Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHAY CNC 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 APPLIEDTO MANUFACTURE ALUMINUM AND FERROUS METALS Đặng Minh Phụnga, Lê Hiếu Giangb, Nguyễn Văn Lâmc, Nguyễn Trường Hảid, Lê Tấn Cườnge Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM a b phungdm@hcmute.edu.vn, gianglh@hcmute.edu.vn, c nguyenvanlam6300@gmail.com d truonghai1188@gmail.com, ecuonglt@hcmute.edu.vn TÓM TẮT Ngày nay, công nghệ chế tạo máy điều khiển số CNC nước phát triển đạt đến mức hoàn thiện cao Trong Việt Nam, công trình nghiên cứu chế tạo máy CNC chưa nhiều, đặc biệt nghiên cứu CNC trục, trục Bài báo trình bày số kết nghiên cứu máy phay CNC trục sử dụng phần mềm Mach3 ứng dụng gia công nhôm kim loại màu Kết thử nghiệm cho thấy máy phay CNC trục hoạt động tốt, chi tiết gia công đạt độ xác 0,02 mm Kết kết tham khảo tốt cho việc phát triển lên máy phay CNC trục, giúp nâng cao trình tự động hóa gia công biên dạng phức tạp Từ khóa: máy phay,CNC, 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 4axis 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 GIỚI THIỆU Ngày nay, khoa học kỹ thuật ngày phát triển máy móc đại đời ngày nhiều Chỉ xét riêng lĩnh vực gia công khí, hàng loạt máy CNC đời, máy CNC trục, trục, trục, trung tâm gia công, máy CNC cao tốc nhờ mà suất sản xuất chất lượng sản phẩm ngày nâng cao Ngoài máy CNC có ưu điểm như: linh hoạt, khả tự động, độ xác cao, gia công hình dạng phức tạp cách nhanh chóng với tập tin mã lệnh G-Code nhập cho máy Tuy nhiên giá thành nhập máy phay CNC trục cao Vì việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy phay CNC trục với kích thước nhỏ gọn giá thành thấp đảm bảo hoạt động hiệu quả, góp phần vào việc bước giải mã làm chủ công nghệ chế tạo máy phay CNC trục, bước thay thiết bị nhập ngoại giá thành cao phục vụ 112 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV việc đào tạo nghề cho trường trung cấp, phục vụ cho việc nghiên cứu, giảng dạy phòng thí nghiệm trường đại học, cao đẳng nhận gia công số sản phẩm không cần độ xác cao khuôn mẫu (có độ xác không cao), chi tiết khí, sản phẩm nữ trang, sản phẩm điêu khắc, bước thử nghiệm, nâng cao độ cứng vững độ xác máy Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy phay CNC trục thực trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh MÔ HÌNH THIẾT KẾ MÁY PHAY CNC TRỤC Dựa vào yêu cầu làm việc máy phay CNC trục, có cụm trục A gắn bàn máy cụm trục X Vì cần yêu cầu hành trình tịnh tiến trục Z đủ dài để đảm bảo không gian làm việc máy Phương án thiết kế máy phay CNC trục đề xuất sau: Hình 1: Sơ đồ nguyên lý máy phay CNC trục Máy phay CNC trục cấu tạo từ phận sau: (1): Cụm trục X; (2): Cụm trục Y; (3): Cụm trục A; (4): Cụm trục Z; (5): Đối trọng; (6): Ụ chống tâm Hình 2: Mô hình thiết kế 3D máy phay CNC trục 113 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 2.1 Cụm trục X Nhiệm vụ cụm trục X: điều khiển bàn máy tịnh tiến theo phương X (1): Tấm đế; (2): Tấm trung gian; (3): Trục vitme; (4): Gối đỡ; (5): Động bước; (6): Khớp nối mềm; (7): Ray trượt; (8): Bàn máy Hình 3: Mô hình thiết kế cụm trục X 2.2 Cụm trục Y Nhiệm vụ cụm trục Y: mang cụm trục X cụm trục A tịnh tiến theo phương Y (1): Gối đỡ; (2): Trục vitme; (3): Chi tiết bắt đai ốc; (4): Đế máy; (5): Động bước; (6): Ray trượt; (7): Con trượt Hình 4: Mô hình thiết kế cụm trục Y 2.3 Cụm trục Z Nhiệm vụ cụm trục Z: điều khiển cụm trục dao tịnh tiến theo phương Z (1): Thân đứng; (2): Gá Spindle; (3): Spindle; (4): Tấm trung gian; (5): Con trượt; (6): Ray trượt; (7): Động bước Hình 4: Mô hình thiết kế cụm trục Z 114 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 2.4 Cụm trục A Nhiệm vụ cụm trục A: điều khiển chi tiết gia công xoay quanh trục X Hình 5: Mô hình thiết kế cụm trục A (1): Mâm cặp; (2): Mặt bích; (3): Thân đứng; (4): Động bước Thông số kỹ thuật máy: Đặc tính kỹ thuật Thông số Kích thước bàn máy 700 x 290 mm Hành trình vít me 400 x 320 x 300 mm Không gian gia công (kích thước 380 x 300 x 260 mm phôi lớn gia công được) Động bước Độ phân giải 1000 xung/vòng Động trục 24000 vòng/ph, công suất 2,2kW Tốc độ cắt lớn 350 ÷ 400 mm/ph (sâu mm) Ổ chứa dao Đường kính dao tối đa 12 mm Khả gia công Phay biên dạng 2D, 3D, 4D khắc chữ, khoan, gia công mặt cong phức tạp Độ xác đo đạc sau gia công 0,02 mm 115 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC TRỤC Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy phay CNC trục PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CNC TRỤC Hình 7.Giao diện điều khiển phần mềm Mach3 Thời kỳ đầu Mach3 CNC coi phần mềm mã nguồn mở Vì Mach3 CNC phát triển nhanh, giao diện phong phú, nhiều tính năng, tiêu chuẩn CAD/CAM Ngày 116 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV nay, Mach3 CNC (hãng sản xuất: ArtSoft USA) trở thành phần mềm thương mại nhanh đại, giá thành thấp nhiều người sử dụng, với đặc tính sau: - Giao tiếp với phần cứng máy CNC thông qua cổng LPT, cho phép biến PC thành điều khiển máy CNC thời gian thực - Bộ điều khiển Mach3 hoàn toàn tương thích với máy như: phay CNC, tiện CNC, cắt Plasma, máy khắc, cắt Laser - Giao diện đẹp, dễ dàng tùy biến theo ý thích người sử dụng - Nhận file G-code, M-Code tiêu chuẩn từ phần mềm CAM - Mô trình làm việc rõ ràng, khai báo thông số hệ thống dễ dàng - Cho phép đọc file có định dạng dxf, bmp, jpg, file hpgl qua LazyCam kèm theo Mach3 - Cho phép set vị trí Home phôi thông qua phím bàn phím máy tính - Chức nội suy tọa độ, giải mã xuất tín hiệu xuống driver trục HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN + Máy phay CNC trục sử dụng vòng điều khiển hở: sử dụng động bước Sử dụng động bước cách đơn giản để chuyển xung điện thành lượng di chuyển tỉ lệ cung cấp giải pháp tương đối rẻ tiền cho việc điều khiển máy Bởi điều khiển hở nên không cần dò mạch điện phản hồi, nên cấu trúc điều khiển đơn giản + Độ xác hệ thống phụ thuộc vào tính động bước, độ xác vít me bi phận truyền động Hình Vòng điều khiển hở Hình Mạch động lực điều khiển động 117 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 10 Sơ đồ mạch điều khiển máy CNC trục [7] Hình 11 Tủ điện điều khiển Nguồn: Chuyển điện áp xoay chiều 220V xuống chiều ổn định 24V để nuôi mạch driver điều khiển trục Driver điều khiển động bước: Truyền chuyển động cho vitme để ổn định tín hiệu truyền Mạch giao tiếp BOB có nhiệm vụ kết nối máy tính PC, mạch điều khiển động cơ, công tắc hành trình, nút dừng khẩn cấp,… đưa tín hiệu từ máy tính vào mạch điều khiển driver, đồng thời tín hiệu qua mạch đệm ổn định đường truyền Động trục chính: Spindle DC 2,2 kW, 24000 vòng/ph Đường kính dao lớn d max = Ø12mm CHẾ TẠO – THỬ NGHIỆM Máy phay CNC trục chế tạo thành công đạt kết sau: 118 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 12 Máy phay CNC trục Hình 13, Sản phẩm gia công máy CNC trục Đánh giá 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 xác 0,01 mm để đo kích thước 10 mẫu theo phương X, Y sau: Hình 14 10 mẫu 30x30x10 gia công máy CNC trục Bảng Giá trị kích thước đạt sau gia công 10 mẫu đo theo phương X, Y Mẫu Kích thước Mẫu Kích thước 30x30 30x30 30,01x30,01 30x30,01 30x30,01 10 30x30,01 30,01x30,01 30,01x30,01 30x30 30,01x30,01 119 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV + Dựa vào bảng kích thước đạt sau gia công thử nghiệm 10 mẫu nhôm đo theo phương X, Y: máy phay CNC trục đạt độ xác 0,02 mm KẾT LUẬN Bài báo trình bày số kết nghiên cứu thiết kế chế tạo máy CNC trục Máy chế tạo chạy thử đạt kết tốt: - Gia công chi tiết khí, đồ trang trí, nữ trang nhôm, gỗ kim loại màu - Độ 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 trường đại học, cao đẳng, trung cấp nghề… TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Bùi Quý Lực, Hệ thống điều khiển số 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] http://www.thegioicnc.com/forum/threads/3671-so-do-dien-bo-dieu-khien-may-cnc.html THÔNG TIN TÁC GIẢ Đặng Minh Phụng, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, Email: phungdm@hcmute.edu.vn, DĐ: 0906814944 Lê Hiếu Giang, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, Email: gianglh@hcmute.edu.vn, DĐ: 0938308141 Nguyễn Văn Lâm, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, Email: nguyenvanlam6300@gmail.com, DĐ: 01654094095 Nguyễn Trường Hải, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, Email: truonghai1188@gmail.com, DĐ: 0934706625 Lê Tấn Cường, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, Email: cuonglt@hcmute.edu.vn, DĐ: 0909744100 120 ... bày số kết nghiên cứu thiết kế chế tạo máy CNC trục Máy chế tạo chạy thử đạt kết tốt: - Gia công chi tiết khí, đồ trang trí, nữ trang nhôm, gỗ kim loại màu - Độ xác gia công đạt 0,02 mm - Máy hoạt... cao độ cứng vững độ xác máy Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy phay CNC trục thực trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh MÔ HÌNH THIẾT KẾ MÁY PHAY CNC TRỤC Dựa vào yêu... thứ IV Hình 12 Máy phay CNC trục Hình 13, Sản phẩm gia công máy CNC trục Đánh giá trình gia công thử nghiệm: + Tiến hành gia công 10 mẫu nhôm kích thước thiết kế 30x30x10, sử dụng thước kẹp