Nghiên cứu phương pháp chế tạo và ứng dụng cơ cấu dịch chuyển nhỏ trong thiết bị đo lường chính xác

Để đạt được kết quả đó trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp, Tôi đã nghiên cứu và giải quyết các vấn đề sau: - Tìm hiểu một số cơ cấu dịch chuyển nhỏ trong thiết bị đochính xác -

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trang 2

Ngành Chế tạo mỏy 1 Ngụ Minh Nhật

Ngày nay, khoa học kỹ thuật đang phát triển rất mạnh mẽ Nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật đã và đang được ứng dụng vào thực tiễn và đem lại nhưng lợi ích to lớn, tạo ra nhưng bước ngoặt cho nền công nghiệp

Trong công nghiệp, ngành cơ khí là ngành có vai trò vô cùng quan trọng nó đã đóng góp cho nền kinh tế thế giới phát triển như vũ bão Ngày nay, cơ khí truyền thống đã và đang được thay thế bởi các hệ thống máy móoc chính xác và linh hoạt

Việt Nam, máy có độ chính xác ứng dụng vào sản xuất trong các nhà máy còn hạn chế Với mong muốn góp phần hiện đại hoá nền công nghiệp nước nhà, Tôi đã thực hiện đề tài: Thiết kế, chế tạo, ứng dụng cơ cấu dịch chuyển nhỏ, các thiết bị Sản phẩm làm ra là ứng dụng cho ngành gia công các chi tiết nhỏ, chính xác như ngành điện tử, khoan các bo mạch một cách nhanh chóng và chính xác Sản phẩm này được tạo ra nhờ sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng thực tế trên cơ sở sản xuất

Để thực hiện đề tài này Tôi đã đi từ Cơ khí - Điện tử -Tin học, đó là tính chất của chuyên ngành đào tạo Cơ khí và điện tử Thực tế máy Router đã

được chế tạo thành công và thiết kế được mạch, xây dựng phần mềm điều khiển Để đạt được kết quả đó trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp, Tôi đã nghiên cứu và giải quyết các vấn đề sau:

- Tìm hiểu một số cơ cấu dịch chuyển nhỏ trong thiết bị đochính xác

- Xuất phát từ cơ cấu dịch chuyển nhỏ của thiết bị đo Panme, thiết kế chế tạo cơ cấu dịch chuyển nhỏ có kết hợp với điện điều khiển

- Nghiên cứu các phần mềm thiết kế, mô phỏng, ngôn ngữ lập trình

Visual Basic, kết nối trực tiếp lên máy tính để điều khiển

Do là sản phẩm đầu tay, nên không thể tránh khỏi những thiếu sót và

Trang 3

hạn chế Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn

để máy Router được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS.Nguyễn Thị Ngọc Lân đã tận tình

hướng dẫn và giúp đỡ Tôi hoàn thành tốt đề tài này Tôi cũng gửi lời cảm ơn

đến quý các thầy cô Viện Cơ khí, cũng như Viện sau đại học đã giúp đỡ tạo

điều kiện tốt nhất cho Tôi có thể hoàn thành được đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm2011

Trang 4

Ngành Chế tạo máy 3 Ngô Minh Nhật

số, thành các dịch chuyển cơ khí chính xác theo các tín hiệu xung số Như vậy để thực hiện đề tài này tôi đã thiết kế chế tạo một cơ cấu đảm bảo lượng dịch chuyển nhỏ

Trong sản xuất cơ khí chính xác đòi hỏi đơn vị đo không chỉ ở mm mà còn đo những chi tiết có kích thước rất nhỏ từ 0.5 đến 0.01, với các kích thước này người ta

đã chế tạo được các thiết bị đo như thước cặp, panme có độ chính xác 0.01 Chúng

ta nhận thấy hiện nay các thiết bị đo luôn đi trước và thực hiện được công việc đo còn chính xác hơn rất nhiều và công nghệ nano hiện nay đang được các nước tiến tiến trên thế giới thực hiện Ở Việt Nam hiện nay cũng có các công ty liên doanh nước ngoài thực hiện công nghệ nano nhưng nó chỉ có trong một vài ngành, còn các ngành sản xuất khác vẫn đang sản xuất bằng công nghệ truyền thống Vậy thì độ chính xác để đạt được khi gia công 0.05 cũng là vấn đề khó, để giải quyết việc này Tôi thực hiện đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo cơ cấu dịch chuyển nhỏ đáp ứng được độ chính xác 0.05 – 0.001 Như vậy để đạt được các chỉ số chính xác này đòi hỏi chế tạo máy phải hết sức chính xác

1.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài – phạm vi ứng dụng

Mục đích nghiên cứu của đề tài nhằm khẳng định được trình độ thiết kế chế tạo

cơ khí của chúng ta về lượng dịch chuyển nhỏ đáp ứng được nhu cầu phát triển của

xã hội Hiện nay các cơ cấu lượng dịch chuyển nhỏ có thể được ứng dụng vào rất nhiều các lĩnh vực trong sản xuất: Trong ngành điện tử, gia công mỹ nghệ gia công

Trang 5

cơ khí và lĩnh vực quảng cáo Qua nhu cầu thực tế hiện nay của sản xuất Việt Nam đòi hỏi sản phẩm đạt độ chính xác cao do đó tôi đã thiết kế chế tạo cơ cấu lượng dịch chuyển nhỏ áp dụng cho các thiết bị chính xác

1.3 Những luận điểm cơ bản của luận văn

- T×m hiÓu mét sè c¬ cÊu dÞch chuyÓn nhá trong thiÕt bÞ ®o chÝnh x¸c

- XuÊt ph¸t từ c¬ cÊu dÞch chuyÓn nhá cña thiÕt bÞ ®o Panme, thiÕt kÕ chÕ t¹o c¬ cÊu dÞch chuyÓn nhá cã kÕt hîp víi ®iÖn ®iÒu khiÓn

