Tổng quan chung về lĩnh vực Error! Bookmark not defined .1Giới thiệu về bộ nội suy Error! Bookmark not defined .2Giới thiệu về máy CNC Error! Bookmark not defined .2.1Ứng dụng
Nhược điểm
Lựa chọn phương pháp gia công hiệu quả nhất cho việc sản xuất chi tiết dưới dạng phôi là rất quan trọng Các thiết bị tiên tiến hiện nay có khả năng chọn mẫu kỹ thuật từ máy tính, tính toán tốc độ dao cụ, và quản lý đường vận chuyển vật liệu vào máy, cho phép sản xuất chi tiết mà không cần đến bản vẽ hay chương trình cụ thể.
Tùy theo mục đích sử dụng mà bàn máy có những công dụng khác nhau: Máy khoan,Máy phay,Máy tiện,Máy cắt…
Sản phẩm sản xuất không phụ thuộc vào tay nghề người công nhân mà phụ thuộc vào chương trình điều khiển được đưa vào máy tính
Độ chính xác làm việc cao
Chất lượng gia công ổn định,độ chính xác lặp lại cao
Tốc độ cắt cao nhờ vào cơ khí vững chắc của máy
Ít phải dừng máy để kiểm tra kỹ thuật
Thời gian gia công ngắn
Giá thành chế tạo và sửa chửa cao
Vận hành và thay đổi khó khăn
Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
1.3.1 Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu các thuật toán nội suy từ cơ bản đến nâng cao giúp hiểu rõ cách áp dụng chúng trong việc vẽ các biên dạng xác định Việc sử dụng những thuật toán này cho phép đạt được độ chính xác cao với sai số chấp nhận được.
1.3.2 Nhiệm vụ của đề tài
Nội dung nghiên cứu sẽ được bàn giao cho phòng thí nghiệm Servo phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu
1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu trong bài viết này là các phương pháp nội suy xung chuẩn phổ biến hiện nay, bao gồm DDA, SA, và DS, cùng với giải thuật nội suy đường NURBS được áp dụng trong các máy CNC hiện đại.
Viết phần mềm mô phỏng một số giải thuật nội suy
Xây dựng phần cứng, minh họa giải thuật nội suy trên mô phỏng và thực tế
1.5 Giới hạn của đề tài
Nghiên cứu một số giải thuật nội suy cơ bản
Sử dụng động cơ bước
1.6 Tính cấp thiết của đề tài
Mặc dù nội dung đề tài không còn mới, nhưng vẫn giữ giá trị quan trọng trong thời đại công nghệ hiện nay Nghiên cứu đề tài giúp người nghiên cứu nắm vững kiến thức cơ bản về hệ thống điều khiển máy CNC, từ đó có cái nhìn tổng quát hơn về lĩnh vực công nghệ này Kiến thức cơ bản sẽ mở ra khả năng phát triển thêm các hướng nghiên cứu liên quan Hơn nữa, việc tìm hiểu từ cơ bản đến nâng cao về thuật toán nội suy sẽ hỗ trợ đáng kể trong việc phát triển các thuật toán nội suy mới cho máy CNC trong tương lai.
Chương 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
1 Chọn phương án truyền động
Phương án 1:Dùng vít me thường gắn đồng trục với động cơ
Vít me được kết nối đồng trục với động cơ, khi động cơ quay, vít me cũng quay theo Động cơ và vít me được cố định, khiến đai ốc di chuyển dọc theo trục vít Đai ốc này được gắn chặt vào bộ phận cần di chuyển (trục x, y, z), từ đó tạo ra chuyển động cho bộ phận đó so với hệ thống thanh trượt, động cơ và cơ cấu chuyển động.
Tốc độ di chuyển trong hệ thống máy CNC công nghiệp phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vít, với mỗi vòng quay của trục động cơ tương ứng với một đoạn di chuyển của đai ốc bằng bước ren Mặc dù phương pháp này cho phép di chuyển nhanh, nhưng độ chính xác khi di chuyển không cao và lực đẩy tạo ra cũng nhỏ.
Hình 2.1 Vít me thường gắn đồng trục với động cơ
Vít me đai ốc bi là một giải pháp cơ khí tiên tiến, trong đó ma sát trượt giữa vít me và đai ốc được thay thế bằng ma sát lăn thông qua các viên bi Ưu điểm nổi bật của thiết kế này là khả năng chuyển động của đai ốc chỉ cần một lực quay rất nhỏ, giúp tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu suất hoạt động.
Hình 2.2Vít me đai ốc bi
2:đai ốc 3:các viên bi 4:rãnh hồi bi
Bộ truyền vít me-đai ốc bi gồm profin dạng chữ nhật và hình thang, dễ chế tạo nhưng khả năng chịu tải kém Trong khi đó, profin hình tròn khó chế tạo hơn nhưng lại có khả năng chịu tải lớn.
Rãnh bi có hình dạng ống, nằm theo lỗ khoan của đai ốc, tạo ra rãnh giữa hai vòng ren liên tiếp Rãnh dạng ống thường được sử dụng trong các bộ truyền lớn, tuy nhiên, độ bền của đầu ống thép lại khá mỏng, dẫn đến việc kẹp chặt ống có độ tin cậy không cao.
Rảnh hồi bi theo lỗ khoan của đai ốc:kết cấu gọn,tính công nghệ cao,khả năng tách nhóm hồi bi khó
Rảnh hồi bi giữa hai vòng kế tiếp:có kích thước gọn,không bị mòn nhanh,độ tin cậy cao,chiều dài rãnh hồi lớn
Sử dụng vòng đai cao su khép kín với răng cưa bên trong, hai đầu đai được gắn vào hai lỗ có kích thước răng cưa tương ứng Một lỗ được cố định vào trục động cơ, trong khi lỗ còn lại được gắn vào trục quay đối diện, cho phép lỗ này quay tự do Khi động cơ hoạt động, toàn bộ đai di chuyển, kéo theo bánh răng và vít me di chuyển theo.
Tốc độ di chuyển của bộ phận trượt phụ thuộc vào tốc độ động cơ và đường kính lỗ Mỗi vòng quay của trục động cơ sẽ khiến bộ phận trượt di chuyển một khoảng cách tương đương với chu vi của puly, thường là khoảng 20.
30 mm).Rõ ràng phương án này có tốc độ di chuyển chậm nhưng độ chính xác cao,lực đẩy lớn
Qua thảo luận nhóm quyết định chọn phương án: Dùng đai làm bộ truyền dẫn động,để đạt độ chính xác cao nhằm đáp ưng yêu câu đề tài
2.Chọn phương án di chuyển trên các trục tọa độ
2.1 Phương án phôi cố định
Trục X di chuyển trên bàn máy,trục Y chuyển động trên trục X,trục Z chuyển động trên trục Y
Hình 2.4Phương án phôi cố định Đặc điểm
-Trục X phải có kết cấu vững để vừa có thể trượt,vừa nâng được các trục Y và Z
-Trục Y trượt trên trục X nên bộ phận trượt trục X phải gắn thanh trượt,cơ cấu truyền động,động cơ …Các bộ phận cùng chuyển động trên trục X
2.2 Phương án phôi di chuyển
Hình 2.5Phương án phôi di chuyển
Phôi di chuyển trên trục X và dụng cụ gia công di chuyển theo 2 trục Y và Z
-Phần cố định bao gồm khung máy,các trục trượt,động cơ và cơ cấu truyền động của trục
X và Y gắn cố định vào khung máy
-Trục X,Y gắn trên thanh trượt gắn cố định trên khung máy,trục Z trượt trên trục Y
Mô hình thí nghiệm nhóm chọn phương án với phôi di chuyển, trục X và Y được gắn trên thanh trượt cố định trên khung máy, trong khi trục Z trượt trên trục Y Phương pháp này mang lại độ chính xác tương đối cao và dễ thực hiện.
