GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC
Giới thiệu chung về máy CNC
Máy CNC (Computer Numerical Control) là máy công cụ, điều khiển theo một chương trình định sẵn Các dữ liệu được cung cấp dưới dạng tập lệnh
1.1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống máy CNC
Năm 1949, Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) thiết kế và chế tạo mẫu đầu tiên của máy NC (Numerical Controlled) theo yêu cầu của không lực Hoa Kỳ, nhằm sản xuất các chi tiết phức tạp và chính xác cho máy bay.
• Năm 1952: Chiếc máy phay đứng 3 trục điều khiển số của hãng Cincinnati Hydrotel được trưng bày tại MIT
- Máy NC được sản xuất và sử dụng trong công nghiệp
- Các bộ điều khiển số đầu tiên dùng đèn điện tử nên tốc độ xử lý chậm, và tiêu tốn nhiều năng lượng
- Chương trình được chứa trong các băng và bìa đục lỗ, khó hiểu và không sửa chữa được
- Giao tiếp người & máy rất khó khăn vì không có màn hình, bàn phím
• Năm 1970: Đầu những năm 1970, máy CNC ra đời:
- Các bộ điều khiển số trên máy công cụ được tích hợp máy tính và thuật ngữ CNC ra đời
- Máy CNC ưu việt hơn máy NC thông thường về nhiều mặt
- Tốc độ xử lý cao, kết cấu gọn,
- Ưu điểm quan trọng nhất của chúng là ở tính năng sử dụng, giao diện với người dùng và các thiết bị ngoại vi khác
* Ưu điểm của các máy CNC ngày nay:
- Có màn hình, bàn phím và nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin với người dùng
Màn hình cung cấp thông tin liên tục về tình trạng của máy, cảnh báo người dùng về lỗi và nguy cơ tiềm ẩn, đồng thời cho phép mô phỏng để kiểm tra trước khi tiến hành quá trình gia công.
- Có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác như robot, băng tải, thiết bị đo, trong hệ thống sản xuất
- Có thể trao đổi thông tin trong mạng máy tính các loại, từ mạng cục bộ (LAN) đến mạng diện rộng (WAN) và Internet
Máy công cụ CNC đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trên toàn cầu Sự phát triển của công nghệ vi xử lý đã giúp trung tâm điều khiển của máy CNC hiện đại hoạt động hiệu quả hơn Nhờ vào tốc độ xử lý nhanh chóng của các vi xử lý, nhịp độ làm việc của máy CNC không bị ảnh hưởng Sự ra đời của máy CNC được xem như một cuộc cách mạng lớn trong ngành cơ khí chế tạo máy.
1.1.2 Những đặc điểm cơ bản của máy CNC
- Khả năng tự động hoá cao
- Năng suất gia công cao, thời gian phụ (thay dao, chạy không, …) giảm
- Khả năng đạt độ chính xác cao, tính ổn định cao
- Có khả năng tập trung nguyên công cao, khả năng gia công nhiều bề mặt trong cùng một lần gá
Máy CNC nổi bật với tính linh hoạt trong lập trình so với các máy điều khiển tự động theo chương trình cứng như cam hay cữ hành trình Điều này giúp tiết kiệm thời gian điều chỉnh máy, đồng thời đảm bảo độ chính xác cao ngay cả trong sản xuất hàng loạt nhỏ.
Một trong những ưu điểm nổi bật của máy CNC là khả năng làm việc với hệ thống xử lý thông tin “điện tử – số hóa”, cho phép kết nối với hệ thống xử lý số trong quản lý xí nghiệp Điều này cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng các kỹ thuật quản lý hiện đại qua mạng liên kết cục bộ (LAN) và mạng liên thông (WAN).
* Máy công cụ CNC tuy có được nhiều ưu điểm so với máy vạn năng nhưng cũng còn có nhược điểm là:
- Không thích hợp với việc gia công những chi tiết đơn giản
- Chi phí cho việc mua sắm trang thiết bị quá cao
- Đòi hỏi người thợ đứng máy phải có một kiến thức tương đối rộng cả về cơ khí lẫn điện tử khi tiến hành gia công.
Giới thiệu chung về máy phay CNC
1.2.1 Tình hình sử dụng máy CNC ở nước ta
Đến nay, số lượng máy CNC tại Việt Nam vẫn còn hạn chế, chủ yếu là máy phay CNC, do khả năng thực hiện nhiều công việc như gia công lỗ, rãnh, mặt phẳng và các hình dạng phức tạp Máy CNC thường được sử dụng cho những nguyên công khó, dẫn đến giá thành gia công tương đối cao, đây là một nhược điểm cần khắc phục.
Hiện nay, một số trường đại học đã trang bị máy CNC để phục vụ giảng dạy và học tập, tuy nhiên số lượng máy còn hạn chế và sinh viên chưa có nhiều cơ hội tiếp xúc với công nghệ này.