- Thiết kế chế tạo cơ cấu dịch chuyển nhỏ nằm trong khoảng 0.5 - 0.001mm

- Đánh giá được năng lực thiết kế chế tạo các thiết bị có độ chính xác cao

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Từ thực tiễn sản xuất chúng ta thấy để kiểm tra và đánh giá được một sản phẩm

cơ khí về độ chính xác trước tiên ta phải có thiết bị đo có độ chính xác cao hơn hẳn một cấp chính xác, do vậy để gia công được các chi tiết có độ chính xác càng cao thì việc máy móoc thiết bị để chế tạo phải rất chính xác và để đạt được độ chính xác như dụng cụ đo hiện nay thước cặp, panme và cò cao hơn có thể đo được 0.05 – 0.002mm là rất khó Để làm được việc đó chỉ có cách ta thiết kế chế tạo được cơ cấu dịch chuyển nhỏ trên cơ sở của cấu tạo, nguyên lý panme do vậy ta đi tìm hiểu nghiên cứu các cơ cấu dịch chuyển nhỏ

Trang 6

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN LƯỢNG DỊCH CHUYỂN NHỎ

1.1 Cơ cấu dịch chuyển nhỏ

Chúng ta đã biết cơ cấu dịch chuyển nhỏ là cơ cấu có vai trò rất quan trọng trong các thiết bị cơ khí Nó là cơ cấu mà chúng ta đã sử dụng để chế tạo các bộ phận dịch chuyển chính xác của thiết bị đo cũng như các thiết bị vi tinh chỉnh khác trong các máy gia công chính xác Các cơ cấu dịch chuyển nhỏ được sử dụng bao gồm:

- Cơ cấu cam hướng kính

- Cơ cấu cam mặt đầu

- Cơ cấu vít đai ốc

- Cơ cấu bánh răng kết hợp đòn bẩy

- Cơ cấu ci sai

- Cơ cấu đòn – bản lề

- Tinh thể pháp điện

- Giãn nở nhiệt

1.2 Cơ cấu cam hướng kính:

- Nuyên tắc làm việc của cơ cấu: Bề mặt đầu dịch chuyển được tì vào

bề mặt cam,

khi cam quay quanh tâm, bề mặt đầu chuyển động tì lên mặt cam và tịnh tiến lên xuống theo biên dạng mặt cam Do biên dạng cam là liên tục nên cơ cấu này tạo dịch chuyển rất nhỏ cỡ micromet

Để tạo ra dịch chuyển nhỏ cho đầu dịch chuyển thì cam quay góc nhỏ điều này phụ thuộc vào biên dạng của cam

- Ưu điểm nhỏ gọn dễ chế tạo…

- Nhược điểm: dễ trượt khỏi điểm điều chỉnh khi khóa điều chỉnh tế vi kém, với cơ

Trang 7

cấu này ta chỉ dịch chuyển được lượng dịch chuyển là 0.1 mm nên không linh hoạt trong quá trình điều chỉnh Nếu biên dạng cam dịch chuyển được lượng 1micromet góc quay của cam là

(0.1 10090 ) 0.90

∗ đây là góc nhỏ rất khó để

thực hiện chính xác Nên cơ cấu này ta không chọn

1.3 Cơ cấu cam mặt đầu

- Nguyên lý của cơ cấu cam mặt đầu là trên một cam có hình nêm với góc nêm nhỏ được di chuyển trong một sống trượt thông qua một vít được gắn trực tiếp trên cam theo phương ngang với bước nhỏ khi đó ta vặn vít thì cam tiến khí vít tiến một góc thì cam tiến một lượng 1micromet 1.360 3.60

dịch chuyển nhỏ và chỉ làm việc một nửa hành trình Thông thường muốn tăng tỷ

số truyền ta phải tăng thêm cấp truyền điều này làm cho cơ cấu cồng kềnh phức tạp không phù hợp

1.4 Cơ cấu ren bước nhỏ:

- Nguyên lý làm việc của ren và đai ốc là: Quay một vòng trục vít thì đai ốc tiến

được một lượng chính là bước của ren Vậy bước ren càng nhỏ thì lượng dịch của đai ốc càng nhỏ

- Ưu điểm: hiệu suất cao, độ bền cao dùng để điều chỉnh chính xác hệ thống của

dụng cụ, có độ chính xác dẫn động cao kết cấu êm, hành trình lớn có tính tự hãm cao, cơ cấu này được dùng rộng rãi

Trang 8

được bước ren

nhỏ đến micromet Muốn dịch chuyển được lượng micromet thì phải chế tạo các cơ cấu vạch làm sao có thể điều chỉnh được lượng dịch chuyển rất nhỏ đó

Còn rất nhiều các cơ cấu khác có các ưu nhược điểm khác nhau được áp dụng vào từng vị trí nhằm khai thác các tính năng ưu điểm của các cơ cấu này Nhưng với nội dung nghiên cứu của Tôi là đi sâu tìm hiểu và thiết kế cơ cấu dịch chuyển nhỏ bằng vít me đai ốc bắt nguồn từ nguyên lý cấu tạo của dụng cụ đo Panme

Trang 9

CHƯƠNG 2

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ REN VÍT

2.1 Cơ sở nghiên cứu

Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan trên về các cơ cấu dịch chuyển nhỏ trong đó có

cơ cấu dịch chuyển nhỏ bằng vít me và đai ốc là một trong những cơ cấu được ứng dụng nhiều, có nhiều ưu điểm, các nhược điểm ta có thể hạn chế được Trước tiên ta bắt đầu nghiên cứu khai thác công nghệ chế tạo dụng cụ thước panme :

Panme là một dụng cụ đo đường kính : đo ngoài , đo lỗ

Với các số đo giới hạn khác nhau: Panme 0-25; 25 - 50; 50 – 75; …

Có độ chính xác tùy nhà thiết kế có loại chính xác 0.01 hoặc có loại chính xác 0.001 Nguyên lý của Panme như sau:

