Đồ án nghiên cứu và phát triển máy phay CNC 4 trục ứng dụng gia công nhôm và kim loại màu

Đồ án nghiên cứu hcmute nghiên cứu phát triển thiết kế và hoàn thiện máy phay cnc 4 trục ứng dụng gia công nhôm và, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài

• Tác giả: Lê Đình Nghĩa
• Người hướng dẫn: Th.S. Đặng Minh Phụng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên Cứu Phát Triển Thiết Kế Và Hoàn Thiện Máy Phay CNC 4 Trục Ứng Dụng Gia Công Nhôm Và Kim Loại Màu
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
• 1.2.1. Thế giới
• 1.2.2. Trong nước
• 1.3. Kết quả dự kiến đạt được
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
• 1.5. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.6. Cách thức đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Các nội dung liên quan đề tài
• 2.2. Vài nét sơ lược về máy CNC
• 2.3. Điều khiển số NC (Numerical Control)
• 3. CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN
• 3.1. Lựa chọn phương án di chuyển cho trục 4
• 3.2. Hoàn thiện trục A
• 3.3. Thiết kế và chế tạo ụ động
• 3.4. Lựa chọn, tính toán lại thanh trượt
• 3.5. Tính toán kiểm nghiệm lại vít me
• 3.6. Lựa chọn tính toán lại động cơ
• 3.7. Cố định đế trục Y
• 3.8. Thiết kế, chế tạo cover
• 3.9. Tủ điện và khí cụ điện
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
• 4.1. Hoàn thiện trục A
• 4.2. Tính toán và lựa chọn động cơ
• 4.3. Thiết kế và chế tạo vỏ máy
• 4.4. Cải tiến hệ thống điện
• 4.5. Một số hình ảnh gia công thực tế
• 5. CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 5.1. Kiểm nghiệm lại các trục
• 5.2. Khả năng công nghệ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Máy Phay CNC và Nghiên cứu Chế tạo

Trong lĩnh vực gia công cơ khí chính xác, máy phay CNC đóng vai trò quan trọng, mang đến nhiều thành tựu vượt bậc. Các loại máy CNC hiện đại sở hữu khả năng gia công kim loại với hình dạng phức tạp, độ chính xác cao, góp phần nâng cao năng suất sản xuất. Tuy nhiên, chi phí đầu tư máy móc hiện đại thường rất cao. Chính vì vậy, nhiều cá nhân, tổ chức đã nghiên cứu và chế tạo máy CNC cỡ nhỏ với chi phí thấp để đáp ứng nhu cầu sản xuất.

1.1. Lợi ích và Ứng dụng của Máy Phay CNC

Máy phay CNC cho phép gia công chi tiết với khối lượng lớn, độ chính xác cao và hiệu quả kinh tế. Nhờ đó, chu kỳ sản xuất được rút ngắn đáng kể. Máy phay CNC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là chế tạo khuôn mẫu chính xác, các chi tiết đòi hỏi độ chính xác và độ phức tạp cao.

1.2. Xu hướng Chế tạo Máy Phay CNC tại Việt Nam

Tại Việt Nam, gia công CNC ngày càng phổ biến. Nhiều trường đại học, cao đẳng và cá nhân đã và đang chế tạo máy CNC mini để phục vụ cho việc nghiên cứu, học tập, cũng như sản xuất tại các xưởng nhỏ lẻ. Các máy CNC này thường được thiết kế để gia công gỗ, kim loại màu, cắt xốp, cắt kim loại bằng plasma,...

II. Máy Phay CNC 4 Trục Cấu tạo và Nguyên lý Hoạt động

Để chế tạo máy phay CNC 4 trục, người thực hiện cần am hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy CNC hiện đại. Nghiên cứu các máy CNC mini đã được chế tạo trong và ngoài nước sẽ cung cấp nguồn tư liệu quý báu, làm cơ sở cho việc phát triển đề tài.

2.1. Sơ lược về Điều khiển Số NC và CNC

Điều khiển số (NC) là phương pháp tự động điều chỉnh máy công tác, trong đó các chuyển động được điều khiển dựa trên dữ liệu ở dạng mã nhị phân. Máy CNC, sử dụng máy tính để điều khiển, cho phép gia công chi tiết với độ chính xác cao hơn và hiệu quả kinh tế vượt trội so với các kỹ thuật cũ.

