Thiết kế, chế tạo mô hình máy phay CNC 2D

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(38).2010<br /> <br /> <br /> <br /> THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 2D<br /> THE DESIGN AND MANUFACTURE OF THE 2D-CNC<br /> MILLING-MACHINE MODEL<br /> <br /> <br /> Phạm Đăng Phước<br /> Trường Đại học Phạm Văn Đồng<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Nghiên cứu các lĩnh vực công nghệ cao, nâng cao khả năng thiết kế các hệ thống điều<br /> khiển tự động, chế tạo các loại máy CNC (Computer Numerical Control) dùng trong sản xuất là<br /> yêu cầu cấp thiết đối với ngành cơ khí của nước ta, đặc biệt trong lĩnh vực đào tạo chuyên<br /> ngành này. Máy phay CNC là một trong những thiết bị được sử dụng nhiều, dùng để gia công<br /> những chi tiết có độ chính xác cao, hình dáng phức tạp. Bài báo giới thiệu những thành công,<br /> các kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy phay CNC 2D như một cơ sở ban đầu cho các<br /> nghiên cứu phức tạp hơn sau này. Máy được thiết kế theo hướng ứng dụng công nghệ<br /> CAD/CAM, sử dụng phần mềm KCAM, lập trình tự động để gia công các biên dạng được vẽ<br /> trên máy tính.<br /> ABSTRACT<br /> Any researches into hi-tech areas such as improving the design of auto-control systems<br /> and manufacturing CNC tool machines are pressing requirements for Vietnam’s engineering<br /> branch, especially in the training of engineering. The CNC milling machine is one of the<br /> commonly used machines, which manufacture complicate-shaped details with high accuracy.<br /> This article presents the results of a research on the design and manufacture of the 2D-CNC<br /> milling machine as a preliminary base for later researches. This machine is designed to apply<br /> the CAD/CAM technology with the KCAM software and automatic programs to the processing of<br /> the paths drawn on the PC.<br /> <br /> <br /> <br /> 1. Mở đầu<br /> Máy CNC đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất ở<br /> nước ta. Trong ngành cơ khí, đặc biệt là lĩnh vực tự động hoá và cơ khí chính xác, việc<br /> nghiên cứu ứng dụng các máy CNC tạo điều kiện tự động hoá, linh hoạt hoá các dây<br /> chuyền sản xuất là rất quan trọng. Tuy nhiên ở Việt Nam, việc chế tạo các máy CNC<br /> còn rất hạn chế, các viện nghiên cứu, các trường đại học kỹ thuật cần đầu tư nhiều hơn<br /> đối với việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo các thiết bị CNC. Đây là lĩnh vực mới và khó,<br /> cần có những bước đi thích hợp từ đơn giản đến phức tạp để tiếp cận vấn đề. Theo<br /> hướng đó, trong các năm qua nhiều đề tài đã được thực hiện tại trường Đại học Bách<br /> khoa – Đại học Đà Nẵng như: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy khoan bo mạch điện<br /> tử”, “Thiết kế, chế tạo máy khoan CNC”, “Thiết kế, chế tạo máy cắt thép tấm CNC”…<br /> Việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình máy phay CNC 2D so với các nghiên cứu<br /> 76<br />  TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(38).2010<br /> <br /> trước có độ phức tạp lớn hơn về yêu cầu điều khiển và độ chính xác; kết quả nhằm phục<br /> vụ cho công tác giảng dạy và học tập của sinh viên chuyên ngành, từng bước nâng cao<br /> năng lực thiết kế các loại máy CNC.<br /> 2. Nội dung<br /> 2.1. Thiết kế cơ khí<br /> Máy được thiết kế ở dạng mô hình nhưng đảm bảo các chuyển động chính xác<br /> của bàn máy trên cơ sở phối hợp chuyển động theo phương hai trục X, Y. Mục tiêu thiết<br /> kế là máy có thể đảm bảo được các chuyển<br /> động để gia công các đường thẳng, đường<br /> cong trong mặt phẳng nằm ngang, song song<br /> với mặt bàn máy; các đường gia công có thể<br /> được vẽ trên các phần mềm CAD, dữ liệu<br /> truyền trực tiếp đến máy thiết kế để gia công<br /> thông qua các lệnh G, M code. Máy được thiết<br /> kế với kiểu điều khiển 2D; với điều khiển 2D,<br /> hai trục X, Y có thể được điều khiển đồng thời<br /> Hình 1. Điều khiển 2D<br /> (Trục Z chuyển động độc lập).