Trên thân thước di động người ta gia công một loại ren có bước ren nhỏ có S = 0.5 với bước ren này chúng ta thấy khi ta quay một vòng của của trục ren thì trục tiến được một lượng là 0.5 Nhưng để có thể đo được lượng dịch nhỏ hơn 0.5 thì ta phải chia chu vi đường tròn của thân thước ra làm nhiều phần cụ thể ở thước Panme

có độ chính xác 0.01 thì chia chu vi đường tròn ra làm 50 phần bằng nhau và như vậy khi ta đo trên thân thước sẽ đọc được các phần thập phân trên bằng cách quan sát vạch nào của vạch chia trùng với đường chuẩn thì vạch đó có giá trị thập phân

Trang 10

- Khi ta muốn có lượng dịch chuyển nhỏ thì bước ren của vít phải nhỏ cho nên ta khó chế tạo được các chi tiết có bước ren nhỏ như vậy

- Vòng tròn chia các phần để đọc các phần thập phân nhỏ cho nên không chia được

vòng tròn đó ra thành các phần nhỏ hơn nếu muốn chia vòng tròn đó thành nhiều phần hơn thì ta phải sử dụng một vòng chia có kích thước lớn hơn, chia được nhiều phần hơn đảm bảo độ chính xác nhưng nó lại cho ta một kích thước tương đối cồng kềnh

Công thức để tính lượng dịch chuyển của thân thước là:

S = 0.5mm

Trang 11

Chia vòng tròn thân thước thành 50 phần

Một vòng quay của thân thước thì thân thước tiến được một lượng 0.5

Do vậy một phần của thân thước được chia là x:

0.5 0.01 50

Trên thực tế để chế tạo và ứng dụng được điều này thật là khó vì:

- Trước tiên chúng ta phải chế tạo được một trục ren có bước ren nhỏ có S = 0.5mm

- Có đai ốc điều chỉnh khe hở, bên cạnh đó còn có bộ phận cóc áp lực để ckhi vặn với bước ren nhỏ vừa đủ lực

- Ta phải thiết kế bộ phận vi tinh chỉnh của thước bằng các chia đường tròn của đai ốc thành nhiều phần bằng nhau, càng nhiều phần thì thiết bị càng chính xác Nếu ta chia đường tròn đó thành:

- 50 vạch thì ta được lượng dịch của trục vít là 0.5 0.01

Động cơ bước có thể thực hiện quay một vòng tròn 3600 nhờ các tín hiệu xung nhận được thông qua mạch điều khiển, Với động cơ bước có các loại 0.720 , 1.80Tức là khi động cơ nhận được một tín hiệu xung thì động cơ quay đi một góc là

Trang 12

200 xung hoặc 500 xung nên ta chia đường tròn đó thành:

- 200 xung thì ta được lượng dịch của trục vít là 0.5 0.0025

- Cơ cấu cơ khí ta chọn vít me- đai ốc có bước ren S = 0.5mm

- Bộ phận vi tinh chỉnh ta sư dụng bằng bộ vi điều khiển với động cơ bước có góc quay là 0.720

Kết luận: Dựa vào nguyên lý trên ta có

thể khẳng định được với cơ cấu dịch

chuyển nhỏ trên ta có thể dịch chuyển

được lượng nhỏ là 0.001mm

Nhưng trên thực tế để chế tạo được các

thiết bị trên kiểm chứng về kết quả trên tôi

đã chế tạo cơ cấu dịch chuyển nhỏ với vít

me – đai ốc bi có bước S = 5mm, động cơ

có có góc quay là 1.80 vì máy yếu tố sau:

- Điều chỉnh sai số lũy tiến của ren vít

trên thiết bị này với tốc độ quay thì không

Trang 13

- Vít me ta phải gia công được có độ chính xác cao, không có độ rơ lũy tiến của đai ốc Để có được cơ cấu vít me này ta nên chọn loại ren mà hiện nay trên thị trường đang bán đó là vít me – đai ốc bi có độ chính xác rất cao, độ rơ rất nhỏ so với lượng dịch chuyển nhỏ này ta coi là không có

Để chia lượng tiến của ren vít me – đai ốc bi có bước ren là S =5mm, thành độ chính xác x = 0.025mm một vạch thì vòng tròn chia của phần chia thập phân phải chia được 200 vạch vì:

5

0.025 200

Cứ 1xung nhận được động cơ quay 1 góc là 1,80

Ta truyền vào động cơ 200 xung thì động cơ quay cho ta đúng 1 vòng 5mm

Và toàn bộ phần thực hiện chia phần thập phân được thực hiện trên phần mềm Bởi vậy ta tính toán thiết kế cho hai phần sau:

- Tính toán bộ truyền vít me – đai ốc

- Tính toán bộ điều khiển điện tử

Trang 14

Hình 3.3.1:Mô hình truyền động vít me-đai ốc

2.1.2.Tính toán kiểm nghiệm bộ truyền vít me

Thay vì chúng ta kiểm nghiệm tất cả hai truc X,Y, ta chỉ kiểm nghiệm bền cho trục X.Vì trục X chụi tác dung lực là lớn hơn trục Y

2.1.3 Kiểm nghiệm bền cho trục X

- Tải trọng riêng dọc trục được xác định theo công thức:

qa =

λ

2

Fa : Lực dọc trục Fa = Z = 267,3(N)

Zb : Số bi trên các vòng ren làm việc

1 ư

Z π

Với: Dtb:đường kính vòng tròn qua các tâm chia.Dtb =10 (mm)

K: số vòng ren làm việc.K = 4

db: đường kính bi.db = 2(mm)

Trang 15

2

4 10 14

3 , 267

2 = 1,34(MPa) Dựa vào đồ thị (8.10) - tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí lấy ứng suất lớn nhất

max

σ =1400(MPa)

Trị số trên phải thoả mãn điều kiện: σmax ≤ [σ ] max

Vì trục vít me đã được tôi hoá bề măt nên [σ ] max ≈5000(MPa)

)(5000]

[)(

Vậy vít me trục X an toàn

2.1.4 Kiểm nghiện độ bền trục vít me trục Z

- Tải trọng riêng dọc trục được xác định theo công thức:

qa =

λ

2

Fa : Lực dọc trục Fa = Z = 1497(N)

