ĐỀ cương sơ bộ gửi thầy huỳnh2 1

Vì tính thực tiễn và cấp thiết như vậy, chúng em lựa chọn đề tài là:“TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 3TRỤC” Nội dung đề tài tập trung vào giải quyết việc nghiên cứu t

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 5

1.1 Máy CNC là gì 5

1.2 Tình hình phát triển của máy CNC trên thế giới 5

1.3 Tình hình phát triển máy CNC tại việt nam 5

1.4 Ứng dụng của máy CNC 6

1.5 Nhu cầu dạy và đào tạo tại Trường 7

1.6 Nội dung và nhiệm vụ của đề tài 7

1.7 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 8

1.7.1 Ý nghĩa khoa học 8

1.7.2 Ý nghĩa thực tiễn 8

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ CÔNG CỤ SỬ DỤNG 8

2.1 Đối tượng nghiên cứu: 8

2.2 Phương pháp nghiên cứu 8

2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm 10

2.3 Phương tiện nghiên cứu 11

2.3.1 Phần Mềm 11

2.3.1.1 Altium Design 11

2.3.1.2 PROTEUS 14

2.3.1.3 CodeVisionAVR 14

2.3.1.4 SolidWork 15

2.3.2 Dụng cụ 15

2.3.2.1 Máy tính 15

2.3.2.2 Đồng hồ vạn năng 15

2.4 Công cụ điều khiển máy CNC 15

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC MINI 16

3.1 Phân tích hệ thống điều khiển 16

3.1.1 Tính toán và chọn động cơ trục chính 16

3.1.2 Động cơ bước 19

3.1.2.1 Giới thiệu về động cơ bước 19

3.1.2.2 hoạt động 19

3.1.2.3 Ứng dụng 20

3.1.2.4 Điều khiển động cơ bước 20

3.1.2.5 Đặc tính cơ động cơ bước và các phương pháp điều khiển 21

3.1.2.6.Tính toán các thông số của động cơ bước và chọn động cơ 22

3.1.3 Thiết kế tủ điện và hệ thống điều khiển 32

3.2 Thiết kế mạch điều khiển cho mô hình 32

3.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 33

3.2.2 Khối nguồn 33

3.2.3 Khối giao tiếp máy tính 37

3.2.4 Mạch điều khiển trục chính 38

3.2.5 Mạch điều khiển trục tọa độ X,Y,Z 40

3.2.6 Kết nối với máy tính 51

3.3 Thiết kế module điều khiển động cơ DC 54

3.4 Hệ thống điều tiếp nhận thông tin giới hạn từng trục của máy CNC 58

3.5 Thiết kế module điều khiển động cơ bước 59

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC MINI 59

4.1 Kết quả chế tạo phần điều khiển 59

4.2 Đánh giá kết quả đạt được 62

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 62

MỞ ĐẦU

Các nước phát triển trên thế giới, sự đột phá về khoa học kỹ thuật đã giúp

họ tìm ra những kỹ thuật tiên tiến áp dụng trong sản xuất, chế tạo Nhằm tạo

ra những công cụ giảm sức lao động của con người mà năng suất, hiệu quảkinh tế đạt ở mức độ cao Trong ngành chế tạo máy thì không ngừng đổi mớinhững tính năng của máy, quá trình tự động hóa, các phần mềm ứng dụng tinhọc được đưa vào trong kỹ thuật chế tạo Do vậy các thiết bị sản xuất được tựđộng hóa cao nhờ sự hỗ trợ của hệ thống điều khiển số bằng máy tính đã cómặt ở các nhà máy, xí nghiệp……

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, cùng với nhữngdiễn biến phức tạp của cuộc cạnh tranh thị trường hàng hóa thế giới, CNCđóng vai trò rất quan trọng đối với sự phát triển nền kinh tế của xã hội

Máy công cụ CNC, có khả năng cung cấp sự trợ giúp máy tính chokhâu thiết kế và sản xuất hàng hóa Như vậy CNC có khả năng đáp ứng nhanhnhu cầu của thị trường, đạt được hiệu quả kinh tế cao, ứng dụng nhanh chóngcác sáng kiến và các công nghệ mới vào sản xuất

Ở Việt Nam, trong những năm gần đây CNC không còn là khái niệmmới mẻ Tuy nhiên không phải bất kỳ trường kỹ thuật nào cũng có điều kiện

