Luận văn: Nghiên cứu thiết kế máy tiện CNC mini phục vụ đào tạo

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế máy tiện CNC mini phục vụ đào tạo. Tài liệu phân tích kết cấu, hệ thống điều khiển và cơ cấu truyền động.

• Tác giả: Nguyễn Hoài Sơn
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Trọng Doanh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Máy Tiện CNC Mini Phục Vụ Đào Tạo
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về máy tiện CNC Mini trong đào tạo kỹ thuật

Máy tiện CNC mini là một thiết bị quan trọng trong đào tạo công nghệ cơ khí hiện đại. Đây là các máy công cụ điều khiển bằng chương trình số (CNC - Computer Numerical Control) với kích thước nhỏ gọn, phù hợp cho các trường đại học, cao đẳng và trung tâm đào tạo. Thiết kế máy tiện CNC mini giúp sinh viên hiểu rõ nguyên lý hoạt động, cấu trúc cơ khí, và hệ thống điều khiển của máy công cụ hiện đại. Các máy này có độ chính xác cao, độ lặp lại tốt, và khả năng gia công đa dạng các chi tiết cơ khí phức tạp. Việc nghiên cứu thiết kế máy tiện CNC mini không chỉ nâng cao kỹ năng thực hành mà còn tạo cơ sở kiến thức vững chắc cho sinh viên trong lĩnh vực sản xuất tự động hóa.

1.1. Đặc điểm cấu trúc chung của máy tiện CNC

Máy tiện CNC bao gồm các bộ phận chính: thân máy, hệ thống trục chính, hệ thống dẫn động các trục tọa độ, hệ thống điều khiển CNC, và thiết bị gá kẹp chi tiết. Cấu trúc này được thiết kế để đảm bảo độ cứng vững cao, giảm thiểu biến dạng, và duy trì độ chính xác gia công. Các trục toạ độ (X, Y, Z) được điều khiển độc lập bởi động cơ bước hoặc servo motor kết hợp với hệ thống truyền động vít me-bi.

1.2. Ứng dụng trong chương trình đào tạo kỹ thuật

Thiết kế máy tiện CNC mini phục vụ đào tạo giúp sinh viên tiếp cận công nghệ sản xuất hiện đại. Thông qua thực hành trực tiếp trên máy, học viên nắm vững nguyên tắc điều khiển máy công cụ, lập trình G-code, và kiểm tra chất lượng chi tiết. Các máy mini này tiết kiệm chi phí, không chiếm nhiều không gian, và an toàn cho người học, là giải pháp lý tưởng cho các cơ sở đào tạo chuyên ngành công nghệ chế tạo máy.

II. Các bộ phận chính và hệ thống truyền động

Hệ thống truyền động máy tiện CNC mini là yếu tố then chốt quyết định hiệu suất và độ chính xác của máy. Phần cứng chính bao gồm động cơ trục chính, động cơ dẫn động các trục tọa độ, bộ truyền vít me-bi, và hệ thống điều khiển điện tử. Động cơ dẫn động trục chính cung cấp tốc độ quay ổn định cho trục, trong khi các động cơ trục tọa độ điều khiển chuyển động tuyến tính của đao và chi tiết. Bộ truyền vít me-bi chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tuyến tính với độ chính xác cao. Việc lựa chọn và thiết kế hệ thống dẫn động cần đảm bảo độ cứng vững, giảm sai số định vị, và tăng tuổi thọ máy.

2.1. Động cơ và hệ thống truyền động chính

Động cơ dẫn động trục chính của máy tiện CNC mini thường sử dụng động cơ AC hoặc DC có công suất phù hợp. Động cơ dẫn động các trục tọa độ thường là động cơ bước (stepper motor) hoặc servo motor để đảm bảo độ định vị chính xác. Bộ truyền vít me-bi được thiết kế với góc xoắn và đường kính thích hợp để tối ưu hóa hiệu suất truyền động và giảm hệ số ma sát lăn.

2.2. Yêu cầu kỹ thuật về độ chính xác và hiệu suất

Máy tiện CNC mini đào tạo phải đáp ứng các tiêu chuẩn độ chính xác quay tròn và độ đảo hướng kính mặt định tâm trục chính. Độ cứng vững cụm trục chính và độ võng của trục phải nằm trong giới hạn cho phép. Hệ thống cần có hiệu suất cao, độ lặp lại tốt, và giảm thiểu sai số định vị trong quá trình gia công.

III. Hệ thống điều khiển CNC và nguyên lý hoạt động

Hệ thống điều khiển CNC máy tiện mini bao gồm phần cứng điều khiển và phần mềm điều khiển. Phần cứng cụm điều khiển máy CNC gồm bộ vi xử lý, bộ mã hoá (encoder), bộ điều khiển động cơ, và các thiết bị ngoại vi. Phần mềm cụm điều khiển máy CNC thực hiện các chức năng: nội suy đường thẳng và đường tròn, tính toán quỹ đạo dao cụ, điều khiển tốc độ tiến, và quản lý hệ thống thay dao tự động (ATC). Nguyên tắc điều khiển CNC dựa trên sơ đồ khối hệ thống, nơi tín hiệu đầu vào từ chương trình G-code được xử lý để tạo ra tín hiệu điều khiển cho các động cơ. Hệ thống điều khiển chuỗi kín (closed-loop) giúp giảm sai số định vị và tăng độ ổn định hoạt động.

3.1. Các chế độ điều khiển và nguyên tắc hoạt động

Máy tiện CNC có ba dạng điều khiển chính: điều khiển chuỗi hở (open-loop), điều khiển chuỗi kín (closed-loop), và điều khiển chuỗi bán kín. Chế độ chuỗi kín được ưu tiên trong máy tiện CNC đào tạo vì cho phép phát hiện và hiệu chỉnh sai số thời gian thực. Sơ đồ khối hệ thống động lực học mô tả mối quan hệ giữa tín hiệu vào, hành động của các phần tử điều khiển, và tín hiệu ra của máy.

3.2. Chức năng nội suy và điều khiển quỹ đạo dao

Chức năng nội suy đường thẳng giúp máy chuyển động từ điểm A đến điểm B theo đường thẳng với tốc độ kiểm soát. Chức năng nội suy đường tròn cho phép gia công các bề mặt cong. Sơ đồ khối điều khiển tích hợp các quá trình cắt, ma sát, và động cơ để đảm bảo ổn định quá trình gia công và chất lượng chi tiết sản xuất.

IV. Ứng dụng thực tiễn và ý nghĩa của đề tài nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế máy tiện CNC mini mang lại nhiều ý nghĩa thực tiễn cho đào tạo chuyên ngành công nghệ chế tạo máy. Thứ nhất, máy tiện CNC mini giúp sinh viên hiểu rõ cấu trúc cơ khí và nguyên lý hoạt động của máy công cụ hiện đại. Thứ hai, việc thiết kế và chế tạo máy mini này là cơ hội để áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực hành. Thứ ba, thiết kế máy tiện CNC mini tiết kiệm chi phí so với máy công nghiệp, phù hợp với tài chính của các cơ sở đào tạo. Cuối cùng, các máy mini có thể tích hợp các tính năng giáo dục như hiển thị quỹ đạo dao, mô phỏng lập trình CNC, giúp sinh viên học tập hiệu quả.

4.1. Lợi ích của máy tiện CNC mini trong giáo dục

Máy tiện CNC mini đào tạo mang lại lợi ích: chi phí thấp, an toàn cho người sử dụng, độ chính xác cao đủ để kiểm tra kỹ năng, không chiếm nhiều không gian, và dễ bảo trì. Sinh viên có cơ hội thực hành trực tiếp với các chương trình CNC phức tạp, từ gia công chi tiết đơn giản đến chi tiết có hình dạng phức tạp. Đây là cầu nối giữa lý thuyết và thực hành, giúp chuẩn bị tốt cho công việc trong ngành sản xuất cơ khí tự động hóa.

4.2. Tương lai phát triển của công nghệ CNC mini

Tương lai máy tiện CNC mini hướng tới tích hợp trí tuệ nhân tạo, hệ thống giám sát tự động, và khả năng nối mạng (IoT). Các máy mini sẽ tiến hóa thành nền tảng học tập thông minh, giúp sinh viên học lập trình CNC nâng cao, tối ưu hóa quá trình gia công, và quản lý chất lượng sản phẩm theo chuẩn công nghiệp 4.0.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOL NGUYEN HOAI SON NGHIEN CUU THIET KE MAY TIEN CNC MI NI PHUC VU DAO TAO CHUYEN NGANH : CONG NGHE CHE TAO MAY LUAN VAN THAC SI KHOA HOC NGANH: CONG NGHỆ CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYÊN TRỌNG DOANH HÀ NỘI - 2008 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận vân “Nghiên cứu thiết kế mấy tiên CNC mini phục vụ đào tạo ” là công trình do chính tôi nghiên cứu và soạn thảo. Từ nghiên cứu lý thuyết và quá trình làm thực tổ, tôi không sao chép từ bất kỳ một hài viết nào đã được công bố mà không trích đẫn nguồn gốc. Nội dung trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình não khác.

Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, lôi xiu hoầu toàn chịu trách nhiệm. Tác giả Nguyễn Hoài Sơn MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHŨ VIẾT TANH MỤC CÁC HÌNH VẾ VÀ CÁC BẰNG MO DAU 1. đo lựa chọn đề tài 2. Mục dích của để tài 3.

Phương pháp nghiên cứu 4. Ý uphĩa thực tiên của dé 5. Nội dụng của luận văn TONG QUAN VE CAC LOAI MAY CNC 1. Đậu điểm kết cấu của máy CC na.

Đặc điểm kết cấu chung, {Me Em. Hệ thống diều khiến trục chính 1. Hệ thống điều khiển chạy dao. Thiết bị gá kẹp chỉ tiết 1.

Hệ thống thay dao 1.2, Hệ thống điều khiển may cong cy CNC 1. Các đạng điều khiển máy công cụ CNC 1⁄2.2, Nguyên tắc diều khiển CNC 1. Chức năng của ụnn điển khiển máy CÑC 1. Phần cứng cụm điều khiển máy CC 1.

Phần mềm cụm diều khiển máy CÑC 1.3, Hệ thống dân động may CNC 5 NGHIÊN CŨÚU THIET KE MAY TIEN CNC MINI 2. „ Mấy tiện điều khiển thee chương trình số 2.1 Các bộ phận chính của Máy tiện CNC 2.2 Các yêu cầu kỹ thuật chính của máy tiện cnc mini 2. Lựa chợn kết cấu máy và cơ cấu truyền động. Thiết kế hệ thống dẫn động.1 Động cơ dẫn động trục chính 2.2 Dộng cơ đân động các trục toạ độ 2.3 Bộ truyền vít me - bi 2.

Nguyên lý diễu khiến máy 2. Sơ đồ khối của lệ thống điều khiển Ký hiệu / chữ viết tat B Hệ số ma sát lăn 1 Hiệu suất của bộ truyển. p Góc ma sát Mg: Momen không tải m Đặc trưng động lực bọc các phần tử đàn hồi, quá tình i cắt; ma sát; động cơ ĐH Hệ đàn hồi F Quá trình ma sát P Quá trình cất M Quá trình trong động cơ. P, Ngoại lực tác dụng lêu phần tử đần hồi HTDH TIệ thống động học MGDC Máy — Gá - Dao — Chỉ tiết IITĐITĐ TIệ thống đàn hồi tương đương MCC Mây công cụ 8 Giá trị độ đảo hướng kính của đầu múi trục chính 8, 8, Độ đảo hướng kính của ổ trước và ổ sau i Khoảng cách giữa hai ổ a Khcảng cách từ ổ trước tới đầu mút công xôn trục chính.

B Hệ số khoảng cách giữa hai ở c Tộ cứng vững của cụm trục chính máy F Lực tác dụng tại điểm giữa hai ổ (kG) y Dộ võng của trục chính ở giữa hai ổ (Iưn e Luong chuyén vj cia trục chính d, dy Duong kinh ngoai va 16 cla truc( mm) dD Dường kính trong và ngoài của ổ lăn ( nan) Ay va As Biến dạng dài của 6 trade va sau (mm/N) ay Va as Tiến dạng góc của ổ trước và sau (/Nmm) B Mô dun dàn hồi của vật liệu trục, N/mm? 1 Mô men quán tính trung bình của trục chính theo tiết diện nigang, mm TT- Độ cứng uốn theo tiết diện trục chính R Late don vi dat vio vi inf cdl, N’ Tình 1.30 Rãnh hỏi bí theo lỗ khoan trong đai ốc 24 Tình 1.31 Rãnh hối bị giữa hai vòng ren kế tiếp 24 tình 1.32 Kết cấu khử khe hở và tạo sức cảng ban đầu bằng tấm đệm.33 Kới cấu khử kho hở và tạo ng bằng lò xo 25 TRnh 1.34- Kết cấu khử khe hổ và tạo sức cảng với đai ốc có vành răng 25 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY TIỆN CNC MINT Hình 2.1 Máy tiện CNC 27 Hinh 2.2 Dau Revolver ding cho may tign NC, CNC 29 Hình 2.4 Kết cấu đầu dao rê-vôn-ve, ổ tích dao cơ cấu thay dao dùng ở các máy gia công NCUNC 30 Tnh 2.5 Ự trước và thanh trượt 32 Hình 2.6 Giá đỡ thanh trượt và trục vít me theo phuơng X 33 Tình 2.7 Thân ụ sau và bần trượi dọc 33 Ilinh 2.8 Đài dao và bàn trượt ngang, 33 Hinh 2. Truc vit me va dai ốc 34 Thnh 2.10 Kích thước bộ truyền vít me — bị 37 Tình 2.11 Sơđồ lực tác dụng lên bị 39 Tình 2.12 Sơ đề chịu lực trên mỏi phần đai ốc 40 linh 2.13 Sơ đề khối hệ điều khiển 40 Tình 2.14 Nội suy dường thẳng 4 Hinh 2.15 Noi suy đường tròn 42 Linh 2.16 8ø đỏ khối hệ thống động lực học máy công cụ mạch hở 42 hình 2.17 sơ đồ khối hệ thống động bye hoc may mach kin 43 hình 2.18 Cấu trúc điển hình hệ thống đàn hổi 44 bình 2.19 Cấu trúc uuạch vòng liêu kết của hệ thống dàu hổi 45 THình 2.20 Dạng hệ thống đầu hồi tương đương thứ nhất 46 hình 2.21 sơ đổ xác định đặc tính của phần tử tương đương, 47 Tình 2.22 Hệ thống động lực học nhiều toạ độ 49 Hinh 2.23 Phần tử nhiều toạ độ 4g Hình 2.24 Cấu trúc nhiều toạ độ mạch vòng liên kết các phần tử ĐH vàP — 50 Tình 2.25 Phần tử điều khiển 5 Tình 2.26 Đường biểu diễn tín hiệu vào — ra của đặc tính TP 53 Hình 2.27 dặc tính thời gian của bệ thống hở 55 Bang 2.1 Tiêu chuẩn độ chính xác quay tròn 59 Bảng 2.2 Độ đảo hướng kính của mặt dịnh tám trục chính máy tiện 60 DANH MỤC CÁC KÝ TIỆU, CÁC CII VIET on aa nghị CNC Cccomputer Numerical Control: Mấy điều khiển theo chương trình số NC Numerical Control : Máy điều khiển số Rucoder Bộ mã hoá ATC Automatic Tool Changer : Hệ thống thay dao tự động, Revolver Tang quay ( thiết bị chuyển đổi tương tự) MCU Machine Control Unit : bộ diều khiển trung tâm. PLC Programmable Logic Controller: bộ điều khiển lập trình Sensor Cẩm biến ya In/Out : cổng vào ra PMC memes machine controler: chiteng trình điều khiển CPU Central Processing unit : b6 xit Ly trung tâm ROM Read Only memory: 6 nhé chi doc RAM Random Access Memory — Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên. ALU Arithmetic and logic unit: phần tử số học TTL Transistor — Transistor logic: thanh ghi téc độ cao BUS Communication: Thiết bị truyền dân LED Light Rmitting Diode : dén di ot phat sang MDI Manual data input: Nhập dữ liệu bang tay D/A Digital to Analopue: biến đối số/ mg, Lự Postprocessor | Bộ xử lý sau DC/AC Điện một chiều/ Điện xoay chiều DAC Digital to Analogue Converter: bién déi sé / tuong tit PM Permanent Magner stepper motor : Déng co budc nam.

chain vĩnh cửu. VR Variable Reluctance stepper motor: Dong co bude có từ trở biếu đổi CRT Cathode Ray tube: Man hinh ống phóng tia điện tử 5 Dịch chuyển dọc trục của cụnn truyền (em) DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ CÁC BẰNG Trang TONG QUAN Vil CAC LOAIMAY CNC inh Lda Bidu khién Irục trên máy Tiên th Tinh 1.1 b Dién khién truc trén may Phay Hinh 12a Hệ trục có trục chính bố trí nằm ngang Tĩnh 1.2b Hệ trục cổ trục chính bố bí thẳng đứng AnWw Hình L. 3 Nguyên tắc bàn tay phải xác định chiều quay trục quay thứ nhất Tình 1. 4 Vị trí cúa cơ udu vit me - dai ốc bí rong cơ cấu chạy dao Tinh L.

51% thống đo trực tiếp Hình L. 6 Hệ thống đo gián tiếp ww wns Tinh 1.7 Dai revolver OOM Tinh 1. 8 Kho chita dung cy kiéu xich Hình 1, 9 Điều khiển điểm inh L. 10 Diễn khiển đoạn thẳng Hình L.11 Điều khiển 2D trên máy phay và máy tiện Tinh 1.12 Phay ti trên máy 3D Hình 1.14 Điều khiển 25D © Tình 1.14 Điều khiển 4D và 5D Hình 1.15 Các khối chức năng của bộ CNC 10 Hình 1.16 Sơ đỏ điều khiến vị trí cho 1 trục 11 Hinh 1.17 Sơ đồ khối cum điều khiển máy CC 12 Hình 1.18 Sơ đỏ khối của CPU 12 Tĩnh 1.19 Bàn điều khiển Tầnh 1.

Điều khiển secvo 15 Hình 1.21 sơ đồ khối cấu trúc của hệ logic trình tự 15 Tĩnh 1. sơ đồ khối ¿ chức: ảng điều khiểu trình tư 16 Tinh 1.23 Moi liên hệ giữa PMC với cụm CNC và máy 17 Tình 1.24 Hệ dẫn động secvo thuỷ lực một trục trong máy CNC 19 Tình 1.25 Nguồn áp lực cho van gecvo và động cơ thuỷ lực 19 Tinh 1.26 Sơ dé khối van secyo 21 Tĩnh 1.27 Bộ truyền víL me — bì có ranh hồi bí đạng ống, 22.28 Prophin ren nửa đường tròn.29 Rãnh hồi bi kiểu ống, 23 Ký hiệu / chữ viết tat B Hệ số ma sát lăn 1 Hiệu suất của bộ truyển. p Góc ma sát Mg: Momen không tải m Đặc trưng động lực bọc các phần tử đàn hồi, quá tình i cắt; ma sát; động cơ ĐH Hệ đàn hồi F Quá trình ma sát P Quá trình cất M Quá trình trong động cơ. P, Ngoại lực tác dụng lêu phần tử đần hồi HTDH TIệ thống động học MGDC Máy — Gá - Dao — Chỉ tiết IITĐITĐ TIệ thống đàn hồi tương đương MCC Mây công cụ 8 Giá trị độ đảo hướng kính của đầu múi trục chính 8, 8, Độ đảo hướng kính của ổ trước và ổ sau i Khoảng cách giữa hai ổ a Khcảng cách từ ổ trước tới đầu mút công xôn trục chính.

B Hệ số khoảng cách giữa hai ở c Tộ cứng vững của cụm trục chính máy F Lực tác dụng tại điểm giữa hai ổ (kG) y Dộ võng của trục chính ở giữa hai ổ (Iưn e Luong chuyén vj cia trục chính d, dy Duong kinh ngoai va 16 cla truc( mm) dD Dường kính trong và ngoài của ổ lăn ( nan) Ay va As Biến dạng dài của 6 trade va sau (mm/N) ay Va as Tiến dạng góc của ổ trước và sau (/Nmm) B Mô dun dàn hồi của vật liệu trục, N/mm? 1 Mô men quán tính trung bình của trục chính theo tiết diện nigang, mm TT- Độ cứng uốn theo tiết diện trục chính R Late don vi dat vio vi inf cdl, N’ Tình 1.30 Rãnh hỏi bí theo lỗ khoan trong đai ốc 24 Tình 1.31 Rãnh hối bị giữa hai vòng ren kế tiếp 24 tình 1.32 Kết cấu khử khe hở và tạo sức cảng ban đầu bằng tấm đệm.33 Kới cấu khử kho hở và tạo ng bằng lò xo 25 TRnh 1.