Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ mà quyết liệt của công nghệ số và điều khiển tự động, những thao tác thủ công, bằng tay, sức lực của con người, những máy móc thuần cơ khí dần dầ
Trang 1ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Người hướng dẫn: PGS.TS TRẦN XUÂN TÙY
Sinh viên thực hiện: PHAN ĐÌNH NHẬT TIẾN
Trang 2LỜI NÓI ĐẦU v
LỜI CẢM ƠN vi
LỜI CAM ĐOAN vii
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 8
1 Khái quát về máy công cụ CNC 8
1.1 Sơ lược về CNC 8
1.2 Đặc điểm phân loại máy CNC 9
1.3 Nguyên lý vận hành 10
1.4 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC 11
2 Đề tài máy CNC phay mạch 11
2.1 Lý do chọn đề tài 11
2.2 Giới thiệu chung về sản phẩm 12
2.3 Sơ đồ phần cứng hệ thống 13
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 14
1 Lựa chọn phương án di chuyển các trục 14
1.1 Phôi cố định 14
1.2 Phôi di chuyển trên trục Y, dao và động cơ di chuyển trên trục Z 14
1.3 Trục Z cố định, phôi di chuyển 14
1.4 Kết luận 14
2 Lựa chọn cơ cấu truyền động 14
2.1 Vít me đai ốc 14
2.2 Truyền động đai 15
2.3 Kết luận 16
3 Các thành phần cơ khí 16
3.1 Vít me 16
3.2 Bánh V-slot 16
3.3 Nhôm Aluminum V-slot 17
3.4 Pad gá động cơ và cơ cấu chấp hành 17
3.5 Pulley đai răng 19
3.6 Dây đai răng 20
Trang 33.9 Động cơ trục chính (Spindle) 24
3.10 Biến tần 25
4 Tính toán thiết kế hệ thống 25
4.1 Tính chọn động Spindle và động cơ bước 25
4.2 Tính toán kết cấu máy 30
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN 39
1 Sơ đồ mạch điện 39
2 Tổng quan các linh kiện trong mạch: 40
2.1 Arduino Uno 40
2.2 CNC Shield V3 42
2.3 Driver Stepper Motor A4988 43
2.4 Module Relay cách ly quang 46
2.5 Công tắc hành trình 47
3 Kết nối mạch thực tế 47
3.1 Lắp mạch 47
3.2 Mạch thực tế 51
CHƯƠNG 4: PHẦN MỀM VÀ LẬP TRÌNH 52
1 Phần mềm 52
1.1 Altium Designer 52
1.2 Copper Cam 56
1.3 Arduino IDE 60
1.4 Universal Code Sender 62
1.5 Creo 3.0 68
2 Lập trình 71
2.1 GRBL 71
2.2 G-code 73
KẾT LUẬN 78
Ưu nhược điểm của sản phẩm: 79
Hướng phát triển đề tài: 80
Tài liệu tham khảo 81
Trang 4MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Mô hình điều khiển DNC 8
Hình 1.2: Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM 9
Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC 11
Hình 1.4: Sơ đồ phần cứng hệ thống 13
Hình 2.1 : Vít me T8 16
Hình 2.2: Bánh V-Slot 16
Hình 2.3 : Nhôm V-slot 20x40 17
Hình 2.4 : Pad gá trục X 17
Hình 2.5 : Pad gá trục Y 18
Hình 2.6 : Pad gá trục Z 18
Hình 2.7 : Pad gá Spindle 18
Hình 2.8 : Pulley GT2 20 tooth 8mm 19
Hình 2.9 : Thông số kỹ thuật của Timing belt GT2 20
Hình 2.10 : Ổ bi F608Z 20
Hình 2.11 : Động cơ bước 21
Hình 2.12: Spindle 24
Hình 2.13: Biến tần dùng cho Spindle AC 25
Hình 2.14: Spindle 300W 26
Hình 2.15: Thông số kỹ thuật K23-K255U 29
Hình 2.16: Cơ cấu trục dẫn động Y 30
Hình 2.17: Biểu độ nội lực trục Y 31
Hình 2.18: Cơ cấu dẫn động trục X 32
Hình 2.19: Biểu đồ nội lực trục X 33
Hình 2.20: Cơ cấu chấp hành trục Z 34
Hình 2.22: Thông số kỹ thuật đai GT2 37
Hình 3.1: Sơ đồ mạch điện 39
Trang 5Hình 3.4: Sơ đồ mạch nguyên lý Shield 43
Hình 3.5: Driver A4988 44
Hình 3.6: Datasheet A4988 45
Hình 3.7: Kết nối giữa A4988 – CNC Shield – Uno 46
Hình 3.8: Module Relay 1 kênh 46
Hình 3.9: Công tắc hành trình SS – 5GL999 47
Hình 3.10: Sơ đồ lắp mạch 48
Hình 3.11: Sơ đồ chân 49
Hình 3.12: Sơ đồ nối jumper 50
Hình 3.13: Mạch thực tế 51
Hình 4.1: Bàn máy 68
Hình 4.2: Trục X 69