để sinh viên thực hành Với trào lưu phát triển mạnh mẽ của kinh tế thế giớihiện nay Hơn thế nữa là thời hạn gia nhập WTO ngày càng đến gần thì yêucầu đào tạo nguồn nhân lực có tri thức cao có thể thích ứng được với nền sảnxuất công nghiệp hiện đại càng trở nên cấp bách

Công tác đào tạo nguồn nhân lực cao trong các trường đại học và caođẳng không chỉ chú trọng kiến thức lý thuyết mà phải đặc biệt chú trọng đếnthực hành.Các bài giảng cần được thể hiện bằng mô hình thực tế, bằng trựcquan sinh động Tạo điều kiện cho sinh viên dễ dàng hơn trong việc tiếp cậnvới sản xuất tiên tiến Giúp cho họ có thể nắm bắt kịp thời với nền khoa học

kỹ thuật hiện đại của các nước trong khu vực cũng như trên thế giới

Vì tính thực tiễn và cấp thiết như vậy, chúng em lựa chọn đề tài là:

“TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 3TRỤC”

Nội dung đề tài tập trung vào giải quyết việc nghiên cứu tìm hiểu về các hệ thống điều khiển trên máy CNC, từ đó thiết kế chế tạo một máy phay CNC mini, xây dựng hệ thống điều khiển thu nhỏ hoàn thiện, ứng dụng cho việc nghiên cứu, học tập trong sinh viên

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC1.1 Máy CNC là gì

Máy CNC (computer numerical controlled) là những công cụ gia công kimloại tinh tế có thể tạo ra những chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệhiện đại Phát triển nhanh chóng với những tiến bộ trong máy tính Đề cậpđến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc khác với mục đích sản xuất(có tính lặp lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằngcách sử dụng các chương trình viết bằng kí hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩnEIA-274-D, thường gọi là mã G code

1.2 Tình hình phát triển của máy CNC trên thế giới

Vào khoảng đầu những năm 1950 ở phòng thí nghiệm Servomechanismcủa học viện kĩ thuật Massachusetts Institute of Technology gọi tắt là M.I.Thọc viện nghiên cứu và giáo dục ở thành phố Cambridge, Massachusetts Hoa

Kỳ và đã nhanh chóng ứng dụng vào việc chế tạo máy móc năm 1818 chiếcmáy phay đầu tiên được vận hành theo cách tương tự như vậy, ngoại trừ công

cụ cắt được đặt ở trục chính đang quay Phôi được lắp trên bệ máy hay bànlàm việc và di chuyển theo công cụ cắt, qua việc sử dụng vô lăng để gia côngđường mức của phôi

Thiết kế máy CNC hiện đại bắt nguồn từ tác phẩm của John T.parsons cuốinhững năm 1940 và đầu những năm 1950 Năm 1947, Thomas J.Watson, chủtịch huyền thoại của IBM, Nhờ đó IBM sẽ làm việc với tập đoàn Parsons đểtạo ra chiếc máy được điều khiển bởi các thẻ đục lỗ Đến những năm 1960,giá thành và tính phức tạp của nững chiếc máy tự động giảm đến một mức độnhất định để có thể ứng dụng trong các nghành công nghiệp khác

1.3 Tình hình phát triển máy CNC tại việt nam

Ở Việt Nam trước năm 1990 khi nhắc đến công nghệ NC, CNC quả là rất

xa lạ và ít người biết đến nó

Bắt đầu từ năm 1991, thông qua một số dự án chuyển giao công nghệ, hợptác với nước ngoài như: dự án “Chuyển giao công nghệ thiết kế, phát triển vàchế tạo khuôn mẫu” lúc đó các công nghệ CNC như: máy phay CNC, máytiện CNC, đo lường CNC, … Lần đầu tiên được giới thiệu và thu hút sự quantâm của nhiều nhà chuyên môn cũng như của các doanh nghiệp trong nước vàliên doanh với nước ngoài.

