepper motor). Nguyên t c ñi n c a ñ ng cơ bư c PM cũng gi ng như ñ ng cơ ñ ng b ba pha.
8 1.1.6.2 Đ ng cơ servo D n ñ ng ch y dao máy công c ñi u khi n s NC/CNC ñòi h i h ñi u khi n ph i có kh năng ñi u khi n ñ ng th i c t c ñ và v trí. Đ ng cơ servo m t chi u ñư c s d ng ph bi n trong các máy công c ñi u khi n s 1.1.6 Công t c hành trình Đ xác ñ nh v trí gi i h n chuy n ñ ng c a các tr c X, Y, Z thư ng s d ng các công t c hành trình. Công t c hành trình ñư c dùng ñ tránh chuy n ñ ng t nh ti n quá xa và có th làm hư h ng máy. Máy v n có th ho t ñ ng n u không s d ng công t c hành trình tuy nhiên ch c n m t sơ su t nh có th ph i tr m t cái giá khá ñ t. 1.1.7 Encoder Encoder thư ng ñư c s d ng ñ ño lư ng các d ch chuy n th ng ho c góc ñ ng th i chuy n ñ i v trí góc ho c v trí th ng thành tín hi u nh phân và nh tín hi u này có th xác ñ nh ñư c v trí tr c ho c bàn máy. Tín hi u ra c a encoder cho dư i d ng tín hi u s . Encoder ñư c s d ng làm ph n t chuy n ñ i tín hi u ph n h i trong các máy CNC và robot. 1.1.8.1 Encoder tuy t ñ i Encoder ki u tuy t ñ i, k t c u g m các thành ph n sau: ngu n sáng, ñĩa mã hóa và các phondetetor. 1.1.8.2 Encoder gia s Encoder gia s ñư c s d ng r ng rãi trong công nghi p. Encoder gia s cũng g m hai ki u: ki u th ng và ki u quay. C u t o c a encoder gia s g m có: ngu n sáng, th u kính, ñĩa thư c c ñ nh, ñĩa phát xung, photosensor và m ch ñi n.
9 1.2 T ng quan các nghiên c u v máy CNC 2D và 3D trong nư c 1.2.1 Nghiên c u ch t o mô hình máy phay khoan CNC (2D) Đ tài s d ng ñ ng cơ bư c làm ñ ng cơ d n ñ ng các tr c t a ñ ñi n áp làm vi c 5V, m ch ñi u khi n ñ ng cơ bư c dùng các IC logic, b truy n bi n ñ i chuy n ñ ng quay thành chuy n ñ ng t nh ti n là vit me ñai c bi 1.2.2 Thi t k , ch t o mô hình máy phay CNC 2D Mô hình s d ng ñ ng cơ servo d n ñ ng cho ba tr c X, Y, Z. Đ ng cơ th c hi n chuy n ñ ng c t g t là ñ ng cơ xoay chi u. B truy n vít me ñai c bi cho tr c X và Y và b truy n vít me ñai c thư ng ñ i v i tr c Z. Mô hình máy ch t o gia công ñư c các chi ti t 2D như kh c ch chính xác. 1.2.3 Thi t k và ch t o máy phay CNC t o ch 2D Mô hình s d ng ñ ng cơ bư c làm ñ ng cơ d n ñ ng các tr c t a ñ , ñ ng cơ d n ñ ng tr c chính là ñ ng cơ DC, ñi n áp làm vi c 90VDC, t c ñ kh i ñ ng 1000 vòng/phút. B truy n bi n chuy n ñ ng quay thành chuy n ñ ng t nh ti n s d ng b truy n vít me ñai c bi. Ph n ñi u khi n s d ng driver ñi u khi n ñ ng cơ bư c có m t trên th trư ng ñi u khi n ñ ng cơ bư c thông qua ph n m m Kcam 4 giao ti p máy tính thông qua c ng song song. 1.2.4 M t s mô hình máy CNC khác