Zb : Số bi trên các vòng ren làm việc

1 ư

Z π

Với: Dtb:đường kính vòng tròn qua các tâm chia.Dtb =8 (mm)

1497

2 = 12,9(MPa)

Trang 16

Lấy ứng suất lớn nhất σ =2900(MPa) max

Trị số trên phải thoả mãn điều kiện: σmax ≤ [σ ] max

Vì trục vít me đã đ−ợc tôi hoá bề măt nên [σ ] max ≈5000(MPa)

)(5000]

[)(

2.2 Tớnh toỏn bộ điều khiển điện tử

Thiết kế mạch điều khiển trung tõm MCU PIC 18F4550

Yờu cầu thiết kế

Thiết kế được mạch MCU cú đủ đầu ra để điều khiển 3 Stepping Motor, 1 Relay đúng cắt động cơ Cú hệ thống nỳt bấm – Panel - để điều khiển bằng tay mỏy CNC Thực hiện được việc giao tiếp mỏy tớnh qua cổng USB

2.2.1 Sơ đồ khối mạch MCU

Hỡnh 4.8 Sơ đồ khối mạch MCU

Khối PC: Giao tiếp mỏy tớnh qua RS232, Phần mềm điều khiển trờn mỏy

C710

MMC

Motor

Motor X,Y,Z Step Motor (DRV8811)

POWER

Trang 17

Khối Keyboard: Điều khiển bằng tay di chuyển tọa độ, khởi động – dừng

Khối hiển thị: Hiển thị trên LCD20x4

Khoan trục chính: Động cơ DC – sử dụng IC Driver DRV8842 or DRV8829

Di chuyển X,Y,Z: Di chuyển các trục sử dụng động cơ bước, dùng IC Driver

DRV8811(Step Motor Driver) hoặc IC DRV8832 (Step Motor Driver) và MSP430 (Step Control Driver)

Power: Nguồn DC24V (8-10A), 5V (1A)

Tính toán các đầu vào ra cho MCU

CNC Router gồm có 3 Stepping Motor và 1 DC trục chính

Mỗi Stepping Motor được điều khiển bằng 3 tín hiệu : Clk, Dir, Ena

Tín hiệu Clk tạo ra xung điều khiển cho Stepping Motor Tại mỗi sườn lên của tín hiệu Clk thì sẽ là cho động cơ quay 1 góc

Tín hiệu Dir để chọn chiều quay cho động cơ

Tín hiệu Ena để cho phép động cơ hoạt động hay không

Như vậy sẽ cần 9 đầu ra cho cả 3 Stepping Motor

Động cơ cắt trục chính được điều khiển qua một Relay đóng cắt được điều khiển bằng một tín hiệu từ MCU

Hình 4.9 Jump kết nối tới Stepping Motor

Trang 18

Hình 4.10 Sơ đồ mạch giao tiếp USB

Cần lưu ý khi đi dây mạch truyền thông USB, hai dây tín hiệu điều khiển D+và D- cần nằm trên một lớp của mạch Vì tốc độ truyền thông qua cổng USB rất nhanh nên trong quá trình truyền rất có khả năng xẩy ra nhiễu

Trang 19

OutPulse (Y) Count Y ++

Trang 20

2.2.3 Phân tích thuật toán nội suy đường tròn bằng phương pháp SA

Trong quá trình hoạt động của mình, MCU sẽ đọc lần lượt từng câu lệnh được truyền xuống qua cổng USB.Sau khi đã nhận xong toàn bộ dữ liệu cần thiết, MCU

sẽ chờ để nhận lệnh gia công : nội suy đường thẳng hay đường cong Thuật toán nội suy đường cong sẽ được thực hiện theo trình tự sau:

Bước 1: Giá trị tọa độ các điểm đầu, điểm cuối và bán kính của cung tròn sẽ

được nhập vào cho chương trình nội suy

xs = xf; ys = yf;

xf = X; yf = Y;

Giá trị tọa độ điểm đầu mới (xs,ys) sẽ được gán với giá trị tọa độ điểm cuối cũ

(xf,yf) Giá trị tọa độ điểm cuối mới sẽ được gán với giá trị của tọa độ điểm mới

nhập vào (X,Y)

Bước 2 : Trên lí thuyết, quá trình nội suy sẽ được dừng lại khi tọa độ của biến

trung gian (xi,yj) trùng với tọa độ điểm cuối (xf,yf) Tuy nhiên trên thực tế thì độ

chính xác của mã lệnh G-code là tương đối lớn (chính xác tới ‰) nên khi thực hiện thuật toán nội suy có thể sẽ dẫn đến vòng lặp vô tận Để giải quyết vấn đề này, chúng ta chọn phương pháp : chỉ cho động cơ chạy giới hạn trong một số xung nhất định được tính toán trước

Trang 21

const_vitme_x = const_vitme_x = 400/4 = 100

Bước 3 : Lựa chọn góc phần tư Tùy thuộc vào công việc nội suy đang được

thực hiện trên góc phân tư nào của đường tròn mà chiều quay của mỗi động cơ là khác nhau (Xem bảng 3.4 – chương 3)

Giá trị góc phần tư sẽ được xác định dựa vào tọa độ điểm đầu với điểm cuối (cụ thể xem chương trình) Giá trị tọa độ của điểm tâm cung tròn sẽ được tính toán đồng thời với các góc phần tư

MCU cũng sẽ thiết lập luôn giá trị đầu ra quy định chiều của Stepping Motor

HIGH(dir_X);LOW(dir_Y);…

Bước 4 : Vòng lặp nội suy

while((xi != xf)||(yj != yf))

{

// đoạn chương trình nội suy cho tới vị trí điểm cuối

};

2.2.4 Module hỗ trợ giao tiếp USB của MCU với firmware

Trong công cụ lập trình MPLAB có cung cấp cho chúng ta một số các thư viện

hàm hỗ trợ cho giao tiếp cổng USB như : pic18_usb.h, usb_hid_4550.h,

usb.c…Chúng ta chỉ cần Add các thư viện hàm này vào trong chương trình main là

có thể sử dụng được các hàm hỗ trợ Một số hàm hỗ trợ cho giao tiếp usb :