Hiện nay nhiều nhà máy cơ khí trong nước đã và đang có những dự án đầu

tư các dây chuyền sản xuất với phần lớn thiết bị trong dây chuyền là các máyCNC Mặc dù, công nghệ CNC du nhập vào Việt Nam trong một thời gianngắn nhưng có thể nói công nghệ này đã có một chỗ đứng tại Việt Nam và tinchắc trong những năm tới đây công nghệ này sẽ được dùng nhiều trong các xínghiệp, phân xưởng, nhà máy ở nước ta Vì nó đem lại hiệu quả kinh tế rấtcao Đặc biệt trong điều kiện sản xuất hiện nay ở nước ta Do vậy, việc đẩymạnh ứng dụng công nghệ CNC là một nhu cầu cần thiết đối với các cơ sởsản xuất nói chung và ngành chế tạo máy nói riêng

1.4 Ứng dụng của máy CNC

Máy CNC dùng để chế tạo ra các máy móc, thiết bị và dây chuyền sảnxuất phục vụ toàn bộ các ngành kinh tế khác như: công nghiệp nặng (đóngtàu, khai thác mỏ, điện,

dầu khí, thiết bị vận chuyển như ô tô, tàu hoả,…), công nghiệp nhẹ (dệtmay, đóng giày, thực phẩm,…), công nghiệp quốc phòng (dây chuyềnsản xuất vũ khí, thuốc nổ,…), công nghệ thông tin (dây chuyền sản xuất vimạch điện tử, lắp ráp máy tính và thiết bị viễn thông,…), các thiết bị dùngcho giáo dục và đào tạo, các thiết bị y học,…

- Máy CNC cũng có thể dùng để tạo ra các sản phẩm thông dụng và sảnphẩm công nghệ cao được sử dụng trong cuộc sống và trong công nghiệp:khuôn mẫu dùng để tạo ra các chi tiết bằng nhựa dùng trong cuộc sống hàngngày, các chi tiết để cấy và chế tạo các ống nano, các chi tiết bằng vật liệu

sinh học để thay thế xương trong y học, các đồ gá dùng trong sản xuất chípđiện tử,…

1.5 Nhu cầu dạy và đào tạo tại Trường

Công nghệ gia công trên máy CNC là một công nghệ không hề xa lạ với bất cứ ai trong lĩnh vực cơ khí Với sự phát triển không ngừng của các thành tựu Khoa học - Công nghệ đặc biệt là điều khiển số và tin học đã cho phép các nhà chế tạo máy ứng dụng vào máy cắt kim loại các hệ thống điều khiển ngày càng ting cậy hơn với tốc độ sử lý nhanh hơn và giá thành hạ hơn

Hiện nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển Chính vì thế, việc ứng dụng các kĩ thuật tiên tiến vào sản xuất nhằm tạo ra những sảnphẩm có năng suất, chất lượng cao, giá thành chấp nhận được ngày càng trở nên cấp

thiết,đặc biệt đối với những nước đang phát triển

Do đó, để có thể giúp cho sinh viên nghành chế tạo máy có thể nắm bắt được công nghệ mới này đồng thời giúp cho các sinh viên có cái nhìnhoàn thiện hơn về máy CNC, đặc biệt là sinh viên tự mình có thể thực hiện đươc các công việc từ việc lập trình cho đến việc gia công thực trên máy CNC,đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu và chế tạo một máy phay CNC Mini hoàn chỉnh, phục vụ cho công tác giảng dạy, học tập của trường, của khoa

1.6 Nội dung và nhiệm vụ của đề tài

Đề tài tập trung vào nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo lại mô hình máy CNC cũ

Nhiệm vụ của từng thành viên trong nhóm được phân công rõ ràng

- Tính toán thiết kế mô hình máy và đưa ra các biểu đồ phân bố lực cho toàn máy

- lập quy trình gia công chế tạo chi tiết trục vít me đai ốc bi được sử dụng trong mô hình máy CNC

- Tìm hiểu, lắp ráp mạch điện cho mô hình máy Phay CNC Chọn phần mềm để điều khiển mô hình máy

1.7 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

1.7.1 Ý nghĩa khoa học

- Đề tài được nhóm sinh viên thực hiện trong vòng 2 học kỳ, tìm hiểu về khả năng gia công của mô hình máy phay CNC mini Đề tài đã thu được kết quả khả quan mô hình đã được hoàn thiện, và đã bước đầu gia công được các chi tiết có biên dạng đơn giản

- Thành công của đề tài là cơ sở khích lệ sự nghiên cứu sáng tạo của sinh viên Việt Nam, nâng cao khả năng làm việc theo nhóm, giảm bớt sự lệ thuộc

và công nghệ nước ngoài

Đối tượng nghiên cứu dựa trên mô hình máy phay CNC cũ đã có, từ đó phát triển hoàn thiện cho mô hình máy mới, giúp cho mô hình có thể chạy và làm việc ổn định