2.2. Lịch sử Phát triển của Máy CNC

Ý tưởng điều khiển dụng cụ thông qua chuỗi lệnh đã xuất hiện từ thế kỷ XIV. Từ những chiếc đồng hồ cơ khí sử dụng chốt hình trụ để điều khiển chuyển động, đến máy dệt tự động của Jacquard sử dụng tấm tôn đục lỗ, kỹ thuật điều khiển ngày càng phát triển. Sự ra đời của máy tính và mã nhị phân đã đánh dấu bước tiến mới trong lĩnh vực điều khiển số.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo chính xác, sự xuất hiện của các dòng máy công cụ điều khiển số (CNC) nhiều trục (3 trục, 4 trục, 5 trục, cao tốc) đã tạo điều kiện tự động hóa quá trình sản xuất và gia công các biên dạng hình học phức tạp. Tuy nhiên, các dòng máy CNC công nghiệp nhập khẩu thường có giá thành rất cao, khó tiếp cận đối với các xưởng sản xuất quy mô nhỏ, phòng thí nghiệm học tập hoặc nghiên cứu ứng dụng tại gia đình. Từ thực tiễn đó, nhu cầu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các mô hình máy phay CNC cỡ nhỏ, có chi phí hợp lý nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác để gia công nhôm, kim loại màu và gỗ là rất cấp thiết.

Đề tài "Nghiên cứu phát triển thiết kế và hoàn thiện máy phay CNC 4 trục ứng dụng gia công nhôm và kim loại màu" được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo Máy thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (Khóa 2012–2016, bảo vệ tháng 08/2016). Đề tài kế thừa mô hình nghiên cứu trước đó nhằm khắc phục các nhược điểm về độ cứng vững, hiện tượng rơ lắc của trục xoay và cải tiến hệ thống điều khiển - vỏ máy.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định gồm ba nhiệm vụ cụ thể:

1. Nắm vững kiến thức về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách thức truyền động, phương pháp lập trình và điều khiển máy phay CNC.
2. Vận dụng kiến thức chuyên ngành để nghiên cứu phát triển, tính toán thiết kế và hoàn thiện mô hình máy phay CNC 4 trục.
3. Lập trình và điều khiển máy CNC đã hoàn thiện để gia công thực nghiệm sản phẩm đạt độ chính xác theo yêu cầu kỹ thuật.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình máy phay CNC 4 trục với kích thước tổng thể $862 \times 912 \times 1037\text{ mm}$.
• Phạm vi không gian gia công: Hành trình dịch chuyển các trục đạt trục X là $400\text{ mm}$, trục Y là $320\text{ mm}$, và trục Z là $300\text{ mm}$.
• Phạm vi vật liệu ứng dụng: Gia công gỗ, vật liệu nhôm và các loại kim loại màu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật điều khiển số NC/CNC, kế thừa từ lịch sử phát triển máy công cụ (từ hệ thống điều khiển của Jonh Parsons và Viện Công nghệ Massachusetts - MIT giai đoạn 1949–1952, ngôn ngữ APT, công nghệ vi xử lý, đến các hệ thống tích hợp CAD/CAM, FMS, CIM và DNC).

Cấu trúc máy phay CNC được khảo sát gồm hai phần chính:

• Phần điều khiển: Chương trình điều khiển (mã lệnh G-code, hệ tọa độ, các điểm gốc máy $M$, điểm chuẩn máy $R$, điểm gốc phôi $W$, điểm gốc chương trình $P$, điểm chuẩn gá dao $T$, điểm gá dao $N$) và cơ cấu điều khiển (bộ đọc giải mã, xử lý tín hiệu, nội suy, so sánh, khuếch đại, xuất nhập tín hiệu).
• Phần chấp hành: Thân máy, bàn máy, trục chính (spindle), hộp tốc độ vô cấp, các cụm dẫn động chạy dao (động cơ bước, vít me bi - đai ốc bi khử khe hở, ray trượt dẫn hướng tuyến tính).
• Hệ thống điều khiển: Phân tích hai mô hình điều khiển vòng hở (open-loop sử dụng động cơ bước, không có cảm biến hồi tiếp) và điều khiển vòng kín (closed-loop sử dụng động cơ servo kèm bộ mã hóa encoder).

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu kỹ thuật: Khảo sát các mô hình máy CNC trong và ngoài nước, đối chiếu các phương án kết cấu động học máy 4 trục.
• Phương pháp tính toán thiết kế cơ khí: Áp dụng các công thức tính toán sức bền, mô men xoắn, công suất dẫn động theo giáo trình Thiết kế chi tiết máy kết hợp phần mềm tra cứu thông số kỹ thuật trực tuyến của nhà sản xuất động cơ (Oriental Motor) và nhà sản xuất ray trượt (THK).
• Phương pháp thiết kế mô hình hóa 3D và gia công chế tạo: Thiết kế chi tiết trên phần mềm CAD, gia công cắt gọt các cụm chi tiết (bát đỡ, bích nối, ụ động, tấm đế trung gian), lắp ráp cơ khí và đấu nối tủ điện.
• Phương pháp thực nghiệm đo kiểm: Sử dụng dụng cụ đo chuyên dụng để kiểm tra độ song song của thanh trượt, kiểm tra độ đảo hướng kính của chống tâm ụ động, và đo kiểm kích thước, sai số hình học của phôi sau khi gia công phay thực tế.