<br /> Mô hình máy thiết kế được mô phỏng trên phần mềm Inventor như hình 2:<br /> 1, 2: Các động cơ DC servo dẫn động trục<br /> X, Y.<br /> 3, 4: Các bộ truyền vít me – đai ốc bi.<br /> 5: Động cơ AC dẫn động trục chính.<br /> 6: Động cơ DC nâng hạ trục chính.<br /> 7: Bàn máy.<br /> <br /> <br /> 5 6<br /> <br /> <br /> <br /> 3 7<br /> <br /> <br /> <br /> 2<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1 4<br /> Hình 2. Mô hình máy phay<br /> <br /> <br /> 77<br />  TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(38).2010<br /> <br /> Động cơ dẫn động trục chính:<br /> Dùng loại động cơ xoay chiều (AC Motor) vì nó có những đặc điểm sau:<br /> Ưu điểm: Cấp nguồn trực tiếp từ điện lưới xoay chiều, dễ tìm, động cơ có công<br /> suất lớn nhưng kích thước nhỏ, giá thành rẻ.<br /> Nhược điểm: Phải có mạch cách ly giữa phần điều khiển và phần chấp hành để<br /> đảm bảo an toàn. Momen khởi động nhỏ; mạch điều khiển tốc độ phức tạp (do dùng bộ<br /> biến tần).<br /> Máy sử dụng động cơ dẫn động trục chính là động cơ xoay chiều không đồng bộ<br /> một pha với các thông số sau:<br /> + Loại động cơ: Kí hiệu: DY-902C<br /> + Số vòng quay: nmax =10.000 vòng/phút.<br /> + Công suất: N=150W<br /> + Nguồn điện: 200/250V<br /> + Dòng điện: 0,75A<br /> Động cơ dẫn động các trục toạ độ X, Y:<br /> Chọn động cơ Servo một chiều để dẫn động các trục tọa độ X, Y.<br /> Ưu điểm: Momen xoắn lớn, dễ điều chỉnh vô cấp, làm việc ổn định ở mọi cấp<br /> tốc độ (trong phạm vi điều khiển), giá thành rẻ.<br /> Nhược điểm: Đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp, phải có<br /> mạch phản hồi thì mới có thể nâng cao độ chính xác, dải tốc độ điều khiển hẹp.<br /> Các thông số của động cơ:<br /> + Số vòng quay: nmax = 3000 vòng/phút.<br /> + Công suất: N= 35 W<br /> + Điện áp: 24 V<br /> + Encoder: 200 xung<br /> + Khối lượng: 700 g<br /> + Đường kính trục: dtr= 8 mm<br /> Chọn loại vít me cho cơ cấu chạy dao của mô hình thiết kế:<br /> Cơ cấu vít me-đai ốc bi được dùng cho chuyển động chạy dao theo hai phương<br /> X, Y vì có những ưu nhược điểm sau:<br /> Ưu điểm: - Ứng suất tiếp xúc nhỏ, ma sát nhỏ; đã có sẵn cơ cấu khử khe hở và<br /> tạo sức căng ban đầu nhằm tăng độ cứng vững dọc trục; hiệu suất tương đối cao (từ<br /> 90%-95%), có thể chuyển động ổn định ở vận tốc nhỏ; độ chính xác cao.<br /> Nhược điểm: Giá thành cao; khó chế tạo.<br /> Các thông số của bộ vít me-đai ốc bi:<br /> Chiều dài trục vít me: Trục X: lX = 580 mm; Trục Y: Ly = 400 mm<br /> <br /> 78<br />  TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(38).2010<br /> <br /> Bước: t = 4 mm<br /> Đường kính vít me: d = 12 mm<br /> 2.2. Thiết kế điều khiển và kết nối máy tính<br /> Chọn phương án điều khiển: Sử dụng cổng song song (LPT Port hay Parallel<br /> Port):<br /> Ưu điểm: Cấu trúc cổng song song đơn giản; tín hiệu được truyền song song<br /> nên việc nội suy được thực hiện dễ dàng (phù hợp với yêu cầu điều khiển 2D); tương<br /> thích TTL nên không cần module chuyển đổi; chi phí thấp.<br /> Nhược điểm: Tín hiệu truyền đi không được xa; khó lập trình vì các ngôn ngữ<br /> lập trình không hỗ trợ module điều khiển cổng song song.<br /> Cổng song song của máy tính có tổng cộng 17 đường dẫn số, tương thích chuẩn<br /> TTL, truyền dữ liệu với tốc độ nhanh. Các đường dẫn nhiều hơn so với cổng nối tiếp,<br /> cho nên một số phép thử trở nên đơn giản. Mặt khác, so với cổng nối tiếp thì giao tiếp<br /> qua cổng song song chi phí thấp hơn, bởi vì cổng nối tiếp cần có sự biến đổi dữ liệu<br /> được truyền theo kiểu nối tiếp thành dữ liệu song song.<br /> Mạch giao tiếp trung tâm:<br /> 1. Mục đích: làm mạch trung<br /> gian để giao tiếp giữa cổng song song với<br /> các driver điều khiển các trục X, Y, Z.<br /> 2. Công dụng:<br /> - Mạch trung gian để lọc tín hiệu<br /> và điều khiển các cổng trạng thái - điều<br /> khiển - dữ liệu chưa đồng nhất sẽ đưa về<br /> chuẩn TTL (chuẩn 5 V). Đưa về điện áp<br /> chuẩn, tránh cho driver sai lệch các mức<br /> tín hiệu (mức 0 và 1).<br /> Hình 3. Mạch giao tiếp trung tâm<br /> - Lọc nhiễu ở tần số cao.<br /> - Các driver hoạt động ổn định hơn, đảm bảo khả năng tải lớn hơn.<br /> 3. Phần tử chủ yếu sử dụng trong mạch:<br /> - Dùng IC logic (kí hiệu: HC 14) hay còn gọi là cổng đảo để phân biệt tín hiệu ra<br /> và tín hiệu vào trong quá trình điều khiển.<br /> - Dùng vi điều khiển 8051 (AT89S52) là loại vi điều khiển được sử dụng phổ<br /> biến hiện nay, giá thành rẻ, dễ mua.<br /> Phần mềm điều khiển và chương trình gia công:<br /> Sử dụng Phần mềm KCAM: Phần mềm này chạy trên môi trường Window, là<br /> phần mềm trực quan, giúp người lập trình rất nhiều trong quá trình khai báo kết nối máy<br /> tính, soạn thảo chương trình (lập trình thủ công) cũng như lập trình tự động. Từ bản vẽ<br /> <br /> 79<br />  TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(38).2010<br /> <br /> trên máy tính (sử dụng CAD: vẽ và thiết kế trên máy tính) phần mềm có một hệ thống<br /> biên dịch trợ giúp cho quá trình lập trình để xác định một chương trình gia công thích<br /> hợp dưới dạng mô tả cả quá trình, biên dịch các tác vụ di chuyển dụng cụ và các chế độ<br /> công nghệ tương ứng.<br /> Công việc tiếp theo là mã hoá chương trình gia công trên do bộ hậu xử lý (Post<br /> Processor) dựa trên cơ sở G code và M code của hệ thống điều khiển số tương thích trên<br /> các loại máy CNC, cho ra chương trình gia công thích hợp.<br /> 3. Kết quả và thảo luận<br /> 3.1. Kết quả<br /> Đã thiết kế - chế tạo mô hình máy phay CNC 2D đảm bảo gọn về hình dáng, kết<br /> cấu đơn giản, cứng vững, hoạt động chính xác. Máy có thể gia công được các đường<br /> thẳng và đường cong trong mặt phẳng ngang, dữ liệu được kết xuất từ máy tính (vẽ<br /> bằng các phần mềm CAD). Mô hình đã được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh như hình 4.<br /> Lập trình điều khiển để gia công được các chi tiết bằng vật liệu POM, Phíp,<br /> mica và các vật liệu mềm khác. Ứng dụng công nghệ CAD/CAM cho việc thiết kế và<br /> gia công chi tiết trên máy. Một số sản phẩm được gia công như hình 5.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Mô hình máy phay CNC 2D<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Một số sản phẩm đã được gia công<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 80<br />  TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(38).2010<br /> <br /> Thảo luận:<br /> Mặc dù mô hình thiết kế đã chạy tốt và ổn định nhưng trong quá trình chế tạo và<br /> tham khảo một số tài liệu nước ngoài việc nghiên cứu cần mở rộng thêm như sau:<br /> - Thiết kế ụ dao để có thể tự động thay dao trong quá trình gia công.<br /> - Thiết kế module kiểm tra, để kiểm soát quá trình gia công nhằm nâng cao độ<br /> chính xác và hiệu năng của máy.<br /> - Cần có modul mở rộng để có thể điều khiển bằng tay các chuyển động X, Y, Z<br /> không thông qua máy tính.<br /> - Cải tiến mô hình cũng như chương trình để trở thành máy phay CNC 3D.<br /> <br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> <br /> [1] Nguyễn Ngọc Cẩn, Thiết kế máy cắt kim loại, Trường Đại học Bách khoa<br /> Tp.HCM.<br /> [2] Tạ Duy Liêm, Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ, NXB Khoa học và kỹ<br /> thuật.<br /> [3] Nguyễn Đắc Lộc – Tăng Huy, Điều khiển số và công nghệ trên máy điều khiển số<br /> CNC, NXB Khoa học và Kỹ thuật.<br /> [4] Jan Axelson (2000), Parallel Port Complete: Programming, Interfacing & Using<br /> the PC’S Parallel Printer Port.<br /> [5] www.bkpro.info<br /> [6] www.diendandientu.com<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 81<br />