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tìm hiểu mô hình máy Phay CNC cũ, đưa ra các sai hỏng của

mô hình cũ, Từ đó khắc phục cho mô hình cải tiến để hoàn thiện mô hìnhTrong quá trình kiểm tra mô hình máy phay CNC 3 trục, chúng tôi đưa ra 1bảng nhằm bao quát được hiện trạng mô hình máy và hướng khắc phục cụ thể cho mô hình như sau:

Bảng 2.1 : hiện trạng mô hình máy và hướng khắc phục

Các thông số

của mô hình

Hiện trạng của mô hình máy phay CNC 3 trục

Hướng khắc phục cho mô

Tính toán chọn công suất động

cơ phù hợp với cụm cơ cấu của trục Z

thay thế các rãnh trượt bằng ray trượt bi ( giảm ma sát bằng cách thay ma sát trượt bằng ma sát lăn)

chọn khớp nối trục phù hợp để tăng hiệu suất

Trục X, Y Trục X, Y hoạt

động được, nhưng ma sát lớn từ các rãnh trượt Hai đầu trục vít

me chưa đảm bảo đồng tâm,cứng vững

do thiếu gối đỡ trục

Thay rãnh trượt thường bằng rãnh trượt bi ( chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn) nhằm làmgiảm hệ số ma sát, nâng cao khả năng làm việc của trục

Lắp thêm gối đỡ trục nhằm đảm bảo độ cứng vững và đồng tâm của trục

Khớp Nối Trục Khớp nối trục chưa

đảm bảo hiệu suất truyền dẫn từ động cơ đến trục làm việc

Nghiên cứu, tính toán và chọn khớp nối trục phù hợp với từng trục

Bàn máy Bàn máy đảm bảo độ

cứng vững để có thể

gá kẹp chi tiết và đồ gá

-Kiểm tra lại độ phẳng của bàn máy

Thân Máy Thân máy độ tin cậy

chưa cao, kết cấu chưa hợp lý

Kiểm tra độ vuông góc giữa 2 phần thân máy

Thay đổi kết cấu để phù hợp hơntrong quá trình gá lắp các trục công tác lên thân máy

an toànChưa có các nút ấn an toàn khi máy xảy ra

sự cố

Tính toán, tìm hiểu nguyên lý của mạch điều khiển, nhằm chọn được mạch điều khiển thích hợp

có độ tin cậy caoThiết kế hệ thống tủ điện, nhằm đưa các mạch điều khiển vào trong tủ để các mạch điện được bảo vệ an toàn, trong quá trình vận hành

Chọn lại đường dây phù hợpThiết kế các nơi đặt nút ấn an toàn và các đèn báo

2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.

Đề tài kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm, thừa kế các kết quả của những đề tài đã được triển khai trong và ngoài nước nhằm xác định các thông số công nghệ, lựa chọn các nguyên lý cho việc thiết kế chế tạo

2.3 Phương tiện nghiên cứu

2.3.1 Phần Mềm

2.3.1.1 Altium Design

Giới thiệu phần mềm Altium Design

Là một sản phẩm của công ty Altium Limited, trụ sở tại Frenchs Forest,Australia

Altium Limited (ASX:ALU) là nhà phát triển giải pháp thiết kế điện tử vớiphương châm hợp nhất các quá trình thiết kế vào một môi trường hợp nhất.Các sản phẩm của Altium cho phép tất cả các kỹ sư điện tử, các kỹ sư thiết

kế, phát triển, và các tổ chức có thể tận dụng tối đa các lợi thế của công nghệthiết kế tiên tiến, tạo ra những sản phẩm thông minh hơn và thời gian đưa rathị trường nhanh hơn

Altium Designer là một hệ thống phát triển điện tử thống nhất đầu tiên trênthế giới cho phép các kỹ sư thiết kế sản phẩm điện tử từ những khái niệm banđầu cho đến khi hoàn thành mạch in cuối cùng trong một môi trường đơnnhất

Altium Designer cung cấp một ứng dụng kết hợp tất cả công nghệ và chứngnăng cần thiết cho việc phát triển sản phẩm điện tử hoàn chỉnh, như thiết kế

hệ thống mức bo mạch và FPGA, phát triển phần mềm nhúng cho FPGA vàcác bộ xử lý rời rạc, bố trí mạch in (PCB) …Altium Design thống nhất toàn

bộ các quá trình lại và cho phép bạn quản lý mọi mặt quá trình phát triển hệthống trong môi trường tích hợp duy nhất Khả năng đó kết hợp với khả năngquản lý dữ liệu thiết kế hiện đại cho phép người sử dụng Altium Design tạo ranhiều hơn những sản phẩm điện tử thông minh, với chi phí sản phẩm thấp hơn

và thời gian phát triển ngắn hơn

Altium Designer là hệ thống phát triển các sản phẩm điện tử cho các thiết

kế điện tử công nghiệp, phá bỏ mọi rào cản gây bởi các quá trình thiết kếriêng rẽ và hợp nhất các công đoạn thiết kế trong một môi trường phát triểnsản phẩm duy nhất – thiết kế phần cứng, phần cứng khả trình, phần mềmnhúng Môi trường thiết kế hợp nhất Altium Designer tận dụng những công

nghệ tiên tiến nhất, chuyển sang phương pháp “thiết kế mềm” mà không cần

kỹ năng quá chuyên nghiệp về sử dụng và thiết kế các thiết bị khả trình Điềunày cho phép các công ty tăng sự linh hoạt của thiết kế giảm giá thành sảnphẩm và thời gian đưa sản phẩm đưa ra thị trường Altium Designer cũng hỗtrợ khả năng tự do chuyển đổi giữa các linh kiện khả trình của nhiều nhà sảnxuất khác nhau, tại bất kì thời điểm nào Altium Designer cũng làm giảm tổngchi phí phát triển khi không cần tích hợp thêm những thiết bị với giá cao đểtăng thêm tính năng hoặc tạo một giải pháp hoàn chỉnh

Sau đây là một số hình ảnh sau khi cài đặt…

Khởi động chương trình từ shortcut trên desktop hoặc từ Menu

Start >> All programs >> Altium Designer khi đó màn hình khởi động như sau:

Từ menu File >> New >> Project >>PCB Project

Hình 2.1 Màn hình khởi động Altium Designer

Hình 2.2 :Giao diện của Altium Designer trong môi trường thiết kế mạch

nguyên lý

Hình 2.3: các thanh chức năng trong giao diện làm việc củaAltium

Designer

2.3.1.2 PROTEUS

Proteus ra đời và phát triển trên 12 năm nay bởi Labcenter Electronics –một công ty CAD của Anh và được hàng nghìn người sử dụng trên thế giới,với nhiều gói phần mềm nhỏ Trong đó gói phần mềm ISIS chuyên dùng để

mô phỏng hầu hết các dạng mạch điện tử ISIS cho phép thiết kế hoàn chỉnhmột hệ thống vi điều khiển bao gồm toàn bộ mạch phần cứng giao diện bênngoài, sau đó mô phỏng sự tương tác giữa chúng ISIS còn quan tâm đến việcthiết kế mạch in (Printed Circuit Borad-PCB) với sự hỗ trợ liên kết xuất mạchđiện sang ARES hoặc một chương trình CAD layout khác để vẽ mạch in

2.3.1.3 CodeVisionAVR

CodeVisionAVR là một phần mềm tích hợp môi trường lập trình C vàAsembly cho vi điều khiển AVR, được phát triển bởi hãng phần mềmInforTech Phần mềm này có hỗ trợ rất nhiều tính năng cũng như các module

để lập trình với vi điều khiển AVR Kèm theo đó hỗ trợ giao diện sử dụng chongười làm việc với vi điều khiển AVR không cần phải nhớ quá nhiều về phầncứng

2.3.1.4 SolidWork

Hãng SolidWorks đã ra mắt dòng sản phẩm SolidWorks® 2010, cho phépgiúp việc thiết kế cơ khí trở lên nhanh chóng và dễ dàng Trong đề tài này,phần mềm SolidWork được sử dụng để thiết kế các giao diện điều khiển

2.3.2 Dụng cụ

2.3.2.1 Máy tính

Là một công cụ không thể thiếu được trong quá trình làm việc Nhất là với

sự phát triển của các phần mềm giả lập và các phần mềm hỗ trợ thiết kế làmcho máy tính có một vài trò quan trong trong công việc làm đồ án này màkhông thể thiếu được