Hình 4.3: Trục Y 69
Hình 4.4: Trục Z 70
Hình 4.5: CNC phay mạch 70
Hình 4.6: Mạch được phay ở máy 73
Hình 5.1: Trục x và z 78
Hình 5.2: Phía trên máy 78
Hình 5.3: Bánh xe, pulley và dây đai 79
Hình 5.4: Mặt trước của máy 79
Trang 6Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ mà quyết liệt của công nghệ số và điều khiển tự động, những thao tác thủ công, bằng tay, sức lực của con người, những máy móc thuần cơ khí dần dần được thay thế bằng những công cụ điều khiển tự động được lập trình sẵn mà dễ dàng thao tác nhưng mang lại năng suất và hiệu quả cao
Trước đây việc gia công cơ khí được thực hiện hoàn toàn trên các máy cơ như : Tiện cơ, phay cơ Việc gia công như thế này rất tốn kèm thời gian và năng xuất không được cao để vận hành các loại máy này đòi hỏi một máy phải có một thợ Điều này đồng nghĩa các sản phẩm tạo ra sẽ không nhiều, hơn nữa độ chính xác sẽ không cao, dẫn đến hiểu quả kinh tế không được cao
Sau một thời gian cải tiến máy CNC đã ra đời nhằm khắc phục những khuyết điểm trên các máy cơ, Công nghệ CNC được hiểu nôm na là quá trình gia công được điều khiển bằng máy tính Để sử dụng việc bạn cần làm là thực hiện quá trình gia công trên máy tính bằng các phần mềm CAM Sau khi quá trình gia công trên máy tính đã hoàn thành thì phần mềm sẽ xuất ra code NC của quá trình gia công và việc cần làm bây giờ là chuyển code này vào máy CNC, sau đó setup dao, phôi tọa độ máy và tọa
độ phôi để hoàn thành 1 sản phẩm hoàn chỉnh mà không mất quá nhiều công sức
Tuy nhiên hầu hết các máy CNC trong nước đều nhập từ các nước phát triển như Đức, Nhật, Trung quốc nên giá thành còn rất đắt, do vậy nhóm tác giả quyết định chọn đề tài là máy CNC được thiết kế và chế tạo đảm bảo độ chính xác và bền vững với hy vọng CNC sẽ ngày càng phổ biến ở Việt Nam để thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước
Do kinh nghiệm còn hạn chế và thời gian thực hiện đề tài có hạn nên nhóm tác giả vẫn còn nhiều hạn chế và thiếu xót, kính mong quý thầy cô thông cảm và đóng góp
ý kiến để nhóm tác giả có thể hoàn thiện đề tài tốt hơn
Nhóm tác giả chân thành cám ơn thầy Trần Xuân Tùy và các thầy cô trong khoa
cơ khí cũng như ngành cơ điện tử đã nhiệt tình giúp đỡ để tạo điều kiện cho nhóm tác giả có thể hoàn thành tốt đề tài
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018
Trang 7Nhóm tác giả muốn gửi lời cám ơn chân thành và sâu sắc đến các thầy cô giáo trong trường Đại học Bách Khóa Đà Nẵng nói chung và các thầy cô giáo trong khoa
Cơ Khí, ngành Cơ Điện Tử nói riêng đã giúp đỡ và truyền đạt những kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu giúp cho nhóm tác giả có thể hoàn thành để tài một cách tốt nhất
Lời cám ơn đặc biệt và trân trọng xin được gửi đến thầy Trần Xuân Tùy, với sự tận tâm và tận tình cùng với những kiến thức, kinh nghiệm của thầy đã giúp nhóm tác giả dễ dàng trong công việc hoàn thành đề tài, cũng như được mở rộng tầm hiểu biết, kiến thức và kỹ năng, đó là những điều vô cùng quý giá không chỉ riêng cho nhóm tác giả trong quãng thời gian thực hiện đề tài mà còn là những hành trang, vũ khí không thể thay thế cho chặn đường công việc trong tương lai
Bên cạnh đó cùng với sự hỗ trợ từ gia đình, bạn bè và những người xung quanh luôn là nguồn động lực to lớn giúp nhóm tác giả vượt qua những khó khăn trở ngại
Lời cuối cùng nhóm tác giả xin chân thành kính chúc các quý thầy cô, bạn bè thật nhiều sức khỏe và thành đạt Chân thành cám ơn!
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018
Phan Đình Nhật Tiến – Trần Quốc Cường
Trang 8Kính gửi: - Trường Đại Học Bách Khoa – ĐH Đà Nẵng
Khoa Cơ khí
Nhóm tác giả xin cam đoan nội dung của đồ án không phải sao chép đồ án hay công trình nào trước đó Mọi sự giúp đỡ trong đồ án này đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong đồ án đã được ghi nguồn gốc rõ rang và được phép công bố
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018
Phan Đình Nhật Tiến – Trần Quốc Cường
Trang 9
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1 Khái quát về máy công cụ CNC
1.1 Sơ lược về CNC
Điều khiển số (Numerical Control) ra đời với mục đích điều khiển các quá trình công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ Về thực chất, đây là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi và sản phẩm,…) trên cơ
sở dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số ký tự đặt biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết
bị hay hệ thống
Lịch sử phát triển của NC bắt nguồn từ mục đích quân sự và hàng không vũ trụ khi
mà yêu cầu các chỉ tiêu về chất lượng các máy bay, tên lửa, xe tăng,… là cao nhất Ngày nay, lịch sử phát triển NC đã trải qua quá trình phát triên không ngừng cùng với
sự phát triển trong lĩnh vực vi xử lý từ 4 bit, 8 bit,… cho đến nay đã đạt 32 bit và cho phép thế hệ sau cao hơn thế hệ trước và mạnh mẽ về khả năng lưu trữ và xử lý
Hình 1.1: Mô hình điều khiển DNC
Trang 10Hình 1.2: Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM
1.2 Đặc điểm phân loại máy CNC
Phân loại theo cách tổng quát thì máy CNC có các đặc điểm sau:
- Truyền động: Thủy lực, khí nén và điện,…
- Phương pháp điều khiển: Tọa độ hay quỹ đạo,…
- Hệ thống định vị: Định vị kích thước tuyệt đối và định vị nối tiếp
- Các vòng lặp điều khiển: Vòng hở, vòng kín, vòng nửa kín,…
- Nhóm máy khoan, doa để khoan, doa các phôi,…
- Nhóm máy phay để phay những chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo ra các bề mặt và các góc đa dạng và cũng có thể khoan, phay và doa Thay đổi nguyên công bằng cách thay dụng cụ cắt, có nghĩa là chỉ cần một lần gá kẹp
- Nhóm máy mài để gia công tinh Nhóm này bao gồm các máy mài trục, mài lỗ, mài phẳng, mài răng, mài rãnh then, mài dụng cụ,…
- Nhóm trung tâm gia công: Khoan, phay, tiện doa,…
Trang 111.3 Nguyên lý vận hành
a Chương trình gia công một chi tiết
- Chương trình gia công các chi tiết bao gồm các chương trình điều khiển số và dữ liệu
- Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lưu giữ trong vật mang tin (bang từ, CD) sau đó được nạp vào hệ điều khiển thông qua cửa nạp tương thích
- Dữ liệu gồm các giá trị hiệu chỉnh biên dạng, các dữ liệu hiệu chỉnh máy, các số liệu về dụng cụ cắt,… được nạp vào từ bằng điều khiển
- Chương trình điều khiển và dữ liệu được chuyển trực tiếp từ máy tính chủ sang hệ điều khiển số của từng trạm gia công ( hệ DNC)
b Khối điều khiển
- Chức năng của khối điều kiển là thực hiện chương trình gia công chi tiết trên cơ sở
dữ liệu sẵn có và tín hiệu từ bên ngoài
- Nhận các giá trị vị trí của các trục từ sensor đo vị trí encoder, và tốc độ của các trục
- Thực hiện các chương trình điều kiển các cơ cấu chấp hành, động cơ của trục chính, động cơ của các trục truyền động riêng lẻ để phối hợp tạo nên biên dang và điều khiển tốc độ các trục
c Điều khiển logic
Điều khiển toàn hộ hoạt động của hệ như sau: tốc độ chạy nhanh (không cắt) tối đa, bố trí xắp đặt các trục máy, các trạng thái đóng ngắt mạch của hệ điều khiển và giới hạn vùng làm việc của hệ thống công nghệ ( bàn máy, gá lắp, dụng cụ), lệnh đóng ngắt bơm dung dịch làm mát và bôi trơn, lệnh tạo số vòng quay cho trục chính, lệnh thay dụng cụ.Đầu ra khối điều khiển logic điều khiển các cơ cấu chấp hành như : Van thủy lực, van khí nén, các rơ-le
Trang 121.4 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC
Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC 1.Màn hình 2.Bảng điều khiển 3.Mạch ghép nối 4.Tay quay điện tử
- Màn hình dùng để hiển thị tọa độ hiện tại của các trục truyền động, trạng thái làm việc của toàn hệ thống
- Bảng điều khiển để vào dữ liệu điều chỉnh máy, lập trình gia công, cài đặt hệ thống
- Tay quay điện tử dùng để vận hành máy trong các trường hợp để hiệu chỉnh máy, do chi tiết mà phải mở cửa làm việc
- Các khối vào ra (I/O), các bộ phận điều khiển truyền động ( BĐK) liên lạc với CPU thông qua một Bus hệ thống Các khối Flash + Ram để lưu trữ các chương trình điều khiển, dữ liệu máy và liên lạc với CPU thông qua Bus trong của CPU
2 Đề tài máy CNC phay mạch
2.1 Lý do chọn đề tài
- Nhóm tác giả muốn tạo ra một sản phẩm có tính ứng dụng cao, sử dụng phổ biến và rộng rãi ở khác các trường đại học, phù hợp với các bạn sinh viên
chuyên ngành điện tử, cơ khí, tự động hóa,…
- Máy phay CNC 3 trục là một sản phẩm mang chúng ta tiếp cận và hình dung dễ dàng với các công đoạn sản xuất mạch in trong công nghiệp, góp phần nâng cao năng xuất, cải thiện chất lượng và khiến công đoạn làm mạch trở nên đơn giản hơn bao giờ hết
Trang 132.2 Giới thiệu chung về sản phẩm
- Giao tiếp USB với máy tính
- Grbl là mã nguồn mở được sử dụng với hiệu quả cao, giá thành thấp thay thế cho board parallel-port-based motion control for CNC milling Nó là phần mềm được lập trình cho Arduino sử dụng Atmega328
- Grbl được viết bằng C để tối ưu hóa các tính năng thông minh của chip AVR để đạt được thời gian chính xác và hoạt động không đồng bộ, nó có thể đáp ứng tần số đến 30kHz
- Máy sử dụng 3 động cơ bước (step-motor) cho 3 trục x,y,z và động cơ trục chính (spindle motor)
- Hệ dẫn động dùng cơ cấu đai răng và pulley
Trang 14- Hệ thống điều khiển sẽ mã hóa dữ liệu và gửi đến cơ cấu chấp hành
- Cơ cấu chấp hành sẽ chấp hành lệnh điều khiển từ hệ thống đk
- Hệ thống đk sẽ đọc tín hiệu như vị trí, tốc độ, gia tốc, từ cơ cấu chấp hành thông qua thiết bị đo lường sau đó mã hóa và gửi lại cho máy tính
- Máy tính sẽ sử lý dữ liệu do hệ thống đk gửi về rồi điều chỉnh hệ thống cho hợp
Thiết bị đo lường
Cơ cấu chấp hành
Driver Stepper
Spindle Nguồn
Trang 15CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
1 Lựa chọn phương án di chuyển các trục
1.1 Phôi cố định
- Trục x, y, z di chuyển, bàn máy cố định
- Phần cố định bao gồm thanh trượt trục y, thanh trượt trục x, z, bàn máy và phôi, để trục y vừa di chuyển vừa nâng đỡ trục z và x đòi hỏi cơ cấu phải vững chắc, có các tấm chặn ngang để nâng đỡ trục y, đồng thời 2 tấm đỡ 2 bên đủ độ dài để khi di chuyển cơ cấu không bị sai số Trên các tấm đỡ có các thanh trục Y và phôi cần gia
công
1.2 Phôi di chuyển trên trục Y, dao và động cơ di chuyển trên trục Z
- Phần cố định bao gồm dầm đỡ trục y, thanh trượt trục y, thanh trượt trục x, z
- Trục x trượt trên thanh trượt trục x, tương tự trục z và y, trục y mang theo cả bàn
máy và phôi
1.3 Trục Z cố định, phôi di chuyển
- Trục z và bàn máy cố định chỉ có trục x và y di chuyển
1.4 Kết luận
- Nhóm quyết định lựa chọn phương án phôi cố định để giảm tải trọng cho các trục và
tạo ra chuyển động mượt còn với độ chính xác cao khi gia công
2 Lựa chọn cơ cấu truyền động
2.1 Vít me đai ốc
- Vít me gắn với động cơ, động cơ quay thì vít me quay và đai ốc dịch chuyển khiến
cho cơ cấu chuyển động
- Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào bước ren của vít me cùng với tốc độ động cơ
- Ưu điểm:
+ Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, gọn
+ Khả năng tải cao, làm việc tin cậy
+ Làm việc êm, không ồn
+ Tạo ra lực dọc trục lớn gấp hàng trăm lần lực vòng đặt vào vô lăng hoặc bánh răng quay vít
+ Có thể thực hiện các di chuyển chậm, chính xác
Trang 16- Sử dụng pulley làm bánh đai và dây đai răng phù hợp với pulley
- Pulley được gắn vào động cơ, đai được căng bằng cách bắt chặt vào pulley vào 1 bánh trong cơ cấu trượt của 1 trục, khi động cơ quay thì toàn bộ đai dịch chuyển
khiến cho cơ cấu chuyển động theo
- Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ động cơ và đường kính pulley nên tốc độ
di chuyển nhanh hơn so với vít me đai ốc
+ Tuổi thọ đai thấp (Trong khoảng 1000 đến 5000h)
- Phạm vi sử dụng: Ưu thế trong những trường hợp do yêu cầu kết cấu, các trục được bố trí trên những khoảng cách xa nhau; trong hệ dẫn động cơ khí truyền động đai thường được đặt ở cấp nhanh là cấp chịu tải nhỏ hơn hoặc bố trí sát động cơ nhằm đề phòng quá tải cho máy Được sử dụng truyền công suất <50kW,
vận tốc đến 30m/s
Trang 17- Là thành phần chịu tải và thực hiện chuyển động cho cơ cấu chấp hành trục X và
Y, với độ bền và độ chính xác cao cùng với độ mượt làm cho máy chạy êm và
chính xác
Trang 183.3 Nhôm Aluminum V-slot
- Cấu tạo thích hợp để sử dụng cho bánh V-slot
- Kết cấu chắc chắn, độ bền, độ ổn định cao, chịu tải trọng lớn và đơn giản để lắp
đặt
Hình 2.3 : Nhôm V-slot 20x40
3.4 Pad gá động cơ và cơ cấu chấp hành
- Chế tạo đơn giản, độ bền, độ cứng vững đều đạt tiêu chuẩn
- Dễ dàng lắp đặt, thay thế và sửa chữa
Hình 2.4 : Pad gá trục X
Trang 19Hình 2.5 : Pad gá trục Y
Hình 2.6 : Pad gá trục Z
Hình 2.7 : Pad gá Spindle
Trang 203.5 Pulley đai răng
- Độ chính xác, độ bền cao, chịu nhiệt tốt và ít rung động
Hình 2.8 : Pulley GT2 20 tooth 8mm
Trang 213.6 Dây đai răng
- Được chế tạo để sử dụng cùng với pulley
- Chất liệu : cao su, ni lông tổng hợp, sợi thủy tinh
- Cứng, chắc, khó bị giản khi sử dụng với tải trọng lớn, chịu nhiệt từ -34 -> 85 độ
C
- Sức căng ban đầu thấp do đó chịu tải ít, thích hợp cho việc truyền không có độ
trượt với công suất vừa và nhỏ
Hình 2.9 : Thông số kỹ thuật của Timing belt GT2
3.7 Ổ bi
- Ổ bi là 1 dạng của ổ đỡ trục, đây là cơ cấu cơ khí giúp giảm thiểu lực ma sát trượt của 2 bộ phận tiếp xúc nhau khi chuyển động ma sát lăn giữa các con lăn hoặc viên bi được đặt cố định trong 1 khung hình khuyên
- Ổ bi F608Z có đế dưới giúp cố định và giữ chặt vít me vào tấm gá, giúp máy đạt được độ cứng vững và chính xác cao hơn
Hình 2.10 : Ổ bi F608Z
Trang 223.8 Động cơ bước (Stepper Motor)
a Giới thiệu về động cơ bước
điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của roto và có khả năng cố định roto vào những
vị trí cần thiết Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) của động cơ bước thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục (Nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc)
Hình 2.11 : Động cơ bước
b Điều khiển động cơ bước
- Một hệ thống có sử dụng động cơ bước có thể được khái quát đơn giản theo sơ đồ
sau
Trang 23- D.C.SUPPLY (Nguồn DC): Có nhiệm vụ cung cấp nguồn một chiều cho hệ
thống Nguồn một chiều này có thể lấy từ pin nếu động cơ có công suất nhỏ Với các động cơ có công suất lớn có thể dùng nguồn điện được chỉnh lưu từ nguồn
xoay chiều
- CONTROL LOGIC (Điều khiển logic): Đây là khối điều khiển logic Có nhiệm
vụ tạo ra tín hiệu điều khiển động cơ Khối logic này có thể là một nguồn xung, hoặc có thể là một hệ thống mạch điện tử Nó tạo ra các xung điều khiển Động
cơ bước có thể điều khiển theo cả bước hoặc theo nửa bước
- POWER DRIVER (Driver Nguồn): Có nhiệm vụ cấp nguồn điện đã được điều
chỉnh để đưa vào động cơ Nó lấy điện từ nguồn cung cấp và xung điều khiển từ khối điều khiển để tạo ra dòng điện cấp cho động cơ hoạt động
- STEPPER MOTOR (Động cơ bước): Động cơ bước Các thông số của động cơ
gồm có: Bước góc, sai số bước góc, mômen kéo, mômen hãm, mômen làm việc Đối với hệ điều khiển động cơ bước, ta thấy đó là một hệ thống khá đơn giản vì không hề có phần tử phản hồi Điều này có được vì động cơ bước trong quá trình hoạt động không gây ra sai số tích lũy, sai số của động cơ do sai số trong khi chế tạo Việc sử dụng động cơ bước tuy đem lai độ chính xác chưa cao nhưng ngày càng được sử dụng phổ biến Vì công suất và độ chính xác của bước góc đang ngày càng được cải thiện
- Góc bước của động cơ bước được chế tạo theo tiêu chuẩn sau:
Trang 24- Các loại động cơ bước:
c Lựa chọn động cơ bước
- Khi lưa chọn động cơ người thiết kế phải xem sét nhiều yếu tố và các đặc trưng
về dải tốc độ, sự biến đổi momen tốc độ, tính thuận nghịch, chu kì làm việc, momen khởi động và công suất yêu cầu
cho ta những thông tin quan trọng Để lựa chọn lựa công suất chúng ta cần chọn lưạ các vấn đề sau
khởi động được, động cơ phải sinh ra momen lớn hơn momen ma sát và momen tải đặt lên trục của nó Nếu gọi a là gia tốc góc của động cơ và đuợc đo bằng Rad/s2 , Tm là momen động cơ, Ttải là momen tải đặt lên trục động cơ và J là momen quán tính của Rôto và tải ta có quan hệ:
- Là tốc độ quay lớn nhất khi momen động cơ bằng 0 Tốc độ này gọi là tốc độ không tải
• Công suất yêu cầu tải
- Cần chọn động cơ sao cho có thể đáp ứng tốt được yêu cầu tải trong chu kỳ làm việc, nghĩa là công suất động cơ phải lớn hơn hoặc bằng công suất tải
Trang 253.9 Động cơ trục chính (Spindle)
- Động cơ trục chính thường được sử dụng là loại động cơ không đồng bộ 3 pha, sở
dĩ loại động cơ không đồng bộ ba pha hay được chọn để làm động cơ trục chính
vì loại động cơ này có dải công suất lớn từ vài trăm woat đến vài trăm kilowat, một lý do nữa để chọn động cơ không đồng bộ ba pha là giá thành rẻ hơn nhiều
so với động cơ đồng bộ cùng công suất
- Các điểm lưu ý khi chọn Spindle:
• Phải quay với tốc độ cao để cắt được vật liệu dòn như đồng hay nhựa
• Phải biết được chiều dài vào chiều sâu cắt
• Phải biết được tốc độ cắt
• Phải biết được đường kính cắt của dao
Hình 2.12: Spindle
Trang 263.10 Biến tần
- Biến tần là thiết bị biến đổi tần số, điện áp với mục đích chính thay đổi momen
để đạt được tốc độ mong muốn cho động cơ xoay chiều ba pha
Trang 27b Tính chọn động cơ bước (Stepper Motor)
- Thông số đầu vào:
Trang 30Hình 2.15: Thông số kỹ thuật K23-K255U
Trang 314.2 Tính toán kết cấu máy
a Trục Y
Hình 2.16: Cơ cấu trục dẫn động Y
- Kiếm nghiệm độ bền của dầm
Tổng tải trọng lớn nhất đặt lên mỗi dầm P = Py + Px +Pz = 80 + 50 +30 = 160N Giả sử tải trọng đặt ở giữa của dầm
Trang 32Hình 2.17: Biểu độ nội lực trục Y
- Giả sử mặt cắt ngang của dầm là hình chữ nhật như dưới:
- Do dầm chịu uốn ngang phẳng và có tiết diện chữ nhật
Theo (7.9) Sức bền vật liệu (Huỳnh Vinh) ta có Wx = 𝑏.ℎ
Trang 33Kiểm tra điêu kiện bền thì Max| 𝜎z| ≤ [𝜎]b (7.15) với [𝜎]b = 85.106 N/m2 (Table
3, Aluminum Specifications, AZO Materials)
- Kiếm nghiệm độ bền của dầm
Tổng tải trọng lớn nhất đặt lên mỗi dầm P = Px +Pz = 50 +30 = 80N
Giả sử tải trọng đặt ở giữa của dầm
Trang 34Hình 2.19: Biểu đồ nội lực trục X
- Giả sử mcn của dầm như hình 2.14
- Do dầm chịu uốn ngang phẳng và có tiết diện chữ nhật
Theo (7.9) (Sức bền vật liệu-Huỳnh Vinh) ta có Wx = 𝑏.ℎ
3, Aluminum Specifications, AZO Materials)
Trang 35c Trục Z
Hình 2.20: Cơ cấu chấp hành trục Z
- Kiểm nghiệm độ bền của thanh trượt trục Z:
- Thanh trượt chịu kéo, nén đúng tâm của khối lượng trục Z và động cơ
Trang 36- Vì Aluminum là vật liệu dòn nên:
Như vậy max𝜎+ ≤[𝜎]k => Thỏa mãn điều kiện bền của thanh
d Tính chọn vít me cho cơ cấu trục Z
- Vít me quay làm đai ốc dịch chuyển mang toàn bộ spindle và tấm gá dịch
chuyển lên xuống, lực dọc trục vít me là : P = 30N
Dùng profin ren hình thang, có 𝜓h = 0,5, dùng đai ốc nguyên có 𝜓H = 1,5 (9.3.1)
Trang 37Theo (9.5) Tg = 0,17.30.(8/4) = 10,2 Nmm với f = 0,17 (bảng 4.1), dùng Pulley có d = 8mm
Tại tiết diện nguy hiểm I: 𝜎td = √𝜎2+ 3𝜏3 = √3 [16 𝑇
(𝜋.𝑑1 3 )]2 = 13 MPa Tại tiết diện nguy hiểm II: 𝜎td = √ [4 𝐹𝑎/(𝜋 𝑑12)]2+ 3[ 16𝑇𝑔
(𝜋.𝑑1 3 )]2 = 0,62 MPa
Vậy cả 2 tiết diện thì 𝜎td < [𝜎] = 130 MPa => Vít bền
• Kiếm nghiệm điều kiện ổn định
Theo kết cấu máy thì 1 đầu vít được lắp với đai ốc, 1 đầu được lắp với Pulley, do đó 𝜇 = 0,7 (mục 9.3.3)
Mô men quán tính của tiết diện vít:
Trang 38e Tính toán đai răng
- Chọn dây đai GT2 Timing Belt với các thông số kỹ thuật
Hình 2.22: Thông số kỹ thuật đai GT2 + Bước răng p = 2mm
+ Chiều cao h= 1,52mm
+ Chiều rộng b = 9mm
+ Chất liệu: Cao su tổng hợp và sợi thủy tinh
+ Chiều cao răng: 0,76mm
Wt = 2 N/m = 0,002 N/mm
Trang 40CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN
1 Sơ đồ mạch điện
Hình 3.1: Sơ đồ mạch điện