3.Chọn động cơ dẫn động
Hình 2.6Động cơ bước Ƣu điểm:
Khi dùng động cơ bước không cần mạch phản hồi cho cả vi điều khiển vị trí và vận tốc
Động cơ bước rất phù hợp với các thiết bị điều khiển số, nhờ vào khả năng điều khiển số trực tiếp, chúng ngày càng trở nên phổ biến trong các thiết bị cơ điện tử hiện đại.
Thường được sư dụng trong các hệ thống máy CNC
Phạm vi ứng dụng của động cơ bước chủ yếu nằm trong các vùng công suất nhỏ và trung bình Hiện nay, việc nghiên cứu nâng cao công suất cho động cơ bước đang thu hút sự quan tâm lớn từ các chuyên gia và nhà nghiên cứu.
Hiệu suất động cơ bước thấp hơn các loại động cơ khác
3.2 Động cơ một chiều(DC motor)
Hình 2.7Động cơ 1 chiều (DC motor) Ƣu điểm:
Momen xoắn lớn,giá thành rẻ
Đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp
Phải có mạch phản hồi mới nâng cao độ chính xác
[Type text] Page 14 Ƣu điểm:
Momen xoắn lớn,có cả 2 loại AC và DC
Tốc độ đáp ứng nhanh,độ chính xác cao
Driver phức tạp,giá thành cao
Với yêu cầu của đề tài,nhóm chọn động cơ bước làm động cơ dẫn động các trục tọa độ với các thông số:
Loại động cơ lai,đơn cực,hai pha
4.Giới thiệu động cơ bước
Động cơ bước là một loại động cơ điện đặc biệt, khác biệt với các động cơ điện thông thường Chúng hoạt động theo nguyên lý động cơ đồng bộ và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Các tín hiệu điều khiển được chuyển đổi từ dạng xung điện rời rạc thành các chuyển động góc quay hoặc chuyển động của rôto, giúp cố định rôto ở những vị trí cần thiết.
Giới hạn của đề tài
Nghiên cứu một số giải thuật nội suy cơ bản
Sử dụng động cơ bước.
Tính cấp thiết của đề tài
Mặc dù nội dung đề tài không còn mới, nhưng vẫn giữ giá trị quan trọng trong thời đại công nghệ hiện nay Nghiên cứu đề tài giúp người nghiên cứu nắm vững kiến thức cơ bản về hệ thống điều khiển máy CNC, từ đó có cái nhìn tổng quát hơn về lĩnh vực công nghệ này Kiến thức nền tảng sẽ mở ra khả năng phát triển các hướng nghiên cứu liên quan Hơn nữa, việc tìm hiểu từ cơ bản đến nâng cao về thuật toán nội suy sẽ hỗ trợ đáng kể trong việc phát triển các thuật toán nội suy mới cho máy CNC trong tương lai.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG Error! Bookmark not defined 1 Chọn phương án truyền động
Chọn phương án di chuyển trên các trục tọa độ
2.1 Phương án phôi cố định
Trục X di chuyển trên bàn máy,trục Y chuyển động trên trục X,trục Z chuyển động trên trục Y
Hình 2.4Phương án phôi cố định Đặc điểm
-Trục X phải có kết cấu vững để vừa có thể trượt,vừa nâng được các trục Y và Z
-Trục Y trượt trên trục X nên bộ phận trượt trục X phải gắn thanh trượt,cơ cấu truyền động,động cơ …Các bộ phận cùng chuyển động trên trục X
2.2 Phương án phôi di chuyển
Hình 2.5Phương án phôi di chuyển
Phôi di chuyển trên trục X và dụng cụ gia công di chuyển theo 2 trục Y và Z
-Phần cố định bao gồm khung máy,các trục trượt,động cơ và cơ cấu truyền động của trục
X và Y gắn cố định vào khung máy
-Trục X,Y gắn trên thanh trượt gắn cố định trên khung máy,trục Z trượt trên trục Y
Mô hình thí nghiệm nhóm chọn phương án với phôi di chuyển trên trục X và Y, được gắn cố định trên thanh trượt của khung máy, trong khi trục Z trượt trên trục Y Phương pháp này đảm bảo độ chính xác tương đối cao và dễ dàng thực hiện.
Chọn động cơ dẫn động
Hình 2.6Động cơ bước Ƣu điểm:
Khi dùng động cơ bước không cần mạch phản hồi cho cả vi điều khiển vị trí và vận tốc
Động cơ bước phù hợp với các thiết bị điều khiển số và trở thành lựa chọn phổ biến trong các thiết bị cơ điện tử hiện đại nhờ khả năng điều khiển số trực tiếp.
Thường được sư dụng trong các hệ thống máy CNC
Phạm vi ứng dụng của động cơ bước chủ yếu nằm ở vùng công suất nhỏ và trung bình Hiện nay, nghiên cứu nâng cao công suất cho động cơ bước đang thu hút nhiều sự chú ý và quan tâm.
Hiệu suất động cơ bước thấp hơn các loại động cơ khác
3.2 Động cơ một chiều(DC motor)
Hình 2.7Động cơ 1 chiều (DC motor) Ƣu điểm:
Momen xoắn lớn,giá thành rẻ
Đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp
Phải có mạch phản hồi mới nâng cao độ chính xác
[Type text] Page 14 Ƣu điểm:
Momen xoắn lớn,có cả 2 loại AC và DC
Tốc độ đáp ứng nhanh,độ chính xác cao
Driver phức tạp,giá thành cao
Với yêu cầu của đề tài,nhóm chọn động cơ bước làm động cơ dẫn động các trục tọa độ với các thông số:
Loại động cơ lai,đơn cực,hai pha
Giới thiệu động cơ bước
Động cơ bước là một loại động cơ điện đặc biệt, khác biệt về nguyên lý và ứng dụng so với các động cơ điện thông thường Thực chất, nó là một động cơ đồng bộ được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu điện thành chuyển động cơ học một cách chính xác.
Các tín hiệu điều khiển được chuyển đổi từ các xung điện rời rạc thành các chuyển động góc quay hoặc chuyển động của rôto, cho phép cố định rôto ở các vị trí cần thiết.
Động cơ bước là một cơ cấu chấp hành quan trọng trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, nổi bật với khả năng thực hiện chính xác các lệnh số Chúng được ứng dụng rộng rãi trong ngành Tự động hoá, đặc biệt trong các thiết bị yêu cầu độ chính xác cao như điều khiển robot, điều chỉnh tiêu cự trong hệ quang học, định vị trong hệ quan trắc, theo dõi mục tiêu trong khí tài quan sát, và lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, cũng như điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay.
Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in STEP có 5 đặc tính cơ bản sau:
• Brushlesss (không chổi than): STEP là loại động cơ không chổi than
• Load Independent (độc lập với tải): động cơ bước quay với tốc độ ổn định trong tầm moment của động cơ
Điều khiển vị trí vòng hở (open loop positioning) cho phép xác định vị trí động cơ thông qua việc đếm xung kích mà không cần cảm biến hồi tiếp Tuy nhiên, trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, thường sử dụng STEP kết hợp với các cảm biến vị trí như encoder và biến trở để nâng cao độ chính xác.
Moment giữ của động cơ STEP vượt trội so với động cơ DC không có hộp số, cho phép nó duy trì trục quay một cách hiệu quả hơn.
• Excellent Response (Đáp ứng tốt): STEP đáp ứng tốt khi khởi động, dừng lại và đảo chiều quay một cách dễ dàng
4.2 Giới thiệu động cơ bước đơn cực Động cơ dùng trong đề tài này là động cơ bước đơn cực
Động cơ bước đơn cực được kết nối theo sơ đồ hình 2.10, với một đầu mối trung tâm trên các cuộn Khi kết nối các đầu mối trung tâm với đầu dương của nguồn cấp, hai đầu còn lại của mỗi mấu sẽ được nối đất để đảo chiều từ trường do nguồn đó tạo ra.
Mẫu 1 nằm ở cực trên và dưới của stato,còn mẫu 2 nằm ở 2 cực bên phải và bên trái động cơ,rotor là 1 nam châm vĩnh cửu với 6 cực,3 nam và 3 bắc xếp xen kẽ trên vòng tròn.Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn,rotor phải có nhiều cực đối xứng hơn.Động cơ bước được dùng là động cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là 1,8 độ
Có nhiều cách điều khiển động cơ bước:điều khiển 1 bước,điều khiển nửa bước,điều khiển vi bước Điều khiển 1 bước:
Khi dòng điện chạy qua từ đầu tâm của mẫu 1 đến điểm a, nó tạo ra cực Bắc trong stator, trong khi cực còn lại là cực Nam Nếu ngắt điện ở mẫu 1 và kích hoạt mẫu 2, rotor sẽ quay 1,8 độ, tương đương với 1 bước Để động cơ quay liên tục, chỉ cần cung cấp điện.
2 mẫu của động cơ theo dãy
Mẫu2b 0001000100010001000100010 Mẫu2b 1001100110011001100110011 Điều khiển nửa bước :
Vị trí được hình thành từ sự kết hợp của hai chuỗi khác nhau, cho phép điều khiển nửa bước bằng cách dừng động cơ lần lượt tại những vị trí đã chỉ định trong mỗi chuỗi Sự kết hợp này tạo ra các chuỗi điều khiển hiệu quả.
Bước góc của động cơ bước được chế tạo theo bảng tiêu chuẩn sau:
4.3 Vấn đề trước sự trượt bước
Trong điều khiển động cơ, hai yếu tố quan trọng nhất là tốc độ và độ chính xác về vị trí Động cơ bước cho phép điều khiển tốc độ một cách chính xác, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Step angle Steps per revolution 0.9 400 1.8 200
Động cơ bước yêu cầu độ chính xác cao về vị trí, điều này liên quan đến hiện tượng trượt trong quá trình hoạt động Lượng xung cung cấp cho động cơ đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất và độ chính xác này.
Sau mỗi bước dịch chuyển, rotor của động cơ bước thường dao động quanh vị trí cân bằng do tải trọng và nguồn cấp điện Sự dao động này tương tự như trong hệ thống cơ học, và có thể được cải thiện bằng cách tăng ma sát hoặc sử dụng hệ thống dập tắt dao động, nhưng cả hai phương pháp này đều làm tăng chi phí và độ phức tạp Phương pháp tối ưu và phổ biến là sử dụng kỹ thuật làm trễ xung cuối cùng, giúp giảm thời gian tác động của xung cuối cùng, từ đó cho phép động cơ dừng lại chính xác hơn sau khi hoàn thành bước cuối cùng.
Mỗi xung điều khiển của động cơ bước được chia thành ba phần Phương pháp chống dao động điện thực hiện bằng cách làm trễ xung cuối cùng, thay vì tác động từ điểm tối đa, xung này sẽ tác động vào cơ ở thời điểm t1 Nhờ đó, thời gian tác động của xung cuối cùng giảm, giúp giảm momen hãm và quán tính của động cơ, từ đó cải thiện vấn đề trượt bước của động cơ.
5.Sử dụng Solidworks thiết kế cơ khí
Hình 2.11Mô phỏng thiết kế bằng Solidworks
Với những tính toán đã có,nhóm đã sử dụng phần mềm Solidworks để mô phỏng thiết kế dự định của mình :
Khung sử dụng nhôm định hình 30x30 để gia tăng độ cứng cáp
Thanh trượt sử dụng inox phi 8
Bàn trượt sử dụng mica
Sử dụng 4 chân đế cao su để tránh va đập