2.3.2.2 Đồng hồ vạn năng

Là công cụ sử dụng để kiểm tra, đo đạc và đánh giá các thông số trong quátrình thực nghiệm và chế tạo của đề tài Đồng hồ vạn năng là đồng hồ do viện

2.4 Công cụ điều khiển máy CNC

Ngoài các lĩnh vực điều khiển tự động, sự phát triển của máy CNC vàcông nghệ gia công trên chúng còn gắn liền với một lĩnh vực khác của côngnghệ thông tin: đó là các phần mềm thiết kế tính toán lập trình Có rất nhiềuphần mềm được ứng dụng trong lĩnh vực này và nó phát triển rất mạnh mẽnhư phần mềm CAD/CAM, Proengineer, inventer… Đó là những phầm mềmứng dụng cho các loại máy CNC cớ lớn Đối với các loại mái phay CNC minicũng có một số phần mềm được sử dụng như các loại phần mềm EMC (free

và chạy trên nền Linux), Mach3, KCam.NC studio…

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN

CHO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC MINI3.1 Phân tích hệ thống điều khiển

Số vòng quay của động cơ chọn theo yêu cầu bài ra Công suất động cơ trục chính được tính dựa vào lực cắt khi gia công

Hình 3.1:Cụm trục chính

1- Động cơ trục chính;

2- Gá kẹp động cơ;

3- colet kẹp dao;

4- Dao cắt

Lực tác dụng lên dao và phôi khi gia công, khi gia công chủ yếu là lực cắt

và lực chạy dao Độ lớn và hướng của lực có ảnh hưởng quyết định đối với

kết cấu của máy thiết kế Tùy thuộc vào quá trình tạo phoi, lực cắt P hình thành với các phần lực hướng trục Px, hướng kính Py và lực cắt chính Pz.

Hình 3.2: Các thành phần lực cắt khi phay

Px- Lực hướng trục; Py- Lực hướng kính; Pz- Lực cắt chính; Ph- Lực chạy

dao ngang; Pv- Lực chạy dao dọc; P yz - Lực thành phần.

Theo công thức tài liệu [1], ta có lực cắt chính được tính theo công thức:

MP w

q

u y Z

x P

n D

Z B S t C

.

.

Bảng 3.1:Các thông số cho tính toán động cơ trục chính

Số vòng quay trục chính lớn nhất khi gia công- n

567 5

0 1

5

4 5 08 , 0 2 2

72 , 0 86 , 0

3.1.2.1 Giới thiệu về động cơ bước

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý ứng dụng khác biệt sovới đa số động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ khôngđồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rờirạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động củaroto có khả năng cố định roto vào các vị trí cần thiết

Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai lại động cơ:Động cơ điện một chiều không tiếp xúc và động cơ không đồng bộ giảm tốccông suất nhỏ

3.1.2.2 hoạt động

Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từngbước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờcác bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển và stato theo thứ tự vàmột tần số nhất định Tổng số góc quay của Rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyểnđổi và tần số chuyển đổi

3.1.2.3 Ứng dụng

Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấuchấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành cac lệnh đưa

ra dưới dạng số

Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự Động Hóa, chúngđược ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác Ví dụ: Điều khiểnrobot, điều khiển tiêu cự trong hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệquan trắc, điều khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiểnlập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương

và chiều trong máy bay…

Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩacứng, ổ đĩa mềm, máy in…

3.1.2.4 Điều khiển động cơ bước

Động cơ bước nói chung có thể được chia thành hai loại chính, động cơbước nguồn đơn cực ( unipolar motor) và động cơ bước nguồn lưỡng cực(biopolar motor) Trước đây, loại động cơ nguồn đơn cực được sử dụng rộngrãi hơn do tính đơn giản trong cấu trúc điều khiển của chúng Tuy nhiên, với

sự phát triển của các mạch số có độ tích hợp cao, động cơ bước nguồn lưỡngcực ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn Mặt khác, trong cùng một điềukiện hoạt động,các động cơ bước nguồn lưỡng cực luôn cho một moomen lớnhơn các động cơ bước nguồn đơn

