Các sản phẩm cơ điện tử rất đa dạng như robot công nghiệp, máy CNC, hệ thống thang máy cho đến những sản phẩm được sử dụng trong cuộc sống đời thường như tủ lạnh, máy giặt,… Môn học đồ á
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ CHO BÀN MÁY
TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC
Trên nền tảng tổng quan về máy CNC, bài viết trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy CNC 3 trục điển hình được sử dụng rộng rãi cả trong phòng nghiên cứu lẫn công nghiệp Máy CNC 3 trục gồm các thành phần chính như hệ điều khiển số (CNC), bộ dẫn động cho trục X, Y và Z, bàn gia công, hệ thống làm mát và nguồn cấp, cùng các cảm biến giám sát Nguyên lý hoạt động của máy dựa vào điều khiển vị trí và tốc độ theo chương trình gia công được nhập trước, cho phép gia công chính xác, lặp lại và tự động hóa cao Nhờ cấu tạo và nguyên lý này, máy CNC 3 trục là công cụ lý tưởng cho các ứng dụng nghiên cứu tối ưu hóa quy trình gia công và sản xuất hàng loạt hoặc bán tự động trong nhiều ngành công nghiệp.
Sinh viên hiểu được các thành phần cơ bản cấu tạo nên mấy CNC 3 trục điển hình, các thông số kỹ thuật của máy và hiểu được kết cấu và hệ thống dẫn động trong máy CNC
1.1 Giới thiệu chung về máy CNC
1.1.1 Khái niệm về máy CNC
CNC là viết tắt của Computer Numerical Control là thuật ngữ chỉ những hệ thống máy tiện cơ khí được điều khiển bằng máy tính, phát triển ở phòng thí nghiệm Servomechanism của học viện MIT từ cuối thập niên 1940 – đầu 1950
Máy CNC có thể cắt kim loại theo những đường cong dễ dàng như đường thẳng, bạn có thể tỉa những đường hoa văn một cách chính xác, và thậm chí là đục rỗng bên trong khối phôi chỉ với việc điều khiển bằng máy tính Vì máy CNC được lập trình và điều khiển bằng máy tính nên độ chính xác là tuyệt đối, có thể tạo ra các sản phẩm được cắt gọt rất sắc sảo và đẹp mắt Tuy nhiên , cũng có một số yếu tố làm thay đổi đến sự chính xác của máy CNC như độ mòn của lưỡi cắt, nhập liệu của người đứng máy, chất lượng của phôi
Ưu điểm của máy CNC:
- Tiết kiệm được công sức lao động: So với các máy điều khiển công cụ bằng tay, sản phẩm từ máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung, chương trình được đưa vào máy Người điều khiển chỉ chú yếu theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động của máy
- Độ chính xác làm việc cao: Thông thường các máy CNC có độ chính xác máy là 0.001mm do đó có thể đạt được độ chính xác cao hơn
- Tốc độ cắt cao: Nhờ cấu trúc cơ khí bền chắc của máy, Những vật liệu cắt hiện đại như kim loại cứng hay gốm oxit có thể sử dụng tốt hơn
- Thời gian gia công ngắn hơn
Một số ưu điểm khác:
- Máy CNC có tính linh hoạt cao trong việc lập trình, tiết kiệm thời quan chỉnh máy,
3 đạt được tính kinh tế cao trong việc gia công hang loại các sản phẩm nhỏ
- Chi phí dừng máy nhỏ do ít phải dừng máy vì kỹ thuật
- Giá thành đo kiểm tra giảm, tiêu hao do kiểm tra ít
- Thời gian hiệu chỉnh máy nhỏ
- Có thể gia công hàng loạt
Nhược điểm của máy CNC
- Giá thành chế tạo máy cao hơn
- Giá thành bảo dưỡng, sữa chữa máy cũng cao hơn
- Vận hành và thay đổi người đứng máy khó khăn hơn
1.1.2 Lịch sử phát triển của máy CNC
Nguồn gốc, lịch sử hình thành của “máy CNC” đã bắt đầu từ cuối thế kỷ 18, đầu thế kỷ 19 với sự xuất hiện của chiếc máy tiện gia công kim loại thực tế đầu tiên được Henry Maudslay phát minh vào năm 1800 Nó chỉ đơn giản là một công cụ máy giữ mẩu kim loại đang được gia công, vì vậy một công cụ cắt có thể gia công bề mặt theo đường mức mong muốn Chiếc máy phay đầu tiên được vận hành theo cách thức tương tự như vậy, ngoại trừ công cụ cắt được đặt ở trục chính đang quay với phôi được lắp trên bệ máy hay bàn làm việc và di chuyển theo công cụ cắt Chiếc máy phay này do Eli Whitney phát minh năm 1818 Những chuyển động được sử dụng trong các máy công cụ được gọi là trục và thường đề cập đến 3 trục: “X” (thường từ trái qua phải), “Y” (trước vào sau) và “Z” (trên và dưới) Bàn làm việc cũng có thể được quay theo mặt ngang hay dọc, tạo ra trục chuyển động thứ tư Một số máy còn có trục thứ năm, cho phép trục quay theo một góc (các trục A, B, C)
Những nỗ lực ban đầu để “tự động hóa” các hoạt động này sử dụng một loạt cam để di chuyển dao cụ hay bàn làm việc qua những liên kết Khi cam quay, một liên kết lần theo bề mặt của mặt cam di chuyển công cụ cắt hay phôi qua một dãy các chuyển động Mặt cam được định hình để điều khiển khối lượng chuyển động liên kết và tốc độ mà cam quay điều khiển tốc độ cấp dao Một số máy vẫn còn tồn tại cho tới ngày nay và được gọi là máy kiểu Thụy
Thiết kế máy CNC hiện đại bắt nguồn từ tác phẩm của John T Parsons cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950 Sau chiến tranh thế giới thứ 2, Parsons tham gia sản xuất cánh máy bay trực thăng, một công việc đòi hỏi phải gia công chính xác các hình dạng phức tạp Parsons sớm nhận ra rằng bằng cách sử dụng máy tính IBM thời kì đầu, ông đã có thể tạo ra những thanh dẫn đường mức chính xác hơn rất nhiều khi sử dụng các phép tính bằng tay và
Dựa trên kinh nghiệm này, ông đã nhận hợp đồng phát triển một máy cắt đường mức tự động cho không quân để tạo mặt cong cho cánh máy bay, sử dụng đầu đọc thẻ máy tính và các bộ điều khiển động cơ trợ động (servo motor) Chiếc máy được chế tạo cực kỳ lớn, phức tạp và đắt đỏ, nhưng vẫn hoạt động tự động và gia công các mặt cong với độ chính xác cao để đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp hàng không Đến những năm 1960, giá thành và tính phức tạp của các máy tự động đã giảm đáng kể, cho phép ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác; các máy này dùng động cơ truyền động điện một chiều để vận hành vô lăng và dao cụ, nhận chỉ dẫn từ một đầu đọc băng từ – một băng giấy rộng khoảng 2,5 cm có đục một hàng lỗ Vị trí và thứ tự lỗ cho phép đầu đọc sinh ra các xung điện cần thiết để quay động cơ với thời gian và tốc độ chính xác, và trong thực tế máy được điều khiển như một nhân viên vận hành bằng tay Các xung điện được quản lý bởi một máy tính đơn giản không có bộ nhớ, và người ta thường gọi nó là NC hoặc máy công cụ có bộ điều khiển số (CNC).
John Parsons đã xin phép International Business Machine sử dụng một trong những chiếc máy tính văn phòng trung ương của họ để thực hiện một loạt các phép toán cho một cánh máy bay trực thăng mới Cuối cùng, ông đã dàn xếp với Thomas J Watson, chủ tịch huyền thoại của IBM, nhờ đó IBM sẽ làm việc với tập đoàn Parsons để tạo ra một chiếc máy được điều khiển bởi các thẻ đục lỗ Nhanh chóng, Parsons cũng ký được hợp đồng với Air Force để sản xuất một chiếc máy được điều khiển bằng thẻ hay băng từ có khả năng cắt các hình dạng đường mức giống như những hình trong cánh quạt và cánh máy bay Sau đó, ông đã đến gặp các kỹ sư ở phòng thí nghiệm cơ cấu phụ thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) nhờ hỗ trợ dự án
Các nhà nghiên cứu MIT đã thí nghiệm nhiều kiểu quá trình khác nhau và cũng đã làm việc với các dự án Air Force từ thời Thế chiến II Phòng thí nghiệm MIT đã nhận thấy đây là một cơ hội tốt để mở rộng nghiên cứu sang lĩnh vực điều khiển Việc phát triển thành công các công cụ máy CNC đã được các nhà nghiên cứu của trường đại học đảm trách Từ đó, việc nghiên cứu, cải tiến, tối ưu hóa các nguyên lí điều khiển, vận hành của máy CNC được thực hiện trên toàn thế giới Từ các công trình nghiên cứu độc lập, các dự án đòi hỏi trí tuệ số đông, máy CNC ngày càng nhỏ gọn trong cấu tạo, chính xác và thông minh trong gia công Máy CNC được ứng dụng trong rất nhiều ngành khoa học kỹ thuật, công nghiệp, y tế, quân sự và khó có thể nói nó là tài sản hay sở hữu trí tuệ của riêng cá nhân nào, đất nước nào
Các máy CNC hiện đại hoạt động bằng cách đọc hàng nghìn bit thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính chương trình Bộ điều khiển cũng giúp nhân viên lập trình tăng tốc độ sử dụng máy Ví dụ, trong một số máy, nhân viên lập trình có thể đơn giản chỉ cần nhập dữ liệu về vị trí, đường kính và chiều sâu của một chi tiết và máy tính sẽ lựa chọn phương pháp
Trong ngành gia công cơ khí, công nghệ gia công CNC hiện đại cho phép sản xuất chi tiết từ phôi bằng quy trình tự động, từ mẫu kỹ thuật được tạo ra trên máy tính đến việc tính toán tốc độ dao cụ và đường vận chuyển vật liệu vào máy mà không cần bản vẽ hay chương trình riêng Các máy công cụ ngày nay, từ các thiết bị sơ khai với cơ cấu cơ khí, đã tiến hóa thành hệ thống CNC có điều khiển bởi các hệ điều hành lập trình tinh vi, có thể thực hiện các chức năng chuyên biệt trên các dòng máy phay đứng, phay ngang, phay giường, máy tiện cỡ lớn và máy tiện kiểu Thụy Sĩ, cho phép gia công từ 3 trục đến 5 trục để làm phức tạp các bề mặt, bao gồm cả phi kim và kim loại Trung tâm gia công hiện đại tích hợp nhiều nguyên công như phay, tiện, khoan, mài trên cùng một máy với một lần gá đặt, được bổ sung bởi hệ thống thay dao tự động ATC, cấp phôi tự động và cánh tay robot công nghiệp, có thể được tích hợp vào hệ thống sản xuất linh hoạt trong các nhà máy quy mô lớn Trí tuệ nhân tạo ngày càng phát triển và hỗ trợ con người, đặc biệt là trong CNC, giúp tối ưu hóa chu trình gia công, tăng năng suất và hiệu quả làm việc của hệ thống gia công.
Tùy vào công dụng và khả năng làm việc mà người ta phân chia các loại máy CNC trên thị trường như sau:
Máy tiện CNC được sử dụng rất phổ biến trong quá trình gia công tạo hình các chi tiết tròn xoay, hầu như các xưởng cơ khí hiện nay đều được trang bị máy này nhằm giảm thiểu chi phí nhân công, tăng cường độ chính xác của sản phẩm trong sản xuất hàng loạt
TÍNH CHỌN THIẾT BỊ DẪN ĐỘNG HỆ BÀN MÁY CNC
Trình bày quy trình tính chọn các thiết bị cơ khí của hệ thống bàn máy trục X và trục
Y bao gồm: vít me- đai ốc, ray dẫn hướng
Hiểu về kết cấu và nguyên lý hoạt động của bộ truyền vít me- đai ốc bi Tính toán, thiết kế hệ thống truyền động vít me - đai ốc Từ kết quả tính toán đó, sinh viên có thể tự tra Catalog và lựa chọn được vít me- đai ốc đáp ứng yêu cầu kỹ thuật
Hiểu về vai trò của ray dẫn hướng trong hệ thống Tính chọn hệ thống ray dẫn hướng Sinh viên có thể tự tra Catalog và lựa chọn được ray dẫn hướng phù hợp cả về yêu cầu kỹ thuật và giá thành
A-TÍNH CHỌN VÍT ME - ĐAI ỐC BI
Hình 2-1 Truyền động vít me - đai ốc bi
2.1 Kết cấu bộ truyền vitme đai ốc bi
Bộ truyền vít me - đai ốc bi thường được dùng trong chuyển động chạy dao của máy công cụ NC, CNC và dùng trong các máy công cụ chính như máy mài, máy doa tốc độ và các loại máy khác Đôi khi còn dùng trong máy tiện, máy tổ hợp, dùng trong truyền dẫn di động xà, trụ và các máy công cụ hạng nặng Ngoài dẫn ra còn dùng trong bộ truyền chính của các loại máy có chuyển động tịnh tiến khứ hồi như máy bào giường, máy chuốt
- Khắc phục độ rơ khớp ren, chịu lực kéo với kết cấu đảm bảo độ cứng vững chiều trục cao
- Tổn thất do ma sát bé, hiệu suất bộ truyền đạt tới 0,9 so với vít me đai ốc trượt là 0,2 : 0,4
- Gần như độc lập hoàn toàn với lực ma sát (biến đổi theo tốc độ), ma sát tĩnh rất bé nên chuyển động êm
Hình 2-2 Kết cấu sơ bộ của vít me đai ốc bi
Kết cấu bộ truyền vít me - đai ốc bi hình trên bao gồm trục vít me, đai ốc, dòng bi chuyển động trong vít me - đai ốc và ống hồi bi đảm bảo dòng bi tuần hoàn liên tục
2.1.2 Các dạng prôfin ren của vít me và đai ốc
Vít me và đai ốc có các dạng profin ren như sau: Dạng chữ nhật (hình b), dạng hình thang (hình c), dạng nửa cung tròn và dạng rãnh (dạng cung nhọn)
Dạng chữ nhật và dạng prôfin ren hình thang có khả năng tải thấp, chỉ dùng khi máy có khả năng chịu tải trọng chiều trục bé và độ cứng vững không cao
Dạng nửa cung tròn (hình d) được sử dụng phổ biến nhất trong truyền động Bán kính r2 gần bằng bán kính viên bi r1 sẽ giảm tối đa ứng suất tiếp xúc Có thể chọn r2/r1 = 0,95–0,97; giá trị r2/r1 sẽ gây tổn thất do ma sát một cách rõ rệt Tại góc tiếp xúc nhỏ, bộ truyền có độ cứng vững kém và khả năng tải yếu; lực hướng kính sẽ lớn Khi tăng góc tiếp xúc, khả năng đảo và độ cứng vững truyền động tăng lên và tổn thất do ma sát được hạ thấp Vì vậy khe hở đường kính ∆d phải được chọn để góc tiếp xúc đạt 45°.