Nguồn dữ liệu sử dụng: Catalogue kỹ thuật của hãng Oriental Motor (động cơ bước Vexta, driver UDX/UDK), cẩm nang kỹ thuật của hãng THK (thanh trượt dẫn hướng bi tuyến tính, vít me bi), tài liệu biến tần Yaskawa V1000 và giáo trình Thiết kế chi tiết máy.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Lựa chọn kết cấu động học trục 4

Đề tài phân tích ba phương án bố trí trục xoay thứ tư:

• Phương án 1: Trục 4 là trục A đặt nằm ngang trên bàn máy.
• Phương án 2: Trục 4 là trục C và trục chính (spindle) bố trí nằm ngang.
• Phương án 3: Trục 4 là trục B tích hợp trên cụm trục Z thẳng đứng.

Nhóm tác giả lựa chọn Phương án 1 (Trục A trên bàn máy) vì ưu điểm giữ nguyên được độ cứng vững của cụm trục chính, không làm thay đổi kết cấu cơ khí của 3 trục tịnh tiến X, Y, Z đã có, đồng thời phù hợp với việc gá đặt phôi dạng trục xoay.

Hoàn thiện cụm trục A và hộp số giảm tốc

Cụm trục A gồm mâm cặp đường kính $130\text{ mm}$ (khối lượng $7\text{ kg}$), trục truyền động đường kính $20\text{ mm}$, chiều dài $38\text{ mm}$ và hệ thống đỡ. Nhằm khắc phục độ rơ của hộp số ăn khớp bánh răng cũ đã qua sử dụng, nhóm thay thế bằng hộp số bi (ball reducer) có tỉ số truyền $1:20$. Hộp số bi sử dụng các viên bi tiếp xúc để triệt tiêu khe hở ăn khớp, nâng cao độ chính xác truyền động góc. Các tấm bích trung gian được gia công mới để liên kết đồng tâm giữa động cơ, hộp số bi và mâm cặp.

Thiết kế và gia công cụm Ụ động

Để định vị và kẹp chặt các phôi có chiều dài lớn trên trục A, tránh rung lắc và cong vênh trong quá trình phay, một cụm ụ động đã được thiết kế bổ sung. Nhóm so sánh hai phương án chế tạo:

Tiêu chí	Phương án 1: Đúc bằng gang xám	Phương án 2: Gia công cắt gọt
Độ cứng vững và giảm chấn	Rất cao, giảm rung động tốt	Đảm bảo yêu cầu kỹ thuật
Độ chính xác gia công	Cao	Mức độ trung bình - khá
Chi phí chế tạo	Cao (tốn chi phí tạo khuôn đúc)	Vừa phải, tiết kiệm chi phí
Tính khả thi công nghệ	Chế tạo phức tạp, phụ thuộc xưởng đúc	Dễ gia công trên máy công cụ có sẵn
Đánh giá lựa chọn	Loại bỏ (tổng 3 điểm cộng, 5 điểm trừ)	Được chọn (tổng 4 điểm cộng, 2 điểm trừ)

Yêu cầu kỹ thuật đạt được sau khi gia công: Độ đảo hướng kính của mũi chống tâm không vượt quá $0{,}01\text{ mm}$, đảm bảo đồng tâm tuyệt đối với tâm mâm cặp trục A.

Tính toán và lựa chọn động cơ truyền động trục A

Căn cứ vào việc sử dụng hệ thống điều khiển vòng hở không có phản hồi encoder và yêu cầu tối ưu chi phí, động cơ bước được lựa chọn thay cho động cơ servo.

Đặc tính kỹ thuật	Động cơ bước (Step Motor)	Động cơ Servo (Servo Motor)
Mạch Driver điều khiển	Đơn giản, dễ phối ghép	Phức tạp, bắt buộc mua đồng bộ
Mức độ rung động và nhiễu	Đáng kể ở dải tốc độ nhất định	Rất ít rung động
Tốc độ làm việc cực đại	$1000 - 2000\text{ vòng/phút}$	$3000 - 5000\text{ vòng/phút}$
Hiện tượng trượt bước	Có thể xảy ra khi quá tải	Khó xảy ra (có tín hiệu báo lỗi)
Phương thức điều khiển	Vòng hở (Open-loop)	Vòng kín (Closed-loop, có Encoder)
Giá thành thiết bị	Thấp	Rất cao
Góc bước / Độ phân giải	Cố định ($0{,}72^\circ$ hoặc $1{,}8^\circ/\text{bước}$)	Cao (khoảng $10000\text{ xung/vòng}$)

Từ kết quả tính toán mô men xoắn tải cần thiết $M = 0{,}046\text{ kN}\cdot\text{mm} = 0{,}046\text{ Nm}$, hiệu suất truyền động $\eta = 0{,}7$, mô men thực tế yêu cầu $M_{tt} = 0{,}196\text{ Nm}$, công suất lý thuyết $P_{lt} = 0{,}014\text{ kW}$ (và tính dự phòng phát triển 5 trục là $P_{lt} = 0{,}0285\text{ kW}$ tại $n = 1000\text{ v/ph}$), nhóm đã chọn:

• Động cơ: Động cơ bước 5 pha Vexta PK596BE (Oriental Motor), bước góc $0{,}72^\circ/\text{bước}$, dòng điện cực đại $1{,}4\text{ A}$, mô men xoắn giữ $2{,}1\text{ Nm}$, nguồn cấp $110\text{ V } 50/60\text{ Hz}$. Dải tốc độ $600 - 1000\text{ vòng/phút}$, qua hộp số $1:20$ cho vận tốc quay của bàn xoay trục A đạt $30 - 50\text{ vòng/phút}$.
• Mạch công suất dẫn động: Driver UDX5128 / UDK5114VN.

Kiểm nghiệm tải trọng thanh trượt bi trục Y

Trục Y chịu tải trọng lớn nhất trong toàn bộ hệ thống máy, do đó nhóm tiến hành kiểm nghiệm thanh trượt bi theo tiêu chuẩn của hãng THK.

• Mã thanh trượt: THK HSR25CA2SS + 1500L - II, tải trọng động cơ bản $C = 19{,}4\text{ kN}$.
• Điều kiện tính toán: Khối lượng bàn máy và phôi $m_1 = 45\text{ kg}$, $m_2 = 100\text{ kg}$, vận tốc dịch chuyển $V = 0{,}5\text{ m/s}$, thời gian gia tốc $t_1 = 0{,}2\text{ s}$, gia tốc trọng trường $g = 9{,}8\text{ m/s}^2$.

Kết quả tính toán lực tác dụng lên các khối con trượt:

• Khi chuyển động đều: Lực vuông góc tác dụng lên 4 con trượt bằng nhau: $$P_1 = P_2 = P_3 = P_4 = \frac{m_1 g + m_2 g}{4} = 355\text{ N}$$
• Khi tăng tốc về bên trái: $$P_{la1} = P_{la4} = 706\text{ N};\quad P_{la2} = P_{la3} = 1416\text{ N}$$ Lực tác động vào 2 bên con trượt: $P_{tla1} = P_{tla2} = P_{tla3} = P_{tla4} \approx 0\text{ N}$.
• Khi giảm tốc về bên trái: $$P_{ld1} = 708\text{ N};\quad P_{ld2} = 1414\text{ N};\quad P_{ra1} = 1343\text{ N}$$

Các giá trị lực đều nằm trong giới hạn cho phép, đảm bảo hệ số an toàn tĩnh $F_s \ge 2$ khi làm việc trong điều kiện có rung động và va đập.

Hoàn thiện phần cứng bệ máy và hệ thống điện

• Gia cố cơ khí: Bổ sung tấm thép trung gian liên kết giữa bệ máy và đế trục Y nhằm tăng độ cứng vững chống rung, cải thiện độ phẳng lắp ghép ray dẫn hướng.
• Vỏ bảo vệ (Cover): Thiết kế và chế tạo hệ thống vỏ máy bao che toàn bộ không gian gia công, ngăn phoi kim loại và dầu tưới nguội văng ra môi trường ngoài.
• Tủ điện điều khiển: Thiết kế phân cụm khí cụ điện gồm biến tần Yaskawa V1000 điều khiển tốc độ trục chính, bộ lọc nhiễu nguồn 1 pha, khối Driver UDK5114VN cho các trục, bo mạch giao tiếp cách ly (Breakout Board - BOB), hệ thống Aptomat (CB), Contactor, nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop) và đèn báo tín hiệu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc nghiên cứu, thiết kế máy phay CNC 4 trục kích thước nhỏ phục vụ thực hành đào tạo và sản xuất chi phí thấp. Tác giả tổng hợp lịch sử phát triển máy điều khiển số từ thập niên 1950 tại Mỹ (MIT, Jonh Parsons) đến các trung tâm gia công hiện đại, đồng thời khảo sát thực trạng chế tạo máy CNC mini tại Việt Nam ở các trường đại học (ĐH Bách Khoa Hà Nội, ĐH Bách Khoa TP.HCM, ĐH Bách Khoa Đà Nẵng, ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM). Chương này xác định mục tiêu hoàn thiện mô hình máy 4 trục, bổ sung vỏ che, nâng cấp hệ thống điện và gia cố bệ máy.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 phân tích các khái niệm cơ bản về điều khiển số NC/CNC, cấu trúc hai phần chính của máy công cụ (phần điều khiển và phần chấp hành), nguyên lý truyền động vô cấp và đai ốc bi khử khe hở. Tác giả trình bày quy ước hệ tọa độ Descartes 3 chiều theo quy tắc bàn tay phải (trục Z trùng trục chính, chiều dương hướng ra xa phôi; trục X có hành trình tịnh tiến lớn nhất; trục Y vuông góc với X và Z) cùng hệ thống các điểm gốc $M, R, W, P, T, N$. So sánh nguyên lý hệ thống điều khiển vòng hở dùng động cơ bước và vòng kín dùng servo.

Chương 3: Quá trình thực hiện

Chương 3 tập trung vào các bước tính toán, thiết kế và chế tạo các cụm chi tiết cải tiến. Nội dung bao gồm: lựa chọn phương án bố trí trục A trên bàn máy; thay thế hộp số bánh răng bằng hộp số bi khử khe hở ($1:20$); thiết kế gia công các tấm bích gá; so sánh và lựa chọn phương án gia công cắt gọt cho cụm ụ động chống tâm; quy trình tra cứu và tính toán kiểm nghiệm tải trọng thanh trượt bi THK HSR25CA2SS trên trục Y ($m_1 = 45\text{ kg}, m_2 = 100\text{ kg}$); tính chọn công suất và mô men động cơ bước 5 pha PK596BE; bổ sung tấm thép đế trục Y; thiết kế kết cấu vỏ cover và bố trí lắp đặt tủ điện công nghiệp (biến tần Yaskawa V1000, lọc nhiễu, driver).

Chương 4: Kết quả đạt được

Chương 4 tổng hợp các sản phẩm vật lý sau quá trình chế tạo: cụm trục A hoàn chỉnh lắp ghép hộp số bi; ụ động chống tâm hoàn thiện; hệ thống động cơ bước 5 pha và driver; kết cấu vỏ bao che (cover) được sơn tĩnh điện và lắp ráp kín khít; bệ máy gia cố phẳng; tủ điện hoàn thiện sơ đồ đấu dây chuẩn hóa; và hình ảnh sản phẩm phay thực tế trên phôi nhôm, kim loại màu.

Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Chương 5 ghi nhận kết quả đo kiểm hình học và chạy máy thực tế. Tác giả tiến hành kiểm tra độ song song của ray trượt dẫn hướng, đo độ đảo trục quay của mâm cặp và ụ động, tiến hành gia công chi tiết mẫu hình vuông và chi tiết xoay tròn trên trục A. Đánh giá sai số kích thước biên dạng đạt mức yêu cầu kỹ thuật cho gia công chi tiết lắp ghép thông thường và đồ lưu niệm.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết khối lượng công việc đã hoàn thành: chế tạo hoàn chỉnh máy phay CNC 4 trục kích thước $862 \times 912 \times 1037\text{ mm}$, gia công được nhôm và kim loại màu. Đề ra hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo: tích hợp thêm đài dao thay dao tự động (ATC), nâng công suất động cơ trục chính (spindle) và mở rộng kết cấu động học để nâng cấp thành máy phay CNC 5 trục.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

Đồ án đã chế tạo và hoàn thiện mô hình máy phay CNC 4 trục thực tế với các thông số kỹ thuật được xác lập:

Thông số	Giá trị thực nghiệm trong đồ án
Kích thước tổng thể máy ($D \times R \times C$)	$862 \times 912 \times 1037\text{ mm}$
Hành trình chuyển động trục X	$400\text{ mm}$
Hành trình chuyển động trục Y	$320\text{ mm}$
Hành trình chuyển động trục Z	$300\text{ mm}$
Trục xoay thứ 4	Trục A, sử dụng hộp số bi tỉ số truyền $1:20$
Động cơ trục A	Động cơ bước 5 pha Oriental Motor PK596BE ($0{,}72^\circ/\text{bước}, 2{,}1\text{ Nm}$)
Thiết bị điều khiển trục chính	Biến tần Yaskawa V1000
Độ đảo hướng kính chống tâm ụ động	$\le 0{,}01\text{ mm}$
Vật liệu gia công chính	Nhôm, kim loại màu, gỗ

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

• Ứng dụng hộp số bi chuyên dụng (ball reducer) khử hoàn toàn độ rơ ăn khớp thay cho bộ truyền bánh răng cũ.
• Thiết kế mới cụm ụ động điều chỉnh chống tâm bằng phương pháp gia công cắt gọt, định vị chắc chắn các chi tiết dạng trục dài.
• Tăng cứng kết cấu bệ máy trục Y bằng tấm thép đệm trung gian, giảm rung động trong quá trình cắt gọt.
• Chuẩn hóa hệ thống điện công nghiệp với bộ lọc nhiễu 1 pha, bảo vệ an toàn bằng Aptomat, Contactor và rơ le.