Hình 3.3: Cấu tạo động cơ bước

Hình 3.4: Động cơ bước

3.1.2.5 Đặc tính cơ động cơ bước và các phương pháp điều khiển

Tuỳ thuộc vào mô men yêu cầu trên trục động cơ và tốc độ quay mà ta cóthể áp dụng các phương pháp điều khiển khác nhau cho động cơ bước Trongvùng tốc độ thấp chỉ cần sử dụng phương pháp điều khiển điện áp trực tiếp,khi đó dòng điện sẽ được giới hạn bởi chính nội trở của các cuộn dây động

cơ Tuy nhiên tại vùng tốc độ cao, nếu tiếp tục sử dụng phương pháp này, mômen sẽ bị giảm nghiêm trọng do tính cảm của các cuộn dây sẽ giới hạn khảnăng tăng của dòng điện Một phương pháp thường áp dụng để cải thiện tìnhhình này là sử dụng điện trở nối thêm vào các cuộn dây động cơ Khi đó hằng

số thời gian của động cơ sẽ giảm (vì L/nR thay vì L/R) dòng điện tăng nhanhhơn làm đặc tính cơ của động cơ cứng hơn Tuy vậy, động cơ sẽ cần một điện

áp điều khiển lớn hơn nhiều và hơn 70% công suất nguồn nuôi sẽ toả nhiệttrên các điện trở nối thêm này Chính vì lí do này mà phương pháp điều khiển

kiểu băm (băm xung) thường được sử dụng nhằm nâng cao hiệu suất, tăng độcứng cho đặc tính cơ động cơ bước

Trong thực tế, phương pháp điều khiển băm xung (băm xung) được sửdụng rất rộng rãi Có rất nhiều phương pháp thực hiện, nhưng về cơ bản cóthể phân thành 3 loại chính như sau:

Phương pháp băm xung duy trì tần số không đổi (đây là phương pháp phổbiến nhất) cũng được chia thành 2 loại sau đây

- Phương pháp băm xung pha

- Phương pháp băm xung có bảo vệ (inhibit băm xung)

- Phương pháp băm xung duy trì thời gian off không đổi

- Phương pháp băm xung với tần số băm xung tự do

Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng và mục đích sử dụng cũng khác nhau

3.1.2.6.Tính toán các thông số của động cơ bước và chọn động cơ

Bảng 3.2 :Các thông số ban đầu cho thiết kế mô hình

Các thông số để tính toán động cơ (bảng ):

+ Bước tiến dao khi thực hiện cắt gọt là 500 mm/ph;

+ Bước tiến dao khi chạy không cắt gọt là 2000mm/ph

+ Hệ số quá tải là 2.5

Hình 3.5: Các lực tác dụng lên trục ZW1- Khối lượng của đai ốc bi; W2- Khối lượng của tấm đỡ cụm trục

chính; W3- Khối lượng cụm trục chính; Px- Lực cắt

Từ (3.11) ta có Px = 295 (N)

Sử dụng phần mềm inventor tính được tổng khối lượng W1, W2, W3 là 11kg

=> Trọng lượng tác động lên trục Z là:

P = (W1+W2+W3).g = 11.9,81= 108 (N) (3.18)

Trục vít me bi được đỡ bởi ba ổ bi;

Hệ số khi sử dụng khớp nối đối với trục của máy gia công kim loại chuyểnđộng tịnh tiến có đảo chiều là B = 1,5;

Vì lực pháp tuyến tác dụng lên thanh trượt bi 0 và hệ số ma sát lăn rấtnhỏ nên có thể bỏ qua ảnh hưởng của lực ma sát đến công suất của động cơ

Hệ số quá tải là A = 2,5;

Khi máy phay CNC hoạt động, cụm trục chính được động cơ bước điềukhiển lên xuống và có ba chuyển động cơ bản Chuyển động thứ nhất, trướckhi dao thực hiện cắt gọt, cụm trục chính cần di chuyển với tốc độ nhanh (tốc

độ không cắt gọt) đến vị trí an toàn để chuẩn bị thực hiện cắt gọt tiết kiệmthời gian, chuyển động này chỉ có trọng lượng của các chi tiết ảnh hưởng đếncông suất động cơ Chuyển động thứ hai, dao phay thực hiện cắt gọt, tốc độcắt lúc này do người công nhân nhập vào máy và nhỏ hơn rất nhiều so với tốc

độ không cắt gọt, lúc này cả trọng lượng các chi tiết và lực dọc trục Px đều tácđộng lên động cơ Chuyển động thứ ba, sau khi thực hiện cắt gọt xong, dao dichuyển với tốc độ nhanh để trở về vị trí an toàn để thay dao Ta cũng lần lượtxét từng trường hợp cho mỗi chuyển động để tính công suất động cơ bước

Trường hợp 1: Cụm trục chính chuyển động nhanh đến vị trí an toàn

chuẩn bị cắt gọt Tốc độ không cắt gọt là 2m/ph, với bước vít là 10mm ->động cơ bước quay n= 200v/ph Phân tích lực ta có:

Hình 3.6:Các lực tác động lên động cơt- Bước vít me; α- Góc nâng của vít me; Dv- Đường kính trục vít me tính đến tâm bi.