Hình 2-3 Các dạng profin ren vít me và ổ bi
Dạng rãnh cung nhọn (a) có nhiều ưu điểm hơn loại cung tròn, nó còn cho phép truyền động không rơ hoặc chọn được độ dôi của đường kính viên bi Còn ở dạng nửa tròn muốn khử độ rơ và tạo độ dôi đều dùng thêm đai ốc thứ hai để điều chỉnh
Chọn kiểu trục vít me chính xác(Precision Ballscrew) Quá trình tính toán như hình vẽ sau:
15 Hình 2-4 Quy trình tính toán chọn thiết bị
Các thông số đầu vào
- nmax: Tốc độ quay lớn nhất của động cơ dẫn động vít me
- Vmax: Tốc độ dịch chuyển lớn nhất của bàn máy
- amax: Gia tốc lớn của bàn máy
- Lt: Tuổi thọ của vít me
- Các thông số hình học của hệ dẫn động
- Chế độ làm việc ( Biểu đồ làm việc )
2.2.2 Giới hạn chiều dài của vít me bi
- Đường kính vít me dn= 10mm, chiều dài vítme L< 400mm
- Đường kính vít me dn= 14mm, chiều dài vítme L< 1000mm
- Đường kính vít me dn= 50mm, chiều dài vítme L< 3000mm
- Đường kính vít me dn= 80mm,chiều dài vítme L< 6000mm
Có 3 phương pháp lắp đặt :
- Hai đầu lắp chặt : fixed-fixed, dùng trong trường hợp trục vít dài
Hình 2-5 Hai ổ lắp chặt Một đầu lắp chặt - một đầu tùy chỉnh : fixed- supported, dùng trong trường hợp cần độ chính xác cao, giúp hạn chế ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ tới độ chính xác
Hình 2-6: Lắp chặt - tùy chỉnh
Một đầu lắp chặt - một đầu để tự do : fixed - free, kết cấu đơn giản, dùng với tải trong nhỏ và chỉ chịu lực dọc trục
Hình 2-7: Lắp chặt – tự do
2.2.4 Tính toán tải cho phép tác dụng lên trục a Tải trọng uốn:
Tải trọng uốn có thể tính theo công thức sau:
Trong đó: α : hệ số an toàn (α=0.5 )
I : mômen quán tính hình học min của trục vitme
I dr mm (2.3) dr : đường kính trục vitme
N,m : hệ số phụ thuộc kiểu lắp o support-support : m=5,1 (N=1) o fix-support : m,2 (N=2) o fix-fix : m ,3 (N=4) o fix-free : m=1,3 (N=1/4) b Tải kéo nén cho phép:
Tải kéo nén có thể tính theo công thức:
P : tải trọng kéo nén cho phép (kgf) σ: ứng suất kéo nén cho phép (kgf/mm 2 ) dr: Đường kính của vít me bi (mm)
2.2.5 Tốc độ quay cho phép a Tốc độ quay tới hạn:
Khi tốc độ quay của động cơ trùng với tần số tự nhiên của hệ thống tiếp nhận, sự cộng hưởng bắt đầu xảy ra Tốc độ quay này gọi là tốc độ quay tới hạn Cần chọn tốc độ động cơ để sự cộng hưởng không xảy ra Chúng ta chọn khoảng 80% tốc độ quay giới hạn làm tốc độ quay cho động cơ
Trong đó: n : tốc độ vòng quay giới hạn cho phép (rpm) a: hệ số an toàn, a =0.8
I : mômen quán tính hình học nhỏ nhất của trục vitme
I dr mm (2.6) g : gia tốc trọng trường γ: trọng lượng riêng, ( 7.8 10 ( 6 kgf mm/ 2 ) f, λ:hệ số phụ thuộc phương pháp lắp đặt o supported-supported o fixed-supported o fixed-fixed o fixed-free b dm.n - Giá trị của vitme dm là đường kính trục vít, n là tốc độ quay lớn nhất Giá trị dm.n liên quan và ảnh hưởng đến tiếng ồn, độ tăng nhiệt độ , tuổi đời làm việc, vòng bi của vitme Nói chung, giá trị này được lựa chọn theo mẫu Trên thực tế, giá trị này được quyết định bởi cách lắp đặt phần cuối vitme và khoảng cách giữa chúng
- Đối với độ chính xác cao : dm.n3756(kgf)
Lmm =>Ca ≥3478 (kgf) Nếu tuổi thọ yêu cầu trên 25000h, Ca>3487(kgf)
Nếu độ cứng cần được ưu tiên nhiều nhất, độ hao phí chuyển động không quá quan trọng, theo đó các thông số kỹ thuật sẽ được chọn như sau: o Ổ bi loại lưu chuyển bi bên ngoài
30 o Kiểu : FDWC o Số mạch chạy bi : B X 2 hoặc B X 3 Giá trị tương ứng của Ca được cho trong bảng sau:
Bảng 2-5 Bảng giá trị Ca ứng với các bước vít khác nhau Đường kính vít (mm)
Bước vít 8 (mm) Bước vít 10 (mm)
2.3.8 Chọn đường kính trục vít
Ta tính đường kính trục vít theo công thức sau:
L= tổng chiều dài di chuyển lớn nhất + bán kính bi + chiều dài vùng thoát
Kiểu ổ bi là lắp chặt ở cả 2 đầu => f = 21.9
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
TÍNH CHỌN THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN BÀN MÁY X, Y
Trình bày các thành phần của hệ thống điều khiển, quy trình tính chọn các thiết bị điều khiển của hệ thống bàn máy trục X và trục Y cụ thể là động cơ, các loại động cơ có thể sử dụng cho hệ thống bàn máy, ưu nhược điểm của từng loại động cơ, các vòng điều khiển
Sinh viên vận dụng các công thức tính toán được cung cấp Từ các kết quả tính toán được, dinh viên có thể thể tra Catalog để chọn lựa loại động cơ phù hợp
Sinh viên hiểu về hệ thống truyền động trong máy CNC Các loại vòng điều khiển được sử dụng trong máy CNC
3.1 Các thành phần của hệ thống điều khiển
- Hệ thống điều khiển là hệ thống có phản hồi
Hình 3-1 Hệ thống điều khiển theo chu trình kín có hồi tiếp vị trí và tốc độ
- Các thiết bị đo và giám sát vị trí (Encoder)
Hình 3-2 Hệ thống đo vị trí gián tiếp
- Thiết bị điều khiển: PLC, vi điều khiển, …
3.2 Các loại động cơ trên máy CNC a Động cơ một chiều:
- Ưu điểm: Momen khởi động lớn, dễ điều khiên tốc độ và chiều, giá thành rẻ
- Nhược điểm: Dải tốc độ điều khiển hẹp, phải có mạch nguồn riêng b Động cơ xoay chiều:
+ Cấp nguồn trực tiếp từ điện lưới xoay chiều
+ Đa dạng và phong phú về chủng loại, giá thành rẻ
+ Phải có mạch cách ly giữa phần điều khiển và phần chấp hành để đảm bảo an toàn, momen khởi động nhỏ
+ Mạch điểu khiển tốc độ phức tạp c Động cơ bước:
+ Điều khiển vị trí, tốc độ chính xác, không cần mạch phản hồi
+ Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC
Những nhược điểm gồm giá thành cao và momen xoắn nhỏ, momen máy nhỏ Động cơ servo (Hình 3-3) được thiết kế cho các hệ thống hồi tiếp vòng kín; tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ chế hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn và mạch điều khiển sẽ tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác.
Hình 3-3 Động cơ servo Loại động cơ này có một số đặc điểm chung như sau:
- Đặc điểm động học tốt
- Thường được tích hợp sẵn cảm biến đo tốc độ hay góc quay
- Có dải tần số công tác rộng 0÷400 Hz
Trước đây, các quá trình gia công cắt gọt được điều khiển bằng chương trình thông qua các kỹ thuật chép hình Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật, các nhà chế tạo máy đã nghiên cứu và ứng dụng hệ thống điều khiển tự động vào các máy công cụ truyền thống, biến chúng thành máy CNC (Computer Numerical Control) Việc sử dụng máy CNC cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao độ chính xác và hiệu quả kinh tế, đồng thời rút ngắn chu kỳ sản xuất.
Nhìn nhận quá trình gia công theo quan điểm tổng hợp giữa tự động hóa và linh hoạt sản xuất, máy công cụ điều khiển bằng chương trình số và kĩ thuật vi xử lí: CNC được sử dụng
52 trong sản xuất hàng loạt đã tạo linh hoạt hóa sản xuất và tự động hóa dây chuyền gia công, đồng thời cũng làm thay đổi phương pháp và nội dung cho sản xuất
3.3.1 Các bước tính chọn động cơ và inverter
Bảng 3-1 Trình tự tính chọn động cơ
Thông số Công thức Giải thích
Mô men ma sát cos fric 2
(3.1) m: Khối lượng g: Gia tốc trọng trường μ: Hệ số ma sát h: Bước vít me α: Góc nghiêng của trục i: Tỉ số truyền giảm tốc η: Hiệu suất của máy
Mô men chống trọng lực cos
(3.2) m: Khối lượng g: Gia tốc trọng trường μ: Hệ số ma sát h: Bước vít me α: Góc nghiêng của trục i: Tỉ số truyền giảm tốc η: Hiệu suất của máy
Mô men gia công max mach 2
Mô men tĩnh M stat M fric M Wz M mach
Tốc độ giới hạn của motor max noml v i n h (3.5) Vmax: Tốc độ cắt (m/s)
Chọn động cơ M 0motor M Stat (3.6)
Nmotor noml n n (3.7) Chọn Inverter I Ninverter I 0 motor (3.8) Ở phần sau ta sẽ thử tính với những giá trị đầu vào giả định
3.3.2 Chọn động cơ servo để điều khiển quỹ đạo chuyển động
3.3.2.1.Tính mô men ma sát: cos fric 2
- Chọn vít me có bước h = 10mm
- Hệ số ma sát giữa thép và gang ta chọn p = 0,12
- Khối lượng của phần đầu dịch chuyển (lấy m = 200Kg)
- i=1 (chọn phương án động cơ nối trực tiếp với vít me bi không qua hộp tốc độ), trong trường hợp này ta cần chế độ làm việc của máy được êm, mô men cần cung cấp nhỏ, vận tốc Vmax@00 vg/ph được đảm bảo (vì tốc độ trục chính trong trường hợp này có thể đạt
Thay số ta được kết quả tính toán sau
3.3.2.2.Tính mô men thắng trọng lực của kết cấu cos
Vì cơ cấu chấp hành đặt nằm ngang nên α= 0 o nên MWz=0
Chọn đường kính vít me bi 30mm, ta có:
3.3.2.6 Tính tốc độ quay của motor max 4000
Dựa vào mô men tĩnh của động cơ và tốc độ của motor
-> Ta chọn loại động cơ AM 820A có mô men khởi động 3 (N/m), tốc độ vòng quay lớn nhất 4500 Vg/Ph Chọn inverter dựa trên điều kiện
3.4 Các thành phần trong hệ thống truyền động máy CNC
Các hệ thống biến đổi từ các lệnh từ NC thành các chuyển động máy được chỉ ra trong Hình 3-4 Hình 3-4a mô tả cơ cấu điều khiển động cơ servo và bộ truyền động Động cơ servo, bắt nguồn từ “servue” của tiếng Latin, là thiết bị thực hiện chính xác yêu cầu đã cho Các lệnh từ NC làm động cơ quay servo, động cơ servo quay được truyền đến vít me bi thông qua khớp nối, vít me bi quay tạo thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc và cuối cùng bàn máy và phôi cùng chuyển động tịnh tiến Nói tóm lại, cơ cấu điều khiển động cơ servo điều khiển vận tốc mà momen xoắn của bàn máy thông qua thiết bị điều khiển động cơ servo của mỗi trục dựa trên các lệnh điều khiển từ NC
Hình 3-4.Cơ cấu điều khiển của máy công cụ
Hình 3-4b miêu tả đơn vị trục chính bao gồm trục động cơ và bộ phận truyền động Động cơ quay truyền qua trục chính thông qua dây đai và tỉ số vận tốc phụ thuộc vào tỷ lệ kích cỡ của 2 puly Gần đây, các động cơ cảm ứng được sử dụng như động cơ trục chính của các máy công cụ bởi vì động cơ cảm ứng tốt hơn động cơ DC về mặt kích cỡ, khối lượng, quán tính, hiệu suất, tốc độ và việc bảo trì
3.5 Các vòng điều khiển CNC
Vị trí và vận tốc được dò từ cảm biến phản hồi về mạch điều khiển, và động cơ servo được sử dụng trong máy CNC để điều khiển liên tục nhằm giảm thiểu sai số vận tốc và sai số vị trí (Hình 3-5) Hệ thống điều khiển phản hồi gồm 3 vòng điều khiển độc lập cho mỗi trục của máy công cụ: vòng điều khiển ngoài cùng là vòng vị trí, vòng ở giữa là vòng điều khiển vận tốc, vòng điều khiển ở bên trong là vòng hiện hành Thông thường vòng điều khiển vị trí được đặt trong NC, còn các vòng điều khiển khác được đặt trong thiết bị điều khiển động cơ servo; tuy nhiên, không có tiêu chuẩn tuyệt đối về vị trí các vòng điều khiển và chúng có thể khác nhau tùy thuộc ý định của người thiết kế.
Hình 3-5 Ba loại vòng điều khiển trong máy CNC
Trong hệ thống trục quay của máy công cụ, điều khiển phản hồi của tốc độ được áp dụng để duy trì tốc độ quay ổn định
Bộ dò được gắn trên trục của động cơ servo hoặc phần chuyển động và hệ thống điều khiển được phân thành 4 loại theo vị trí mà bộ dò được gắn
Vòng điều khiển nửa kín
Vòng điều khiển hỗn hợp
Hình 3-6 Các loại vòng điều khiển
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3
Câu 1: Trình bày quy trình tính chọn động cơ?
Câu 2: Chọn sơ bộ động cơ cần thỏa mãn những yêu cầu gì?
Câu 3: Các loại động cơ có thể sử dụng trên máy CNC/Robot Trình bày ưu- nhược điểm của các loại động cơ đó?
Câu 4: Thế nào là điều khiển vòng hở? vòng kín? Lấy ví dụ hệ thống trong thực tế sử dụng 2 loại điều khiển này?
Câu 5: Trình bày các thành phần hệ thống điều khiển của bàn máy CNC/Robot?
MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LIÊN TỤC
Chương này trình bày một trong hai phương pháp mô tả toán học hệ thống tự động được sử dụng phổ biến nhất là phương pháp hàm truyền; phương pháp không gian trạng thái không được trình bày trong phạm vi cuốn sách này Các khái niệm liên quan đến mô hình hóa toán học của hệ thống, phép biến đổi Laplace, hàm truyền và cách tìm hàm truyền tương đương của hệ thống được giới thiệu và giải thích rõ ràng nhằm giúp người đọc nắm bắt quy trình phân tích và thiết kế hệ thống tự động.
Từ ví dụ cụ thể mà tác giả trình bày, sinh viên có thể tìm được hàm truyền đạt của một hệ thống trong thực thế, cụ thể ở đây là bàn máy CNC
4.1 Mô tả toán học hệ thống điều khiển liên tục
4.1.1 Khái niệm Đối tượng nghiên cứu của lý thuyết điều khiển rất đa dạng và có bản chất vật lý khác nhau như hệ thống điều khiển động cơ, lò nhiệt, máy bay, phản ứng hóa học,… Do đó, cần có cơ sở để phân tích, thiết kế các hệ thống điều khiển có bản chất vật lý khác nhau, cơ sở đó chính là toán học Tổng quan quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của hệ thống tuyến tính có thể được biểu diễn bằng phương trình vi phân bậc cao Việc khảo sát hệ thống dựa vào phương trình vi phân bậc cao thường gặp nhiều khó khăn Có hai phương pháp để mô tả tóan học hệ thống tự động giúp cho việc khảo sát hệ thống dễ dàng hơn, đó là phương pháp hàm truyền đạt và phương pháp không gian trạng thái Phương trình hàm truyền đạt chuyển quan hệ phương trình vi phân thành quan hệ phân thức đại số nhờ biến đổi Laplace, trong khi đó phương pháp không gian trạng thái biến đôi phương trình vi phân bậc cao thành hệ phương trình vi phân bậc nhất bằng cách đặt các biến phụ (biến trạng thái) Mỗi phương pháp mô tả hệ thống đều có những ưu điểm riêng Đối tượng cần điều khiển ở đây là chuyển động của bàn máy CNC, cuốn sách này sẽ trình bày theo phương pháp hàm truyền đạt
Biến đổi Laplace của hàm số f(t) với 0 ≤ t 0) (5.10) Đặc tính thời gian: C(s)=G(s)R(s)=KR(s) c(t)=Kr(t) (5.11) Vậy tín hiệu ra của khâu tỉ lệ bằng tín hiệu vào của khuếch đại lên K lần Hình 5.3 mô tả hàm trọng lượng và hàm quá độ của khâu tỉ lệ
Hình 5-3 Đặc tính thời gian của khâu tỉ lệ a) Hàm trọng lượng; b) Hàm quá độ
Hình 5-4 Đặc tính tần số của khâu tỉ lệ a) Biểu đồ Bode; b) Biểu đồ Nyquist Đặc tính tần số: G j ( ) K
Các biểu thức trên cho thấy đặc tính tần số của khâu tỉ lệ là hằng số với mọi , do đó biểu đồ Bode về biên độ là một đường song song với trục hoàng, cách trục hoàng 20lgK; biểu đồ Bode về pha là một đường nằm ngang trùng với trục hoành; biểu đồ Nyquist là mộ điểm do vecto G j ( ) không đổi với mọi Xem hình (5.4)
5.2.2 Khâu tích phân lý tưởng
KHẢO SÁT TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG
Chương này trình bày khái niệm về sự ổn định của hệ thống, các tiêu chuẩn để đánh giá sự ổn định của hệ thống như tiêu chuẩn ổn định Nysquist, Bode Ngoài ra còn có các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng của hệ thống
Sinh viên khảo sát được tính ổn định cho hệ thống bàn máy thông qua các tiêu chuẩn ổn định Nysquist, Bode Sử dụng phần mềm Matlab để vẽ đồ thị Nysquist, Bode
6.1 Khái niệm về sự ổn định
Hệ thống được gọi là ở trạng thái ổn định, nếu với tín hiệu vào bị chặn thì đáp ứng của hệ cũng bị chặn (Bounded Input Bounded Output= BIBO)
Yêu cầu đầu tiên đối với một hệ thống ĐKTĐ là hệ thống phải giữ được trạng thái ổn định khi chịu tác động của tín hiệu vào và chịu ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống
Hệ phi tuyến có thể ổn định trong phạm vi hẹp khi độ lệch ban đầy là nhỏ và không ổn định trong phạm vi rộng nếu độ lệch ban đầu là lớn Đối với hệ tuyến tính đặc tính của quá trình quá độ không phụ thuộc vào giá trị tác động kích thích Tính ổn định của hệ tuyến tính không phụ thuộc vào thể loại và giá trị của tín hiệu vào và trong hệ tuyến tính chỉ tồn tại một trạng thái cân bằng
Phân biệt ba trạng thái cân bằng: Biên giới ổn định, ổn định và không ổn định Trên Hình 6-1 nếu thay đổi nhỏ trạng thái cân bằng của quả cầu, chẳng hạn cho nó một vận tốc ban đầu đủ bé thì quả cầu sẽ tiến tới một trạng thái cân bằng mới (Hình 6-1a) hoặc sẽ dao động quanh vị trí cân bằng (Hình 6-1b và d) hoặc sẽ không trở về trạng thái ban đầu (Hình 6-1c) Trong trường hợp đầu, ta có vị trí cân bằng ở biên giới ổn định, trường hợp sau là ổn định và trường hợp thứ ba là không ổn định Cũng ở vị trí b và d trên Hình 6-1, nếu quả cầu với độ lệch ban đầu lớn thì cũng sẽ không trở về trạng thái cân bằng ban đầu được- Hai trạng thái b và d của quả cầu chỉ ổn định trong phạm vi hẹp mà không ổn định trong phạm vi rộng
Hình 6-1 Trạng thái cân bằng
Trong trường hợp này việc khảo sát tính ổn định được giới hạn cho hệ tuyến tính bất biến theo thời gian Đó là những hệ số được mô tả bằng phương trình vi phân tuyến tính hệ số hằng và có thể áp dụng được nguyên lý xếp chồng
6.1.2 Ổn định của hệ tuyến tính
Một hệ thống ĐKTĐ được biểu diễn bằng một phương trình vi phân dạng tổng quát:
Phương trình(5.1) ứng với tín hiệu vào hệ thống là r(t) và tín hiệu ra c(t) Hàm truyền đạt của hệ thống được mô tả bằng (4.1) có dạng:
Nghiệm của (6.1) gồm hai thành phần: c(t)= c0(t)+cqd(t) (6.3)
Trong hệ thống được mô tả bởi phương trình (4.1), nghiệm riêng c0(t) là nghiệm đặc biệt có vế phải và đại diện cho quá trình xác lập trạng thái của hệ thống Nghiệm tổng quát cqt(t) của (4.1) không có vế phải, đặc trưng cho quá trình quá độ và sự biến thiên của hệ qua thời gian Dạng nghiệm tổng quát đặc trưng cho quá trình quá độ trong hệ thống được thể hiện qua công thức chung sau:
Trong đó pi là nghiệm của phương trình đặc tính:
A s a s a s a (6.5) pi có thể là nghiệm thực cũng có thể là nghiệm phức liên hợp và được gọi là nghiệm cực của hệ thống Đa thức mẫu số hàm truyền đạt là A(s) bậc n do đó hệ thống có n nghiệm cực pi(Pole), i=1,2,3…,n
Zero là nghiệm của phương trình B(s)=0 Tử số hàm truyền đạt G(s) là đa thức bậc m (m0
2 Phần thực của nghiệm cực bằng không αi=0
3 Phần thực của nghiệm cực âm αi