Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy phay CNC 4 trục sử dụng chương trình mach3 ứng dụng trong gia công nhôm và kim loại màu

Nội dung text: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy phay CNC 4 trục sử dụng chương trình mach3 ứng dụng trong gia công nhôm và kim loại màu

1. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHAY CNC 4 TRỤC SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MACH3 ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG NHÔM VÀ KIM LOẠI MÀU RESEARCHING DESIGN AND MANUFACTURING 4-AXIS CNC MILLING MACHINE USING MACH3 SOFTWARE APPLIED TO MANUFACTURE ALUMINUM AND FERROUS METALS. Đặng Minh Phụng, Lê Hiếu Giang, Nguyễn Văn Lâm, Nguyễn Trường Hải, Lê Tấn Cường Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM, Việt Nam Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM, Việt Nam Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM, Việt Nam Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM, Việt Nam Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM, Việt Nam phungdm@hcmute.edu.vn gianglh@hcmute.edu.vn nguyenvanlam6300@gmail.com truonghai1188@gmail.com cuonglt@hcmute.edu.vn TÓM TẮT Ngày nay, công nghệ chế tạo máy điều khiển số CNC ở các nước phát triển đã đạt đến mức hoàn thiện cao. Trong khi đó ở Việt Nam, các công trình nghiên cứu chế tạo máy CNC là chưa nhiều, đặc biệt là nghiên cứu về CNC 4 trục, 5 trục. Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu máy phay CNC 4 trục sử dụng phần mềm Mach3 ứng dụng trong gia công nhôm và kim loại màu. Kết quả thử nghiệm cho thấy máy phay CNC 4 trục hoạt động tốt, các chi tiết gia công đạt độ chính xác 0,02 mm. Kết quả này sẽ là kết quả tham khảo tốt cho việc phát triển lên máy phay CNC 5 trục, giúp nâng cao quá trình tự động hóa và gia công được các biên dạng phức tạp. Từ khóa: máy phay, CNC, 4 trục, Mach3, nhôm, kim loại màu. ABSTRACT Nowadays, in the developed countries, technology of manufacturing computerized numerical control (CNC) machines has reached a high level of perfection. Meanwhile, in Vietnam, there have not been many studies on computerized numerical control (CNC) machines, especially on 4-axis CNC milling machines and 5-axis CNC milling machines. This paper presents the results of the research into a 4-axis CNC milling machine using Mach3 applied to manufacture aluminium and ferrous metals. Test results showed that the 4-axis CNC milling machine worked well and the manufacturing components achieved precision of 0.02 mm. The results will be a good reference to develop 5-axis CNC milling machines, improve the level of automation and manufacture complex shapes. Keywords: milling, CNC, 4-axis, mach3, aluminium, ferrous metals.
2. 1. GIỚI THIỆU Ngày nay, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển thì máy móc hiện đại cũng ra đời ngày càng nhiều. Chỉ xét riêng lĩnh vực gia công cơ khí, hàng loạt máy CNC ra đời, máy CNC 3 trục, 4 trục, 5 trục, trung tâm gia công, máy CNC cao tốc nhờ đó mà năng suất sản xuất cũng như chất lượng sản phẩm ngày càng được nâng cao. Ngoài ra máy CNC còn có các ưu điểm như: sự linh hoạt, khả năng tự động, độ chính xác cao, gia công những hình dạng phức tạp một cách nhanh chóng chỉ với một tập tin mã lệnh G-Code nhập cho máy. Tuy nhiên giá thành nhập khẩu máy phay CNC 4 trục vẫn còn cao. Vì vậy việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy phay CNC 4 trục với kích thước nhỏ gọn và giá thành thấp nhưng vẫn đảm bảo hoạt động hiệu quả, góp phần vào việc từng bước giải mã và làm chủ công nghệ chế tạo máy phay CNC 4 trục, từng bước thay thế các thiết bị nhập ngoại giá thành cao phục vụ trong việc đào tạo nghề cho các trường trung cấp, phục vụ cho việc nghiên cứu, giảng dạy trong các phòng thí nghiệm của các trường đại học, cao đẳng cũng như nhận gia công một số sản phẩm không cần độ chính xác cao như khuôn mẫu (có độ chính xác không quá cao), chi tiết cơ khí, sản phẩm nữ trang, sản phẩm điêu khắc, từng bước thử nghiệm, nâng cao độ cứng vững và độ chính xác của máy. Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy phay CNC 4 trục được thực hiện tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. 2. MÔ HÌNH THIẾT KẾ MÁY PHAY CNC 4 TRỤC Dựa vào yêu cầu làm việc của máy phay CNC 4 trục, có cụm trục A gắn trên bàn máy của cụm trục X. Vì vậy cũng cần yêu cầu hành trình tịnh tiến trục Z đủ dài để đảm bảo không gian làm việc của máy. Phương án thiết kế máy phay CNC 4 trục được đề xuất như sau: Máy phay CNC 4 trục được cấu tạo từ các bộ phận cơ bản sau: Hình 1: Sơ đồ nguyên lý máy phay CNC 4 trục. Hình 2: Mô hình thiết kế 3D máy phay CNC 4 trục. (1): Cụm trục X; (2): Cụm trục Y; (3): Cụm trục A; (4): Cụm trục Z; (5): Đối trọng; (6): Ụ chống tâm.
