Thiết kế máy CNC mini

- Sử dụng máy móc điều khiển số CNC để thay thế con người và tăng năng suất lao động 1.3 Ưu điểm cơ bản của máy CNC - So với các máy điều khiển công cụ bằng tay, sản phẩm từ máy CNC khô

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH iii

DANH MỤC BẢNG iv

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 Những khó khăn trong nghề mộc 1

1.2 Các hướng giải quyết 1

1.3 Ưu điểm cơ bản của máy CNC 1

1.5 Nhược điểm 2

1.6 Lựa chọn phương án 2

1.7 Đầu đề đặt ra 2

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 Chọn cơ cấu dẫn động 3

2.1.1 Động cơ dẫn động các trục tọa độ 3

2.1.1.1 Động cơ bước (stepping motor) 3

2.1.1.2 Động cơ một chiều (DC motor) 4

2.1.1.3 Động cơ SERVO 5

2.1.1.4 Kết luận 5

2.1.2 Giới thiệu về động cơ bước 6

2.1.2.1 Khái niệm 6

2.1.2.2 Cấu tạo 6

2.1.2.3 Hoạt động 6

2.1.2.4 Ứng dụng 6

2.1.2.5 Giới thiệu động cơ bước 5 pha 7

2.2 Lựa chọn phương án di chuyển của các trục 10

2.2.1 Phương án phôi cố định 10

2.2.2 Phương án phôi di chuyển trên trục Y 11

2.2.3 Phương án phôi di chuyển trên trục X và Y 12

2.2.4 Kết luận 12

2.3 Lựa chọn cơ cấu truyền động 12

2.3.1 Phương án vít me đai ốc 13

2.3.1.1 Vít me đai ốc thường 13

2.3.1.2 Vít me đai ốc bi 13

2.3.2 Phương án dùng đai 15

2.3.3 Kết luận 16

CHƯƠNG 3: MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP 17

3.1 Mục tiêu của đề tài 17

3.2 Phương pháp nghiên cứu đề tài 17

3.2.1 Tính toán, lựa chọn Spindle 18

3.2.2 Tính, chọn vít me 20

3.2.3 Tính chọn động cơ bước và driver 24

3.2.4 Lựa chọn thanh trượt 28

3.2.5 Tính, chọn bulông 30

3.2.6 Thiết bị điều khiển 35

3.2.6.1 Driver điều khiển động cơ bước 35

3.2.6.2 Thông số kỹ thuật driver PMM-BA-5603-1 35

3.2.6.3 Tín hiệu và vị trí điều khiển driver PMM-BA-5603-1 37

3.2.6.4 Kết nối driver và động cơ bước 38

3.2.6.5 Các chức năng (EX, F/R, SL, PD, PL, LFL, VE, TU) 39

3.2.6.6 Thay đổi thông số hoạt động (RUN) của driver 41

3.2.6.7 Công tắc lựa chọn độ rung thấp (VA) 41

3.2.7 Giới thiệu board Mach3 42

3.2.8 Phần mềm điều khiển 44

3.2.9 Phần mềm ArtCam 48

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 51

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 53

5.1 Kết quả đạt được 53

5.2 Hướng phát triển của đề tài 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Động cơ bước 3

Hình 2.2: Động cơ một chiều 4

Hình 2.3: Động cơ Servo 5

Hình 2.4: Sơ đồ đấu nối dây bên trong động cơ 5 pha 5 dây 7

Hình 2.5: Phương án phôi cố định 10

Hình 2.6: Phương án phôi di chuyển trên trục Y 11

Hình 2.7: Phương án phôi di chuyển trên trục X và Y 12

Hình 2.8: Vít me đai ốc thường 13

Hình 2.9: Vít me đai ốc bi 14

Hình 2.10: Bánh răng và đai 15

Hình 3.1 Sơ đồ qui trình tính toán 18

Hình 3.2: Sơ đồ lực bulông tay cầm 30

Hình 3.3 Mô hình 3D máy phay gỗ CNC mini 34

Hình 3.4: Driver SANYO PMM-BA-5603-1 35

Hình 3.5: Sơ đồ tín hiệu và vị trí điều khiển của driver 37

Hình 3.6: Sơ đồ kết nối driver và động cơ bước 38

Hình 3.7: Khối chức năng (EX, F/R, SL, PD, PL, LFL, VE, TU) của driver 39

Hình 3.8: Sơ đồ chân ứng dụng của BO MACH3 CNC 42

Hình 3.9: Sơ đồ chân và kết nối board Mach3 CNC 43

Hình 3.10: Giao diện phần mềm Mach3 45

Hình 3.11: Hình ảnh, bản vẽ (view 3D) của ArtCam 48

Hình 3.12: Sản phẩm điêu khắc 49

Hình 4.1 Mô hình máy phay CNC mini 51