10 Chương 2 THI T K CƠ KHÍ 2.1 Các thông s thi t k ban ñ u − Kích thư c bàn máy: 200 x 200 (mm) − Hành trình di chuy n tr c X: 500 (mm) − Hành trình di chuy n tr c Y: 400 (mm) − Hành trình di chuy n tr c Z : 300 (mm) − T c ñ làm vi c tr c X : 2000 vòng/ phút − T c ñ làm vi c tr c Y : 2000 vòng/ phút − T c ñ làm vi c tr c Z : 2000 vòng/ phút − T c ñ tr c chính : 6000 vòng/ phút − V t li u gia công: nhôm, nh a, mica 2.2 Thi t k k t c u chung c a máy Đ máy phay có th gia công ñư c các chi ti t 3D ñòi h i c n ph i có 3 tr c chuy n ñ ng theo ba phương X, Y, Z ñư c ñi u khi n ñ c l p trong h t a ñ Đ các theo quy t c bàn tay ph i. Đ t ng a bàn tay ph i lên bàn máy, chi u ngón tay cái là chi u tr c X, chi u ngón tay tr là chi u tr c Y, chi u ngón tay gi a là chi u tr c Z Ch n phương án chuy n ñ ng Phương án 1: X Z Y Hình 2.1 Phương án chuy n ñ ng 1
11 Trong phương án này tr c Y chuy n ñ ng ph i h p v i tr c Z, tr c X chuy n ñ ng ñ c l p. Phương án 2: Tr c X và tr c Y chuy n ñ ng ph i h p v i nhau, tr c Z chuy n ñ ng ñ c l p Z Y X Hình 2.2 Phương án chuy n ñ ng 2 Ta ch n phương án chuy n ñ ng là phương án 2 vì phương án này g n v i máy th c t hơn. K t c u máy nh g n và cân ñ i hơn 2.3 Thi t k các cơ c u d n ñ ng và thi t k các chi ti t máy 2.3.1 L a ch n b truy n vít me – ñai c cho tr c X - L a ch n cơ c u vít me ñai c bi dùng cho chuy n ñ ng ch y dao theo phương X vì có nh ng ưu như c ñi m sau: + ng su t ti p xúc nh . + Đã có s n k t c u kh khe h và t o s c căng ban ñ u nh m tăng ñ c ng v ng d c tr c. + Ma sát nh , hi u su t cao. + Giá thành cao, khó ch t o. Các thông s vít me-ñai c bi (tr c X): • Chi u dài tr c vít me: lX = 600 mm • Bư c: t = 5 mm
12 • Đư ng kính vít me: d = 16 mm 2.3.2 L a ch n b truy n vít me – ñai c tr c Y Tương t l a ch n cơ c u vít me ñai c bi dùng cho chuy n ñ ng ch y dao theo phương Y Các thông s vít me-ñai c bi (tr c Y): • Chi u dài tr c vít me: lY = 400 mm • Bư c : t = 5 mm • Đư ng kính vít me: d = 16 mm 2.3.3 L a ch n b truy n vít me – ñai c tr c Z Tương t l a ch n cơ c u vít me ñai c bi dùng cho chuy n ñ ng ch y dao theo phương Z, ñ ñ m b o truy n ñ ng ñư c chính xác. Các thông s vít me-ñai c bi (tr c Z): • Chi u dài tr c vít me: lY = 400 mm • Bư c : t = 4 mm • Đư ng kính vít me: d = 14 mm 2.3.4 L a ch n ñ ng cơ d n ñ ng các tr c to ñ cho mô hình thi t k : Đ ng cơ bư c (Stepping Motor): Ưu ñi m: – Đi u khi n v trí _T c ñ chính xác và ñơn gi n. – Không c n m ch ph n h i. – Thư ng ñư c s d ng trong các h th ng máy CNC. Như c ñi m: – Giá thành cao. – Momen xo n nh . Đ ng cơ m t chi u (DC Motor): Ưu ñi m:
13 – Momen xo n l n. – Giá thành r . Như c ñi m: – Đáp ng ch m trong khi m ch ñi u khi n l i ph c t p. – Ph i có m ch ph n h i thì m i có th nâng cao ñ chính xác. K t lu n: Ta ch n ñ ng cơ DC Servo Motor làm ñ ng cơ d n ñ ng các tr c t a ñ theo nh ng thông s sau: - Đi n áp vào 30V - Dòng 2A - Công su t 42W - Encoder 200 xung 2.3.5 L a ch n ñ ng cơ d n ñ ng tr c chính cho mô hình thi t k : Ch n ñ ng cơ xoay chi u (AC Motor) vì nó có nh ng ñ c ñi m sau: Ưu ñi m: – C p ngu n tr c ti p t ñi n lư i xoay chi u. – Đa d ng và r t phong phú v ch ng lo i. – Giá thành r . Như c ñi m: – Ph i có m ch cách ly gi a ph n ñi u khi n và ph n ch p hành ñ ñ m b o an toàn. – Momen kh i ñ ng nh . – M ch ñi u khi n t c ñ ph c t p (bi n t n). Đ ñơn gi n hóa và gi m giá thành c a mô hình, ta ch n ñ ng cơ d n ñ ng tr c chính là ñ ng cơ xoay chi u (AC Motor) v i 1 t c ñ c t (không ñi u khi n t c ñ ñ ng cơ c t) Ch n ñ ng cơ:
14 + S vòng quay: nmax =4.000 vòng/phút. + Công su t: N=150W + Ngu n ñi n: 200/250V + Dòng ñi n: 0,75A 2.4 Mô ph ng và ki m tra b ng ph n m m Solidwork 2.4.1 Xây d ng các chi ti t b ng ph n m m Solidwork Sau khi k t c u máy CNC ñã ñư c hoàn thi n, toàn b máy v i các chi ti t ñư c thi t k l i trên ph n m m Solidwork ñ ñánh giá t ng th và chuy n sang các b n v 2D ph c v quá trình gia công cơ khí Hình 2.3 Tr c vít me bi Hình 2.4 Mi ng ghép tr c X
15 Hình 2.5 Đ ng cơ servo Hình 2.6 T m ghép l p ñ ng cơ 2.4.2 L p ráp mô hình Các chi ti t sau khi ñã ñư c thi t k l i trên ph n m m Solidwork chuy n sang mô ñun Assembly ñ l p ráp thành mô hình hoàn ch nh. Vi c l p ráp cho phép ki m tra kích thư c tương ñ i v trí các chi ti t
16 Hình 2.7 C m tr c X Hình 2.8 Mô hình l p ráp hoàn ch nh
17 2.4.3 Mô ph ng ñ ng h c Sau khi ti n hành l p ráp mô hình máy phay CNC 3D tương ñ i hoàn ch nh trong Solidword ta ti n hành mô ph ng ñ ng h c. Mô ph ng ñ ng h c cơ c u và b truy n trong quá trình thi t k máy r t hi u qu . Quá trình mô ph ng cho phép chúng ta xác ñ nh các ñ c tính ñ ng h c, xác ñ nh s va ch m trong quá trình làm vi c c a h th ng và phát hi n nh ng sai sót trong quá trình thi t k . 2.5 Thi t l p b n v ch t o Sau khi ñã thi t k và ki m nghi m ta chuy n sang các b n v 2D ñ th c hi n gia công ngay trên ph n m m Solidworks t b n v 3D sang 2D. 2.6 Ch t o l p ráp và hi u ch nh mô hình Sau thi ñã hoàn ch nh vi c thi t k cơ khí, có ñư c các b n v ch t o công vi c ti p theo là ti n hành ch t o. Hình 2.9 Phay thanh ghép thanh d n hư ng
18 Hình 2. Mô hình cơ khí hoàn ch nh Chương 3 THI T K M CH ĐI N T ĐI U KHI N 3.1 T ng quan v m ch ñi u khi n Ph n ñi u khi n mô hình máy phay CNC 3D g m m t m ch ngu n ñ cung c p ngu n cho m ch giao ti p, m ch drive ñ ng cơ servo DC. M t m ch giao ti p ñ truy n tín hi u ñi u khi n máy tính ñ n m ch driver ñ ñi u khi n ñ ng cơ có chi u và s vòng quay tương ng.
19 M ch driver ñ ng cơ servo (m ch công su t) có tác d ng nh n tín hi u t encoder c a ñ ng cơ servo, khuy ch ñ i tín hi u Hình 3.1 T ng quan v m ch ñi n t mô hình máy phay CNC 3.2 Thi t k m ch ngu n - Ngu n vào: 220VAC - Ngu n ra: 5VDC, 15VDC, 30 VDC Ngu n ñi n xoay chi u 220VAC qua bi n th ñ gi m ñi n áp ra còn 23 VAC, và 12 VAC. Dòng ñi n này s ñư c qua m t diode c u, sau ñó m t t l c ñ l c g n cho dòng ñi n m t chi u Hình 3.2 Sơ ñ nguyên lý m ch ngu n
20 3.3 Thi t k m ch driver ñi u khi n ñ ng cơ M ch driver dùng ñ ñi u khi n chính xác t c ñ , v trí, và v n t c ñ ng cơ m t chi u DC Servo Hình 3.7 Sơ ñ nguyên lý m ch driver ñi u khi n ñ ng cơ servo ñơn gi n 3.4 Thi t k m ch giao ti p trung tâm M ch trung gian ñ giao ti p gi a c ng song song v i các driver ñi u khi n các tr c X, Y, Z Công d ng: - M ch trung gian ñ l c tín hi u và ñi u khi n các c ng tr ng thái ñi u khi n d li u chưa ñ ng nh t s ñưa v chu n TTL (5V) - Đưa v ñi n áp chu n ñ tránh driver sai l ch m c tín hi u - (m c 0 và 1)