3. 2.1 Cụm trục X 2.2 Cụm trục Y Nhiệm vụ của cụm trục X: là điều khiển Nhiệm vụ của cụm trục Y: mang cụm trục bàn máy tịnh tiến theo phương X. X và cụm trục A tịnh tiến theo phương Y. Hình 3: Mô hình thiết kế cụm trục X Hình 4: Mô hình thiết kế cụm trục Y (1): Tấm đế; (2): Tấm trung gian; (3): Trục (1): Gối đỡ; (2): Trục vitme; (3): Chi tiết bắt vitme; (4): Gối đỡ; (5): Động cơ bước; (6): đai ốc; (4): Đế máy; (5): Động cơ bước; (6): Khớp nối mềm; (7): Ray trượt; (8): Bàn máy. Ray trượt; (7): Con trượt. 2.3 Cụm trục Z 2.4 Cụm trục A Nhiệm vụ của cụm trục Z: là điều khiển cụm trục dao tịnh tiến theo phương Z. Nhiệm vụ của cụm trục A: là điều khiển chi tiết gia công xoay quanh trục X. Hình 5: Mô hình thiết kế cụm trục A Hình 4: Mô hình thiết kế cụm trục Z (1): Mâm cặp; (2): Mặt bích; (1): Thân đứng; (2): Gá Spindle; (3): Spindle; (3): Thân đứng; (4): Động cơ bước. (4): Tấm trung gian; (5): Con trượt; (5): Ray trượt; (6): Động cơ bước. .
4. Thông số kỹ thuật của máy: Đặc tính kỹ thuật Thông số Kích thước bàn máy 700x290 mm Hành trình vít me 400 x 320x 300 mm Không gian có thể gia công (kích thước 380x300x260 mm phôi lớn nhất có thể gia công được) 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 0,02 mm 3. SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 4 TRỤC Hình 6: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy phay CNC 4 trục
5. 4. PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CNC 4 TRỤC Hình 7: Giao diện điều khiển phần mềm Mach3 Thời kỳ đầu Mach3 CNC được coi là phần mềm mã nguồn mở. Vì vậy Mach3 CNC được phát triển nhanh, giao diện phong phú, nhiều tính năng, tiêu chuẩn CAD/CAM. Ngày nay, Mach3 CNC (hãng sản xuất: ArtSoft USA) trở thành phần mềm thương mại nhanh hiện đại, giá thành thấp và được nhiều người sử dụng, với các đặc tính cơ bản sau: - Giao tiếp với phần cứng máy CNC thông qua cổng LPT, cho phép biến một PC thành một bộ điều khiển máy CNC thời gian thực. - Bộ điều khiển Mach3 hoàn toàn tương thích với các máy như: phay CNC, tiện CNC, cắt Plasma, máy khắc, cắt Laser. - Giao diện đẹp, dễ dàng tuỳ biến theo ý thích của người sử dụng. - Nhận file G-code, M-Code tiêu chuẩn từ các phần mềm CAM - Mô phỏng quá trình làm việc rất rõ ràng, khai báo các thông số của hệ thống dễ dàng. - Cho phép đọc các file có định dạng dxf, bmp, jpg, và các file hpgl qua LazyCam kèm theo Mach3. - Cho phép set vị trí Home của phôi thông qua các phím của bàn phím máy tính. - Chức năng nội suy tọa độ, giải mã xuất tín hiệu xuống driver các trục. 5. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN + Máy phay CNC 4 trục sử dụng vòng điều khiển hở: sử dụng động cơ bước. Sử dụng động cơ bước là cách đơn giản để chuyển các xung điện thành lượng di chuyển tỉ lệ và cung cấp một giải pháp tương đối rẻ tiền cho việc điều khiển máy. Bởi vì điều khiển hở nên không cần bộ dò và mạch điện phản hồi, nên cấu trúc điều khiển rất đơn giản. + Độ chính xác của hệ thống phụ thuộc vào tính năng của động cơ bước, độ chính xác của vít me bi và bộ phận truyền động. Hình 8: Vòng điều khiển hở
6. Hình 9: Mạch động lực điều khiển động cơ. Hình 10: Sơ đồ mạch điều khiển máy CNC 4 trục [7] Hình 11: Tủ điện điều khiển
7. Nguồn: Chuyển điện áp xoay chiều 220V xuống 1 chiều ổn định 24V để nuôi mạch driver điều khiển 4 trục. Driver điều khiển động cơ bước: Truyền chuyển động cho vitme để ổn định tín hiệu truyền. Mạch giao tiếp BOB có nhiệm vụ kết nối giữa máy tính PC, mạch điều khiển động cơ, các công tắc hành trình, nút dừng khẩn cấp , đưa tín hiệu từ máy tính vào mạch điều khiển driver, đồng thời khi tín hiệu qua mạch đệm sẽ được ổn định hơn về đường truyền. Động cơ trục chính: Spindle DC 2,2 kW, 24000 vòng/ph. Đường kính dao lớn nhất dmax = Ø12 mm. 6. CHẾ TẠO – THỬ NGHIỆM Máy phay CNC 4 trục đã được chế tạo thành công và đạt được những kết quả sau: Hình 12: Máy phay CNC 4 trục Hình 13: Sản phẩm gia công trên máy CNC 4 trục  Đánh giá quá trình gia công thử nghiệm: + Tiến hành gia công 10 mẫu nhôm kích thước thiết kế 30x30x10, sử dụng thước kẹp điện tử có độ chính xác 0,01 mm để đo kích thước 10 mẫu theo 2 phương X, Y như sau:
8. Hình 14: 10 mẫu 30x30x10 gia công trên máy CNC 4 trục Bảng 1. Giá trị kích thước đạt được sau khi gia công 10 mẫu đo theo 2 phương X, Y. Mẫu 1 2 3 4 5 Kích thước 30x30 30x30 30,01x30,01 30x30,01 30x30,01 Mẫu 6 7 8 9 10 Kích thước 30x30,01 30,01x30,01 30,01x30,01 30x30 30,01x30,01 + Dựa vào bảng kích thước đạt được sau khi gia công thử nghiệm 10 mẫu nhôm đo theo 2 phương X, Y: máy phay CNC 4 trục đạt độ chính xác 0,02 mm. 7. KẾT LUẬN Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy CNC 4 trục. Máy đã được chế tạo và chạy thử đạt kết quả tốt: - Gia công các chi tiết cơ khí, đồ trang trí, nữ trang bằng nhôm, gỗ và kim loại màu. - Độ chính xác gia công đạt 0,02 mm. - Máy hoạt động ổn định, êm. - Dễ bảo trì, bảo dưỡng. - Phục vụ tốt cho việc nghiên cứu, giảng dạy ở các trường đại học, cao đẳng, trung cấp nghề TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS. Bùi Quý Lực, Hệ thống điều khiển số trong công nghiệp, NXB KHKT, Hà Nội 2006. [2] TS. Lê Hiếu Giang, Nguyễn Trường Thịnh, Giáo trình Máy Điều Khiển Theo Chương Trình Số, ĐH SPKT TP. HCM 2005. [3] James Floys-Kelly, Patrick Hood-Daniel, Build your own CNC machine, 2009 [4] User’s guide Mach3 driver, Letech Co. LTD. [5] Mach3 CNC controller software installation and configuration. [6] THK General Catalog. [7] THÔNG TIN TÁC GIẢ Đặng Minh Phụng, Trường ĐH SPKT Tp. HCM, phungdm@hcmute.edu.vn, 0906814944. Lê Hiếu Giang, Trường ĐH ĐH SPKT Tp. HCM, gianglh@hcmute.edu.vn, 0938308141. Nguyễn Văn Lâm, Trường ĐH ĐH SPKT Tp. HCM, nguyenvanlam6300@gmail.com, 01654094095. Nguyễn Trường Hải, trường ĐH ĐH SPKT Tp. HCM, truonghai1188@gmail.com,0934706625. Lê Tấn Cường, Trường ĐH ĐH SPKT Tp. HCM, cuonglt@hcmute.edu.vn, 0909744100.
9. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.