Gần đây, phong trào tự chế tạo máy CNC (Homemade CNC) đang được nhiều bạn sinh viên cũng như kỹ sư quan tâm
1.2.2 Phân loại máy phay CNC
* Tùy thuộc vào vị trí tương đối của trục chính so với các bề mặt làm việc mà người ta phân thành hai loại:
- Máy phay CNC có trục đứng: như máy phay đứng, phay Revolve, phay khoan, doa tọa độ một phía, hai phía, phay giường
Máy CNC trục ngang có thiết kế với trục chính nằm ngang và dao cắt được lắp đặt trên cơ cấu chứa dao, có thể là hình mâm cặp hoặc băng tải Cơ cấu tay máy đảm nhận việc lấy và đưa dao giữa trục chính và ổ chứa dao Loại máy CNC này cho phép gia công từ nhiều phía, mang lại tính linh hoạt cao trong quá trình sản xuất.
1.2.3 Giới thiệu về một số mẫu máy phay CNC đang có trên thị trường
❖ Máy CNC dùng trong công nghiệp:
- Gia công chính xác các loại vật liệu
- Chạy hoàn toàn tự động (thay dao tự động)
- Vận hành máy phức tạp hơn
- Thay đổi người đứng máy khó khăn hơn
Hình 1 2: Loại máy play CNC kiểu router
- Không có khả năng thay dao tự động
- Không thích hợp gia công các chi tiết lớn.
Các phương pháp điều khiển trên máy CNC
Điều khiển 2D hai trục cho phép thực hiện các chuyển động đồng thời, giúp dụng cụ di chuyển theo đường thẳng và hình tròn trên cùng một mặt phẳng.
Máy phay CNC 3 trục với điều khiển 2D cho phép phay các biên dạng theo hai trục, trong khi trục thứ ba cần được tiến dao độc lập với hai trục còn lại.
1.3.2 Điều khiển 21/2D Điều khiển 21/2D tạo ra các chuyển động của dụng cụ cắt trong nhiều mặt phẳng, bằng cách nội suy chuyển đổi giữa một trong ba mặt phẳng chính
Tất cả 3 trục được điều khiển trong điều khiển
21/2D tuy nhiên trong mỗi mặt phẳng luôn luôn chỉ có hai trục được điều khiển đồng thời Trục thứ ba gọi là trục tiến dao
Tùy thuộc vào mặt phẳng gia công được lựa chọn, các trục khác nhau sẽ được điều khiển đồng thời, dẫn đến các chuyển động có thể xảy ra trên nhiều mặt phẳng khác nhau.
Ba trục được nội suy đồng thời trong điều khiển
3D, nhờ đó các chuyển động của dụng cụ cắt được thực hiện trong không gian theo kích thước ba chiều
Công nghệ này cho phép gia công các biên dạng phức tạp, chẳng hạn như chế tạo dao cắt và khuôn mẫu gia công chỉ trong một lần kẹp.
Ngày nay hầu hết các máy công cụ được điều khiển bằng 3D.
Cấu trúc tổng thể máy CNC mini
❖ Máy CNC gồm có hai phần chính như sau:
Hình 1.3: Cấu trúc tổng thể máy CNC
• Phần điều khiển của máy CNC mini gồm chương trình điều khiển và thiết bị điều khiển:
Chương trình điều khiển là phần mềm máy tính có chức năng đọc và thực hiện các biến đổi cần thiết để truyền tín hiệu điều khiển xuống mạch điều khiển Nó bao gồm các thành phần như cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy và cơ cấu so sánh.
Cơ cấu điều khiển bao gồm mạch điều khiển và mạch công suất, có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ máy tính và thực hiện các biến đổi cần thiết để điều khiển cơ cấu chấp hành Nó cũng kiểm tra hoạt động của cơ cấu chấp hành thông qua các cảm biến phản hồi như công tắc hành trình Các thành phần chính của cơ cấu điều khiển bao gồm cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuếch đại, cơ cấu hành trình và cơ cấu đo vận tốc cho các thiết bị xuất nhập tín hiệu.
Phần chấp hành của máy phay CNC mini bao gồm khung máy, bàn máy, động cơ và các cơ cấu truyền động Nó nhận tín hiệu từ bộ driver điều khiển để tạo ra chuyển động chạy dao chính xác theo bản vẽ.
- Dao cắt là bộ phận trực tiếp tham gia cắt gọt chi tiết
- Bộ truyền động sử dụng phương pháp khử khe hở của bộ truyền vít me.
PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ TỐI ƯU
Chọn phương án cho chuyển động chạy dao
2.1.1 Phương án cho chuyển động chạy dao
- Trong phương án này, đầu máy thực hiện chuyển động chạy dao theo phương
Z (trục chính dịch chuyển theo phương Z)
- Chuyển động chạy dao theo cả hai phương X, Y được thực hiện bởi hai động cơ riêng lẻ
- Đây là phương án thường được sử dụng trong thực tế
Hình 2.1: Mô phỏng phương án 1 Ưu điểm
- Dễ chế tạo theo kiểu rời từng trục x, y, z
- Độ cứng vững của máy không được cao
- Trong phương án này, bàn máy đứng yên, đầu máy thực hiện chuyển động chạy dao theo phương X, Y, Z nhờ các động cơ riêng lẻ
Hình 2.2: Mô phỏng phương án 2 Ưu điểm
- Với máy có cùng kích thước, phương án này cần không gian đặt máy nhỏ hơn phương án 1
- Động cơ chạy dao theo các phương có công suất nhỏ, không bị ảnh hưởng bởi trọng lượng vật gia công
- Độ cứng vững của máy không cao
- Khó mở rộng phạm vi hoạt động của bàn máy
2.1.2 Chọn phương án cho chuyển động chạy dao
Sau khi xem xét các phương án cho mô hình, nhóm chúng em đã quyết định chọn phương án thứ nhất cho chuyển động chạy dao, vì đề tài nghiên cứu chỉ nhằm phục vụ cho giảng dạy và học tập, đồng thời đảm bảo độ cứng vững và kích thước đơn giản của máy.
Dễ chế tạo trên các mô hình cũ sẵn có
2.1.3 Các thông số kỹ thuật của máy
- Lượng dịch chuyển dao theo phương X: Sx = 300 mm
- Lượng dịch chuyển dao theo phương Y: Sy = 180 mm
- Lượng dịch chuyển dao theo phương Z: Sz = 45 mm
- Tốc độ trục chính lớn nhất 10.000 vòng/phút.
Sơ đồ động học máy
2.2.1 Sơ đồ kết cấu dẫn động theo 3 trục X, Y và Z
* Sơ đồ kết cấu dẫn động bàn máy theo 2 trục X, Y
3- Bộ truyền động vít me – đai ốc
Hình 2.3: Sơ đồ kết cấu bàn máy
Hệ truyền động sẽ được kích hoạt bởi động cơ, làm quay bộ vít me - đai ốc, từ đó chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến của trục X và Z Điều này cho phép trục Z di chuyển dọc theo trục X hoặc Y.
Hai bộ truyền vít me và đai ốc bi được sắp xếp vuông góc sẽ cho phép trục Z, nơi chứa động cơ mang dao cắt, di chuyển linh hoạt trong mặt phẳng OXY.
* Sơ đồ kết cấu dẫn động theo trục Z
Hình 2.4: Sơ đồ kết cấu dẫn động trục Z
1 Động cơ dẫn động 2 Nối trục 3 Bộ truyền động vít me – đai ốc
2 Động cơ 3 trục chính Đ ?ng c o
Khi động cơ quay qua nối trục, nó sẽ làm cho bộ truyền vít me-đai ốc quay, chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến lên xuống dọc theo trục Z của động cơ chính mang dao cắt.
* Sơ đồ kết cấu dẫn động trục chính
2.2.2 Tính toán lựa chọn động cơ trục chính
Máy phay CNC 3 trục cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật như khả năng làm việc ở nhiều chế độ tải trọng và tốc độ khác nhau, dễ dàng điều khiển và vận hành êm ái Để đạt được điều này, máy thường sử dụng động cơ trục chính để lắp dao cắt và thực hiện quá trình gia công Động cơ trục chính cần được trang bị biến tần kết nối với máy tính, đảm bảo chất lượng điều khiển tốt về cả tốc độ và mô men.
Hình 2.6: Mô hình tổng thể của máy phay CNC 3 trục z
Chúng em đã lựa chọn động cơ cho mô hình máy CNC 3 trục dựa trên mục đích sử dụng trong gia công các vật liệu như nhôm, gỗ và nhựa mica, với các thông số kỹ thuật phù hợp.
+ Số vòng quay trục chính của động cơ là: nmax 000 vòng/phút
+ Tốc độ chạy không tải : V0max = 2500 vòng/phút
+ Tốc độ cắt lớn nhất : Vmax = 1000 vòng/phút
+ Đường kính dao phay lớn nhất : D= 4 (mm) = B (bề rộng cắt)
+ Chiêu sâu cắt lớn nhất : t = 2mm
- Lực cắt được xác định theo công thức ( Nguyễn Đắc Lộc và cs., 2000):
+ Z là số răng dao phay
+ N là số vòng quay dao (vòng/phút)
Cp = 68,2 ; x = 0,86 ; y = 0,72 ; u = 1 ; q = 0,86 ; w = 0 kMP là hệ số điều chỉnh có chất lượng của vật liệu gia công Đối với nhôm kMP = 1
Vận tốc cắt xác định theo công thức sau (Nguyễn Đắc Lộc và cs., 2000):
V = T m ∗ t X ∗ S y ∗ B u ∗ Z P ∗ kV (m/phút) Trong đó: CV = 145; m = 0,37; x = 0,24; y = 0,26; u = 0,1; q = 0,44; p = 0,13: Hệ số và các số mũ :
T: chu kỳ bền của dao (phút); kV: hệ số điều chỉnh chung cho tốc độ cắt ;kV = kMV.knv.kuv= 1.0,9.1=0,9 Ta có :
Công suất động cơ trục chính:
Chọn động cơ trục chính có công suất là 0,3(kW)= 300W
Hình 2.7: Kết cấu và kích thước gối đỡ trục vít me
2.2.3 Lựa chọn bộ truyền vít me-đai ốc
Do hạn chế về kinh phí chế tạo máy, nhóm đã quyết định không sử dụng vít me bi mà thay vào đó là vít me đai ốc thường Loại vít me này có ưu điểm là chi phí thấp, sai số trong mức cho phép, đồng thời đảm bảo độ bền và ổn định cho thiết bị.
Hình 2.9: Đai ốc 2.2.4 Chọn cơ cấu dẫn hướng cho chuyển động
Trong mô hình máy phay CNC, nhóm chúng em đã quyết định sử dụng vòng bi kết hợp với ống trụ tròn để làm bộ phận dẫn hướng cho chuyển động chạy dao theo 3 trục Z, vì giải pháp này mang lại hiệu quả cao và độ chính xác trong quá trình gia công.
+ Giá thành rẻ (so với các loại ray trượt có sẵn dùng cho máy CNC)
+ Dễ tháo lắp, kết cấu đơn giản
+ Đảm bảo được yêu cầu thiết kế
2.2.5 Chọn cơ cấu dẫn hướng cho chuyển động
Thiết kế và chế tạo một số bộ phận chính của mô hình máy
Bàn máy chữ nhật được làm từ nhôm, thiết kế với rãnh để kết nối với mộng trượt của bàn dao và hệ thống vít đai ốc, giúp tạo ra chuyển động chạy dao Yêu cầu bàn máy phải thẳng, phẳng, có độ cứng cao và khả năng chống mài mòn tốt trong quá trình làm việc.
T để gá đặt chi tiết hoặc đồ gá Bàn máy có thể di chuyển theo phương trục X và được điều khiển chuyển động một cách chính xác
Thân máy đỡ bàn máy và các cụm truyền động cần có độ cứng vững tốt, độ thẳng đạt yêu cầu, và dễ dàng lắp ráp các chi tiết Nó cũng phải được trang bị thiết bị chống rung động và ổn định nhiệt để tạo sự cân bằng, đảm bảo độ chính xác trong gia công Thân máy được chế tạo từ vật liệu nhôm và gỗ, mang lại độ bền cao và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.
Hình 2.12: Cụm khung thân máy
2.3.3 Tổng thể hệ thống mô hình máy play CNC 3 trục
Dựa trên tính toán và thiết kế, chúng tôi đã chế tạo các phần của hệ thống mô hình máy phay CNC 3 trục, đồng thời xây dựng bản vẽ tổng thể để kiểm tra và chỉnh sửa sự tương thích, xác định kích thước phù hợp cho lắp đặt Sau khi hoàn thiện các chi tiết máy, chúng tôi căn cứ vào mô hình thiết kế tổng thể để xác định vị trí cụ thể của từng bộ phận, tiến hành lắp ráp hệ thống hoàn chỉnh và kết nối với hệ thống điều khiển bằng máy tính.
Hình 2.13: Hệ thống mô hình máy phay CNC 3 trục
2.3.4 Chọn các bộ phận khác của máy
• Tác dụng, yêu cầu của thân máy
Thân máy là một thành phần quan trọng trong cấu trúc của máy hoàn chỉnh, với thiết kế phức tạp bao gồm nhiều gân, gờ và lỗ được sắp xếp hợp lý trong không gian.
Thân máy là một thành phần quan trọng, ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác và độ cứng vững trong quá trình làm việc và gia công.
Do đó thân máy phải thỏa những yêu cầu sau: đảm bảo đầy đủ độ cứng vững khi máy chạy và độ giảm chấn
• Vật liệu dùng làm thân máy
Lần đầu tiên làm máy với kiến thức gia công cơ khí hạn chế, nhóm chúng em đã quyết định chọn vật liệu nhựa cứng và nhôm định hình cho sản phẩm của mình.
- Vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm
- Dễ gia công, chế tạo
- Dễ gá lắp, chỉnh sửa.
Các loại động cơ được sử dụng trong máy CNC
2.4.1 Yêu cầu kỹ thuật của động cơ chấp hành (ĐCCH) trong máy CNC mini
• Vai trò của động cơ chấp hành trong máy CNC
Trong hệ thống máy CNC, ĐCCH đóng một vai trò cực kì quan trọng, đây là nguồn năng lượng thiết yếu cho sự hoạt động của máy
Trong động cơ máy CNC, mọi chuyển động như trục chính, bàn xe dao, bôi trơn và làm nguội đều được điều khiển bởi một ĐCCH, giúp tối ưu hóa kết cấu cơ khí trở nên gọn nhẹ và đơn giản.
• Yêu cầu kỹ thuật của động cơ chấp hành trong máy CNC
Trong máy CNC, ĐCCH hoạt động chủ yếu ở chế độ khởi động, dừng máy hoặc đảo chiều quay, tạo ra những điều kiện làm việc khắc nghiệt cho động cơ Do đó, động cơ cần đáp ứng một số yêu cầu quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ bền.
- Không có hiện tượng tự quay, tự hãm khi ngắt tín hiệu điều khiển
- Đặc tính cơ và đặc tính điều khiển là phi tuyến
- Làm việc ổn định trong dãy tốc độ làm việc
- Công suất điều khiển nhỏ
- Dễ điều khiển vô cấp
- Dãy điều khiển tốc độ rộng
2.4.2 Động cơ chấp hành một chiều
So với động cơ điện xoay chiều, động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như sau:
- Dễ điều chỉnh vô cấp vì số vòng quay của động cơ
- Muốn điều chỉnh tốc độ động cơ ta có thể:
+ Thay đổi điện trở phần ứng
+ Thay đổi điện áp (bằng mạch chiết áp)
- Phương pháp này được sử dụng rộng rãi vì tiết kiệm năng lượng, không gây tổn hao công suất
- pháp này được sử dụng rộng rãi vì tiết kiệm năng lượng, không gây tổn hao công suất
- Làm việc ổn định ở mọi cấp tốc độ (trong phạm vi điều khiển)
- Không có hiện tượng tự quay
- Khối lượng, kích thước nhỏ so với động cơ xoay chiều cùng công suất
Động cơ một chiều có nhược điểm lớn là sự xuất hiện tia lửa điện do chổi than, khiến nó không phù hợp cho môi trường dễ cháy nổ Tia lửa điện cũng gây ra tín hiệu nhiễu, đòi hỏi phải sử dụng bộ lọc nhiễu và lưới chặn để giảm thiểu tác động này.
* Phân loại động cơ điện một chiều
Theo cấu trúc động cơ điện một chiều dùng trong hệ thống CNC có thể phân thành:
- Động cơ điện một chiều có kích thích độc lập hoặc bằng nam châm vĩnh cửu
- Động cơ điện một chiều có phần ứng nhẵn
- Động cơ điện một chiều có quán tính nhỏ
Trong các loại động cơ một chiều hiện có, động cơ điện một chiều kích từ với vòng mạch từ phụ và nam châm vĩnh cửu đang được sử dụng phổ biến trên các máy công cụ CNC.
2.4.3 Động cơ bước Động cơ bước (stepping motor) là một cơ cấu chấp hành cơ–điện dùng để biến đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học Động cơ bước là thiết bị sinh chuyển động quay qua các góc bằng nhau (gọi là các bước-step) khi mỗi xung số (digital pulse) được cấp cho đầu vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định thông qua bộ chuyển mạch điện tử và thực chất là một động cơ đồng bộ Vì lí do này động cơ bước rất phù hợp cho sử dụng với các hệ thống điều khiển trên cơ sở số (digital) Đặc tính chuyển động của động cơ bước là rời rạc (trái ngược với đặc tính chuyển động quay liên tục và trơn như các loại động cơ khác)
Khi một điện áp được áp dụng vào cuộn dây stato (phần ứng), rôto (phần cảm) của động cơ sẽ quay một góc nhất định, được gọi là bước góc.
* So với động cơ servo, động cơ bước có những ưu điểm sau:
- Điều khiển định vị chính xác, không yêu cầu sự điều chỉnh
- Có thể làm việc trong vòng mở
- Có khả năng điều khiển trực tiếp bằng mạch số nên trong mạch điều khiển không cần mạch biến đổi số – tương tự (DAC)
- Cấp mômen cao tại tốc độ thấp và mômen thấp tại tốc độ cao
- Chi phí bảo dưỡng thấp (do không có chổi than), rất khỏe trong mọi môi trường
Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng các thiết bị này cũng gặp phải một số nhược điểm như phát ra tiếng ồn, tiêu thụ điện năng không cần thiết khi không có tải, kích thước hạn chế và có thể bị cản trở hoặc mất định vị vị trí (mất bước) khi không được điều khiển.
* Lựa chọn động cơ bước, cần xem xét các tham số sau:
- Tốc độ hoạt động (bước/giây)
- Thời gian để tăng tốc (ms)
- Thời gian để giảm tốc (ms)
- Kiểu truyền động được sử dụng
- Kích thước và trọng lượng
Do đó bước động cơ càng nhỏ thì độ chính xác trong điều khiển càng cao
Phân loại động cơ bước (động cơ bước có 3 loại cơ bản):
- Nam châm vĩnh cửu (Permanent Motor)
- Từ trở thay đổi (Variable Reluctance)
- Động cơ lai (Hybrid) – kết hợp hai loại trên
• Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Permanent Motor)
Động cơ bước PM sử dụng rotor là nam châm vĩnh cửu hình tròn, gắn trên trục thép có độ cách điện cao Rotor không có răng và được từ hóa vuông góc với trục Stator có hình dạng móng, được từ hóa với các cực N và S xen kẽ, cùng với các cuộn dây pha quấn trên các cực Động cơ này có góc bước rộng từ 450 đến 1.200, tốc độ chậm nhưng tạo ra mô men lớn.
Hình 2.14: Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Hình 2.15: Nguyên lý hoạt động của động cơ nam châm vĩnh cửu
Ta giả thiết vị trí ban đầu của động cơ như hình 2.15
Ban đầu, tất cả bốn chuyển mạch S1, S2, S3, S4 đều ở trạng thái hở, do đó không có dòng điện chạy qua các cuộn dây Khi đóng chuyển mạch S1 và S3, dòng điện bắt đầu đi qua các cuộn dây pha L1 và L3, tạo ra trường điện từ và làm rotor quay đến vị trí như trong hình 2.15B Nếu giữ nguyên trạng thái này, rotor sẽ không tiếp tục quay mà sẽ đứng yên.
Ngắt chuyển mạch S1 và S3, rotor ở nguyên vị trí hình 2.15C Đóng chuyển mạch S2 và S4 thì dòng điện, điện trường và vị trí của rotor như hình 2.15
Cứ luân phiên đóng và ngắt các cặp chuyển mạch S1, S3 và S2, S4 thì rotor sẽ quay tròn theo một hướng Động cơ bước có từ trở thay đổi
Rotor được chế tạo từ thép non với độ dẫn từ cao và từ trở thay đổi theo góc quay Mỗi răng của stator và rotor được gọi là một cực, và mỗi pha trên stator được quấn thành hai cuộn nối tiếp ở vị trí xuyên tâm đối Kết cấu stator của từng pha trong động cơ bước biến từ trở tương tự như động cơ bước PM Loại động cơ này cung cấp góc bước nhỏ đến trung bình và có khả năng hoạt động với tốc độ chạy bước cao.
Hình 2.16: Động cơ có từ trở thay đổi
Khi cấp điện cho pha A, các cuộn A1 và A2 tạo ra từ trường cực bắc (N) tăng dần và khép kín với rotor Đồng thời, các cuộn A3 và A4 mang cực tính nam (S) cũng tạo ra từ trường tương tự Đường sức từ rời khỏi cực bắc A1 vào răng 1 trên rotor, sau đó chia thành hai nhánh: nhánh đầu tiên phát triển đến răng 3 qua cực nam A3 vào stator và khép kín mạch từ tại cực bắc A1; nhánh thứ hai phát triển đến răng 4 qua cực A4 vào stator và cũng khép kín mạch từ tại A1.
Tương tự cho đường sức từ xuất phát từ A2
Dòng điện cấp cho cuộn pha A, ở vị trí đang khảo sát thì từ trở là nhỏ nhất, động cơ ở điều kiện cân bằng, rotor đứng yên
Khi ngắt điện cuộn pha A và cấp điện cho cuộn pha B, từ trở trong động cơ sẽ tăng lên, khiến trục rotor quay theo chiều giảm từ trở (cùng chiều kim đồng hồ) cho đến khi đạt mức từ trở nhỏ nhất, tại đó động cơ sẽ dừng lại ở vị trí mới.
Để động cơ quay theo chiều kim đồng hồ, cần cấp điện luân phiên cho các cuộn dây A, B, C, A Nếu muốn động cơ quay ngược lại, chỉ cần đảo ngược thứ tự cấp điện thành C, B, A, C.
Rotor của động cơ bước biến từ trở được làm bằng thép non, vì vậy khi không có dòng điện qua các cuộn dây, rotor không có từ dư và có thể quay tự do dưới tác dụng của tải Đây là một khuyết điểm của loại động cơ này Động cơ bước hỗn hợp.
Kết hợp động cơ với stator có nhiều cực được cung cấp năng lượng từ cuộn 2 pha, trong khi rotor bao gồm một nam châm hình trụ được cấp năng lượng quanh trục.
XÂY DỰNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN & MẠCH CÔNG SUẤT
Tìm hiểu một số mạch có trên thị trường
Trong quá trình thiết kế và chế tạo mô hình máy phay CNC 3 trục, yêu cầu quan trọng là phải có khả năng giao tiếp với máy tính Để điều khiển động cơ bước cho các trục X, Y, Z, cần thiết phải sử dụng mạch nhận tín hiệu từ cổng LPT và PIC.
Mạch driver động cơ bước TB6560 3A là một module chuyên dụng cho việc điều khiển động cơ bước lưỡng cực, hỗ trợ các chế độ điều khiển như full step, half step và vi bước (1/8 và 1/16 step) Các chế độ này được thiết lập thông qua phần cứng, mang lại sự linh hoạt và hiệu quả cho việc điều khiển động cơ.
- Module TB6560 là module chuyên dụng để điều khiển động cơ bước lưỡng cực
- Module TB6560 có khả năng điều khiển các chế độ: full step, half step, vi bước (1/8 và 1/16 step) Các chế độ được set bởi phần cứng
+ Running Current (tùy chỉnh dòng): 0,3-3A (SW1,SW2,SW3,S1)
Khi cấp điện cho cuộn dây motor qua cầu H trong IC, dòng điện sẽ chạy qua và dừng lại khi đạt 1A, sau đó lại tiếp tục cấp điện khi dòng giảm Chu kỳ này phụ thuộc vào dao động nội bộ của IC, được điều chỉnh bằng cách thay đổi giá trị tụ C5 Sử dụng tụ 330pF cho tần số dao động 130kHz, trong khi tụ 100pF cho tần số 400kHz; tần số cao hơn giúp IC kiểm tra sự thay đổi dòng điện nhanh hơn, mang lại hiệu suất hoạt động mượt mà hơn.
Tóm lại: motor nhỏ hay quay chậm thì 0%, motor to hay quay nhanh thì
100% Tùy chọn 25%, 50% với các loại động cơ trung bình
Khi thiết lập vi bước cho mạch driver, nếu motor được đặt ở 1,8 độ cho mỗi bước (1), thì một xung đầu vào tại chân step sẽ làm motor quay 1,8 độ, và 200 xung sẽ tương ứng với một vòng quay hoàn chỉnh Với các thiết lập vi bước như 1/2, 1/8, hoặc 1/16, một xung đầu vào sẽ khiến motor quay một phần tương ứng là 1/2, 1/8, hoặc 1/16 của 1,8 độ.
- Module TB6560 sử dụng nguồn cấp 12V-DC hoặc 24V-DC cấp cho động cơ bước hoạt động
- Tạo ra điện áp 5V-DC cấp cho các khối còn lại Khối cách ly quang
- Cách ly tín hiệu điều khiển với khối driver động cơ
Khối tín hiệu điều khiển (gồm 6 chân : EN-, EN+, CW-, CW+, CLK-,
- EN-, EN+: Tín hiệu cho phép/không cho phép module hoạt động
- CW-, CW+: Tín hiệu điều khiển chiều quay của động cơ
- CLK-, CLK+: Tín hiệu xung điều khiển bước quay động cơ
Với thiết kế 2 chân điều khiển 1 chức năng như thế này, module
TB6560 cho phép người dùng tùy chọn tín hiệu điều khiển là 0 hoặc 1
Ví dụ khi nối các chân EN+, CW+, CLK+ lên +5V-DC thì ta sẽ đưa tín hiệu điều khiển 0V vào các chân EN-, CW-, CLK-
Khối thiết lập chế độ bao gồm các switch cho phép người dùng tùy chỉnh dòng điện cho động cơ và điều chỉnh độ rộng góc bước.
Khối driver động cơ sử dụng IC TB6560 để điều khiển động cơ bước, với khối động cơ bao gồm 4 chân: A+, A-, B+, B-, cho phép kết nối với 4 đầu dây của động cơ bước lưỡng cực.
- Điện áp hoạt động: 10-35VDC
- Dòng tải tối đa: 3A, peak 3.5A
- Tích hợp opto cách ly 6N137 tốc độ cao giúp cách ly tín hiệu điều khiển với board điều khiển, an toàn và chống nhiễu
- Tích hợp tản nhiệt nhôm lớn giúp tản nhiệt cho TB6560
- Thích hợp với động cơ bước 43, 57, 86 | 2 hoặc 4 pha | 4 dây hoặc 6 dây
- Có công tắc để setup dòng tải, tối đa 3A
- Có công tắc để setup vi bước 1:1, 1:2, 1:8, 1:16
- Có công tắc để setup decay (lực giữ vị trí cố định)
Hình 3 1: Mạch điều khiển động cơ bước TB6560
Hình 3 2: Sơ đồ mạch TB6560
- Linh kiện thông dụng, dễ tìm
- Có điều chỉnh dòng điện ra
- Động cơ đạt tốc độ cao
- Nhiệt độ hoạt động cao
Hình 3 4: Nguyên lý mạch điều khiển động cơ bước dung chip L297 –
Xây dựng bộ điều khiển
Các mạch điều khiển và mạch công suất mà nhóm chúng em phát triển khắc phục những nhược điểm như hiệu suất hoạt động thấp, tỏa nhiệt nhiều và dòng điện ra nhỏ Với chi phí hợp lý, mạch mới cho phép điều chỉnh chế độ hoạt động và dòng điện, đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật.
Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển
- Đa năng, điều khiển được nhiều loại động cơ bước khác nhau
- Đơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ
- Vì điều khiển gián tiếp qua vi điều khiển nên đáp ứng chậm
- Cần phải lập trình cho vi điều khiển, tương đối phức tạp
- Tự chế tạo thủ công nên mạch có độ ổn định thấp
3.2.1 Sơ đồ khối nguyên lý
Hình 3 5: Sơ đồ khối nguyên lý mạch điều khiển
• Điều khiển động cơ bước
Mạch điều khiển xuất chuỗi xung cấp cho mạch công suất hoạt động
• Điều khiển spindle Động cơ phay (spindle) được điều chỉnh tốc độ qua mạch công suất, được điều khiển bởi xung PWM
Hình 3 6: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất spindle
Xây dựng mạch điều khiển
- Nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính và chuyển đổi thành tín hiệu phù hợp để cấp cho mạch công suất điều khiển động cơ
- Chuyển chế độ hoạt động cho động cơ bước gồm Full step và Half step
- Điều chỉnh dòng điện ra động cơ
- Hiện nay trên thị trường có một số loại vi điều khiển thông dụng như: AVR, PIC,
- VĐK 8051: Ưu điểm là giá thành rẻ nhưng chỉ có giao tiếp ra/vào cơ bản, dễ bị nhiễu và tốc độ thấp
- VĐK AVR 8/16 bit có nhiều ưu điểm:
+ Xung clock đến 16Mhz, tốc độ cao, bộ nhớ Flash lớn, có thể lập trình lại rất nhiều lần, SRAM lớn, có EEPROM Timer 8 bit, 16 bit có PWM
Hình 3 7: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
3.3.4 Chọn động cơ trục chính cho mô hình thiết kế
Chọn loại động cơ cho truyền động trục chính, chọn động cơ một chiều DC Motor vì nó có những đặc điểm sau:
- Sử dụng điện áp nhỏ, an toàn cho người sử dụng
- Đa dạng và rất phong phú về chủng loại
- Mômen xoắn lớn, tốc độ lớn
* Thông số động cơ trục chính:
- Tốc độ cực đại tại 24V: 10000 RPM
- Đường kính động cơ: 42mm
- Đường kính trục quay: 5mm
- Chiều dài động cơ (không có trục): 66.5mm
- Mô-men xoắn 3.4kg.cm
- Có bạc đạn phía trước đảm bảo trục motor ko bị rung lắc
- Mạch CNC 3018/2418/1610 sử dụng được với phần mềm GRBL trên máy tính thông qua giao tiếp USB với chỉ một vài bước thiết lập đơn giản
Mạch CNC 3018/2418/1610 có khả năng điều khiển đồng thời động cơ bước qua các ngõ cấp xung cho chiều X, Y, Z Mạch còn hỗ trợ nhận tín hiệu vào từ các ngõ IN1, IN2, IN3 và xuất tín hiệu ra qua OUT1, OUT2, OUT3 Tất cả các ngõ tín hiệu vào và ra đều được cách ly bằng Opto và IC đệm, đảm bảo an toàn cho board mạch Bên cạnh đó, mạch còn cung cấp ngõ ra xung PWM để điều chỉnh tốc độ Spindle.
Mạch CNC 3018/2418/1610 được trang bị giao tiếp USB, giúp dễ dàng kết nối với các máy tính hiện đại, vì hầu hết không còn cổng LPT Việc kết nối với máy tính qua cổng USB không yêu cầu cài đặt Driver, nhờ vào Driver được viết theo lớp HID Chỉ cần thực hiện một vài bước thiết lập đơn giản là người dùng có thể bắt đầu sử dụng mạch một cách nhanh chóng và hiệu quả.
- Mạch kết nối với máy tính qua cổng USB
- Thiết lập phân khúc điều khiển động cơ bước
- Hỗ trợ phần mềm: GRBL Control (3 trục)
- Tích hợp 3A4988 trình điều khiển, trực tiếp kết nối với 4 dây động cơ bước
3.3.6 Động cơ bước size 42 1.8 step
Chọn loại động cơ cho chuyển động chạy dao, nhóm chúng em chọn động cơ bước vì những đặc điểm sau:
- Điều khiển vị trí, tốc độ chính xác và đơn giản
- Mômen xoắn lớn, tốc độ lớn
- Không cần mạch phản hồi
Trong các hệ thống máy CNC, động cơ bước 17HS1538 PA4170 thường được sử dụng Nhóm đã tiến hành khảo sát thị trường và quyết định chọn động cơ này để phù hợp với mô hình của mình.
- Quy cách chân cắm: đen màu A + Xanh A- Red B + Xanh B
LẬP TRÌNH CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN & KẾT NỐI MÁY TÍNH
Sơ đồ điều khiển
Hình 4.1: Sơ đồ kết nối và điều khiển
4.1.1 Kết nối bộ điều khiển với máy tính thông qua cổng USB
Cáp HMI MITSUBISHI Q06UDEH / Q03UDE / Q06UDEH /
Hình 4.2: Cáp kết nối máy tính với máy CNC
Sử dụng phần mềm vẽ mạch và hình khối trên máy tính để tạo ra file Gcode, chứa các thông số và dữ liệu điều khiển chuyển động của máy CNC.
Thông qua phần mềm điều khiển, máy tính truyền các tham số xuống bộ điều khiển qua giao cổng USB Bộ điều khiển kết hợp các tham số nhận được với thông tin từ cảm biến hành trình và chế độ hoạt động của động cơ bước để xuất tín hiệu điều khiển các động cơ qua mạch khuếch đại công suất.