Đóng góp so với các mô hình trước

Khắc phục triệt để nhược điểm rung lắc, sai số góc xoay và thiếu cơ cấu kẹp phôi dài của mô hình cũ; hoàn thiện toàn diện về vỏ máy bao che và độ an toàn vận hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của mô hình:

• Chưa trang bị cơ cấu thay dao tự động (Automatic Tool Changer - ATC), quá trình thay dao vẫn phải thực hiện thủ công, làm tăng thời gian phụ trợ khi gia công chi tiết phức tạp cần nhiều nguyên công.
• Trục chính (spindle) của mô hình có công suất tương đối thấp, hạn chế chiều sâu cắt và năng suất khi gia công các loại kim loại có độ cứng cao hơn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Nâng cấp động cơ trục chính sang loại có công suất lớn hơn và dải điều chỉnh tốc độ rộng hơn.
• Nghiên cứu thiết kế cụm thay dao tự động dạng ổ chứa dao tang trống hoặc cánh tay robot kẹp dao.
• Mở rộng cấu trúc phần cứng và thuật toán điều khiển để nâng cấp mô hình từ 4 trục lên trung tâm gia công CNC 5 trục.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho:

• Sinh viên, học viên ngành Công nghệ Chế tạo Máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Cơ khí đang thực hiện đồ án thiết kế máy CNC hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến hệ thống máy cắt gọt điều khiển số.
• Các kỹ sư, xưởng chế tạo máy mini tham khảo quy trình tính toán kiểm nghiệm tải trọng thanh trượt bi theo cẩm nang hãng THK, phương pháp chọn mô men động cơ bước qua phần mềm nhà sản xuất và kết cấu truyền động trục xoay không khe hở bằng hộp số bi.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu hình trục thứ 4 trong đồ án được bố trí theo dạng nào và vì sao nhóm tác giả lựa chọn phương án này? Trục thứ 4 được bố trí là trục A nằm ngang gắn trực tiếp trên bàn máy (Phương án 1). Phương án này được chọn vì đảm bảo giữ nguyên độ cứng vững của cụm trục chính mang spindle, không phải thay đổi kết cấu cơ khí của các trục tịnh tiến X, Y, Z sẵn có và đáp ứng tốt việc gá đặt phôi xoay tròn.

2. Động cơ bước nào được lựa chọn để dẫn động trục A và thông số làm việc chính là gì? Động cơ được chọn là động cơ bước 5 pha Vexta PK596BE (hãng Oriental Motor), bước góc $0{,}72^\circ/\text{bước}$, dòng điện làm việc cực đại $1{,}4\text{ A}$, mô men xoắn đạt $2{,}1\text{ Nm}$, nguồn cấp $110\text{ V } 50/60\text{ Hz}$, điều khiển qua Driver UDX5128 / UDK5114VN. Động cơ làm việc ở dải tốc độ $600 - 1000\text{ vòng/phút}$, qua hộp số giảm tốc $1:20$ giúp mâm cặp quay $30 - 50\text{ vòng/phút}$.

3. Tại sao tác giả phải thay thế hộp số truyền động cũ trên trục A bằng hộp số bi (ball reducer)? Hộp số cũ là loại ăn khớp bánh răng thông thường đã qua sử dụng nên có khe hở và độ rơ lớn, làm giảm độ chính xác định vị góc khi gia công. Hộp số bi mới sử dụng các viên bi tiếp xúc truyền động giúp khử triệt để độ rơ ăn khớp và tăng độ cứng vững xoay.

4. Cụm ụ động chống tâm được chế tạo bằng phương pháp nào và yêu cầu kỹ thuật đạt được ra sao? Ụ động được chế tạo bằng Phương án 2 (phương pháp gia công cắt gọt) vì chi phí vừa phải, dễ thực hiện trên máy công cụ có sẵn và đáp ứng đủ độ cứng vững. Yêu cầu kỹ thuật đạt được là đảm bảo độ đồng tâm với trục A và độ đảo hướng kính của mũi chống tâm không vượt quá $0{,}01\text{ mm}$.

5. Ray trượt dẫn hướng trục Y được kiểm nghiệm trên mô hình nào với các thông số tải trọng ra sao? Ray trượt kiểm nghiệm là THK HSR25CA2SS + 1500L - II ($C = 19{,}4\text{ kN}$), tính toán với khối lượng $m_1 = 45\text{ kg}$, $m_2 = 100\text{ kg}$, vận tốc $V = 0{,}5\text{ m/s}$, thời gian tăng tốc $t_1 = 0{,}2\text{ s}$, lực vuông góc khi chạy đều là $P = 355\text{ N}$ trên mỗi con trượt và lực cực đại khi tăng tốc là $1416\text{ N}$, đảm bảo an toàn chịu tải.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành toàn diện việc nghiên cứu, cải tiến thiết kế và chế tạo thực tế mô hình máy phay CNC 4 trục với kích thước $862 \times 912 \times 1037\text{ mm}$, hành trình gia công $400 \times 320 \times 300\text{ mm}$. Các giải pháp cải tiến then chốt bao gồm ứng dụng hộp số bi khử khe hở cho trục A, bổ sung ụ động gia công cắt gọt chống rung lắc phôi dài, gia cố bệ máy và hoàn thiện tủ điện điều khiển với biến tần Yaskawa V1000. Kết quả đo kiểm và gia công thực nghiệm khẳng định máy hoạt động ổn định, gia công chính xác các biên dạng phức tạp trên vật liệu nhôm và kim loại màu, tạo nền tảng kỹ thuật vững chắc để nâng cấp lên trung tâm gia công CNC 5 trục trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, lĩnh vực gia công cơ khí chính xác đạt được nhiều thành tựu với sự ra đời nhiều loại máy CNC hiện đại có khả năng gia công được các chi tiết phức tạp, chính xác cao, nâng cao năng suất sản xuất.1: Máy phay 4 trục FMB.2: Máy phay 5 trục M8Cube.3: Máy tiện cao tốc NLX.4: Máy tiện CNC TK36. Máy móc càng hiện đại thì chi phí để trang bị cũng không hề nhỏ. Đây là một trong những yếu tố quan trọng thúc đẩy một số người ham học hỏi, tìm tòi để chế tạo ra máy CNC nhỏ gọn, rẻ tiền mà vẫn đáp ứng được nhu cầu sản xuất của họ.

Ngày nay, trên thế giới và cũng như ở Việt Nam, có rất nhiều người tham gia chế tạo máy CNC cỡ nhỏ để dùng tại nhà, tại các xưởng sản xuất nhỏ lẻ với chi phí thấp. Ở các trường đại học, cao đẳng cũng xuất hiện nhiều máy CNC mini do sinh viên chế tạo để phục vụ cho việc nghiên cứu, học tập tại trường. Do đó, đề tài: “Nghiên cứu phát triển thiết kế và hoàn thiện máy CNC 4 trục” là cần thiết và cấp thiết. Tổng quan về tình hình nghiên cứu Nghiên cứu, chế tạo mô hình máy phay CNC 4 trục đòi hỏi người thực hiện phải có những am hiểu nhất định về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phay CNC hiện đại.

Bên cạnh đó, một nguồn tư liệu giá trị khác chính là những máy CNC mini đã được chế tạo cả trong và ngoài nước, bằng cách tham khảo những nghiên cứu đó để làm cơ sở sáng tạo cho đề tài mà nhóm đang thực hiện. Thế giới Xuất phát từ ý tưởng điều khiển một dụng cụ thông qua một chuỗi lệnh kế tiếp, liên tục như các máy công cụ. Điều khiển số được thực hiện từ thế kỉ XIV. Khi ở châu Âu người ta dùng các chốt hình trụ để điều khiển các chuyển động của các hình trang trí trên đồng hồ lớn của nhà thờ.

Jacquard dùng những tấm tôn đục lổ để điều khiển tự động các máy dệt. Fourneaux phát minh ra đàn Piano nỗi tiếng thế giới. Với băng giấy đục lỗ làm vật mang tin. Shannon trong khi làm luận án tiến sĩ đã đi đến kết luận rằng việc tính toán và truyền tải nhanh dữ liệu có thể thực hiện bằng mã nhị phân.

Từ năm 1949 đến 1952, Jonh Parsons và Học viện kỹ thuật Massachusett (Massachusett Institute Of Technology) đã thiết kế “Một hệ thống điều khiển dành cho máy công cụ, để điều khiển trực tiếp vị trí của các trục thông qua dữ liệu đầu ra của một máy tính, làm bằng chứng cho một chức năng gia công chi tiết” theo hợp đồng của không lực Hoa Kỳ. 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. Các vị trí đục lỗ được đọc trên máy một cách tự động.

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. Các động cơ servo (vô cấp tốc độ) có thể điều khiển được chuyển động các trục. Năm 1952, chiếc máy phay điều khiển số đầu tiên ra đời mang tên là “Cincinnate Hydrotel” có trục thẳng đứng do Học viện kỹ thuật Masssachusett cung cấp. Đơn vị điều khiển được lắp bằng các bóng đèn điện tử chân không, điều khiển 3 trục nhận dữ liệu thông qua băng đục lỗ mã nhị phân.

Năm 1954, Bendix mua bản quyền phát minh của Parsons và chế tạo được thiết bị điều khiển NC công nghiệp đầu tiên, nhưng vẫn còn dùng bóng đèn điện tử chân không. 2 do an 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. 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, thông qua một số dự án chuyển giao công nghệ, hợp tác với nước ngoài như: Dự án “Chuyển giao công nghệ thiết kế, phát triển và chế tạo khuôn mẫu”. Lúc đó các công nghệ CNC như: Máy phay CNC, máy tiện CNC, đo lường CNC,. lần đầu tiên được giới thiệu và thu hút sự quan tâm của nhiều nhà chuyên môn cũng như của các doanh nghiệp trong nước và liên doanh với nước ngoài. Mặc dù, công nghệ CNC du nhập vào Việt Nam trong một thời gian ngắn nhưng có thể nói công nghệ này đã có một chỗ đứng tại Việt Nam và tin chắc trong những năm tới đây công nghệ này sẽ được dùng nhiều trong các xí nghiệp, phân xưởng, nhà máy ở nước ta.

Vì nó đem lại hiệu quả kinh tế rất cao. Đặc biệt trong điều kiện sản xuất hiện nay ở nước ta. Do vậy, việc đẩy mạnh ứng dụng công nghệ CNC là một nhu cầu cần thiết đối với các cơ sở sản xuất nói chung và ngành chế tạo máy nói riêng. Hiện nay, một số trường ĐH, CĐ đã chú trọng vào việc chế tạo mô hình máy CNC phục vụ cho giảng dạy như mô hình máy phay CNC của trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, ĐH Bách Khoa TPHCM, máy tiện CNC, phay CNC, máy cắt plasma, khoan mạch in của ĐH Bách Khoa Hà Nội, mô hình máy khắc chữ của ĐH Bách Khoa Đà Nẵng,… Hình 1.5: Máy phay CNC ĐHBK HCM.6: Máy phay CNC ĐHBK HN Bên cạnh các máy CNC được chế tạo với mục đích giảng dạy trong các trường học, một bộ phận sinh viên, kỹ sư chế tạo các máy CNC nhằm gia công gỗ, điêu khắc, cắt xốp, cắt kim loại bằng plasma… 3 do an Hình 1.7: Máy CNC GDTX Quy Nhơn.8: Máy phay CNC gia công gỗ.9: Máy tiện CNC ĐHBK Hà Nội Hình 1.

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, chế tạo máy CNC đòi hỏi sinh viên phải có kiến thức tổng hợp về cơ khí, điện tử, tin học.

Đây cũng là cơ hội cho họ tìm tòi, kiểm nghiệm, hiểu sâu rộng hơn về những máy CNC hiện đại để từ đó chế tạo ra máy CNC phù hợp với khả năng và nhu cầu sử dụng. Đề tài nghiên cứu phát triển máy phay CNC mà nhóm đang thực hiện sẽ giúp nhóm củng cố kiến thức và kỹ năng về mọi mặt. Sản phẩm sau khi hoàn thành có thể phục vụ cho dạy học hoặc gia công nhôm và kim loại màu dùng trong trang trí, đồ lưu niệm và có thể gia công các chi tiết lắp ráp không yêu cầu độ chính xác 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. 4 do an - 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 Căn cứ vào những kiến thức đã có về máy phay CNC 4 trục, tiến hành phân tích, tìm ra giải pháp mới và chế tạo, thực nghiệm.

Sau đó, tiến hành tổng hợp, đánh giá giải pháp để đề ra tối ưu hay không tối ưu, tối ưu trong trường hợp nào. 5 do an Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.Các nội dung liên quan đề tài 2. 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, cũng đã có những quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theo chương trình bằng các kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình bằng hệ thống thuỷ lực. Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của KH - KT nhất là trong lĩnh vực điều khiển số và tin học đã tạo điều kiện cho quá trình gia công với sự trợ giúp của máy tính. Việc sử dụng các máy CNC cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tế, đồng thời cho phép rút ngắn được chu kỳ sản xuất. Do đó, hiện nhiều nước trên thế giới đã và đang ứng dụng rộng rãi công nghệ mới này vào lĩnh vực cơ khí chế tạo.

Đặc biệt là chế tạo các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết đòi hỏi độ chính xác và độ phức tạp cao. Trong thời gian đó, ngành công nghệp nói chung đã bắt đầu nhận ra những ưu thế tiềm tàng của kỹ thuật điều khiển số. Điều đó buộc họ phải xem xét một cách nghiêm túc, chặt chẽ và kỹ càng những vấn đề về ngành chế tạo máy của chính họ. Đồng thời, họ cũng phải suy nghĩ xem kỹ thuật công nghệ mới này có thể giúp đỡ họ như thế nào để cải tiến phương pháp hiện có của họ.

Người ta nhanh chóng nhận ra rằng, phần lớn các bài toán cắt gọt kim loại như: Khoan lỗ, tiện, phay đường thẳng không nhất thiết đòi hỏi tới bộ điều khiển hiện đại, sử dụng những phương máy tính hoá. Thế nhưng, việc ứng dụng ngay cả dạng cơ bản nhất của APT cho những thành phần hình học đơn giản cũng vừa cồng kềnh, vừa rắc rối và vừa đắt tiền. Do vậy, nhiều ngôn ngữ đơn giản hơn dùng cho mục đích đặc biệt đã được phát triển. Tuy nhiên, đa số các ngôn ngữ này điều lấy APT làm gốc.

Rồi cho đến giữa những thập niên 70, 80 với sự phát triển của công nghệ vi xử lí. Lần dầu tiên nó được đưa vào thiết bị điều khiển số có sự hỗ trợ của máy tính, tạo một bước nhảy khổng lồ trong lĩnh vực điều khiển số. Từ các máy điều khiển số NC trở thành những máy điều khiển số CNC (Computeized Numerical Control) tức là 6 do an những máy công cụ điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính.