Nghiên cứu thiết kế và điều khiển máy cắt lỗ trên dầm dọc đáy tàu thủy

Đưa ra được phương pháp nội suy biên dạng thẳng, biên dạng tròn và đặt biệt đọc được file G-Code để vẽ biên dạng do người dung tạo ra từ CAD/CAM và điều khiển thành công máy cắt vẽ đúng

ĐINH QUỐC VIỆT

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY CẮT LỖ TRÊN DẦM DỌC ĐÁY TÀU THỦY

Chuyên ngành : Cơ - Điện tử

Mã số: 10390711

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2011

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN DUY ANH

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày tháng 12 năm 2011 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 Chủ tịch:

2 Thư ký:

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

Tp HCM, ngày 14 tháng 2 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

1- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY CẮT LỖ TRÊN DẦM DỌC ĐẤY TÀU THỦY 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Hoàn thiện thiết kế và gia công phần cơ khí

- Thiết kế và gia công mạch điện điều khiển hệ thống

- Đưa ra phương pháp nội suy và điều khiển theo các biên dạng

- Xử lý file G-Code và điều khiển đúng theo biên dạng trong đó

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14/02/2011

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 01/12/2011

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS NGUYỄN DUY ANH

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới quý thầy cô trong bộ môn Cơ điện tử, khoa Cơ khí, trường ĐH Bách khoa Tp HCM đã tận tình dạy bảo và trang bị cho tôi những kiến thức quý báu, xin chân thành cảm ơn các bạn trong nhóm Hi_tech Mechatroncs Lab và các bạn trong lớp cao học Cơ điện tử K2010 đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian khóa học và thực hiện thực nghiệm luận văn này

Xin nói lên lời biết ơn sâu sắc với ông bà, cha mẹ đã chăm sóc và nuôi dạy tôi nên người Và chân thành cảm ơn gia đình đã luôn ở bên động viên và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã cố gắng hết sức để hoàn thành luận văn trong khả năng và phạm vi cho phép nhưng chắc chắn không thể tránh khỏi những sai sót Kính mong nhận được sự thông cảm và lời chỉ bảo tận tình của quý thầy cô

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2011

Đinh Quốc Việt

TÓM TẮT LUẬN VĂN:

Luận văn này nhằm thiết kế máy cắt phục vụ cho ngành công nghiệp đóng tàu

Mô hình máy được tìm hiểu và phân tích kỹ càng để một bản thiết kế khả thi nhất Bắt đầu từ một ý nghĩ đơn giản là chúng ta cần điều khiển máy cắt dọc theo suốt chiều dài vật liệu và giữ cho việc bám biên dạng là chính xác nhất Chúng ta cần cắt tấm thép dạng chữ L Do đó, cách giải quyết hay nhất là sử dụng hình dạng đặt biệt này như là một đường ray dẫn hướng, không cần dung thêm một đường ray hay là một thiết bị nào khác để giữ vững, định vị vị trí máy cắt

Đưa ra được phương pháp nội suy biên dạng thẳng, biên dạng tròn và đặt biệt đọc được file G-Code để vẽ biên dạng do người dung tạo ra từ CAD/CAM và điều khiển thành công máy cắt vẽ đúng các biên dạng đó

ABSTRACT:

This study presents a design of automatic cutting machine for ship building industry applications Mechanical design was deeply investigated and analyzed to obtain a suitable design For finding a solution, we started with a simple idea: we need to control the machine all along a plate and keep a good trajectory for an optimal precision We need to cut in L shaped steel plates So, the best solution is to use the special shape of the plates as a rail, avoiding any rail and any external device for maintaining the robot in position

Present an interpolation method for straight line and circular profile, especially the ability of G-Code reading in order to successfully cut profiles made by end-user through CAD/CAM software

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng:

Đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ thầy hướng dẫn và những người tôi đã cảm ơn, trích dẫn trong luận văn này

Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là hoàn toàn trung thực

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2011

Đinh Quốc Việt

Chương I: TỔNG QUAN 05

1.1 Tổng quan về máy cắt lỗ bằng khí 05

1.2 Đối tượng nghiên cứu, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 07

1.3 Đề xuất phương án, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài 12

1.3.1 Đề xuất phương án 12

1.3.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài 14

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH PHẦN CỨNG 16

2.1 Cơ sở lý thuyết 16

2.1.1 Sơ lược về phương pháp cắt bằng khí 16

2.1.2 Sơ lược biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến 20

2.1.3 Sơ lược Encoder, cảm biến hall và phương pháp đọc 22

2.1.4 Sơ lược động cơ bước, DC không chổi than và phương pháp điều khiển 24

2.2 Thiết kế mô hình phần cứng 26

2.2.1 Một số yêu cầu kĩ thuật ban đầu 26

2.2.2 Chọn lựa cơ cấu chuyển động và xây dựng mô hình hệ thống cơ khí 27

2.2.3 Chọn lựa động cơ và mô hình hóa động học 29

2.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển 33

2.3.1 Lưu đồ vận hành chính 33

2.3.2 Lưu đồ giao tiếp Form điều khiển 35

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP TÍNH, NỘI SUY VÀ LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 36

3.1 Nội suy đường thẳng 36

3.1.1 Phương pháp tính 36

3.1.2 Lưu đồ giải thuật lập trình 37

3.1.3 Mở rộng biên dạng tam giác đều và chữ nhật 38

3.2 Nội suy đường tròn 39

3.2.1 Phương pháp tính 39

3.2.2 Lưu đồ giải thuật lập trình 43

3.3 G-code 43

3.3.1 Phương pháp tính 43

3.3.2 Lưu đồ giải thuật lập trình 46

Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 47

4.1 Các biên dạng từ form điều khiển 47

4.2 Biên dạng từ G-code 49

Chương 5: KẾT LUẬN HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 52

5.1 Kết luận 52

5.2 Hướng phát triển của đề tài 52

CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

Chương I: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về máy cắt lỗ bằng khí

1.1.1 Phát biểu vấn đề:

Với việc phát triển vũ bảo của cơ khí, điện tử, tự động… nói chung là khoa học

kỹ thuật thì tất các ngành nghề, hay từng khâu, từng công đoạn có tính chất lặp lại đều được cơ khi hóa, tự động hóa đều nhằm để đạt được ba mục đích sau: Tính kinh tế, độ chính xác, giải phóng con người khỏi lao động chân tay Mục đích của luận văn lần này cũng không nằm ngoài các tiêu chí trên Đối tượng nghiên cứu là gia công các lỗ trên dầm dọc đáy tàu thủy

Đáy tàu thủy được cấu trúc thành hệ thống giàn với rất nhiều dầm dọc tàu và các dầm ngang tàu chạy theo chiều vuông góc với dầm dọc Trên các dầm dọc, người ta thường khoét các lỗ để có thể cho các thanh đà ngang đi qua Nhu cầu về tàu thủy ngày càng lớn đòi hỏi chuyên môn hóa và tự động hóa cao, đề tài nghiên cứu thiết kế và điều khiển máy cắt lỗ trên dầm dọc đáy của thân tàu nhằm phục vụ ngành công nghiệp đóng tàu

Với các mục đích đã nêu ra ở trên, luận văn này nhằm thiết kế và điều khiển một loại máy cắt hay là một robot cắt có thể đáp ứng được các yêu cầu đưa ra Khi tiến hành thiết kế hay chế tạo một loại máy nào ta cũng cần tìm hiểu thấu đáu về đối tượng cần chế tạo, tại sao ta cần phải chế tạo? Có ai đã nghiên cứu đến nó chưa? Tình hình trong và ngoài nước như thế nào? Sau đây ta cùng tìm hiểu ở phần tiếp theo

1.1.2 Tổng quan về máy cắt lỗ bằng khí

Gia công bằng khí là một dạng gia công không tiếp xúc (bằng khí-gas, tia lửa điện, thậm chí là tia nước ) Máy cắt lỗ bằng khí thường có hai phần gần như là tách biệt với nhau là phần cung cấp nhiên liệu cắt và phần di chuyển để tạo biên dạng cắt

Hình 1.1 Con người điều khiển băng tay

Với yêu cầu độ chính xác không cao, sản xuất đơn lẻ và chuyên môn hóa chưa cao thì người ta thường bỏ qua phần di chuyển tạo biên dạng mà được thao tác trực tiếp bằng con người Với các đối tượng nghiên cứu và để khắc phục nhược điểm trên ta đưa máy cắt vào thây thế di chuyển đầu cắt hoặc chi tiết để tạo biên dạng Cụ thể ở đây ta chọn phương án di chuyển đầu cắt (đầu phun nhiên liệu) để tạo biên dạng mà không thể di chuyển chi tiết cần gia công vì đối tượng nghiên cứu có kích thước quá lớn

Hình 1.2 Một loại máy cắt chuyên dụng di chuyển chi tiết

Hình 1.3 Một loại máy cắt di chuyển đầu cắt công suất lớn

1.2 Đối tượng nghiên cứu, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Ta biết mỗi dầm dọc tàu dài vài chục mét có nhiều lỗ cần phải khoét, các lỗ cơ bản này cách nhau khá xa (1.2m), đó là chưa kể các lỗ không quan trọng khác Mỗi tàu lại

có trung bình từ vài chục đến vài trăm dầm dọc tùy theo kích thước của tàu Do đó số lượng các lỗ cần khoét là rất lớn

Hình 1.4 Kích thước của 1 dạng lỗ cắt

Hình 1.5 Lỗ được vạch dấu trước khi cắt Hình 1.6 Lỗ sau khi cắt bằng tay

Tại Việt Nam, quá trình khoét lỗ thực hiện thủ công theo phương pháp cắt bằng nhiên liệu (gas và oxy) Quá trình này được thực hiện bằng tay nên biên dạng tạo ra thường không đẹp và không đồng đều Số lượng dầm khá nhiều nên quy trình cắt gây mất thời gian và lãng phí nhân công

Phương pháp được lựa chọn phù hợp đáp ứng yêu cầu là máy cắt sử dụng mặt phẳng của vật liệu làm ray

Trên thế giới đã có một số nghiên cứu nhằm thiết kế một hệ thống thực hiện tự động quá trình cắt để nhằm nâng cao năng suất làm việc Đặc biệt là các máy CNC sử dụng plasma để gia công các biên dạng phức tạp Tuy nhiên các máy này có giá thành rất cao

và vận hành phức tạp nên chỉ sử dụng để gia công các chi tiết có kích thước lớn Dưới đây xin giới thiệu một số loại máy

Mini Gantry có xuất xứ từ Trung Quốc có giá khoảng 9000USD

Bề dày vật liệu (cắt bằng Plasma) 1-100mm (tùy vào nguồn phát Plasma)

Nguồn điện 220V 50Hz 500-1000W

Hình1.7 Máy Mini Gantry loại CNC cắt bằng Gas/Plasma

Một loại máy biên dạng được lập trình bằng dụng cụ cầm tay hay lập trình trước trên máy tính bằng các chương trình hỗ trợ đi kèm

Hệ thống treo giữ bằng nam châm hoặc khí nén

Xuất xứ: Mỹ

Hình1.8 Máy cắt bề mặt có thể lập trình với thiết bị đi kèm

Ngoài ra còn có một số loại máy cắt bán tự động chạy trên ray và chỉ cắt được theo đường thẳng Các máy này có giá thành rẻ hơn nhưng không thể tự động hóa quá trình sản xuất

Hình1.9 Máy cắt bằng Gas trên giá trượt CG1-30

Máy cắt theo đường ray

Nguồn điện sử dụng: 220-240V

Độ dày cắt 6-100mm với tốc độ 50-750 mm/phút

Xuất xứ: Welking -Trung Quốc

Các dòng máy cùng hãng

Hình1.10 Một số loại máy cắt khí gas cùng hãng

Còn tình hình trong nước hầu như chưa có nhiều sản phẩm Qua tìm hiểu thì

có kỹ sư Lê Anh Kiệt, Công ty TNHH Chế tạo máy A.K.B, đã sản xuất thành công

máy cắt kim loại tự động CNC AKB-ACS650 (Hình1.11) Điều đặc biệt của máy cắt

kim loại này là máy có thể cắt thép tấm bằng nhiên liệu (gas-oxy) với chiều dày từ 5

mm đến 100 mm, đạt tốc độ tối đa đến 1.800 mm/phút

Hình1.11 Máy cắt kim loại tự động CNC AKB-ACS650

Riêng về các ứng dụng khoét lỗ cho dầm đáy tàu thủy thì chưa có nghiên cứu nào ứng dụng vào mô hình thực tế

1.3 Đề xuất phương án, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

Từ việc tìm hiểu các nghiên cứu ở trên ta có một vài nhận xét và một số đề xuất

1.3.1 Đề xuất phương án:

- Với các sản phẩm của nước ngoài đa phần đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật nhưng cơ cấu gá đặt cồng kềnh, chiếm nhiều không gian và đặt biệt giá thành rất đắt không phù hợp với điều kiện kinh tế sản xuất trong nước

- Sản phẩm trong nước còn rất hạn chế về chủng loại, thiếu tính cơ động và nhất

là không đủ hành trình cho phương dọc dầm

Phương án 1: Máy cắt sử dụng ray

Hình1.12 Robot Bug-O-System’s BUG-6150

Phương án 2: Robot 4 bánh

Hình1.13 Robot Bug-O-System’s BUG-GY-VERT II

Phương án 3: Sử dụng bàn máy 2D

Hình1.14 Bàn máy 2D LSMA-T-24-275

Phương án 4: Robot cắt sử dụng mặt phẳng của vật liệu làm ray

Hình1.15 Phương án được chọn

Các nguyên nhân đi đến việc chọn phương án 4:

- Ở phương án 1 và 3 là khá giống nhau Ở phương án 3 thì hành trình của bàn máy không đủ đáp ứng đối tượng làm việc, việc di chuyển thì khá cồng kềnh Ở phương án 1, hành trình theo phương dọc có cải thiện nhưng chừng đó vẫn chưa đáp ứng được, cơ cấu gá đặt khá phức tạp, việc di chuyển thì vô cùng khó khăn

- Ở phương án 2 hành trình di chuyển dọc trục đã được giải quyết bằng việc di chuyển trên bánh xe, việc vận chuyển cũng tương đối dễ dàng Tuy nhiên có một nhược điểm nhỏ là vẫn tốn một khoảng không gian dọc theo dầm để di chuyển, tốn không gian

- Ở phương án 4 cho là khả thi nhất, nó khắc phục được tất cả các khuyết điểm trên cũng như tận dụng tốt hình dạng của đối tượng để định vị cũng như là để di chuyển

1.3.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Hoàn thành mô hình 3D và bản vẽ cơ khí

- Thiết kế và thi công mạch điện để vận hành hệ thống

- Đưa ra giải thuật nội suy và vẽ các biên dạng

- Xử lý được file G-Code và vẽ được các biên dạng trong đó

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ

Hình 2.1 Sơ đồ cắt bằng khí

1) Dòng ôxy cắt 2) Dòng hỗn hợp khí cháy 3) Ngọn lửa nung nóng 4) Rãnh cắt 5) Phôi cắt

Khi bắt đầu cắt kim loại ở mép cắt được nung nóng đến nhiệt độ cháy nhờ nhiệt của ngọn lửa nung, sau đó cho dòng ôxy thổi qua, kim loại bị ôxy hóa mãnh liệt

(bị đốt cháy) tạo thành ôxýt Sản phẩm cháy bị nung chảy và bị dòng ôxy thổi khỏi mép cắt Tiếp theo, do phản ứng cháy của kim loại tỏa nhiệt mạnh, lớp kim loại tiếp theo bị nung nóng nhanh và tiếp tục bị đốt cháy tạo thành rãnh cắt

Để cắt bằng khí kim loại phải thỏa mãn một số yêu cầu sau:

- Nhiệt độ cháy của kim loại phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loai đó Đối với thép cácbon thấp C < 0.7% nhiệt độ cháy vào khoãng 13500C còn nhiệt độ chảy gần 15000C nên thỏa mãn điều kiện này Đối với thép cácbon cao thì nhiệt độ cháy gần bằng nhiệt độ chảy nên trước khi cắt phải đố nóng sơ bộ đến 300-

- Độ dẫn nhiệt của kim loại không quá cao, tránh sự tản nhiệt nhanh làm cho mép cắt bị nung nóng kém làm gián đoạn quá trình cắt

2.1.1.2 Plasma:

- Các phương pháp cắt thông thường (cắt oxy, cắt hồ quang điện) chỉ cho phép cắt thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp không thể cắt được gang, thép hợp kim cao, nhôm đồng và các hợp kim của chúng

- Nguyên lý cắt plasma dựa trên sự tận dụng nhiệt độ rất cao và tốc độ truyển động lớn của khí từ miệng phun của đầu plasmatron để làm nóng chảy và thổi kim loại khỏi rãnh cắt

- Thông thường sử dụng hỗn hợp khí 65% Ar + 35%H2; 80%N2+20%H2 Khi ứng dụng chế độ thích hợp mép cắt sẽ phẳng không sần sùi, để tạo mép cắt vuông góc cần tìm tốc độ cắt thích hợp

Hình 2.2 Nguyên lý và ứng dụng cắt plasma

- Chất lượng cắt plasma phụ thuộc vào cường độ dòng điện , khí sử dụng , tốc

độ cắt và khoảng cách từ vật tới plasmatron

- Do tốc độ của plasma lớn khó khống chế chính xác khoảng cách cắt nên ít khi dùng tay để cắt plasma Khi cắt tự động thì gá lắp plasmatron lên xe với tốc độ di chuyển của xe bằng tốc độ cắt plasma

Xuất phát từ việc so sánh ưu nhược điểm của 2 phương pháp cắt phổ biến, giá thành thấp: cắt bằng khí, cắt bằng plasma Ta có bảng sau:

PLASMA ARC CUTTING OXY/FUEL CUTTING

loại có khả năng dẫn điện với bề dày thay đổi trong khoảng khá lớn (từ 3/8 inch tới 2 inch)

Khí thì chỉ có thể cắt được các kim loại có chứa nguyên tố sắtvà

có thể cắt được bề dày lên tới 24 inch Các kim loại: nhôm, inox không thể sử dụng phương pháp cắt này vì có cấu trúc của

nguyên tố oxy ngăn cản quá trình oxy hóa kim loại

loại với bề dày dưới 0.5 inch

và phụ thuộc vào nguồn năng lượng

Thời gian chuẩn bị cho quá trình cắt ít do không cần mồi lửa

Bề rộng vết cắt nhỏ, độ chính xác tương đối cao

Vùng tỏa nhiệt nhỏ, tránh uốn cong và phá hủy vật liệu

Không cần thiết phải làm vệ sinh sau khi cắt

Cắt bằng khí có thể cắt được kim loại có bề dày lên tới 24 inch và phương pháp này không phụ thuộc nguồn năng lượng

Khả năng di

chuyển

Khả năng di chuyển phụ thuộc vào kỹ thuật, kích cỡ

bộ nguồn năng lượng, kích

cỡ bình khí

Khả năng di chuyển linh hoạt, không phụ thuộc vào bộ nguồn năng lượng, có khả năng cắt bất

cứ nơi đâu với bình khí và đầu cắt

khoét lỗ,… đều có thể thực hiện được bởi phương pháp cắt plasma

Với đầu cắt phối hợp, phương pháp cắt bằng khí có thể được sử dụng để đốt nóng, hàn, khoét lỗ, uốn cong,…

bởi người thợ, tia sáng hồ quang vào mắt gây ra thương mắt, nếu sử dụng không đúng cách có thể phá hủy quần áo bảo hộ và da

Lửa có thể gây ra bởi người công nhân, có tia sáng phản hồi vào mắt làm tổn thương mắt, nếu sử dụng không đúng cách có thể phá hủy quần áo bảo hộ và

da

Với yêu cầu thực tế của công việc, và giá cả trên thị trường ta chọn phương án cắt bằng khí acetylene để tiết kiệm thời gian và tiền bạc khi chế tạo máy cắt lỗ

Nhược điểm của cắt bằng khí axetilen: bavia, mạch cắt tương đối lớn, mặt cắt

bị biến cứng gây khó gia công ở phần sau (nếu có)

2.1.2 Sơ lược biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến

2.1.2.1 Cơ cấu cam

Hình 2.3 Cam chuyển động quay thành tịnh tiến

A/ Còn gọi là cam thùng Trên trục hình trụ có xẻ rãnh để dịch chuyển con lăn theo biên dạng rãnh khi quay tròn Con lăn thường là ổ lăn để giảm ma sát và đảm bảo việc vào khớp, ra khớp dễ dàng

B/ Cam theo biên dạng đường kính

C/ Cam theo biện dạng mặt phẳng

Loại B và C là khá thông dụng Ngoài việc gắn bạc hay ổ lăn để giảm ma sát và đảm bảo việc vào khớp, ra khớp dễ dàng còn có thêm lò xo để con lăn tiếp xúc tốt với biên dạng cam

Nhược điểm đa số cam là hành trình ngắn, gây ồn khi đảo chiều

2.1.2.2 Biến thể của bốn khâu bản lề:

Hình 2.4 Tay quay con trượt

Hình 2.5 Cơ cấu culit Hình 2.6 Cơ cấu sin

2.1.2.3 Cơ cấu khớp cao:

Hình 2.7 Bánh răng-thanh răng

Hình 2.8 Vítme-đai ốc

Hình 2.9 Bánh xe lăn

Qua các đặc tính của các bộ truyện, ta chọn bộ truyền cho hai phương ngang là Vítme-đai ốc, phương dọc dầm là bánh xe lăn Có thể việc lựa chọn đó là chưa tối ưu nhưng nó có các ưu điểm sau:

- Đảm bảo độ chính xác yêu cầu cho hệ thống

- Phương dọc dầm có thể di chuyển không giới hạn về hành trình tùy thuộc vào chiều dài bề mặt làm ray của vật liệu cắt

- Cơ cấu đơn giản, dễ lắp đặt, vài bộ phận được chuẩn hóa trên thị trường dễ dàng tìm mua, giá thành rẽ Đáp ứng được nhu cầu kinh tế trong nước

2.1.3 Sơ lược Encoder, cảm biến hall và phương pháp đọc

2.1.3.1 Encoder và phương pháp đọc

Encoder được sử dụng rất phổ biến và có nhiều tài liệu về nó, ở đây chỉnh trình bày sơ lược về cấu tạo và phương pháp đọc

Tùy theo dạng đĩa của encoder mà có hai loại là encoder tuyệt đối (absolute encoder) và encoder tăng dần (incremental encoder)

Hình 2.10 Cấu tạo chính của 2 loại encoder

Encoder tuyệt đối: Ta nối các bit của encoder vào ngõ vào của vi điều khiển, đọc (chuyển sang decimal) các ngõ vào đó ta được vị trí tương ứng của encoder Ta cũng có thể dùng bộ chuyển đổi DAC sau đó ta đưa vào vi điều khiển qua bộ chuyển đổi ADC Cuối cùng để đo vận tốc ta sử dụng thêm một timer

Encoder tăng dần: là loại chiếm hầu hết trên thị trường, có rất nhiều cách đọc encoder loại này Ta có thể sử dụng chế độ đếm của timer hay sử dụng ngắt ngoài của

vi điều khiển Nhưng tốt nhất ta nên sử dụng module có sẵn trên vi điều khiển ví dụ như module QEI trên PIC vì như thế ta không tốn nhiều thời gian thực thi và không bị rối khi lập trình

2.1.3.2 Cảm biến Hall và phương pháp đọc

Cảm biến Hall là cảm nhận sự thay đổi từ trường Tín hiệu ra dạng analog ta dùng bộ ADC trên vi điều khiển để đọc tín hiệu về Nhưng cảm biến Hall trong động

cư Brushless DC (BLDC) là dạng digital (on-off), dùng xác định vị trí Roto để kích các cuộn dây tương ứng (sẽ nói ở phần sau)

Hình 2.11 Nguyên lý làm việc cảm biến Hall digital

Về việc đọc cảm biến Hall trong BLDC ta có thể dùng module PORTB Interrupt on Change hay External Interrupt, nhưng đối với vi điều khiển chuyên dụng

có sẵn module dành cho việc này đó là module Input Capture on State Chance Với việc sử dụng module chuyên dụng ta chỉ việc thiết lập và sau đó lấy các giá trị vị trí, vận tốc tương ứng từ các thanh ghi

2.1.4 Sơ lược động cơ bước, DC không chổi than và phương pháp điều khiển

2.1.4.1 Sơ lược động cơ bước và phương pháp điều khiển

Động cơ bước được sử dụng khá phổ biến trong việc điều khiển vị trí Động cơ bước có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết

Hình 2.12 Sơ đồ nối dây ra cho ĐC bước 2 cực

Có hai kiểu kích toàn bước và nữa bước Khi chọn động cơ ta cần chú ý đến moment và số góc quay trên một xung Ngoài ra không được kích quá nhanh ( tối đa không nhanh hơn 1ms/xung tùy theo động cơ) để tránh tình trạng trượt xung

Về phần mạch điện, ta nối tín hiệu trực tiếp từ vi điều khiển đến mạch công suất hay ta có thể dùng IC mã hóa L297 để điều khiển mạch công suất Về phần mạch công xuất ta có thể dùng MOSFET hay IC công suất tích hợp L298N

Về phần vi điều khiển, ta nên để một timer điều khiển một động cơ Từ vận tốc mong muốn ở cơ cấu chấp hành ta tính được thời gian kích cho mỗi xung, từ đó ta tính giá trị nạp vào timer Khi timer tràn ta quét biến chiều quay, giảm biến xung kích mong muốn từ đó ta kích xung tiếp theo tương ứng

2.1.4.2 DC không chổi than (BLDC) và phương pháp điều khiển

BLDC có ưu điểm là hiệu suất cao, điều khiển vị trí khá tốt, nhưng bù lại về phần mạch điều khiển và phương pháp điều khiển khá phức tạp Động cơ BLDC hiện diện trong khá nhiều hệ thống khác nhau nhưng động cơ 3 pha là loại thông dụng nhất, tối ưu hiệu suất và giảm gợn sóng moment quay (trơn) Loại động cơ này cũng đưa ra

sự đồng thuận giữa việc điều khiển chính xác với số thiết bị cần để điều khiển dòng stato

Hình 2.13 Mạch động lực của BLDC

BLDC ba pha được điều khiển trong 2 pha, nghĩa là hai pha tạo ra mômen lớn nhất sẽ được kích hoạt trong khi pha thứ 3 bị ngắt.Hai pha đó được kích hoạt phụ thuộc vào vị trí của roto

Phương pháp điều khiển truyền thống động cơ BLDC là đóng ngắt các khóa mạch động lực (IGBT hoặc MOSFET) để cấp dòng điện vào cuộn dây stator động cơ dựa theo tín hiệu Hall sensor đưa về Cụ thể ta có bản qui luật kích như sau:

Trạng

thái

Theo chiều quay kim đồng hồ

2.2 Thiết kế mô hình phần cứng

2.2.1 Một số yêu cầu kỹ thuật ban đầu

Để thực hiện tốt một đường cắt nhanh, vết cắt đẹp là phải giữ sao cho tốc độ di chuyển của mỏ cắt bằng với tốc độ ôxy hóa Điều đó còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: bản chất của kim loại, bề dày phôi, phát sinh nhiệt của dòng khí cắt

Khi tốc độ cắt nhỏ hơn tốc độ ôxy hóa kim loại theo chiều dày cắt thì mép cắt bị phá hỏng, đồng thời năng xuất cắt giảm Ngược lại tốc độ cắt quá lơn, dẫn tới cắt bị sót hoặc quá trình cắt bị gián đoạn do mép cắt không được nung nóng tốt Thông thường tốc độ cắt từ 75-550(mm/phút) hay 1,25-9 (mm/s)

Trong quá trình cắt cần phải khống chế khoãng cách từ mỏ cắt tới vật cắt thích hợp Để giữ khoảng cách không đổi người ta thường gá thêm một cặp bánh xe Khi cắt thép tắm, căn cứ vào chiều dài nhân ngọn lửa và chiều dày tấm cắt ta có thể chọn khoảng cách này như sau:

Sai số cắt tùy thuộc theo từng yêu kỹ thuật của đối tượng cắt Từ hệ thống cắt lỗ cho dẩm dọc tàu thủy ta có yêu cầu sai số yêu cầu của hệ thống không quá ±0.5mm

2.2.2 Chọn lựa cơ cấu chuyền động và xây dựng mô hình hệ thống cơ khí

Từ những cơ sở phân tích lý thuyết biến chuyển động quay thành tịnh tiến và yêu cầu về hành trình cũng như vận tốc của hệ thống ta chọn cơ cấu vitme-đai ốc trên phương x (phương ngang dầm) Toàn bộ cơ cấu này sẽ di chuyển trên phương y (phương dọc dầm) bằng cơ cấu bánh xe lăn Sơ đồ động học trên mỗi phương được trình bày theo hai sơ đồ dưới đây:

Đầu cắt

Thân máy cắt

Thép hình chữ L

X Y

Z

Động cơ bước

Bộ truyền đai thang

Hình 2.15 Sơ đồ động học trên phương X Động học trên trục X

 Động cơ bước qua hộp giảm tốc rồi nối với bộ truyền đai, tỉ số truyền là 1:1

 Vismere di chuyển 1 vòng sẽ khiến đầu cắt di chuyển một đoạn 5 mm theo phương X

 Vận tốc của đầu cắt theo phương X là 300 mm/phút, suy ra vận tốc của trục

 Tốc độ lớn nhất của động cơ là 300 vòng/phút, nên tỉ số truyền của hộp giảm tốc

Chọn hộp giảm tốc cho trục X có tỉ số truyền là 3.6, vận tốc tương ứng của động cơ bước là 180 vòng/phút Động cơ quay 1 vòng thì đầu cắt di chuyển theo phương X là 1.36 mm

Hình 2.16 Sơ đồ động học trên phương y Động học trên trục Y

 Động cơ bước qua hộp giảm tốc rồi nối với bộ truyền đai, tỉ số truyền là 1:1

 Đường kính bánh xe là 40 mm, bánh xe quay được 1 vòng thì đầu cắt di chuyển một đoạn mm

Núm điều chỉnh dùng để định vị hệ thống trên chi tiết gia công Ngoài ra còn

có các cơ cấu điều chỉnh bằng tay cho đầu kẹp bộ phận phun nhiên liệu cắt như là: điều