TỔNG QUAN
Tính cấp thiết của đề tài
Sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy nhu cầu tự động hóa trong sản xuất, trong đó máy điều khiển số CNC đóng vai trò thiết yếu Sự xuất hiện của các máy CNC hiện đại đã mang lại nhiều thành tựu cho ngành gia công cơ khí chính xác, cho phép gia công các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao và nâng cao năng suất sản xuất.
Nhu cầu sử dụng máy CNC tại Việt Nam đang gia tăng mạnh mẽ, nhưng việc nhập khẩu từ các nước phát triển như Đức và Nhật Bản thường gặp khó khăn do giá thành cao và khó bảo trì Điều này đã thúc đẩy nhiều cá nhân đam mê học hỏi và nghiên cứu để chế tạo ra các máy CNC nhỏ gọn, giá rẻ nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả sản xuất.
Hình 1.1: Máy phay CNC DMN 200 Hình 1.2: Máy tiện CNC 1440
Hình 1 3: Máy CNC 5 trục FTV 630 Hình 1.4: Máy CNC 4 trục tốc độ cao
Tại Việt Nam, nhu cầu quảng cáo và gia công trên nhiều loại vật liệu phức tạp đang gia tăng, nhưng do phụ thuộc vào tay nghề của người thợ, nên độ chính xác thấp và tỷ lệ sản phẩm lỗi cao Do đó, việc thiết kế và chế tạo máy khắc laser điều khiển số trở nên cần thiết và cấp bách để nâng cao chất lượng sản phẩm.
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 và chế tạo máy CNC yêu cầu sinh viên có kiến thức tổng hợp về cơ khí, điện tử và tin học, đồng thời tạo cơ hội cho họ khám phá và hiểu biết sâu sắc về các máy CNC hiện đại Đề tài chế tạo máy cắt, khắc CNC mà nhóm thực hiện không chỉ giúp củng cố kiến thức và kỹ năng mà còn tạo ra sản phẩm phục vụ cho việc dạy học và gia công vật liệu trong các lĩnh vực điêu khắc, trang trí và quảng cáo.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Củng cố và vận dụng kiến thức đã học để thiết kế, tính toán, chế tạo mô hình máy khắc bằng laser
Lập trình, điều khiển máy CNC trên để gia công ra sản phẩm và đạt độ chính xác theo yêu cầu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Máy cắt khắc laser điều khiển số
Phần mềm điều khiển Mach3
Nghiên cứu và chế tạo mô hình máy cắt, khắc CNC bằng laser 2W
Máy có thể thao tác trên nhiều vật liệu khác nhau như: giấy, gỗ, vải,…
Đảm bảo các yêu cầu đặt ra như sau:
- Không gian làm việc của máy: 500 x 500mm
- Sai số cho phép: 0.1 mm.
Phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Cơ sở phương pháp luận
Dựa trên kiến thức hiện có về máy cắt CNC 3 trục, chúng tôi tiến hành phân tích và phát triển các giải pháp mới, sau đó thực hiện chế tạo và thử nghiệm Cuối cùng, chúng tôi tổng hợp và đánh giá hiệu quả của các giải pháp đã đề xuất, xác định xem chúng có tối ưu hay không và trong những trường hợp nào.
Khảo sát thực tế tại một số cơ sở cắt khắc mica và tham khảo tài liệu từ các trang web cùng sách liên quan đã giúp chúng tôi thu thập thông tin giá trị về quy trình và công nghệ trong ngành này.
1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
Khảo sát thực tiễn: tìm hiểu về máy cắt, khắc CNC 2 trục laser và CNC phay
Sử dụng phần mềm Solidworks thiết kế cơ khí cho đề tài
Xây dựng mô hình- thực nghiệm: chế tạo mô hình máy cắt CNC bằng laser, vận hành thử nghiệm
Dùng driver TB6560 để điều khiển động cơ bước
Dùng phần mềm Mach3 để điều khiển máy cắt thông qua máy tính.
CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Giới thiệu
Nghiên cứu và chế tạo mô hình máy cắt CNC yêu cầu kiến thức vững về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy Ngoài ra, việc tham khảo các máy CNC mini đã được chế tạo trong và ngoài nước sẽ cung cấp nguồn tư liệu quý giá, giúp nhóm có cơ sở sáng tạo cho đề tài của mình.
Nghiên cứu liên quan đến đề tài
2.2.1 Nghiên cứu của nước ngoài
Máy CNC tự chế rất đa dạng về hình dáng, kết cấu, kích thước và vật liệu chế tạo Dưới đây là một số mẫu máy CNC tự chế
Hinh 2 1: Máy CNC tiện và phay Hình 2 2: Máy CNC bằng gỗ
Hinh 2.3:1Máy phay gỗ CNC Hình 2.4: Máy tiện CNC mini
Máy CNC tự chế nói chung có 3 dạng sau :
Bàn máy chuyển động theo cả 2 phương X, Y (hình 2.2)
Bàn máy đứng yên và 3 trục chuyển động (hình 2.3)
Bàn máy chuyển động theo 1 phương (hình 2.4)
Hiện nay, các chuyên gia quốc tế đã nghiên cứu và phát triển máy cắt khắc laser, dựa trên hoạt động ổn định của khung máy CNC, đồng thời đang hướng tới tự động hóa trong quy trình sản xuất.
Hình 2.5: Máy cắt khắc laser công nghiệp
Hình 2.6: Máy cắt khắc laser mini 2.2.2 Nghiên cứu ở Việt Nam
Công nghệ CNC, mặc dù mới xuất hiện tại Việt Nam trong thời gian ngắn, đã nhanh chóng khẳng định vị thế của mình Nhiều nhà máy trong nước đang đầu tư vào các dây chuyền sản xuất hiện đại, chủ yếu sử dụng máy CNC, để nâng cao hiệu quả sản xuất.
Hiện nay, nhiều trường Đại Học và Cao Đẳng đã đầu tư vào việc chế tạo các mô hình máy CNC để phục vụ giảng dạy Các mô hình tiêu biểu bao gồm máy phay CNC của ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM và ĐH Bách Khoa TPHCM, máy tiện CNC, máy cắt plasma, khoan mạch in của ĐH Bách Khoa Hà Nội, cùng với mô hình máy khắc chữ của ĐH Bách Khoa Đà Nẵng.
Hình 2.7: Máy phay CNC ĐHBK
Hình 2.8: Máy phay CNC ĐHBK Hà Nội
Ngoài các máy CNC được sử dụng trong giảng dạy tại các trường học, nhiều sinh viên và kỹ sư cũng chế tạo máy CNC để gia công gỗ, điêu khắc, cắt xốp và cắt kim loại bằng plasma.
Hình 2.9: Máy CNC Plasma Hình 2.10: Máy phay gỗ CNC
Hình 2.11 Máy tiện CNC ĐHBK Hà Nội Hình 2.12 Máy CNC khắc laser.
Sơ lược về sự phát triển tia laser
Laser, viết tắt của "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích" Trong nguyên tử, electron tồn tại ở các mức năng lượng khác nhau, tương ứng với các quỹ đạo quanh hạt nhân Các electron ở quỹ đạo ngoài có mức năng lượng cao hơn so với electron ở quỹ đạo trong Khi có tác động vật lý hoặc hóa học từ bên ngoài, electron có thể chuyển đổi giữa các mức năng lượng, nhảy từ mức thấp lên mức cao hoặc ngược lại.
Tia laser có tính chất định hướng cao, phát ra dưới dạng chùm song song, cho phép chiếu sáng xa hàng nghìn km mà không bị phân tán.
Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser cho phép phát xung cực ngắn, chỉ trong khoảng thời gian mili giây (ms), nano giây, hoặc pico giây Điều này giúp tập trung năng lượng của tia laser một cách cực lớn trong thời gian ngắn nhất.
Laser có nhiều ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực khác nhau như cơ khí, y học và giải trí, nhờ vào các tính chất vượt trội của nó.
Hình 2.14: Ứng dụng laser trong cơ khí
Hình 2.15: Ứng dụng laser trong y học
Hình 2.16: Ứng dụng laser trong giải trí.
Hướng nghiên cứu
Để giải quyết vấn đề cắt các hình dạng phức tạp trên vật liệu như mica, vải và gỗ, cần đảm bảo năng suất và độ chính xác cao Nhóm nghiên cứu đã chọn cấu hình máy CNC 2 trục để đáp ứng yêu cầu về tốc độ và độ chính xác Trong các cơ cấu 2 trục, cơ cấu truyền đai là phổ biến nhất nhờ khả năng tạo chuyển động tốt, hạn chế hư hỏng khi quá tải và có chi phí hoàn thành thấp hơn Máy hoạt động theo cấu hình 2 trục với bộ truyền đai cũng dễ dàng chỉnh sửa, thay thế và lắp ráp, giúp máy gọn nhẹ và linh hoạt trong di chuyển.
TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khái quát về máy CNC
3.1.1 Vài nét sơ lược về máy CNC
Trước đây, gia công cắt gọt thường được điều khiển bằng các kỹ thuật như chép hình theo mẫu hoặc hệ thống thuỷ lực Tuy nhiên, nhờ vào sự tiến bộ vượt bậc của khoa học và công nghệ, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển số và tin học, ngày nay quá trình gia công đã được cải thiện đáng kể với sự hỗ trợ của máy tính.
Sử dụng máy CNC giúp giảm khối lượng gia công, nâng cao độ chính xác và hiệu quả kinh tế, đồng thời rút ngắn chu kỳ sản xuất Nhiều quốc gia trên thế giới đã áp dụng công nghệ này rộng rãi trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, đặc biệt là trong sản xuất khuôn mẫu chính xác và các chi tiết có độ phức tạp cao.
3.1.2 Cấu tạo chung và quy ước máy CNC
Hình 3.1 Mô hình khái quát của máy CNC 3.1.2.1 Phần điều khiển:
Chương trình điều khiển là tập hợp các tín hiệu dùng để điều khiển máy, thực hiện các phép biến đổi cần thiết nhằm tạo ra tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ cấu chấp hành.
Bài viết đề cập đến các thiết bị cắt kim loại và các cơ cấu hỗ trợ tự động hóa, bao gồm tay máy, ổ chứa dao, hệ thống bôi trơn và vận chuyển phôi.
Máy cắt kim loại là thiết bị quan trọng trong việc tạo hình chi tiết kim loại Các bộ phận chính của máy bao gồm hộp tốc độ, hộp chạy dao, thân máy, sống trượt, bàn máy, trục chính, ổ chứa dao và các tay máy, tùy thuộc vào khả năng công nghệ của từng loại máy.
Hình 3.2 Cấu tạo máy CNC
Hình 3.3 Quy ước hệ tọa độ của máy CNC
*Điểm gốc của máy M (Machine Reference Zero)
Quá trình gia công trên máy điều khiển số được thực hiện thông qua một chương trình xác định mối quan hệ giữa dao và chi tiết Để đảm bảo độ chính xác trong gia công, các chuyển động của dao cần được so sánh với điểm gốc M của máy Điểm M là giới hạn vùng làm việc do các nhà chế tạo quy định.
*Điểm chuẩn của máy R (Machine Reference Point)
Là điểm mà toạ dộ của nó so với điểm gốc của máy M là không thay đổi và cũng do các nhà chế tạo qui định
Hình 3.4 Các điểm gốc và điểm chuẩn
*Điểm zero của phôi W (Workpiece Zero Point)
Điểm W là gốc toạ độ của chi tiết, do người lập trình xác định Đối với chi tiết phay, điểm W thường được chọn tại góc ngoài của đường viền chi tiết.
3.1.3 Các kiểu hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển hở sử dụng động cơ bước để điều khiển truyền động bàn máy Vì không có hồi tiếp vị trí, độ chính xác của hệ thống phụ thuộc vào khả năng của động cơ bước được sử dụng.
Hình 3.5 Điều khiển vòng hở
Hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng động cơ servo DC để đo lường vị trí và tốc độ thực của động cơ Hệ điều khiển so sánh các giá trị này với giá trị mong muốn thông qua đường hồi tiếp Nếu tín hiệu so sánh không khớp, hệ thống sẽ tiếp tục điều khiển động cơ cho đến khi hai tín hiệu này trở nên bằng nhau.
Động cơ bước
Động cơ bước là một loại động cơ điện đặc biệt, hoạt động dựa trên nguyên lý khác biệt so với các động cơ điện thông thường Chúng là động cơ đồng bộ, có khả năng chuyển đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng xung điện rời rạc thành chuyển động góc quay, cho phép cố định rôto ở các vị trí cần thiết.
Động cơ bước hoạt động theo cơ chế quay từng bước, mang lại độ chính xác cao trong điều khiển Chúng sử dụng các bộ chuyển mạch điện tử để truyền tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và tần số nhất định Tổng số góc quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, trong khi chiều quay và tốc độ của roto phụ thuộc vào thứ tự và tần số chuyển đổi.
Các dạng điều khiển động cơ bước :
Điều khiển cả bước là phương pháp điều khiển động cơ, trong đó mỗi xung cấp cho động cơ khiến nó quay một góc nhỏ tương ứng với bước góc ghi trên nhãn Phương pháp này có hai dạng sơ đồ cấp xung Dạng cấp xung thứ hai luôn duy trì hai cuộn dây có dòng điện chạy qua tại mỗi thời điểm, tạo ra mômen xoắn lớn và tối ưu hóa khả năng của động cơ.
Hình 3.7 Điều khiển cả bước
Điều khiển nửa bước là phương pháp kết hợp hai dạng cấp xung của điều khiển đủ bước, trong đó điện được cấp lần lượt cho một cuộn dây và hai cuộn dây xen kẽ nhau Kết quả là bước góc giảm xuống một nửa so với điều khiển cả bước, đồng thời momen xoắn cũng giảm khi chỉ có một cuộn dây được cấp điện Tuy nhiên, có thể tăng cường độ dòng điện đi qua cuộn dây để bù đắp sự giảm momen này.
Hình 3.8 Điều khiển nửa bước
Điều khiển vi bước cho phép động cơ quay với các bước nhỏ hơn bằng cách điều chỉnh dòng điện qua hai đầu dây động cơ tại mỗi thời điểm.
Hình 3.9 Dòng điện qua 2 pha Hình 3.10 Dòng điện qua 2 pha
Trong điều khiển động cơ bước, có một vấn đề cần chú ý là cộng hưởng
Hình 3.25 thể hiện dạng sóng điều khiển cả bước với dạng xung vuông, nhưng thực tế, sóng đã bị biến đổi như đường màu đỏ trong hình 3.26 do hiện tượng cộng hưởng Khi điều khiển vi bước, các bước điều khiển được chia nhỏ và kiểm soát chặt chẽ, tạo ra dạng sóng gần giống với đồ thị hình sin như thể hiện trong hình 3.24.
(hình 3.23) Vì thế có thể nói, điều khiển vi bước giúp làm giảm hiện tượng cộng hưởng của động cơ
Hình 3.11 Dạng sóng khi điều khiển full Hình 3.12 Cộng hưởng
Vitme – đai ốc bi
Vitme-đai ốc bi có cấu tạo gồm: trục vitme, đai ốc, bi và ống hồi bi (hình
Bề mặt ren của trục vitme được tôi cứng và hoạt động trên những viên bi đỡ, giúp thay thế ma sát trượt bằng ma sát lăn Nhờ vào cơ chế này, ma sát được giảm thiểu đáng kể, nâng cao hiệu suất của vitme-đai ốc bi lên trên 90%.
Hình 3.13 Cấu tạo vitme bi
Thanh trượt bi
Trong các hệ thống máy móc, thanh trượt đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn hướng chuyển động Có nhiều loại thanh trượt khác nhau, nhưng trong máy CNC, thanh trượt bi là loại phổ biến nhất được sử dụng.
Cấu tạo của thanh trượt bi gồm có: thanh ray (thanh dẫn hướng), ổ trượt, bi, rọ chứa bi, rãnh chứa bi
Khi tác dụng lực lên ổ trượt theo chiều thanh dẫn, chuyển động tương đối giữa ổ trượt và thanh ray xảy ra nhờ vào sự lăn của các viên bi tiếp xúc Những viên bi này, kết hợp với lớp mỡ bôi trơn, giúp giảm đáng kể lực ma sát, từ đó tạo điều kiện cho chuyển động trượt trở nên dễ dàng hơn.
Giới thiệu tổng quát các linh kiện điện tử
Biến áp là thiết bị dùng để chuyển đổi điện áp xoay chiều, bao gồm một cuộn sơ cấp để đưa điện áp vào và một hoặc nhiều cuộn thứ cấp để lấy điện áp ra Tất cả các cuộn này được quấn trên một lõi từ, có thể là lá thép hoặc lõi ferit.
Hình 3.18 Các loại lõi biến áp
+ Phân loại: o Biến áp nguồn và biến áp âm tần
Hình 3.19 Biến áp nguồn, âm tần
Biến áp nguồn thường được sử dụng trong các thiết bị như cassette và amply, hoạt động ở tần số điện lưới 50Hz Lõi của biến áp được chế tạo từ các lá thép silic hình chữ E và I ghép lại, giúp tối ưu hóa hiệu suất Biến áp này có tỷ số vòng dây/điện áp lớn, phù hợp cho nhiều ứng dụng điện.
Biến áp âm tần được sử dụng làm biến áp đảo pha và biến áp ra loa trong các mạch khuyếch đại công suất âm tần Với lõi từ làm bằng lá tôn silic, biến áp âm tần có lá tôn mỏng hơn so với biến áp nguồn để giảm thiểu tổn hao năng lượng Thiết kế biến áp âm tần thường hướng đến tần số hoạt động trong khoảng 1kHz đến 3kHz, cho phép tối ưu hóa hiệu suất trong các ứng dụng âm thanh.
Hình 3.20 Biến áp xung, cao tần o Biến áp xung, cao áp:
Biến áp xung là loại biến áp hoạt động ở tần số cao, khoảng vài chục KHz, thường được sử dụng trong các bộ nguồn xung Lõi của biến áp xung được làm từ ferit, giúp tối ưu hóa hiệu suất Nhờ vào tần số cao, biến áp xung có khả năng cung cấp công suất mạnh mẽ, gấp hàng chục lần so với các biến áp nguồn thông thường có cùng trọng lượng.
3.5.2 Cổng kết nối song song 25 chân (Parallel port) Ða số các máy vi tính trao đổi thông tin thông qua các cổng sau: cổng song song (Parallel port), cổng COM (Serial port), cổng USB và Network card
Cổng song song có tên như vậy bởi chúng có 8 hàng dữ liệu 1 bit (thành
Cổng song song truyền tải 1 byte dữ liệu qua 8 dây dẫn cùng lúc, sử dụng 3 thanh ghi 8 bit: thanh ghi trạng thái, thanh ghi dữ liệu và thanh ghi điều khiển.
Cổng song song bao gồm 25 chân được bố trí theo sơ đồ dưới đây:
8 chân dùng để gởi và nhận dữ liệu (từ chân số 2 đến số 9) gọi là DATA
Port Dữ liệu trao đổi qua 8 pin này được gói gọn trong 1 byte
Hình 3.21 Cổng song song (LPT)
Trong mô hình máy CNC, một bộ phận quan trọng cần được thiết kế và chế tạo cẩn thận là các mạch điện tử Đặc biệt, mạch nguồn đóng vai trò chuyển đổi điện lưới xoay chiều 220V thành điện một chiều với điện áp thấp, nhằm cung cấp năng lượng cho các mạch điện và thiết bị khác hoạt động hiệu quả.
Mạch nguồn được chia thành hai loại chính: mạch nguồn dùng biến áp thường và mạch nguồn xung Mạch nguồn biến áp thường có nhược điểm là không cung cấp đủ dòng điện, đáp ứng chậm và sụt áp lớn Ngược lại, mạch nguồn xung có kích thước nhỏ gọn, cung cấp dòng điện đầy đủ và đáp ứng nhanh chóng Do đó, mạch nguồn xung là lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng hiện đại.
Thông số kĩ thuật của mạch nguồn: Đầu vào: AC 110V-240V, 50/60 Hz Đầu ra: DC 24V, 8A
Khi cấp dòng điện 220V AC/50Hz, bộ lọc và chỉnh lưu sẽ chuyển đổi dòng AC thành DC Dòng DC sau đó được biến đổi thành dòng điện tần số cao từ 20 đến 200kHz thông qua MOSFET hoặc transistor lưỡng cực, và được đưa vào cuộn dây sơ cấp của biến áp xung hạ áp Tại cuộn thứ cấp, dòng điện có tần số cao nhưng điện áp thấp hơn (khoảng 24V) sẽ xuất hiện Cuối cùng, dòng điện này được xử lý qua bộ sửa dòng để chuyển thành dòng một chiều và loại bỏ dao động, sử dụng điốt Zener, cuộn dây và tụ điện Mạch nguồn cũng có bộ hồi tiếp để duy trì mức điện áp đầu ra ổn định ở 24V.
Hình 3.23 Các chân in – out của nguồn
Ý TƯỞNG VÀ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ
Lựa chọn phương án di chuyển cho X, Y, Z
Căn cứ vào khả năng chuyển động của bàn máy CNC có thể chia làm 3 loại mô hình máy CNC như sau:
Bàn máy di chuyển theo hai phương X, Y (hình 4.1a)
Bàn máy di chuyển theo một phương Y (hình 4.1b)
Bàn máy đứng yên (hình 4.1c) a) b) c)
Hình 4.1 Các kiểu mô hình CNC
Mỗi loại kết cấu máy CNC trên đều có những ưu - nhược điểm riêng, tùy vào nhu cầu chế tạo mà lựa chọn kiểu mô hình phù hợp
Loại bàn máy di chuyển theo cả 2 phương - loại 1 (hình 4.1a):
Phần di động của hệ thống bao gồm bàn máy có khả năng di chuyển theo hai phương X và Y trên một mặt phẳng ngang, cùng với ổ đỡ chứa động cơ trục chính di chuyển theo phương thẳng đứng Các cơ cấu lắp động cơ cho các trục X, Y, Z được gắn cố định vào khung máy để đảm bảo tính ổn định và chính xác trong quá trình hoạt động.
Hình 4.2 Sơ đồ động máy CNC loại 1
Khối lượng của phần di động trong ba kiểu kết cấu là nhỏ nhất, tương tự như cấu trúc của máy CNC thực tế Để chế tạo mô hình này, cần đảm bảo rằng đầu động cơ trục chính nằm chính giữa không gian hoạt động của bàn máy nhằm tối ưu hóa vùng gia công Tuy nhiên, bộ phận mang trục chính gặp hiện tượng dầm công-xôn, và để khắc phục, có thể tăng khối trục Z, nhưng điều này làm cho hệ thống trở nên cồng kềnh cho mô hình CNC cỡ nhỏ Nếu thu ngắn đầu mang trục chính, vùng gia công sẽ bị thu hẹp.
Kết cấu của máy CNC loại này chưa đủ thuyết phục nhóm thực hiện đồ án, và trên thị trường máy CNC tự chế, mô hình này cũng rất ít phổ biến.
Loại bàn máy di chuyển theo một phương – loại 2 ( hình 4.1b)
Cơ cấu mang động cơ trục chính di chuyển dọc theo trục Z thẳng đứng, trong khi toàn bộ ổ đỡ trục Z di chuyển trên trục X Bàn máy di chuyển theo phương Y, và cơ cấu mang động cơ trục X và Y được lắp cố định vào khung máy.
Hình 4.3 Sơ đồ động máy CNC loại 2
Thiết kế mô hình theo cách này không chỉ giúp tránh các vấn đề phát sinh như ở mô hình máy CNC loại 1, mà còn mở rộng không gian gia công một cách hiệu quả.
Loại bàn máy đứng yên - loại 3 (hình 4.1c) có cấu trúc với phần đế của máy CNC, bao gồm bàn máy và cơ cấu dẫn hướng trục Y được lắp cố định, trong khi phần di động gồm ổ trục Z, ổ trục X, và ổ trục Y Ưu điểm nổi bật của loại kết cấu này là không gian bàn máy lớn, cho phép gia công vật thể có kích thước gần như bằng vùng chuyển động của các trục, vượt trội hơn so với hai loại mô hình trước đó.
Hình 4.4 Sơ đồ động máy CNC loại 3
Máy loại này có cấu trúc với phần di động lớn, dễ dẫn đến mất cân bằng giữa phần động và phần tĩnh, gây ra hiện tượng rung lắc trong quá trình hoạt động Để khắc phục tình trạng này, một giải pháp hiệu quả là tăng khối lượng của bàn máy.
Hầu hết các máy CNC tự chế đều thiết kế theo phương án này
Sau khi phân tích các ưu và nhược điểm của ba loại mô hình CNC, nhóm thực hiện đồ án đã quyết định chọn mô hình máy CNC loại 3, cụ thể là bàn máy đứng yên, để áp dụng cho máy khắc laser.
Lựa chọn kiểu điều khiển
Máy khắc laser có thể được điều khiển bằng hai kiểu chính: điều khiển vòng kín với động cơ servo có hồi tiếp, thường được sử dụng trong các máy CNC hiện đại yêu cầu độ chính xác cao, và điều khiển vòng hở với động cơ bước không cần hồi tiếp, phù hợp cho các hệ thống đơn giản và có chi phí thấp hơn Đối với việc chế tạo mô hình máy khắc laser, sử dụng động cơ bước với điều khiển vòng hở là lựa chọn tối ưu, giúp tiết kiệm chi phí mà vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết.
Lựa chọn vít me-đai ốc
Vít me-đai ốc là thành phần quan trọng trong mô hình máy CNC, giúp chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của tải Có hai loại vít me-đai ốc phổ biến là vít me-đai ốc bi và vít me-đai ốc thường, mỗi loại đều có ứng dụng riêng trong công nghệ chế tạo.
Việc chế tạo vít me-đai ốc bi yêu cầu kỹ thuật cao và phức tạp hơn so với vít me-đai ốc thông thường do cấu tạo đặc biệt của nó.
+ Giá thành của vít me-đai ốc bi cao hơn nhiều so với vít me-đai ốc thường
Hình 4.5 Vít me-đai ốc bi
Chuyển động lăn trên các viên bi giúp giảm ma sát trong vít me-đai ốc bi, khiến việc truyền động trở nên dễ dàng hơn Do đó, mômen cần thiết để quay vít me bi thấp hơn so với vít me thông thường.
Vít me bi có thiết kế giúp giảm khe hở, tạo ra sức căng ban đầu hiệu quả Nhìn chung, khe hở của vít me bi nhỏ hơn so với vít me thông thường, nhờ đó giảm thiểu rung động khi truyền động cho tải.
+ Hiệu suất truyền động của vít me-đai ốc bi cao hơn vít me thường (vít me bi trên 90%)
+ Vít me-đai ốc bi đảm bảo chính xác khi làm việc lâu dài
+ Vít me-đai ốc bi có lực ma sát nhỏ và ổn định, gần như không phụ thuộc vào tốc độ
Hình 4.6 Quan hệ giữa hệ số ma sát và tốc độ (vitme thường và vitme bi)
Trên đồ thị, đối với vít me thường, hệ số ma sát ban đầu rất lớn và giảm dần khi vận tốc tăng, đến điểm b thì lại tăng tuyến tính theo tốc độ Ngược lại, vít me bi có hệ số ma sát nhỏ hơn nhiều khi tốc độ thấp, và khi tốc độ tăng, hệ số ma sát gần như ổn định.
Khi khởi động, vít me bi yêu cầu mômen nhỏ hơn nhiều so với vít me thường, điều này rất quan trọng trong điều khiển CNC, nơi cần khởi động nhanh các trục X, Y, Z với mômen tối thiểu Do đó, khi so sánh giữa vít me-đai ốc thường và vít me-đai ốc bi (không tính đến giá thành), vít me-đai ốc bi rõ ràng là lựa chọn tối ưu nhất.
Lựa chọn bộ truyền đai
Bộ truyền đai là hệ thống truyền động gián tiếp dựa vào ma sát giữa dây đai và bánh đai (puly), cho phép cơ năng được truyền từ bánh chủ động sang bánh bị động một cách hiệu quả.
Theo hình dáng và tiết diện đai có 4 loại:
+ Đai dẹt: có tiết diện hình chữ nhật
+ Đai thang: có tiết diện hình thang
+ Đai tròn: tiết diện hình tròn
Theo kiểu truyền động: truyền động theo hai trục song song cùng chiều, ngược chiều, giữa hai trục chéo nhau
4.4.2 Các phương pháp căng đai Định kỳ điều chỉnh sức căng: Bánh đai chủ động được nối trên trục động cơ, lực căng đai được điều chỉnh bằng vít đẩy động cơ trượt trên rãnh
Hệ thống tự động điều chỉnh lực căng giúp duy trì lực căng đai ổn định nhờ vào động cơ treo trên tấm lắc và vít điều chỉnh Lực căng đai sẽ tự động thay đổi theo tải trọng, với bánh căng được đặt trên nhánh chùng và cách trục bánh nhỏ khoảng 1/3 khoảng cách trục.
Lựa chọn cơ cấu dẫn hướng
Để dẫn hướng cho các trục trên mô hình máy CNC, có thể sử dụng rãnh trượt mang cá Trong phương án này, trục vít me kết nối với động cơ và được gắn chặt vào phần cố định của mang cá, trong khi đai ốc được gắn vào phần di động Khi động cơ quay trục vít me, đai ốc sẽ giúp phần di động trượt tịnh tiến theo rãnh mang cá.
Nếu ứng dụng rãnh mang cá vào mô hình máy CNC thì có một số nhược điểm như sau:
- Việc gia công sống trượt mang cá phức tạp
- Phoi có thể rơi vào bề mặt trượt giữa 2 rãnh mang cá
Ma sát trượt gây ra độ mài mòn, và hai rãnh mang cá trượt với nhau có các miếng niêm giúp điều chỉnh độ hở giữa chúng Sau một thời gian sử dụng, cần phải thay thế các miếng niêm này, tuy nhiên, quá trình thay thế khá phức tạp.
Hình 4.7 Dẫn hướng bằng sống trượt mang cá
Để khắc phục những bất lợi hiện tại, phương án thay thế đã được đề xuất, trong đó việc dẫn hướng sẽ được thực hiện thông qua các thanh trượt và ray trượt đã được lựa chọn.
+ Dẫn hướng bằng ray trượt (hình 4.8a) chịu tải kém, ma sát lớn, không thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao như máy CNC
Ray trượt tự chế được sử dụng trong máy CNC tự chế (Build your own CNC machine, James Floyd Kelly) mang lại nhiều lợi ích như sự đơn giản, dễ chế tạo và chi phí thấp Tuy nhiên, việc đảm bảo độ chính xác, độ bền và tính ổn định trong quá trình chuyển động vẫn là một thách thức lớn.
+ Dẫn hướng với trục trơn (hình 4.8d) khó lắp đảm bảo độ song song giữa các trục,có thể khiến cơ cấu bị kẹt, ma sát với trục trượt lớn c) d)
Hình 4.8 a) Ray trượt b) Ray trượt tự chế c) Thanh dẫn hướng tự chế d) Trục trơn
Sử dụng thanh trượt bi mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại ray trượt khác, bao gồm việc giảm thiểu chế tạo cơ khí nhờ vào sự có sẵn của sản phẩm trên thị trường Ma sát lăn trong rãnh bi giúp cơ cấu trượt hoạt động nhẹ nhàng hơn, đồng thời thanh trượt bi có độ cứng cao, khả năng chịu tải tốt và tuổi thọ lâu dài Ngoài ra, nó ít bị mài mòn, hoạt động êm ái, chống rung động hiệu quả và dễ dàng bảo trì, thay thế Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho thanh trượt bi khá cao và yêu cầu lắp ráp hai thanh trượt song song với nhau.
Để đảm bảo hai thanh trượt bi song song, trước tiên cần cố định một thanh trượt Sau đó, đặt bàn máy lên hai thanh trượt và di chuyển bàn máy dọc theo thanh trượt Thanh trượt còn lại sẽ tự điều chỉnh để song song với thanh chuẩn ban đầu Để kiểm tra độ chính xác, có thể sử dụng đồng hồ so để xác định độ song song giữa hai thanh trượt.
Để đơn giản hóa quá trình chế tạo và giảm thiểu sai sót trong lắp đặt, việc sử dụng các bộ phận dẫn hướng truyền động có sẵn như vít me bi, dẫn hướng và vòng bi là một lựa chọn hợp lý, mặc dù chi phí của chúng thường khá cao.
Tóm lại, qua việc so sánh và phân tích các ưu nhược điểm của các loại cơ cấu dẫn hướng, thanh trượt bi đã chứng minh khả năng đáp ứng đầy đủ các tiêu chí cần thiết cho mô hình máy khắc laser.
Lựa chọn bộ truyền
Bộ truyền là thiết bị quan trọng giúp dẫn động và truyền công suất từ trục động cơ đến các trục máy, do đó, hiệu suất của bộ truyền cần được tối ưu hóa để đảm bảo hoạt động ổn định và bền bỉ trong thời gian dài.
Xét mô hình máy khắc laser của nhóm:
Trục Y di chuyển nhờ vào vít me bi, được dẫn hướng bởi một cặp thanh trượt hai bên, giúp đảm bảo chuyển động đều và độ chính xác cao.
-Chuyển động của trục X dựa vào chuyển động đai trượt trên rãnh thanh nhôm
Lựa chọn động cơ
Động cơ truyền động cho ba trục của máy khắc laser thường được lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ servo Để đưa ra quyết định chính xác, cần so sánh các đặc điểm nổi bật của hai loại động cơ này.
Mạch driver Đơn giản (người dùng có thể chế tạo chúng)
Phức tạp (người sử dụng phải mua mạch driver từ các nhà sản xuất)
Nhiễu, rung động Đáng kể Rất ít
Tốc độ Chậm (tối đa 1000-2000 vòng/phút)
Hiện tượng trượt Có thể xảy ra Khó xảy ra (Động cơ vẫn chạy trơn tru nếu tải đặt vào tăng)
Phương pháp điều khiển Vòng hở (không có encoder)
Giá thành (Động cơ + driver)
Rẻ Rất đắt Độ phân giải Phổ biến loại 1.8o (200 bước/vòng)
Phụ thuộc độ phân giải của encoder
Hình 4.12 Bảng so sánh động cơ bước và động cơ servo
Khi chọn loại động cơ cho máy CNC, cần lưu ý đến kiểu điều khiển, đặc biệt là các hệ thống điều khiển vòng hở không có hồi tiếp tín hiệu Do giá thành cao của động cơ servo và driver, động cơ bước trở thành lựa chọn kinh tế hơn, đồng thời vẫn đáp ứng tốt các yêu cầu sử dụng.
Lựa chọn kiểu điều khiển động cơ
Động cơ truyền động cho các trục x, y, z sử dụng động cơ bước Theo thông tin từ chương 3, mục 3.2, có ba dạng điều khiển chính cho động cơ bước: điều khiển đủ bước, điều khiển nửa bước và điều khiển vi bước.
Để nâng cao độ chính xác trong quá trình truyền động của máy CNC, khi động cơ bước quay một góc X, bàn máy sẽ di chuyển một khoảng Y thông qua bộ truyền Do đó, để cải thiện độ chính xác, giá trị X cần được giảm thiểu đến mức tối đa.
Việc lựa chọn dạng điều khiển động cơ cần dựa vào yêu cầu kỹ thuật và mong muốn của người sử dụng Điều khiển đủ bước và nửa bước mang lại tốc độ cắt nhanh và tăng sản lượng, nhưng lại có sai số lớn và thường phải gia công lại nhiều Ngược lại, điều khiển vi bước đảm bảo độ chính xác cao và giảm thiểu gia công lại, mặc dù tốc độ cắt chậm hơn Do nhóm thực hiện đồ án tập trung vào việc gia công sản phẩm có độ chính xác cao, nên quyết định chọn kiểu điều khiển vi bước.
Mạch driver 3128A mà nhóm sử dụng cho động cơ bước hỗ trợ nhiều chế độ vi bước khác nhau, bao gồm 1/4, 1/8, 1/16, 1/32, 1/64 và 1/128 Việc sử dụng chế độ vi bước mang lại nhiều ưu điểm, giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong điều khiển động cơ.
- Chuyển động mịn hơn, mượt mà hơn (do mỗi bước góc của động cơ khá nhỏ)
- Chuyển động êm hơn, bàn máy ít rung động hơn
- Tạo ra momen xoắn đồng đều hơn do phần lớn thời gian dòng điện được cấp cho cả 2 pha
- Tạo ra khoảng dịch chuyển nhỏ trên bàn máy, tăng độ chính xác cho máy CNC
Trong quá trình điều khiển động cơ bước, hai vấn đề phổ biến là "rung động" và "cộng hưởng" Khi động cơ chuyển động giữa các bước, nó thường vượt qua vị trí cần đạt đến (overshoots) và sau đó quay lại dưới vị trí đúng (undershoots), dẫn đến hiện tượng dao động cho đến khi dừng hẳn Sự dao động này gây ra rung cho động cơ Để giảm thiểu hiện tượng rung động, việc sử dụng tải ngoài là rất quan trọng; khuyến cáo nên chọn tải ngoài từ 30% đến 70% momen mà động cơ có thể tạo ra, theo NMB Technologies Corporation.
Khi tần số xung đưa vào động cơ trùng khớp với tần số dao động của hệ thống, hiện tượng cộng hưởng xảy ra, dẫn đến rung động mạnh nhất và gây ra tình trạng “trượt” hoặc “mất” bước ở động cơ bước Điều này ảnh hưởng tiêu cực đến độ chính xác chuyển động của bàn máy Theo tài liệu Industrial Circuits Application Note, tốc độ gây ra cộng hưởng trong trường hợp chỉ xét đến rôto mà không có tải ngoài nằm trong khoảng 100÷200 xung/s Dải tốc độ này còn phụ thuộc vào nhà sản xuất động cơ; ví dụ, Haydon Kerk Motion Solutions khuyến cáo dải tốc độ cộng hưởng cụ thể cho sản phẩm của họ.
Tần số hoạt động của động cơ thường dao động từ 70 đến 120 xung/s, trong khi NMB Technologies Corporation khuyến cáo nên tránh điều khiển trong khoảng 200 xung/s Tần số cộng hưởng phụ thuộc vào tần số tự nhiên của rôto và mức quán tính của tải ngoài, làm cho việc tính toán chính xác tần số cộng hưởng trở nên khó khăn Để tránh hiện tượng cộng hưởng, nên điều khiển tốc độ động cơ ngoài vùng 50 đến 200 xung/s và tăng tốc nhanh khi khởi động để vượt qua vùng này Sự cộng hưởng và rung động có thể được giảm thiểu nhờ vào việc điều khiển vi bước, với bước góc nhỏ và việc quản lý xung điện qua các cuộn dây pha được thực hiện chặt chẽ, tạo ra sóng điện gần giống hình sin lý tưởng.
Lựa chọn phần mềm điều khiển
Hệ điều khiển là thành phần thiết yếu trong mô hình máy khắc laser, có chức năng chuyển đổi các lệnh mã G thành xung cho động cơ sau khi được nội suy qua phần mềm.
Phần mềm điều khiển cho máy khắc laser cần có khả năng giao tiếp hiệu quả để thực hiện các hình dạng phức tạp Việc lựa chọn phần mềm từ một nhà sản xuất uy tín sẽ giúp tối ưu hóa quá trình khắc và giảm thiểu khó khăn trong nội suy.
Phần mềm Mach3 của Art Soft là lựa chọn phổ biến cho máy khắc laser tự chế, với thiết kế chuyên nghiệp và nhiều tính năng vượt trội so với các phần mềm khác như Kcam của Kellyware Mach3 mô phỏng quá trình làm việc rõ ràng và cho phép người dùng dễ dàng khai báo, thiết lập các thông số cũng như điều khiển hệ thống Ngược lại, Kcam có giao diện đơn giản và chưa đáp ứng đầy đủ nhu cầu của người dùng.
Tóm lại, nhóm quyết định sử dụng Mach3 để điều khiển mô hình máy khắc laser
Hình 4.13 Giao diện phần mềm Mach3
Tổng kết
Bài viết này sẽ so sánh và phân tích các giải pháp khác nhau trong các thành phần cấu thành mô hình máy khắc laser, từ đó đưa ra thống kê những giải pháp cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
Thiết bị/cơ cấu Lựa chọn
Kiểu chuyển động Bàn máy đứng yên
Kiểu điều khiển Điều khiển vòng hở Động cơ truyền động các trục Động cơ bước
Vít me- đai ốc Vít me- đai ốc bi
Thanh dẫn hướng Thanh trượt bi
Bộ nguồn Mạch nguồn xung
Mạch điều khiển Break Out Board TB6560
Giao tiếp với máy tính Giao tiếp song song cổng LPT
Phần mềm điều khiển Mach3
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY
Quy trình thiết kế và phác thảo ý tưởng
Thiết kế đóng vai trò quan trọng trong quá trình chế tạo máy, giúp hình thành ý tưởng và xác định vị trí tương quan giữa các chi tiết Bản thiết kế không chỉ là cơ sở để đánh giá tính hợp lý mà còn kiểm tra khả thi của toàn bộ dự án.
Quy trình thiết kế Máy được tiến hành như sau:
Quy trình thiết kế mô hình bắt đầu bằng việc định hình ý tưởng tổng quát về mô hình và dự án, được trình bày chi tiết trong đề xuất phương hướng và giải pháp thiết kế Tiếp theo, phần cơ khí của mô hình được xác định, trong đó máy khắc laser có bàn máy đứng yên, các chi tiết trên trục X-Y di chuyển, vít me được lắp kiểu fixed-support, và hai thanh trượt được bố trí trên một mặt phẳng, cùng với đầu laser chuyển động bằng đai.
Sau khi có những hình dung ban đầu về mô hình, hãy phác thảo các ý tưởng trên giấy hoặc phần mềm Paint Không cần chú trọng đến kích thước chính xác, mà chủ yếu thể hiện vị trí tương quan của các chi tiết và cụm chi tiết trong toàn bộ máy.
Bước tiếp theo trong quy trình thiết kế là sử dụng phần mềm Solidworks để tạo ra từng chi tiết Phần mềm này có ưu điểm là cho phép vẽ theo tham số, giúp điều chỉnh kích thước một cách linh hoạt Do mô hình là tổ hợp của nhiều chi tiết có mối quan hệ chặt chẽ, nên việc thiết kế từng chi tiết cần phải đối chiếu và so sánh với các chi tiết trước đó Để thuận tiện, người thiết kế có thể vừa vẽ chi tiết vừa lắp ráp với các chi tiết liên quan, sau đó quay lại chỉnh sửa kích thước và hình dạng cho đến khi hoàn thiện Phương pháp này không chỉ làm cho quá trình thiết kế trở nên trực quan hơn mà còn giảm thiểu thời gian và công sức trong việc tính toán và ước đoán.
Lựa chọn vật liệu cho các chi tiết:
Mô hình này yêu cầu sử dụng vật liệu nhẹ cho phần di động, tuy nhiên mica không phải là lựa chọn tốt do khả năng chịu lực kém và độ giòn cao, làm giảm cứng vững của hệ thống Thay vào đó, phần di trượt nên sử dụng thép C45 dạng tấm 3mm, trong khi khung nên được làm từ thép CT3 để đảm bảo đủ trọng lượng, giúp giảm thiểu rung động do động cơ bước gây ra.
- Đồng thời 2 loại vật liệu này dễ tìm kiếm trên thị trường, giá thành rẻ.
Thiết kế cơ khí
Hình 5.2: Mô hình máy khắc Laser 5.2.2 Thiết kế trục Y
Thông số của trục Y: vít me dài 750mm, bước ren 5mm, hành trình cho phép chuyển động là 500mm
Trên trục Y có mang động cơ trục chính, đồng thời ổ đỡ cho một đầu vít đảm bảo lắp theo kiểu Fixed-support
Yêu cầu đối với trục Y là:
+ Đế đỡ trục chính phải đủ cứng vững, không bị xê dịch, lắc lư
Lắp đặt động cơ trục chính cần đảm bảo thẳng đứng, không bị xiêu vẹo Đồng thời, việc bố trí và thiết kế ổ đỡ phải được thực hiện một cách hợp lý để đảm bảo trục vít-me chuyển động một cách trơn tru, không gặp phải trở ngại.
+ Tấm liên kết động cơ
Yêu cầu của cụm trượt trên trục X:
+ Đảm bảo sự ăn khớp của dây răng và bánh đai
+ Đảm bảo đai căng hợp lý
+ Trục X được thiết kế sao cho đỡ được đầu laser, vừa thuận tiện lắp đặt vừa cân xứng để tạo thẩm mỹ cho máy
+ Các tấm liên kết phải đảm bảo đủ cứng vững
Hình 5.4: Trục X 5.2.4 Tính toán lựa chọn thanh trượt bi
Quy trình tính toán, lựa chọn thanh trượt được trình bày kỹ tại Phụ lục 1
Ứng dụng tính toán: Căn cứ vào thiết kế thì cả hai thanh trượt cùng chịu tải trọng khoảng 200N (tức là 100N cho mỗi thanh)
Thanh trượt được chọn có tải trọng tĩnh Co ~ 13.5kN, ứng với hệ số an toàn tĩnh F S N, thì tải trọng lớn nhất cho phép là:
F Ứng dụng tính toán thanh trượt trục Y:
Hình 5.5: Mô hình tính toán thanh trượt trục Y
Thanh trượt cần tính mang số SHS15V2UU+700LP-II có các dữ liệu đầu vào như sau: (trích 1-100 [7])
C= 14,2; C 0 $,2 m kg v= 0,015 mm/s t1= 0,025s (thời gian tăng tốc), t2= 0,95s (thời gian chuyển động đều), t3= 0,025s (thời gian giảm tốc)
lsP0mm (Chiều dài hành trình) Khoảng cách:
Lực tác dụng lên ray trượt khi chuyển động đều:
Lực tác động khi tăng tốc về bên trái:
Lực tác động khi giảm tốc về bên trái:
Lực tác động khi tăng tốc về bên phải:
Lực tác động khi giảm tốc về bên phải:
Lực tác động vào 2 bên con trượt khi tăng tốc trái :
Lực tác động vào 2 bên con trượt khi giảm tốc trái:
Lực tác động vào 2 bên con trượt khi tăng tốc phải:
Lực tác động vào 2 bên con trượt khi giảm tốc phải:
Tổng hợp lực khi chuyển động:
Khi tăng tốc về bên trái:
E tr E tr tr Ttr tr Ttr
E tr E tr tr Ttr tr Ttr
Khi giảm tốc về bên trái:
E gtr E gtr gtr Tgtr gtr Tgtr
E gtr E gtr gtr Tgtr gtr Tgtr
Khi tăng tốc về bên phải:
Khi giảm tốc về bên phải:
E gp E gp gp Tgp gp Tgp
E gp E gp gp Tgp gp Tgp
Vậy hệ số an toàn được tính như sau:
P (5.23) Đối với máy công cụ nhà sản xuất khuyến cáo fs>2.5-7.Vậy hệ số an toàn như trên là chấp nhận được
Tính toán tuổi thọ của ray trượt:
5.2.5 Tính toán lựa chọn Vít me- đai ốc bi trục Y
Quy trình tính toán, lựa chọn Vít me- đai ốc bi được trình bày kỹ tại Phụ lục 2
Khi lựa chọn vít me bi, việc khảo sát các loại vít me có sẵn trên thị trường là rất quan trọng, bao gồm cả yếu tố giá cả Nhóm đã quyết định chọn vít me bi với chiều dài 750 mm, đường kính ngoài 14 mm và bước 5.
Kiểm tra thanh vít me đang có:
Lực gây ra uốn dọc trục cho vít me:
Lực gây kéo-nén cho vít me:
Tốc độ quay tối đa không phá hủy trục vít me:
Tốc độ của động cơ dẫn động vít me trên mô hình máy CNC cỡ nhỏ chỉ dưới 2000 vòng/phút, giúp tránh hiện tượng cộng hưởng có thể làm hỏng vít me, nhờ vào các giá trị tải trọng lớn được đặt lên mô hình này.
Để tính toán sơ bộ thanh vít me-đai ốc bi, ta sử dụng các công thức với tải trọng động C = 2.5 kN (2500 N) và tải trọng tĩnh Co = 5.8 kN (5800 N) Momen quán tính của trục vít me được xác định là Js = 1.6 10^-4 kg.cm²/mm.
Hệ thống yêu cầu khối lượng tải trục Y khoảng 10kg, bao gồm cả khối lượng động cơ và cơ cấu di trượt gắn đầu laser.
+ Gia tốc tối đa: α ≈ 200 mm/s 2 =0.2 m/s 2
+ Hành trình vít-me: l = 750 mm
+ Tốc độ tối đa: v=1m/ph ≈0.017m/s
+ Tốc độ quay tối đa : N%0 vòng/phút
+ Hệ số tải: fw = 1.2 (theo bảng hình P2.2)
Khi vít-me quay theo chiều thuận và chiều nghịch, lực dọc trục có giá trị bằng nhau nhưng ngược dấu Do đó, chỉ cần tính toán các giá trị lực khi vít-me quay theo chiều thuận.
Lực dọc trục khi vít me tăng tốc:
Lực dọc trục khi chuyển động đều:
Lực dọc trục khi giảm tốc:
Quãng đường chuyển động đều:
S 750 – 2.0,72 748,56 mm 2 Tải dọc trục trung bình là:
Tuổi thọ vít me bi tính theo số vòng quay:
Tuổi thọ tính theo thời gian:
Kiểm tra hệ số an toàn tĩnh:
Fm (giá trị khuyến cáo fs≥ 2.5÷7)
Dựa trên các giá trị đã tính toán, thanh vít me-đai ốc bi được lựa chọn đáp ứng đầy đủ yêu cầu của hệ thống trong điều kiện biên, bao gồm tốc độ hoạt động tối đa và tải trọng lớn nhất cho máy CNC.
5.2.6 Tính toán lựa chọn động cơ trục Y
Ta có công thức để tính momen xoắn cần thiết (theo 9-1 trang 221 [2])
Trong đó : N : công suất động cơ n60 v/phút : số vòng quay trục chủ động
M : momen xoắn cần thiết (N.mm) Để tính momen xoắn cần thiết, ta dựa vào trang web www.orientalmotor.com
Nhập các thông số cần thiết vào chỗ trống :
Load and linear guide : Tải và dẩn hướng
- Total mass of loads and table: (m): tổng khối lượng vật nặng và bàn máy: 10 kg
- Friction cocfficient of the guide: Hệ số ma sát của thiết bị dẫn hướng: 0.05 Ball/lead screw specification: thông số kĩ thuật vitme
-Diameter (mm) đường kính: 14 mm
-Total length(mm) tổng chiều dài: 750 mm
- Lead(pitch) (mm/rev) (bistance the screw moves in one rotation) Bước vitme: 5 mm
- Break away torque of the screw (Nm): Moment xoắn của vít me bi:200 N.m External force : ngoại lực FA 20 N
In systems utilizing a direct coupling structure, both the transmission belt and pulley or gears values are set to zero, indicating that the motor is directly mounted without intermediary components.
Mechanism placement: cơ chế vị trí
- Mechanism angle: góc làm việc của cơ cấu : 0 0
Operating condition: điều kiện hoạt động
- Variable speed operation: biến tốc độ hoạt động: v1=1mm/s ; v2= 5mm/s Stopping accuracy: dừng chính xác: 0.1 mm
Safety factor : Hệ số an toàn :1.75
Hình 5.6: Tính momen động cơ bước
Hình 5.6: Tính công suất động cơ bước
Ta tính được momen xoắn cần thiết là :
Vậy công suất cần thiết là :
Sau khi thực hiện các phép tính, chúng ta quyết định chọn động cơ bước có moment giữ lớn hơn giá trị đã tính toán Động cơ bước lưỡng cực với thông số 2,8 A, 5V và bước góc 1,8 độ được chọn, có moment giữ là 2,8 Nm, gấp gần 3 lần so với moment cần thiết.
5.2.7 Tính toán lựa chọn động cơ trục X
Xác định công xuất động cơ: t ct
+ P ct : công suất cần thiết (kW)
+ P t : công suất tính toán (kW)
Trường hợp tải trọng không đổi:
+ P lv : công suất làm việc (kW)
+ Tổng khối lượng vật nặng cần tải: 1kg
Chọn hệ số an toàn: 1.75
Ta chọn động cơ có chỉ số:
f : tần số dịch chuyển bước (f(00)
Tính được tốc độ quay của động cơ n 1 = 1,4(v/s)
5.2.8 Tính toán lựa chọn bộ truyền đai trục X
Xác định mô đun m theo công thức thực nghiệm:
+ n 1 : Số vòng quay bánh dẫn (Vg/ph)
Căng cứ vào các thông số bộ truyền đai răng tra bảng 4.1 [12] ta chọn bộ truyền đai: m=2; p=6,28; b=5
Kiểm nghiệm đai theo khả năng kéo tránh cắt chân răng và đứt dây đai bằng cách tính theo tải trọng riêng W t : t [W ] t
Tải trọng riêng W t xác định theo công thức:
V: vận tốc đai m/s q: Khối lượng 1m dây đai với chiều rộng 10mm
Tải trọng riêng cho phép [W t ] xác định theo công thức:
[w 0 ]: Tải trọng riêng cho phép
C r : hệ số chế độ làm việc
C u : hệ số xét đến tỉ số truyền
C b : hệ số xét đến ảnh hưởng chiều rộng dây đai
đáp ứng được yêu cầu kiểm bền của đai
Sau khi hoàn thiện thiết kế mô hình, việc kiểm tra tính bền và sự biến dạng của các chi tiết dưới tác động của lực là cần thiết, với điều kiện mô phỏng gần giống với thực tế hoạt động của máy Trong hệ thống máy, có hai cụm chi tiết quan trọng cần được kiểm tra, trong đó có dầm khung trục Y, được chế tạo từ thép hộp chữ nhật kích thước 25x50x2mm và có chiều dài 720mm.
Dầm trục X là một thanh nhôm định hình với kích thước 40x20mm và chiều dài 570mm, được sử dụng để lắp đặt cụm trượt và đầu laser, có khả năng chịu tải trọng của cụm trượt cùng với một số chi tiết khác.
Dầm trục Y có khả năng chịu tải trọng tổng cộng khoảng 10kg 0N từ toàn bộ trục X và Z Trong trường hợp này, chúng ta giả định có hai dầm chịu tải, với tải trọng lớn nhất tác động lên dầm khi toàn bộ khối lượng được đặt ở giữa dầm.
Hình 5.7: Kiểm bền dầm trục Y
Theo phân tích bền trên phần mềm SolidWorks, khi dầm chịu lực 100N, ứng suất của dầm thấp hơn giới hạn cho phép, do đó không ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của máy.
Tính bền cho dầm trục X: Dầm trục X chịu tải trọng của trục Z và cơ cấu trượt vào khoảng 50 N
Hình 5.8: Kiểm tra bền dầm trục X
Theo kiểm bền trên phần mềm SolidWorks, khi dầm chịu lực 50N, ứng suất trên dầm nhỏ hơn ứng suất cho phép, do đó không ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của máy.
Gia công các chi tiết
DANH SÁCH CÁC CHI TIẾT CẦN GIA CÔNG
Tên chi tiết Số lượng
Khung máy 1 CT3 -Cắt thành các thanh thẳng đúng kích thước rồi hàn thành chi tiết
-Đảm bảo mối hàn chắc chắn
Gá động cơ trục Y 1 CT3 -Chặt dạng tấm -Khoan -Hàn
-Gia công chính xác vị trí các lỗ bắt bu-long
Tấm lên kết 1 CT3 -Chặt dạng tấm -Hàn -Khoan
-Gia công chính xác vị trí các lỗ bắt bu-long
Tấm liên kết 2 CT3 -Chặt dạng tấm
-Gia công chính xác vị trí các lỗ
-Hàn -Khoan bắt bu-long
2 CT3 -Chặt dạng tấm -Hàn -Khoan
-Gia công chính xác vị trí các lỗ bắt bu-long
Tấm gá đầu Laser 1 mic a
-Gia công bằng máy cắt Laser
-Gia công chính xác vị trí các lỗ bắt bu-long với đầu laser
Tấm gá động cơ trục X 1 mic a
-Gia công bằng máy cắt Laser
-Gia công chính xác vị trí các lỗ bắt bu-long động cơ
5.4 Thiết kế hệ thống điều khiển
5.4.1 Phần mềm điều khiển Mach3
Mach3 là phần mềm điều khiển máy CNC do Artsoft phát triển, tương thích với hệ điều hành Windows Phần mềm này cho phép điều khiển các động cơ bước và động cơ servo thông qua lệnh G-code.
Giao diện chính của mach3 (trang Program Run):
5.4.1.2 Tín hiệu truyền từ Mach3 ra cổng LPT Ða số các máy vi tính trao đổi thông tin thông qua các cổng sau: cổng song song (Parallel port), cổng COM (Serial port), cổng USB và Network card Cổng song song được sử dụng chủ yếu để giao tiếp giữa máy tính và máy in Cổng song song có tên như vậy bởi chúng có 8 hàng dữ liệu 1 bit (thành 1 byte) để chuyển đồng thời qua 8 dây dẫn Cổng song song sử dụng 3 thanh ghi 8 bit gồm: thanh ghi trạng thái, thanh ghi dữ liệu và thanh ghi điều khiển
Cổng song song bao gồm 25 chân được bố trí theo sơ đồ dưới đây:
8 chân dùng để gởi và nhận dữ liệu (từ chân số 2 đến số 9) gọi là DATA Port Dữ liệu trao đổi qua 8 pin này được gói gọn trong 1 byte
Hình 5.10: Cổng song song (LPT)
Hình5.11: Sơ đồ chức năng từng chân của cổng máy in (LPT)
Cổng LPT trên máy tính:
+ 8 chân D0-D7 là các chân OUTPUT của thanh ghi DATA
+ 5 chân S3- S7 là các chân INPUT của thanh ghi STATUS
+ 4 chân C0-C3 là các chân OUTPUT của thanh ghi CONTROL Chức năng mặc định của các chân LPT do Mach3 xuất tín hiệu
Ngoài ra ta có thể hiệu chỉnh số chân và số cổng LPT trên phần mềm bằng cách: Trên menu bar chọn Config => Ports and Pins:
Hình 5.12: Bảng hiệu chỉnh số chân tín hiệu LPT
Trong hộp thoại gồm 7 trang:
+ Port setup and axis selection: cho phép thiết lập số cổng LPT
+ Motor output: tín hiệu xuất ra cho đông cơ nhƣ cho phép ta chọn chân xung và chân hướng di chuyển của mỗi trục
+ Input signals: cho phép thiết lập chân tín hiệu ngõ vào(như các tín hiệu cử hành trình …)
+ Output signals: cho phép thiết lập chân tín hiệu ngõ ra (như đóng mỡ động
+ Encoder/MPG‟s: Cho phép thiết lập chân tín hiệu Handle
+ Spindle settup: cho phép cài đặt tín hiệu đóng mở trục chính, chọn chế độ tưới nguội…
+ Mill option: Một số lựa chọn mở rộng của modul Mill như cài đặt khoảng cách an toàn cho trục Z…
Driver 3128A sử dụng chip THB7128 để điều khiển động cơ bước với hiệu suất cao và ổn định
Tự động bảo vệ quá nhiệt
Tự động kiểm soát và điều chỉnh dòng giảm tối đa, không gây nóng động cơ
Sử dụng cho các động cơ hai pha, bốn pha ( 4,6,8 dây )
Nguồn cung cấp đầu vào: 10v - 40vDC
Chế độ điều khiển: 1,2,4,8,16,32,64,128 xung/bước
Tín hiệu đầu vào và đầu ra được xử lý bởi IC tốc độ cao của Phillips, giúp loại bỏ các tín hiệu không cần thiết, từ đó nâng cao sự ổn định cho hệ thống Hệ thống được điều khiển bằng nguồn đôi USB và có ngõ vào nguồn ngoài được cách ly, đảm bảo an toàn cho máy tính.
Tín hiệu đầu vào các Port P11, P12 được xử lý qua cách ly quang tốc độ cao có thể sử dụng cho tín hiệu encoder hay hand wheel
Ngõ ra relay 1 có thể được thiết lập tự động đóng mở nguồn tổng cho tất cả thiết bị thông qua máy tính
Ngõ ra relay 2 và 3 thiết lập cho việc đóng mở Spindle và hệ thống tưới nước làm mát
Ngõ ra 0-10vDC và PWM thông qua cách ly quang tốc độ cao có thể sử dụng điều khiển tốc độ spindle.
Thiết kế hệ thống điện
+ Thiết kế nhỏ gọn, bố trí thông minh
+ Dễ dàng kết nối, tháo lắp, sửa chữa, nâng cấp về sau
+ Các yêu cầu về an toàn điện: cách điện, tiếp đất, chống nhiễu,…
Kích thước tủ điện: Dựa trên kích thước danh nghĩa của các vật tư được lập trong bảng hình 5.17 Tủ điện cần phải có kích thước 300x200x150mm
Thông số quy cách: Dài 300mm, rộng 200mm, sâu 150mm, vật liệu bằng thép được sơn tĩnh điện
Khi lựa chọn phương án bố trí cho tủ điện, phương án tối ưu với kích thước đã chọn là xếp board và driver cùng một tầng để đáp ứng yêu cầu hiệu quả nhất.
Hình 5.16: Tủ điện thực tế
Vật tư: Phần cứng của hệ điều khiển dùng phần mềm Mach3 bao gồm các thiết bị ở bảng sau:
STT Tên thiết bị Số lượng Tính năng Thông số cơ bản
01 Máy vi tính hệ điều hành window XP trở
1 Dùng để làm nền chạy chương trình điều khiển Mach3
1 Board xuất tín hiệu điều khiển truyền động từ phần mềm Mach3 trên máy tính thông qua giao tiếp song song cổng LPT
- Kích thước danh nghĩa: 120x85mm
2 Mạch đọc xung tín hiệu từ BOB giải mã để điều khiển các động cơ bước truyền động các trục của máy
- Kích thước danh nghĩa: 62x52 mm
1 Mạch đọc xung tín hiệu từ Cấp nguồn nuôi chính cho board điều khiển động cơ và tín hiệu input
Cấp nguồn nuôi 5V cho board BOB
05 Jack cắm truyền tín hiệu lên
2 Jack 4 pin nối dây tín hiệu từ tủ điện đi tới động cơ Mach3
- Chất liệu: Thép mạ cách điện
Hình 5.17: Bảng vật tư điện
Hình 5.18: Sơ đồ kết nối tổng quát
Hình 5.19: Sơ đồ kết nối Driver, Laser với board