Để khởi tạo các giá trị ban đầu cho giao tiếp USB cần sử dụng hai hàm sau :

usb_init(); và usb_init_cs(); Hai hàm này sẽ định dạng toàn bộ các chức năng của

giao tiếp USB trong PIC 18F4550

Để nhận dữ liệu từ máy tính, chúng ta sử dụng hàm : usb_get_packet()

Để truyền dữ liệu lên máy tính, chúng ta có hàm : usb_put_packet()

Một số hàm truyền hỗ trợ khác xem trong phụ lục trang

Trang 22

debug chương trình giao tiếp USB

Đặc biệt với dòng PIC18F4550 có chức năng USB connection sense pin Đoạn

code sau giúp định nghĩa chân phát hiện khi có cổng USB được kết nối (trong mạch, PIN_B2 được nối VBUS )

#if USB_PIC_PERIF && defined( PCH )

#define USB_CON_SENSE_PIN PIN_B2

#endif

Thiết kế giao diện chương trình điều khiển trên VB

Yêu cầu thiết kế

Thiết kế được một giao diện điều khiển bao gồm các chức năng điều khiển bằng tay và điều khiển tự động Điều khiển bằng tay sử dụng để điều khiển dao cắt

về vị trí gốc 0 của chương trình, có lựa chọn được tăng giảm vị trí và dải di chuyển cho mỗi trục Điều khiển tự động : load một file G-code được tạo ra từ MasterCAM hay AutoCAD, từ tự động trình dịch lấy dữ liệu trong đoạn code đó để đưa vào thuật toán nội suy

Yêu cầu thứ hai khi thiết kế giao diện trên VB là xây dựng được module truyền nhận dữ liệu qua cổng USB với mạch MCU bên ngoài

Trang 23

Giao diện chương trình điều khiển trên VB

Hình 4.12 Giao diện chương trình điều khiển trên VB

Giao diện chương trình Router CNC Programming 1.0.2 gồm có ba panel chính : điều khiển bằng tay, điều khiển tự động, hiện thị vị trí

Trong panel điều khiển bằng tay (vùng 1)gồm có các button tăng, giảm; các nút lựa chọn chức năng chuyển động của các trục, dải di chuyển, đóng mở Roley của động cơ cắt Khi lựa chọn Rate Move, ấn nút tăng giảm để lựa chọn mức tiến trong mỗi lần dịch trục;

Trong panel điều khiển tự động có các Button chức năng như : Gcode, Run, Reset; các vùng hiển thị mã Gcode (vùng 2) và câu lệnh đang thực hiện (vùng 3) Button Gcode dùng để lựa chọn đoạn mã Gcode cần dùng để thực hiện gia công Các mã Gcode có thể là đoạn văn bản txt hoặc NC Sau khi đã nạp xong mã Gcode vào cho chương trình gia công, ấn nút RUN để bắt đầu quá trình gia công Khi

Trang 24

khởi tạo lại toàn bộ giỏ trị của MCU cũng như của chương trỡnh gia cụng

Vựng 4 : hiển thị kết nối của MCU tới PC và chương trỡnh điều khiển

Vựng 5,6 : hiển thị tờn cõu lệnh đang thực hiện, cỏc trục làm việc, tọa độ của cỏc trục X,Y,Z

Vựng 7 : cỏc button chạy chương trỡnh bằng G-code

Xõy dựng một chương trỡnh điều khiển trong mụi trường AutoCAD 2004 cú khả năng scan lại được cỏc đường thẳng và đường cong trờn bản vẽ Sau đú xuất thẳng cỏc tớn hiệu điều khiển ra mỏy CNC Router mà khụng cần qua MasterCAM

Thuật toỏn điều khiển

Một bản vẽ Autocad cú thể được hỡnh thành thụng qua cỏc dự ỏn nhỳng độc lập trong Autocad VBA Thuật toỏn điều khiển được hỡnh thành như sau:

gia công của trục Z

Tọa độ điểm đầu,

điểm cuối

Số xung động cơ

và chiều quay

Tọa độ điểm đầu,

điểm cuối, tâm cung tròn, bán kính

Góc cung đầu , góc cung cuối

Yes No

Còn đối tuong mới?

End

Yes No

Trang 25

Hình 4.13 Lưu đồ thuật toán Scan đối tượng và xuất tín hiệu trong AutoCAD

Một bản vẽ được xuất ra trên Autocad, sau đó ta đọc các đối tượng trên bản vẽ Nếu đối tượng là đường thẳng, ta nhập vào tọa độ điểm đầu, điểm cuối và xuất

ra xung điều khiển để điều khiển 2 động cơ theo hai trục XY

Nếu đối tượng là cung tròn ta cũng nhập vào tọa độ các điểm đầu, điểm cuối, tâm và bán kính Sau đó đưa ra các xung điều khiển cho động cơ

Ta cần xác định xem cung tròn đó nằm ở góc phần tư thứ mấy để xác định chiều quay cho động cơ

Trước khi nội suy được các đối tượng Line hay Circle ta phải di chuyển trục Z

từ vị trí gốc tọa độ ban đầu đến vị trí cần gia công

2.2.5 Giao diện điều khiển

Hình 4.14 Giao diện chương trình điều khiển nhúng trong AutoCAD

Trong cửa sổ chính của giao diện là các đoạn mã Gcode đã được scan từ

Trang 26

các chuẩn cho riêng nó

N… : Obj >>> len-X ; len-Y ; len-Z >>> dir-X ; dir-Y ; dir-Z

- N… : thể hiện số câu lệnh thực hiện trong quá trình gia công hoặc là số đối tượng scan được trong Model Space của CAD

- Obj : đối tượng của bản vẽ : 1 = Line ; 0 = Circle

- Len-X, Len-Y, Len-Z : chiều dài di chuyển trên mỗi trục của máy

- Dir-X, Dir-Y, Dir-Z : chiều quay của các động cơ

Toàn bộ chương trình được điều khiển bằng các phím trên Keyboard Phím F1

để đọc trợ giúp Phím F5 dùng để Scan và xuất toàn bộ bản vẽ sang cho máy gia công Phím F12 để thoát khỏi toàn bộ chương trình điều khiển

2.2.6 Chương trình điều khiển

Với hai phép nội suy đường thẳng và đường tròn, máy CNC có thể tiến hành nội suy với mọi loại đường Do vậy, đề tài tập trung nghiên cứu vào hai phép nội suy này Đối với phép nội suy đường thẳng chúng ta chỉ cần lấy được giá trị tọa độ

điểm đầu (start point), tọa độ điểm cuối (end point) của đoạn thẳng (line) Còn đối

với đường tròn hay cung tròn thì ngoài tọa độ điểm đầu, tọa độ điểm cuối thì cần có

tọa độ tâm (center point), bán kính đường tròn (radius), góc đầu (start angle), góc cuối (end angle)

Trong VBA, để truy nhập vào một đối tượng ta cần xác định đúng các

Objname của nó như : AcDbLine,AcDbCircle,AcDbArc

Ví dụ :

If Objname = "AcDbLine" Then MsgBox “Đối tượng là đường thẳng”

Sau khi scan thấy đối tượng trên Model Space của AutoCAD thì VBA xuất ra một của số mới với cảnh báo : Đối tượng là đường thẳng

Trang 27

Trang 28

CHƯƠNG 3 : ỨNG DỤNG

ỨNG DỤNG CƠ CẤU TRÊN VÀO MÁY KHOAN ROUTER CNC

3.1 Giíi thiÖu kÕt cÊu vµ c«ng dông mét sè m¸y Router CNC

3.1.1 Mét sè mÉu m¸y CNC c¾t s¾t, dïng ®Çu c¾t plasma

h×nh 2.1.1 M¸y c¾t palasma

Trang 29

3.1.2.Một số mấu máy CNC loại nhỏ:(h×nh 2.1.2)

H×nh 2.1.2: M¸y CNC lo¹i nhá 3.1.3.Các mẫu sản phẩm chính của Router CNC

Hình 6.3.3.2 : Khắc chữ nghệ thật sử dụng Router CNC

Trang 30

3.2 Xõy dựng sừ bộ mụ hỡnh Router CNC

Sau tìm hiều các mẫu máy CNC, các loại dao cắt và các hệ thống truyền

động, phương thức điều khiển chúng em đã xây dựng được mô hình cơ khí phù hợp với yều cầu của đồ án bằng phân mềm Autodesk Inventor Proressional 2010 Mô hình chúng em xây dựng là loại máy CNC – Router

Kết cấu chung toàn máy: 1.Đế máy

3.2.1 Các chuyển động của máy thực hiện

Các chuyển động của máy gồm có:

Chuyển động tịnh tiến dọc trục X của dao và 2 tấm đỡ (chỉ có động cơ trục X quay) do động cơ trục X khi chạy truyền tới bộ truyền vít me đai ốc bi làm cho dao chuyển động làm cho dao chuyển động dọc trục X

Chuyển động tịnh tiến dọc trục Y của dao và cụm trục Z (chỉ có động cơ trục Y quay) do động cơ trục Y khi chạy truyền tới bộ truyền vít me đai ốc bi làm cho dao chuyển động dọc trục Y

Chuyển động tịnh tiến dọc trục Z của dao (chỉ có động cơ trục Z quay) do

động cơ trục Z khi chạy truyền tới bộ truyền vít me đai ốc bi làm cho dao chuyển

động

Các chuyển động phối hợp theo hai trục, ba trục đồng thời

Trang 31

3.2.2 .Hệ chuyển động chay dao

a) Khái quát chung và chức năng của chuyển động chạy dao

Chuyển động chạy dao là chuyển động tạo ra biên dạng của chi tiết, trong đó nội suy các lệnh ghi bằng mã số chuẩn, thành chuyển động phù hợp với tốc độ các bàn chạy dao trong máy công cụ

Hệ thống chạy dao đảm bảo chuyển động tạo hình, nên nó quyết định khả năng công nghệ (tức là kích thước, hình dạng, độ chính xác của bề mặt gia công) của máy Trên thực tế, chuyển động tạo hình có thể do dao hoặc do phôi thực hiện,

nhưng người ta quy ước trong mọi trường hợp coi bàn máy đứng yên, còn dao

chuyển động

b) Các hệ thống mạch kín và mạch hở

Truyền động chạy dao chuyển đổi các lệnh về đường dịch chuyển cùng thông số tốc độ trên đường dịch chuyển đã xác định trước trong chương trình gia công thành chuyển động phù hợp của bàn máy

Truyền động chạy dao trên các máy công cụ CNC có thể được thiết kế như là một thiết bị điều khiển vị trí kiểu mạch hở (dùng động cơ bước không có phản hồi) hoặc như điều chỉnh vị trí kiểu mạch kín (có dùng vòng phản hồi của hai hay nhiều đại lượng điều khiển)

Sơ đồ nguyên lý điều khiển mạch hở và mạch kín:

Hình 6.3.2a: Sơ đồ nguyên lý điều khiển mạch hở

Điều khiển động cơ bước

Động cơ

bươc

Trang 32

Hình 6.5.2b: Sơ đồ nguyên lý điều khiển mạch kín

Trong đó điều khiển vị trí kiểu mạch hở hoặc đặc trưng bởi một quá trình tác dụng tuyến tính, mỗi một xung tác dụng tạo ra một bước chạy dao tương ứng

Điều khiển vị trí kiểu mạch hở có thể được ứng dụng trong các trường hợp lực cản trên đường dịch chuyển ổn định hoặc không đáng kể hay không có tác dụng cản chuyển động chạy dao Trong các máy công cụ cắt gọt kim loại thường không áp dụng được kiểu mạch này vì ở đây tồn tại hàng loạt đại lượng ảnh hưởng tác động

đến lực cản trong quá trình chạy dao, do đó các máy công cụ điều khiển theo chương trình số thường ứng dụng truyền động chạy dao điều chỉnh vị trí kiểu mạch kín có phản hồi

Từ bộ nội suy, mỗi giá trị vị trí cần là đại lượng dẫn được cấp vào vòng mạch

điều chỉnh Mỗi trục điều khiển số của một máy công cụ CNC cần có một mạch

điều chỉnh vị trí Tin tức phản hồi lại được đưa vào vòng mạch điều chỉnh để tính toán các yếu tố ảnh hưởng khi gia công chi tiết Từ hệ thống đo vị trí đưa ra kết quả

so sánh là sai lệch điều chỉnh cũng là đại lượng điều chỉnh cho động cơ dẫn động Mạch điều chỉnh cần thoả mãn những điều kiện sau:

- Có độ khuếch tán tốc độ cao để giữ cho khoảng cách sai lệch điều chỉnh là thấp nhất

Trang 33

- Bộ truyền có hằng số thời gian nhỏ

- Mô men quán tính khối lượng của các bộ phận chuyển động nhỏ

- Tần số riêng về dao động cơ học cao

- Các chi tiết cơ khí nằm trong dòng truyền lực có độ bền cao

- Các yếu tố truyền động cơ khí có khe hở nhỏ

c)Nhiệm vụ của truyền động chạy dao

Nhiệm vụ chính của các hệ truyền động chạy dao là chuyển đổi các lệnh trong bộ

điều khiển thành các chuyển động tịnh tiến hay quay tròn của những bàn máy mang dao hoặc chi tiết gia công trên máy công cụ Các chuyển động tịnh tiến là các chuyển động thẳng theo phương ba trục toạ độ của không gian ba chiều, còn các chuyển động quay tròn là các chuyển động xung quanh các trục toạ độ này

Chuyển động chạy dao là chuyển động dịch chuyển tương đối giữa dao và chi tiết theo một phương trình xác định và phải đảm bảo được tốc độ cắt

Truyền động chạy dao phải đảm bảo dịch chuyển của dụng cụ cắt theo quỹ đạo và

đảm bảo các yếu tố: biên dạng đường cắt, biên dạng của dụng cụ cắt và các yêu cầu chi tiết gia công khác phải đạt được, do đó sẽ có các động cơ khác nhau điều khiển chuyển động cắt

Hệ truyền động chạy dao của một máy công cụ CNC phải thể hiện được những tính chất sau đây:

+ Có tính động học cao: nếu đại lượng dẫn biến đổi, bàn máy phải theo kịp biến đổi đó trong khoảng thời gian ngắn nhất

+ Có độ ổn số vòng quay cao: khi các lực cản chạy dao biến đổi, cần hạn chế tới mức thấp nhất ảnh hưởng của nó đến tốc độ chạy dao, tốt nhất là không ảnh hưởng gì Ngay cả khi chạy dao tốc độ nhỏ nhất cũng đòi hỏi một quá trình tốc độ

ổn định

+ Phạm vi điều chỉnh số vòng quay lớn

+ Phải giải quyết được cả độ phân giải kích thước nhỏ nhất (≤ 1àm)

d) Cơ sở tính toán cho chuyển động chạy dao

Trang 34

F = àπ β

βà

π

sec

.2

m m

v m d d

t d T

+

ư

( CT 5-2 [4] ) Trong đó: à- hệ số ma sát giữ vít me và đai ốc;

β- Góc nghiêng của biên dạng ren;

tv - bước vít me, mm;

3.2.3 Cấu trúc của máy

Đế và bàn máy: Để tăng độ chịu tải, tăng độ cứng vững, khả năng tự cân bằng

và dễ cho quá trình chế tạo Tôi chọn thép C45 làm vật liệu chế tạo

- Thân máy: Là phần gánh cả kết cấu dẫn động và động cơ đầu cắt Nhưng do máy chế tạo là loại nhỏ, vật liệu gia công có độ cứng không cao nên ta chọn nhôm hợp kim A6061 là vật liệu chế tạo chính

- Cơ cấu dẫn động: đây là bộ phận quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm gia công Để giảm sai số gia công, ma sát truyền động và thuận tiện cho quá trình điều khiển ta sử dụng các thanh trượt bi, vít me đai ốc bi và kết cấu khớp mềm nối trực tiếp tới trục động cơ dẫn động Động cơ đầu cắt dùng động cơ

DC còn động cơ dẫn động các trục là các động cơ bước

-Khối đế máy được làm bằng thép có gắn động cơ trục X, trên khối đế máy có gắn hai thanh trượt bằng thép

-Mặt bàn máy làm bằng thép, trên bàn máy có cơ cấu kẹp phôi

-Hai thanh đỡ cụm trục Z và trục Y được làm bằng nhôm hợp kim,trên có gắn động cơ trục Y, hai thanh giằng làm bằng thép trên có gắn hai thanh trượt

-Khối trục Z làm bằng thép mang đầu dao cắt

3.3 Phương án lựa chọn đầu cắt

3.3.1.Giới thiệu về cỏc loại ðầu cắt

Mỏy CNC được thiết kế trong đồ ỏn là mụ hỡnh mỏy cnc 3D, được ứng dụng trong việc cắt gọt vật liệu tấm như : xốp, gỗ, cỏc vật liệu phi kim, vật liệu kim loại như nhụm, sắt…Với nhưng ứng dụng trờn, trờn thực tế ta cú thể sử dụng nhiều loại đầu cắt khỏc nhau, tuỳ thuộc vào yờu cầu cụng nghệ, tớnh kinh tế mà ta cú thể chọn

Trang 35

sử dụng các loại đầu cắt sau: cắt bằng laser, cắt bằng tia lửa điện, cắt dây tia lửa điện, cắt bằng tia nước, cắt bằng plasma, cắt bằng dao phay…

+ Ưu điểm:

- Gia công được các vật liệu có độ cứng tuỳ ý

- Điện cực có thể sao chép hình dạng bất kỳ, chế tạo và phục hồi các khuôn dập bằng thép đã tôi

- Chế tạo các lưới sàn, rây bằng cách gia công đồng thời các lỗ bằng những điện cực rất mạnh

- Gia công các lỗ có đường kính rất nhỏ, các lỗ sâu với tỷ lệ chiều dài trên đường

- Phôi và dụng cụ (điện cực) đều phải dẫn điện

- Vì tốc độ cắt gọt thấp nên phôi trước gia công EDM thường gia côgn thô trước

- Do nhiệt độ tại vùng làm việc cao nên gay ra biến dạng nhiệt

- Do phải sử dụng dung dịch điện môi nên cần thêm thiết bị sử lý nước thải

3 3.2 Cắt bằng tia laser

Laser là chum ánh sang đơn sắc, có độ hội tụ chính xác để tạo ra chïm năng lượng

có cường độ rất cao Laser rất linh hoạt và không có quán tính, có thể điều khiển rất dễ dàng và nhanh chóng về cường độ và hướng nhờ hệ thống điều khiển bằng máy tính Laser có thể được dung để khoan, cắt cũng như để hàn xử lý và trạm khắc

+ Ưu điểm:

- Cắt và hàn nhanh chóng

- Chất lượng bề mặt cao

Trang 36

- Giảm tổn thất vật liệu

- Linh hoạt và có thể điều khiển

- Vết cắt có thể bắt đầu ở bất kỳ chỗ nào mà không cần khoan mồi trước

- Gia công đạt độ chính xác cao

+ Nhược điểm

- Chi phí vốn cao hạn chế tuyến quan sát

- Khi gia công một số kim loại, đặc biệt là thép không rỉ khí thải ra có thể là vấn

đề Khí thải khi cắt bằng tia laser bao gồm các loại khí đặc trưng (như: ozon, nitơ, voc và son khí), các khí độc hại (Mn, Zn), các khí trung tính (Ni, Co, PAH) Khi cắt các loại thép không rỉ có them một số loại khí thải độc hại khác

- Không gia công được các vật liệu phản quang như : nhôm, đông…

3.3.3.Cắt bằng dao phay

Đây là phương pháp gia công truyền thống sử dụng dao phay để gia công cắt gọt, trong đó dụng cụ cắt quay tròn tạo nên chuyển động cắt Chuyển động tiến dao thông thường do máy cũng có khi do dao hoặc cả máy và dao thực hiện theo các hướng khác nhau

Do đặc tính gia công phay dùng dao phay không liên tục nên lực cắt dao động và lưỡi cắt chịu tải trọng và đập gây ra dung động trong quá trình phay Vì thế máy cần được chế tạo sao cho có độ cứng vững cao

Dao phay có nhiều loại khác nhau như dao phay trụ, dao phay mặt đầu, dao phay đĩa (1, 2 hoặc 3 mặt), dao phay ngón, dao phay lăn răng, dao phay định hình…

+ Ưu điểm

- Đơn giản dễ sử dụng và chế tạo

- Dễ dàng trong việc thay thế vào bảo trì

- Không cần hệ thống điều khiển

- Gia công được nhiều loại vật liệu: gỗ, phi kim, kim loại như nhôm, sắt…

- Chi phí thấp

+ Nhược điểm

Trang 37

- Độ chính xác không cao

- Đường cắt lớn nên không gia công được những chi tiết nhỏ, lỗ nhỏ

- Không gia công được vật liệu cứng, thép sau tôi…

3.4 Kết luận:

Do điều kiện thực tế về tài chính và công nghệ nên trong luận văn này Tôi quyết định sẽ sử dụng đầu cắt cơ khí, và cụ thể ở đây là sủ dụng dao phay ngón Như vậy việc tính toán thiết kế và chọn công suất động cơ Tôi sẽ tính theo phường án khi sử dụng đầu cắt cơ khí Khi đấy khung cơ khí là vững chắc nhất, công suất động cơ chọn là lớn nhất và hoàn toàn có thể sử dụng cho các đầu cắt đặc biệt khác

Trang 38

ChƯƠNG 4

tính toán động học và lựa chọn kết cấu

4.1.Yêu cầu thiết kế

- Thiết kế mô hình máy CNC 3D loại nhỏ

- Thông số kỹ thuật đạt được dự kiến sau chế tao:

- Tốc độ dịch chuyển lớn nhất truc X: 450 (mm/phút)

- Tốc độ dịch chuyển lớn nhất truc Y: 450 (mm/phút)

- Tốc độ dịch chuyển lớn nhất truc Z: 450 (mm/phút)

4.1.4.Động cơ:

- Động cơ đầu cắt: động cơ DC 3 pha xoay chiều

- Động cơ điều khiển X,Y,Z: động cơ bước

4.2 Tính toán công suất động cơ

4.2.1 Chọn động cơ đầu cắt

Để chọn động cơ ta phải chọn khi mômen xoắn trên trục Z là lớn nhất (hay lực dọc trục là lớn nhất) Khi đấy ta có thể coi máy làm việc như ở chế độ khoan

a) Lực chiều trục khi khoan

Lực chiều trục khi khoan được thể hiện như hình 3.1

Trang 39

Hình 3.1:Lực chiều trục khi khoan

Lực chiều trục khi khoan được xác định theo công thức:

p y q

S : lượng chạy dao khi khoan

Kp: hệ số hiệu chỉnh khi tính chất cơ lý của vật liệu khác với điều kiện đang xét q; y : chỉ số mũ xét đến ảnh hưởng của đương kính dao, lượng chạy dao

Ta thấy lực P0 tỷ lệ thuận với đường kính dao D, vì vậy ta chọn dao có đường kính lớn nhất để tính

Trang 40

⇒αz = arctg(

10 2

3

) = 8,50Z1 = Z.cos8,50 = 1478.cos8,50 = 1461,7 (N)

⇒Mômen xoắn tác dụng lên vitme (trục động cơ):

Do dùng bộ chuyền khớp nối, tỷ số chuyền uz = 1

MDCZ =

1000 2

'.d z Z

=

1000 2

10 56 , 360

= 1,8 (N.m)

Tốc độ quay trục Z lớn nhất :

ax 450

90( / ỳt)5

z z

Định dạng
Số trang	109
Dung lượng	2,33 MB