Với n=200v/ph thay vào công thức (3.8) => V=12,14 (m/ph)

Ta thấy lực tổng hợp có chiều đi xuống cùng chiều với chiều chuyển động, nghĩa là chỉ cần động cơ quay là toàn bộ phần trục Z sẽ đi xuống do tác dụng của trọng lực

Trường hợp 2: Khi trục Z bắt đầu vào phôi (G01) – tốc độ cắt gọt (max) =

.

Trường hợp 3: Sau khi gia công xong ta nhấc dao ra Lúc này, động cơ

đảo chiều và chỉ còn chịu tác động của trọng lượng P (N)

t

D P

+ Bước tiến dao khi thực hiện cắt gọt là 500 mm/ph;

+ Bước tiến dao khi chạy không cắt gọt là 2000mm/ph

+ Hệ số quá tải là 2.5

Lực (P+ Px) là lực pháp tuyến gây ra lực ma sát Khi đó momen của động

cơ bước trục X sinh ra chỉ để thắng lực ma sát và lực Ph;

Trục X chỉ có hai chuyển động, chuyển động khi dao chưa thực hiện cắt gọt

và chuyển động khi dao thực hiện cắt gọt Khi dao chưa thực hiện cắt gọt, động cơ bước quay với tốc độ 200 vg/ph, bàn máy di chuyển nhanh; do khôngcắt nên không xuất hiện lực Px, chỉ chịu lực ma sát Pm/s do trọng lượng P gây nên Khi thực hiện cắt gọt, động cơ bước chạy với tốc độ do người công nhân nhập vào, bàn máy di chuyển chậm; động cơ chịu tác động của lực ma sát Fm/s

và lực ngang Ph

Trường hợp 1: Khi dao chưa thực hiện cắt gọt

Động cơ bước chỉ chịu tác dụng của lực ma sát:Pm/s =P μ=167.0,01 = 1,67 (N)

Động cơ quay với n = 200 vg/ph

Hình 3.9:Các lực tác dụng lên động cơLực vòng Fv được xác định theo công thức (3.6)

) ( 10 10

67 , 1 32 , 19

N t

P D

(3.25)Với n = 200vg/ph thay vào công thức (3.8) => V = 12,14 (m/ph)

lực ngang Ph

Hình 3.10:Các lực tác dụng lên động cơ

Ta có:

) ( 887 10

2 , 146 32 , 19 ) (

N t

F P D

(3.26)

+ Bước tiến dao khi thực hiện cắt gọt là 500 mm/ph;

+ Bước tiến dao khi chạy không cắt gọt là 2000mm/ph

+ Hệ số quá tải là 2.5

Hình 3.11: Các lực tác dụng lên động cơ bước trục YW1- Khối lượng đai ốc bi; W2- Khối lượng của tấm đỡ trục X; W3- Khốilượng cụm trục X; Px, Pv- Lực cắt thành phần; Fm/s- Lực ma sát

Lực (G+ Px) là lực pháp tuyến gây ra lực ma sát Khi đó momen của động cơ bước trục Y sinh ra chỉ để thắng lực ma sát và lực Pv;

Trường hợp 1: Bàn máy di chuyển không cắt gọt

Lúc này động cơ quay với tốc độ n = 200 (vg/ph) Vì chưa thực hiện cắt gọt nên chưa xuất hiện lực Px và Pv mà chỉ có trọng lượng của các chi tiết gây

ra ma sát với lực ma sát

Fm/s = G μ = 255.0,01 = 2,55 (N) (3.19)

Hình 2.18:Các lực tác dụng lên động cơThay vào (1.6):

) ( 5 , 15 10

55 , 2 32 , 19

. / 1

N t

F D

(3.20)

=> V = 12,14 (m/ph) thay vào (3.7) => NZ = 0,03 (kW) (3.21)