Hình 4.2 Sản phẩm được gia công từ máy phay CNC mini 52

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Bước góc của động cơ bước 8

Bảng 3.1 Thông số các chi tiết sau khi tính toán và lựa chọn 33

Bảng 3.2: Bảng kết nối cho động cơ 39

Bảng 3.3: Giá trị nút điều chỉnh hoạt động (RUN) 41

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Những khó khăn trong nghề mộc

- Làm việc trong môi trường ồn ào, nhiều bụi gỗ, chất bảo quản dễ gây ra các bệnh về hô hấp

- Có thể xảy ra các tai nạn lao dộng do tiếp xúc trực tiếp với máy gia công

- Làm thủ công nên năng suất thấp, người thợ cần có nhiều năm kinh nghiệm và tay nghề để gia công đạt yêu cầu

1.2 Các hướng giải quyết

- Trang bị các trang bị bảo hộ lao động như: mặt nạ phòng động, tai nghe chống ồn

- Sử dụng Robot thay thế cho con người

- Sử dụng máy móc điều khiển số (CNC) để thay thế con người và tăng năng suất lao động

1.3 Ưu điểm cơ bản của máy CNC

- So với các máy điều khiển công cụ bằng tay, sản phẩm từ máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung, chương trình được đưa vào máy Người điều khiển chỉ chủ yếu theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động của máy

- Độ chính xác làm việc cao Thông thường các máy CNC có độ chính xác máy là 0,001mm do đó có thể đạt được độ chính xác cao hơn

- Tốc độ cắt cao Nhờ cấu trúc cơ khí bền chắc của máy, Những vật liệu cắt hiện đại như kim loại cứng hay gốm oxit có thể sử dụng tốt hơn

- Thời quan gia công ngắn hơn

1.4 Các ưu điểm khác

- Máy CNC có tính linh hoạt cao trong việc lập trình, tiết kiệm thời quan chỉnh máy, đạt được tính kinh tế cao trong việc gia công hang loại các sản phẩm nhỏ

- Ít phải dừng máy vì kỹ thuật, do đó chi phí dừng máy nhỏ

- Tiêu hao do kiểm tra ít, giá thành đo kiểm tra giảm

- Thời gian hiệu chỉnh máy nhỏ

- Có thể gia công hàng loạt

1.5 Nhược điểm

- Giá thành chế tạo máy cao hơn

- Giá thành bảo dưỡng, sữa chữa máy cũng cao hơn

- Vận hành và thay đổi người đứng máy khó khăn hơn

1.6 Lựa chọn phương án

- Dựa vào những ưu điểm mà máy CNC đem lại Chúng em xin lựa chọn phương

án sử dụng máy CNC để giải quyết bài toán trên

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Chọn cơ cấu dẫn động

2.1.1 Động cơ dẫn động các trục tọa độ

2.1.1.1 Động cơ bước (stepping motor)

Hình 2.1: Động cơ bước

- Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC

Nhược điểm :

- Phạm vi ứng dụng là ở vùng công suất nhỏ và trung bình Việc nghiên cứu nâng công suất động cơ bước đang là vấn đề rất được quan tâm hiện nay

- Hiệu suất động cơ bước thấp hơn các loại động cơ khác

2.1.1.2 Động cơ một chiều (DC motor)

Hình 2.2: Động cơ một chiều

Ưu điểm:

- Momen xoắn lớn, giá thành rẻ

Nhược điểm:

- Đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp

- Phải có mạch phản hồi thì mới nâng cao độ chính xác

2.1.2 Giới thiệu về động cơ bước

2.1.2.1 Khái niệm

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

2.1.2.2 Cấu tạo

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

2.1.2.3 Hoạt động

Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện từ đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định

Tổng số góc quay của roto tương ứng với tầng số chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

trong các hệ quang học, điều khiển các cơ cấu lái ph ương và chiều trong máy bay…

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

2.1.2.5 Giới thiệu động cơ bước 5 pha

Động cơ được dùng trong đề tài này là động cơ bước 5 pha

Hình 2.4: Sơ đồ đấu nối dây bên trong động cơ 5 pha 5 dây

Thiết kế phổ biến nhất đối với loại động cơ này sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha Trong động cơ bước 5 pha bộ điều khiển cần 1/2 cầu H cho mỗi một đầu ra của động

cơ, nhưng những động cơ này có thể cung cấp moment xoắn lớn hơn so với các loại động cơ bước khác cùng kích thước Động cơ 5 pha có thể xử lý cấp cao để có được bước 0.72 độ (500 bước mỗi vòng).Với một động cơ 5 pha sẽ quay mười bước mỗi vòng bước, như trình bày dưới đây:

Đầu 1 + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + Đầu 2 ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ Đầu 3 + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + Đầu 4 + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐

Đầu 5 ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐

Ở đây, giống như trong trường hợp động cơ hai cực, mỗi đầu hoặc được nối vào cực dương hoặc cực âm của hệ thống cấp điện động cơ Chú ý rằng, tại mỗi bước, chỉ có một đầu thay đổi cực Sự thay đổi này làm ngắt điện ở một mấu nối vào đầu đó (bởi vì cả hai đầu của mấu có cùng điện cực) và áp điện vào một mấu đang trong trạng thái nghỉ trước đó Dãy điều khiển sẽ điều khiển động cơ quay 2 vòng Để phân biệt động cơ 5 pha với các loại động cơ có 5 dây dẫn chính, cần nhớ rằng, nếu điện trở giữa 2 đầu liên tiếp của một động cơ 5 pha là R, thì điện trở giữa hai đầu không liên tiếp sẽ là 1.5R Và cũng cần ghi nhận rằng một vài động cơ 5 pha có 5 mấu chia, với 10 đầu dây dẫn chính Những dây này có thể nối thành hình sao như hình minh hoạ trên, sử dụng mạch điều khiển gồm 5 nửa cầu H, nói cách khác mỗi mấu có thể được điều khiển bởi một vòng cầu H đầy đủ của nó Để tránh việc tính toán lý thuyết với các linh kiện điện tử, có thể dùng chip mạch cầu tích hợp đầy đủ để tính toán gần đúng

Bước góc của động cơ bước được chế tạo tiêu chuẩn theo bảng 2.1

Bảng 2.2: Bước góc của động cơ bước

0.72 0.9 1.8 3.75 3.6 7.5

2.1.2.6 Vấn đề trước sự trượt bước

Trong điều khiển động cơ thì hai vấn đề cơ bản là tốc độ và độ chính xác về vị trí Tốc độ của động cơ bước có khả năng điều khiển một cách khá chính xác thông qua lượng xung cung cấp cho động cơ Vấn đề quan trọng đối với động cơ bước là độ chính xác về vị trí hay còn gọi là sự trượt trong quá trình hoạt động của động cơ

Sau khi thực hiện mỗi bước dịch chuyển, rotor của động cơ bước luôn

có xu hướng dao động xung quanh vị trí cân bằng một thời gian Nó cũng tương tự như sự giao động trong một hệ thống cơ học, nguyên nhân của sự dao động này là do tải trọng và do nguồn cấp điện điều chỉnh động cơ Sự trượt này có thể được cải thiện bằng cách tăng ma sát hoặc sử dụng hệ thống dập tắt dao động cơ khí, tuy nhiên sử dụng hai phương pháp này đều làm tăng giá thành và sự phức tạp của hệ thống Cách tốt nhất và thường được sử dụng là sử dụng là làm trễ xung cuối cùng, do đó thời gian tác động của xung cuối cùng bị giảm bớt và do đó sau khi kết thúc bước cuối cùng động cơ có thế dừng lại cột cách chính xác hơn

Mỗi xung điều khiển có thế chia làm 3 phần như chỉ ra trên hình sử dụng phương pháp chống dao động bằng điện được thực hiện như sau: khi đến xung cuối cùng, nó sẽ được làm trễ đi một khoảng thời gian, do đó thay vì tác động từ điểm to, xung cuối cùng sẽ tác động cơ ở thời điểm t1 Do vậy thời gian tác động của xung cuối cùng sẽ giảm đi Điều này làm giảm momen hãm cũng như giảm quán tính của động cơ, do đó vấn đề trượt bước của động cơ có thế cải thiện được

2.2 Lựa chọn phương án di chuyển của các trục

- Trục X trượt trên trục Y có gắn các thanh trư ợt, cơ cấu truyền động, động cơ tất cả các bộ phận này chuyển động cùng trên trục Y

- Trên trục Z có bắt các cơ cấu bắt động cơ chạy di chuyển dao Trục Z trượt trên trục X nên trên bộ phận trượt trục X có các thanh trượt, động cơ, cơ cấu truyền động cho trục Z

- Trên bệ đỡ có các thanh trượt trục Y và phôi cần gia công

2.2.2 Phương án phôi di chuyển trên trục Y

Hình 2.6: Phương án phôi di chuyển trên trục Y

2.2.3 Phương án phôi di chuyển trên trục X và Y

Hình 2.7: Phương án phôi di chuyển trên trục X và Y

Đặc điểm:

- Phôi gắn cố định trên trục X, trục X di chuyển trên trục Y, trục Y gắn

cố định và trượt trên phần khung máy

- Trục Z mang bộ phận cắt di chuyển trên bộ phận truyền của trục Z được cố định trên khung máy

2.2.4 Kết luận

Với mục đích sử dụng mô hình mini nên nhóm chọn phương án phôi

cố định, trục Z mang dụng cụ cắt di chuyển trên trục X, trục X di chuyển trên trục Y

2.3 Lựa chọn cơ cấu truyền động

Có 2 phương án chính là dung vit me đai ốc và dùng đai

2.3.1 Phương án vít me đai ốc

2.3.1.1 Vít me đai ốc thường

Hình 2.8: Vít me đai ốc thường

 Vít me được gắn đồng trục với động cơ, khi động cơ quay, vít me quay, động cơ và vít me gắn cố định, làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vít me Đai ốc thì được gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động (trục X, Y, Z)

 Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vít, một vòng quay của động cơ sẽ làm đai ốc di chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít, vì vậy tốc độ di chuyển của bộ phận trượt ở phương án này là chậm và có độ chính xác khi chuyển động không cao vì có độ rơ của đai ốc Dùng động cơ bước có bước góc càng nhỏ và trục ren có bước ren càng nhỏ thì độ chính xác di chuyển càng cao

 Một số ưu điểm khác là tạo ra lực đẩy lớn khi gia công mẫu vật Phương án này được dùng trong các máy CNC công nghiệp, gia công các loại vật lệu cứng, kích thước lớn…

2.3.1.2 Vít me đai ốc bi

Hình 2.9: Vít me đai ốc bi

 Đây là dạng vít me đai ốc thay vì ma sát trượt thông thường tiếp xúc giữa vit me và đai ốc thông qua các viên bi, được chuyển thành ma sát lăn Điều này đem đến một ưu điểm là chỉ cần một lực quay rất nhỏ đã

có thể làm cho đai ốc chuyển động

 Độ chính xác di chuyển cao do không có độ rơ giữa vitme và đai ốc Trên đây là kết cấu của bộ truyền vít me đai ốc bi Tuy có kết cấu đa dạng nhưng các thành phần chủ yếu của bộ truyền bao gồm: vít me, đai ốc, các viên bi, và rãnh hồi bi

Vấn đề quan tâm trong bộ truyền vit me – đai ốc bi đó là dạng profin răng vit me và đai ốc Profin răng vít me dạng chữ nhật và hình thang là chế tạo đơn giản hơn cả nhưng khả năng chịu tải kém Để tăng khả năng chịu tải, người ta tăng bề mặt làm việc bằng cách chế tạo profin dạng tròn

Một vấn đề cũng rất quan trọng trong kết cấu của bộ truyề n đó là kết cấu của rãnh hồi bi, rãnh hồi bi có thể là dạng ống, hoặc là dạng theo lỗ khoan trong đai ốc hoặc là dạng rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp

Rãnh hồi bi dạng ống có nhược điểm là tăng kích thước bộ chuyền, độ bền mòn của đầu ống thấp, kẹp chặt ống có độ tin cậy không cao

Rãnh hồi bi theo lỗ khoan trên đai ốc có ưu điểm là kết cấu gọn và tính công nghệ tốt song khả năng tách thành nhiều nhóm hồi bị khó khăn Rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp: là dạng hồi bi được dung nhiều hơn cả, có kích thước gọn nhất, không bị mòm nhanh, độ tin cậy cao và chiều dài rãnh hồi bi lớn

2.3.2 Phương án dùng đai

Hình 2.10: Bánh răng và đai

Hai đầu của đai được đặt vừa vào hai puli có cùng kích thước răng với đai Một cái bắt chặt vào trục động cơ, còn cái còn lại bắt vào trục quay

tự do ở phía dọc theo chiều của trục được dẫn động Một phần của đai được

gắn chặt với bộ phận của phần trượt khi động cơ quay, toàn bộ đai dịch chuyển và kéo theo các bộ phận đó di chuyển

Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ động cơ và đường kính của puli một vòng của trục động cơ sẽ làm bộ phận trượt di chuyển một đoạn bằng với chu vi của puli (thường là 20 – 30 mmm) Rõ ràng phương án này

có tốc độ di chuyển nhanh hơn rất nhiều

Nhưng đổi lại, độ chính xác di chuyển sẽ thấp có thể những sai lệch khi gia công Và lực đẩy nhỏ nên khi gặp tải lớn sẽ bị trượt bước hoắc dãn đai

2.3.3 Kết luận

Chọn phương án phôi cố định dùng vít me đai ốc bi kết hợp khớp nối liên kết với động cơ bước làm cơ cấu truyền chuyển động Nhóm quyết định chọn phương án này vì thiết kế cơ khí đơn giản, độ chính xác, độ cứng vững cao hơn so với vít me đai ốc thường và cơ cấu truyền đai Đảm bảo được các yêu cầu một máy CNC ở mức độ mô hình mini ứng dụng nghiên cứu thực tế

CHƯƠNG 3: MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP 3.1 Mục tiêu của đề tài

Đáp ứng được nhu cầu thực tế là tạo ra các bức tranh khắc gỗ, những sản phẩm chạm, khắc nhỏ như: chân dung, làm chữ bảng hiệu, vỏ điện thoại, đồ lưu niệm,… Với

độ chính xác cao

Yêu cầu thiết kế máy mini Máy mini được thiết kế làm những sản phẩm nhỏ mặc dù công suất tiêu thụ điện năng không cao nhưng tốc độ ra lò một sản phẩm nhanh hơn Việc lắp đặt, tháo lắp các chi tiết máy CNC gỗ mini cũng nhanh hơn so với máy CNC lớn

Gia công được một số chi tiết bằng nhôm

Vấn đề đặt ra là hành trình máy khoảng cỡ giấy A4: 297 x 210mm

3.2 Phương pháp nghiên cứu đề tài

Dựa vào quá trình tìm hiểu thực tế và tài liệu tham khảo Chúng em xin đưa ra qui trình tính toán được thể hiện như sơ đồ dưới:

Hình 3.1 Sơ đồ qui trình tính toán

3.2.1 Tính toán, lựa chọn Spindle

Ta chọn trước động cơ spindle có tốc độ vòng quay là 12000(Vg/ph)

Theo [1, trang 78, công thức 3.12] Ta có công thức tính công suất cắt cho trường hợp phay dọc:

V l

Ta chọn vít me với bước vít:l  4( mm )

Bước 3: Độ dài vít me:

Dựa vào bản vẽ ta có được độ dài vít me là: 500mm

Bước 4: Tính tải trung bình và tốc độ trung bình:

Ta cố định tốc độ của máy là không đổi và có giá trị là V  2( m ph / )

Do đó số vòng quay trung bình trên vít me là:

Bước 5: Tính tải trước:

Theo [2, công thức M1, trang 21], Ta có:

Ta chọn vít me bi dòng FSW Model 12-4B1 với tải động cho phép C=383(kgf)

Bước 7: Tính, chọn đường kính vít và đai ốc:

Xác định tốc độ giới hạn:

Theo[2, công thức M31, trang 30], ta có:

8 3

r

c

M d N

Lt

Trong đó:

Bước 8: Độ cứng vít me:

Theo [2, công thức M36, trang 32], ta có:

2 r

t

d K

Bước 9: Kiểm nghiệm hệ số tải tĩnh:

Theo [2, công thức M41, trang 33], ta có:

Bước 10: Sự giãn nở vì nhiệt của vít me:

Với khuyến cáo của nhà sản xuất, với mỗi 1000mm độ dài vít me, thì độ giãn

nở sẽ tăng từ 0,02-0,03mm Nên ta chọn giá trị giãn nở cho vít me có độ dài 380mm 1 khoảng 0,02mm

Theo [2, trang 37], ta có công thức tính lực sinh ra khi giãn nở:

3.2.3 Tính chọn động cơ bước và driver

Mômen xoắn cho truyền động chung, Theo [2, công thức M19, trang 26], ta có:

1

2

b a

F l T

 

Trong đó:

K P l T



Trong đó: