Sử dụng board nhúng beaglebone điều khiển máy phay CNC 3 trục dùng động cơ AC SERVO

Nội dung chính của đồ án: - Tìm hiểu lý thuyết điều khiển chuyển động vị trí - Nghiên cứu và cài đặt hệ thống servo - Nghiên cứu giải thuật nội suy - Tìm hiểu và ứng dụng máy tính nhúng

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

SỬ DỤNG BOARD NHÚNG BEAGLEBONE ÐIỀU KHIỂN MÁY

PHAY CNC 3 TRỤC DÙNG ÐỘNG CƠ AC SERVO

GVHD: ThS VÕ VĂN CHƯƠNG SVTH: PHẠM THANH VINH MSSV:121416233 NGUYỄN HOÀNG TUẤN MSSV: 121416221 TRƯƠNG HOÀI NAM MSSV: 121416117

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016

S KL 0 0 4 7 8 7

Giảng viên hướng dẫn: ThS V L M CHƯƠNG

PHẠM THANH VINH 121416233 NGUYỄN HOÀNG TUẤN 121416221 TRƯƠNG HOÀI NAM 121416117

Lớp: 121461

Khoá: 2012 -2016

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2016

Giảng viên hướng dẫn: ThS V L M CHƯƠNG

PHẠM THANH VINH 121416233 NGUYỄN HOÀNG TUẤN 121416221 TRƯƠNG HOÀI NAM 121416117

Lớp: 121461

Khoá: 2012 -2016

i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Bộ môn Cơ điện tử

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: ThS V L M H NG

Sinh viên thực hiện: PH M THANH VINH MSSV: 12146233

NGUY N HO NG TU N MSSV: 12146221

TR NG HO I N M MSSV: 12146117

1 Tên đề tài:

Sử dụng board nhúng Beaglebone điều khiển máy phay N 3 trục dùng động cơ servo

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Phần cơ khí mô hình bàn máy 3 trục

- Driver và động cơ của hãng Pansonic

- Driver và động cơ của hãng Yakawa

- Máy tính Beaglebone Black Rec C

3 Nội dung chính của đồ án:

- Tìm hiểu lý thuyết điều khiển chuyển động vị trí

- Nghiên cứu và cài đặt hệ thống servo

- Nghiên cứu giải thuật nội suy

- Tìm hiểu và ứng dụng máy tính nhúng Beaglebone làm bộ điều khiển máy N và hiển thị tương tác với người dùng

4 Các sản phẩm dự kiến

- Hoàn thiện máy, tiến hành ch y thử nghiệm và tinh ch nh

5 Ngày giao đồ án:

6 Ngày nộp đồ án: 07/2016

TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

 Được phép bảo vệ ……… (GVHD ký, ghi rõ họ tên)

- Địa ch sinh viên: ao Lãnh, Đồng Tháp

- Số điện tho i liên l c: 01652533257

- Email: ptvinhcdt@gmail.com

H tên sinh viên: NGUYỄN HOÀNG TUẤN

- MSSV: 12146 221 Lớp: 121461A

- Địa ch sinh viên: M Tho, Tiền Giang

- Số điện tho i liên l c: 01656442201

- Email: htuan5936@gmail.com

H tên sinh viên: TRƯƠNG HOÀI NAM

- MSSV: 12146 117 Lớp: 121461B

- Địa ch sinh viên: Tây Hòa, Phú Yên

- Số điện tho i liên l c: 0983926690

- Email: truonghoainamhcm@gmail.com

- Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (Đ TN):

- Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do

chính tôi nghiên cứu và thực hiện Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào

đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”

Tp Hồ hí Minh, ngày … tháng 07 năm 2016

Ký tên

iii

LỜI CẢM ƠN

Đề tài này là cơ hội quý báu để sinh viên nghiên cứu ứng dụng kiến thức tích lũy trong quá trình h c tập t i trường Đó là kết quả của sự nỗ lực không ngừng của nhóm cùng với sự hướng dẫn, giúp đỡ và hỗ trợ nhiệt tình từ Quý Thầy cô, gia đình và b n bè, nhóm nghiên cứu mới có thể hoàn thành tốt luận văn này húng tôi xin trân tr ng và chân thành gửi lời tri ân đến:

 Thầy ThS Võ Lâm Chương, người luôn nhiệt tình ch dẫn và có những góp ý

giúp đỡ thiết thực để nhóm thực hiện đề tài này

 Tập thể Giảng viên Khoa ơ Khí hế T o Máy

 Anh Huỳnh Đăng Khuyến và Nguyễn Thanh Tùng đã giúp đỡ về khung máy N

và thiết kế máy với Đề tài: “Nghiên cứu và phát triển mô hình máy phay N 3 trục”

 Tập thể lớp ơ Điện Tử khóa 2012 đã gắn bó và động viên nhóm trong suốt thời gian qua, t o điều kiện cho nhóm hoàn thành tốt đề tài

 Gia đình và b n bè đã hết lòng hỗ trợ, giúp đỡ, động viên chúng tôi rất nhiều trong thời gian nghiên cứu Luận văn

Mặc dù có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn ch nh nhất Song do buổi đầu mới làm quen với công tác nghiên cứu khoa h c, tiếp cận với thực tế sản xuất cũng như

h n chế về kiến thức và kinh nghiệm nên không tránh khỏi những thiếu sót nhất định mà bản thân chưa thấy được húng tôi rất mong nhận được sự đóng góp của quý Thầy ô và các b n để khóa luận được hoàn ch nh hơn

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!

1 Láp ráp động cơ servo và Driver Lắp đặt động cơ, tìm hiểu chức năng và cài

đặt driver, cách nối dây

2 Nghiên cứu giải thuật nội suy Tìm hiểu giải thuật DD , S , DS

hương 1: Giới thiệu đề tài

hương 2: Tổng quan đề tài

hương 3: Thiết kế máy phay N

hương 4: Tổng quan về hệ thống servo

hương 5: Giới thiệu về bộ xử lý điều khiển trung tâm

hương 6: M ch đệm giao tiếp giữa bộ điều khiển và driver

hương 7: Giải thuật nội suy trong điều khiển số máy N

hương 8: Giao diện điều khiển

hương 9: Kết quả đ t được

hương 10: Đánh giá và nhận xét

v

ABSTRACT

APPLY EMBEDDED BOARD IN CONTROL A 3-AXIS CNC MACHINE USING

AC SERVO MOTORS

A 3-axis CNC milling machine using AC servo motors is controled by a Beaglebone board

It controls three AC servos and runs graphical user interface by a single board only Rearching interpolation algorithms for CNC machine are also involved in this project

1 Assembly AC servo motors and

Drivers Assembly AC servo, feature and setup drivers

2 Rearching interpolation algorithms Rearching DDA, DS, SA

3 Rearching feature and using

Beagleboard Feature, Control I/O, Kernel

The content is arrangel as fllows:

Chapter 1: Introduction

Chapter 2: Overview

Chapter 3: Design CNC milling machine

Chapter 4: Overview about AC Servo

Chapter 5: Introduction about micro processer uint

Chapter 6: Buffer board communicates driver and micro processer uint

Chapter 7: Interpolator algorithm for CNC machine

Chapter 8: Graphical user interface

Chapter 9: Resluts of the implementation

Chapter 10: Evaluation and review

vi

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

MỤC LỤC vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH Error! Bookmark not defined DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề Error! Bookmark not defined 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1

1.3 Đối tượng nghiên cứu 1

1.4 Giới hạn đề tài Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CNC 3

2.1 Khái niệm 3

2.2 L ch sử phát triển 3

2.3 Đặc trưng máy CNC 5

2.4 Các thành ph n máy CNC 7

2.5 Hệ trục t a độ trên máy CNC 8

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÁY CNC 10

3.1 Các phương án xây dựng mô hình máy CNC 10

3.2 Lựa ch n cơ cấu truyền động 13

3.3 Lựa ch n cơ cấu dẫn hướng các trục 17

3.4 Các loại động cơ được sử dụng 19

3.5 Kết cấu chung của máy CNC 22

3.6 Thông số bộ truyền 23

CHƯƠNG 4: TỔNG QUANG VỀ HỆ HỐNG AC SERVO 24

4.1 Giới thiệu tổng quan về AC servo 24

4.2 Giới thiệu driver và động cơ Servopack SGDA-04AP của hãng Yaskawa 31

4.3 Giới thiệu driver và động cơ MINAS A-series của hãng PANASONIC 36

4.4 Các bước thiết lập chung cho cho hệ thống AC servo 41

vii

CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU BỘ XỬ LÝ ĐIỀU KHIỂN TRUNG T M 42

5.1 Tổng quan về beaglebone black 42

5.2 Tính n ng và đặc điểm k thuật 43

5.3 Chi tiết về thiết kế ph n cứng 48

CHƯƠNG 6: MẠCH ĐỆM GIAO TIẾP GIỮA BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ DRIVER 52

6.1 Tổng quan mạch điều khiển 52

6.2 Mạch đệm 52

6.3 Sơ đồ nguyên lý 54

6.4 Nguồn cung cấp cho mạch 59

CHƯƠNG 7: GIẢI THUẬT NỘI SUY TRONG ĐIỀU KHIỂN SỐ MÁY CNC 60

7.1 Tổng quan 60

7.2 Nội suy bằng ph n cứng 61

7.3 Nội suy bằng ph n mềm 64

CHƯƠNG 8: GIAO DIỆN ĐIẾU KHIỂN 74

8.1 XENOMAI thời gian thực trên LINUX 74

8.2 QT CREATOR –lập trình giao diện với QT CREATOR 75

8.3 MACHINEKIT – LINUX CNC 80

CHƯƠNG 9: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 85

9.1 Cơ khí 85

9.2 Điện tử 86

9.3 Ph n mềm 86

CHƯƠNG 10: ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT 89

10.1 Kết luận 89

10.2 Hướng phát triển 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined.

viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Máy N đơn giản 4

Hình 2.2: Máy N hiện đ i 4

Hình 2.3: hi tiết gia công bàng máy N 6

Hình 2.4: Hệ Thống điều khiển máy CNC 7

Hình 2.5: Hệ trục t a độ 8

Hình 2.6: Hệ trục t a độ của máy CNC 9

Hình 3.1: Phương án phôi cố định 10

Hình 3.2: Phương án phôi dịch chuyển trên trục Y 11

Hình 3.3: Phương án phôi dịch chuyển trục X,Y 11

Hình 3.4: Truyền động vít me đai ốc thường 13

Hình 3.5: Bộ truyền vít me – đai ốc bi có rãnh hồi bi d ng ống 14

Hình 3.6: Bộ truyền vit me – đai ốc bi với rãnh hồi bi theo lỗ khoan trên đai ốc và rãnh hồi bi giữa 2 vòng ren kế tiếp 15

Hình 3.7: Thông số hinh h c đai răng 16

Hình 3.8: Sự ăn khớp đai răng 17

Hình 3.9: ác biên đ ng đai răng thường gặp 17

Hình 3.10: Dẫn bằng thang trượt 18

Hình 3.11: Dẫn hướng bằng rãnh mang cá 18

Hình 3.12: Động cơ cắt 19

Hình 3.13: Động cơ Yakawa SGM-02A312 21

Hình 3.14: Động cơ Panasonic MSM 082 1 22

Hình 3.15: Bản v phối cảnh máy N 22

Hình 3.16: Truyền động bánh đai - dây đai răng + vít me đai ốc bi 23

Hình 3.17: Bộ truyền trục X,Y 23

Hình 4.1: Tổng thể hệ thống Servo 24

Hình 4.2: Cấu hình cơ b n của 1 hệ thống servo 25

Hình 4.3: Sơ đồ khối điều khiển vòng kín 26

Hình 4.4: Biểu đồ quan hệ giữa mo-ment (lực) và vận tốc 27

Hình 4.5: Sơ đồ khối độ lợi 28

Hình 4.6: Đặc tính vị trí encoder cộng dồn và encoder tuyệt đối 28

Hình 4.7: Biểu đồ khối lỗi cua couter 29

Hình 4.8: Động cơ Yakawa 32

Hình 4.9: Driver Yakawa 32

Hình 4.10: Sơ đồ khối sử dụng chức năng điều khiển vị trí 33

ix

Hình 4.11: Sơ đồ đấu dây cho chức năng điều khiển vị trí (Yakawa) 34

Hình 4.12: Driver Panasonic 37

Hình 4.13: Động cơ Panasonic 37

Hình 4.14: Sơ đồ khối sử dụng chức năng điều khiển vị trí 38

Hình 4.15: Sơ đồ đấu dây cho chức năng điều khiển vị trí (Panasonic) 39

Hình 4.16: Hiển thị bước 1 40

Hình 4.17: Hiển thị bước 2 40

Hình 4.18: Hiển thị bước 4 41

Hình 4.19: Hiển thị bước 5 41

Hình 5.1: Thông số BeagleBone Black 43

Hình 5.2: Tính Năng Và Đặc Điểm K Thuật Của Beaglebone Black 44

Hình 5.3: Sơ đồ khối 44

Hình 5.4: Module GPIO 46

Hình 5.5: Module Analog Input 1.8V 46

Hình 5.6: Module I2C 47

Hình 5.7: Module PWM và Timer 47

Hình 5.8: Module UART 47

Hình 5.9: I nguồn TPS65217 PMI 48

Hình 5.10: Sơ đồ m ch nguồn DC Input 48

Hình 5.11: Sơ đồ m ch nguồn dùng USB 48

Hình 5.12: Sơ đồ khối bộ xử lý trung tâm Sitara XAM3359AZCZ100 49

Hình 5.13: Tính năng bộ xử lý trung tâm Sitara XAM3359AZCZ100 49

Hình 5.14: Xung clock cho bộ xử lý Sitara X M3359 Z Z100 50

Hình 5.15: Sơ đồ nút reset 50

Hình 5.16: Sơ đồ m ch eMM với bộ xử lý Sitara X M3359 Z Z100 50

Hình 5.17: Sơ đồ kết nối thể micro-SD và bộ xử lý Sitara M3359 Z Z100 51

Hình 6.1: Sơ đổ tống quan m ch điều khiển 52

Hình 6.2: Tổng quang m ch đệm 53

Hình 6.3: Tổng quan m ch đệm của mô hình 53

Hình 6.4: Sơ đồ m ch đệm phát xung cho Driver và cách tính toán trở 54

Hình 6.5: Sơ đồ m ch cách ly dùng H PL2631 54

Hình 6.6: Tổng quát I OPTO OUPL R H PL2631 55

Hình 6.7: Sơ đồ m ch cách ly – đệm cho công tắc hành trình 55

Hình 6.8: M ch đèn báo tr ng thái 56

Hình 6.9: Sơ đổ m ch cách ly - đệm chức năng phụ 56

x

Hình 6.10: hức năng từng chân 57

Hình 6.11: Sơ đồ nguyên lý m ch đệm 57

Hình 6.12: Layout m ch đệm 58

Hình 6.13: M ch đệm thực tế 58

Hình 6.14: Hình thực tế m ch LM2596 59

Hình 7.1: Khái niệm cơ bản về nội suy 60

Hình 7.2: ác phương pháp nội suy trong điều khiển máy CNC 61

Hình 7.3: Ví dụ về nội suy thẳng và nội suy tròn 62

Hình 7.4: Sơ đồ tính toán nội suy thẳng 62

Hình 7.5: Sơ đồ tính toán nội suy tròn 63

Hình 7.6: Nội suy phần mềm dựa trên phương pháp xung tham chiếu 65

Hình 7.7: Nội suy phần mềm dựa trên phương pháp lấy mẫu dữ liệu 65

Hình 7.8: Lưu đồ thuật toán DDA nội suy thẳng (a) và nội suy tròn (b) 67

Hình 7.9: Kết quả nội suy đường tròn theo phương pháp DDA 67

Hình 7.10: Đặc tính nội suy bậc thang 68

Hình 7.11: Góc của đường tròn 69

Hình 7.12: Lưu đồ giải thuật nội suy SA 70

Hình 7.13: Kết quả mô phỏng SA 70

Hình 7.14: Lưu đồ giả thuật nội suy DS 72

Hình 7.15: Kết quả nội suy DS 73

Hình 8.1: Sơ đồ khối ho t động nhân Cobalt 74

Hình 8.2: Sơ đồ khối ho t động nhận Mercury 75

Hình 8.3: T o sự kiện cho nút nhấn 76

Hình 8.4: Một vài thông số cơ bản của Push Button 77

Hình 8.5: h n sự kiện nút nhấn 77

Hình 8.6: Sử dụng Line dit 77

Hình 8.7: Thông số LineWith 78

Hình 8.8: Sử dụng Spin Box 78

Hình 8.9: Thông số Spin Box 78

Hình 8.10: Sử dụng ombo Box 79

Hình 8.11: Thông số ombo Box 79

Hình 8.12: hức Năng ombo Box 79

Hình 8.13: Khởi t o Machinekit 81

Hình 8.14: ài đặt thông số ban đầu 81

Hình 8.15: ấu hình từng trục 82

xi

Hình 8.16: ấu hình trục cắt 84

Hình 9.1: Tổng thể máy 85

Hình 9.2: Tủ điện nhóm thực hiện 86

Hình 9.3: Giao diện phần mềm điều khiển 87

Hình 9.4: Sản phẩm gia công từ máy Error! Bookmark not defined DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Thông số vít me các trục X,Y,Z 15

Bảng 3.2: Thông số k thuật động cơ trục chính 20

Bảng 3.3: Thông số vật lý của động cơ trục chính 20

Bảng 3.4: Mô tả dây encoder động cơ trục chính 21

Bảng 4.1: So sánh giữ động cơ bước và động cơ servo ( servo và D servo) 24

Bảng 4.2: ài đặt thông số theo cơ cầu 35

Bảng 7.1: Bước tăng ứng từng góc 69

Bảng 7.2: Bảng kết quả giá trị nội suy 71

Bảng 7.3: Bảng kết quả gia1 trị nội suy DS 73

Bảng 8.1: Thông số cấu hình máy 80

Bảng 9.1: Bảng Thông số hiệu ch nh 85

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

pps (p/s) : Pulse per second (xung trên giây)

ppm (r/min) : Revolutions per minute (vòng trên phút)

ppr (p/r) : Pulse per revolution (xung trên vòng)

MCU : Machine ontrol Unit (bộ điều khiển)

BLU : Basic Length Unit (chiều dài đơn vị cơ bản)

ông nghệ D/ M/ N là một trong những hướng đi đó Trên thế giới, công nghệ D/ M/ N phát triển m nh từ 20 năm cuối thế kỷ 20, nhưng ch bắt đầu phổ biến ở nước ta trong khoảng 10 năm trở l i đây Việc phải phụ thuộc hoàn toàn vào sản phẩm nhập ngo i với giá thành còn rất cao khiến t lệ ứng dụng công nghệ này còn thấp, chưa đ t hiệu quả kinh tế như mong đợi Vì vậy nghiên cứu chế t o máy N thương hiệu Việt là vấn đề vô cùng cần thiết và đã thu hút nhiều công trình nghiên cứu

Từ những điều kiện khách quan và sự đam mê công nghệ D/ M/ N , nhóm sinh viên đã quyết định thực hiện đề tài “Sử dụng board nhúng Beaglebone điều khiển máy phay N 3 trục dùng động cơ servo” Hi v ng rằng đây s là tài liệu bổ ích góp phần thúc đẩy hơn nữa việc tìm hiểu ứng dụng công nghệ

D/ M/ N vào thực tiễn

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, giải thuật nội suy và ứng dụng hệ thống servo điều khiển vị trí nhằm t o ra mô hình máy phay N 3 trục phục vụ giảng d y Phần mềm điều khiển ch y trực tiếp trên board nhúng và giao tiếp với người dùng không cần dùng máy tính P

1.3 Đối tƣợng nghiên cứu

 Tìm hiểu lý thuyết điều khiển chuyển động vị trí

 Nghiên cứu và cài đặt hệ thống servo

 Nghiên cứu giải thuật nội suy

 Tìm hiểu và ứng dụng máy tính nhúng Beaglebone làm bộ điều khiển máy N

và hiển thị tương tác với người dùng

2

1.4 Giới hạn đề tài

Máy N là sản phẩm phức t p đòi hỏi sự kết hợp của nhiều ngành k thuật cao:

cơ khí-điện tử-điều khiển-tin h c Ở góc độ đồ án tốt nghiệp đ i h c và những h n chế

về thời gian và kinh phí, nhóm sinh viên đề xuất thực hiện đề tài ở các nội dung:

 Tìm hiểu lý thuyết điều khiển chuyển động vị trí

 Nghiên cứu và cài đặt hệ thống servo

 Nghiên cứu giải thuật nội suy

 Tìm hiểu và ứng dụng máy tính nhúng Beaglebone làm bộ điều khiển máy N

và hiển thị tương tác với người dùng

N có thể điều khiển vị trí của phôi gia công hoặc dao, các tham số cung cấp như

là chiều sâu cắt, vận tốc và các chức năng khác như là tắc/mở nước làm nguội hoặc

là tắc/mở qu t làm mát

2.2 L ch sử phát triển

Thiết kế máy N hiện đ i bắt nguồn từ tác phẩm của John T Parsons cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950 Sau Thế chiến II, Parsons tham gia sản xuất cánh máy bay trực thăng, một công việc đòi hỏi phải gia công chính xác các hình d ng phức t p Parsons sớm nhận ra rằng bằng cách sử dụng máy tính IBM thời kì đầu, ông đã có thể t o ra những thanh dẫn đường mức chính xác hơn nhiều khi sử dụng các phép tính bằng tay và sơ đồ Dựa trên kinh nghiệm này, ông đã giành được hợp đồng phát triển một “máy cắt đường mức tự động” cho Không quân để t o mặt cong cho cánh máy bay Sử dụng một đầu đ c thẻ máy tính và các

bộ điều khiển động cơ trợ động (servomotor) chính xác, chiếc máy được chế t o cực kì lớn, phức t p và đắt đỏ Mặc dù vậy, nó làm việc một cách tự động và sản xuất các mặt cong với độ chính xác cao đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp máy bay

Đến những năm 1960, giá thành và tính phức t p của những chiếc máy tự động giảm đến một mức độ nhất định để có thể ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác Những chiếc máy này sử dụng các động cơ truyền động điện một chiều để vận dụng vô lăng và vận hành dao cụ ác động cơ này nhận ch dẫn điện từ một đầu đ c băng từ – đ c một băng giấy có chiều rộng khoảng 2,5cm có đục một hàng

lỗ Vị trí và thứ tự lỗ cho phép đầu đ c sản xuất ra những xung điện cần thiết để quay động cơ với thời gian và tốc độ chính xác, trong thực tế nó điều khiển máy giống như nhân viên vận hành ác xung điện được quản lý bởi một máy tính đơn giản không có bộ nhớ húng thường được g i là N hay máy điều khiển số

Năm 1947, John Parsons quản lý một hãng sản xuất hàng không ở thành phố Traverse, Michigan Đối mặt với tính phức t p ngày càng cao của hình d ng chi tiết

và những vấn đề về toán h c và k thuật mà h gặp phải, Parsons đã tìm ra những biện pháp để giảm chi phí k thuật cho công ty Ông đã xin phép International Business Machine sử dụng một trong những chiếc máy tính văn phòng trung ương của h để thực hiện một lo t các phép toán cho một cánh máy bay trực thăng mới uối cùng, ông đã dàn xếp với Thomas J Watson, chủ tịch huyền tho i của IBM, nhờ đó IBM s làm việc với tập đoàn Parsons để t o ra một chiếc máy được điều khiển bởi các thẻ đục lỗ Nhanh chóng, Parsons cũng ký được hợp đồng với ir Force để sản xuất một chiếc máy được điều khiển bằng thẻ hay băng từ có khả

đã thí nghiệm nhiều kiểu quá trình khác nhau và cũng đã làm việc với các dự án

ir Force từ thời Thế chiến II Phòng thí nghiệm MIT đã nhận thấy đây là một cơ hội tốt để mở rộng nghiên cứu sang lĩnh vực điều khiển Việc phát triển thành công các công cụ máy N đã được các nhà nghiên cứu của trường đ i h c đảm trách

Hình 2.1: áy CNC đ n gi n

Trong những năm 60, thời gian đã chín mùi cho việc phát triển và ứng dụng các máy N Rất nhiều thành viên của ngành công nghiệp hàng không M đã nhanh chóng ứng dụng, phát triển và đã sản sinh ra thế hệ máy mới ( N ) cho phép phay các biên d ng phức t p, t o hình với hai, ba hoặc bốn và năm trục (ba tịnh tiến và hai quay) ác nước châu u và Nhật Bản phát triển có chậm hơn một vài năm, nhưng cũng có những đặc điểm riêng, chẳng những về mặt k thuật, mà cả về kết cấu như kết cấu trục chính, cơ cấu chứa dao, hệ thống cấp dao

Hình 2.2: áy CNC hiện đại

5

ác máy N hiện đ i ho t động bằng cách đ c hàng nghìn bit thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính chương trình Để đặt thông tin này vào bộ nhớ, nhân viên lập trình t o ra một lo t lệnh mà máy có thể hiểu được Bộ điều khiển cũng giúp nhân viên lập trình tăng tốc độ sử dụng máy Ví dụ, trong một số máy, nhân viên lập trình có thể đơn giản ch cần nhập dữ liệu về vị trí, đường kính và chiều sâu của một chi tiết và máy tính s lựa ch n phương pháp gia công tốt nhất để sản xuất chi tiết đó dưới d ng phôi Thiết bị mới nhất có thể ch n một mẫu k thuật được t o ra từ máy tính, tính toán tốc độ dao cụ, đường vận chuyển vật liệu vào máy và sản xuất chi tiết

mà không cần bản v hay một chương trình

2.3 Đặc trƣng máy CNC

a Tính năng tự động cao

Máy N có năng suất cắt g t cao và giảm được tối đa thời gian phụ, do mức độ tự động được nâng cao vượt bậc Tùy từng mức độ tự động, máy N có thể thực hiện cùng một lúc nhiều chuyển động khác nhau, có thể tự động thay dao, hiệu ch nh sai số dao, tự động kiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự động hiệu ch nh sai lệch vị trí tương đối giữa dao và chi tiết, tự động tưới nguội, tự động hút phoi ra khỏi khu vực cắt…

b Tính năng linh hoạt cao

hương trình có thể thay đổi dễ dàng và nhanh chóng, thích ứng với các

lo i chi tiết khác nhau Do đó rút ngắn được thời gian phụ và thời gian chuẩn bị sản xuất, t o điều kiện thuận lợi cho việc tự động hóa sản xuất hàng lo t Bất cứ lúc nào cũng có thể sản xuất nhanh chóng những chi tiết đã có chương trình Vì thế, không cần phải sản xuất chi tiết dự trữ, mà ch giữ lấy chương trình của chi tiết đó

Máy N gia công được những chi tiết nhỏ, vừa, phản ứng một cách linh

ho t khi nhiệm vụ công nghệ thay đổi và điều quan tr ng nhất là việc lập trình gia công có thể thực hiện ngoài máy, trong các văn phòng có sự hỗ trợ của k thuật tin h c thông qua các thiết bị vi tính, vi xử lý

c Tính năng tập trung nguyên công

Đa số các máy N có thể thực hiện số lượng lớn các nguyên công khác nhau mà không cần thay đổi vị trí gá đặt của chi tiết Từ khả năng tập trung các nguyên công, các máy N đã được phát triển thành các trung tâm gia công CNC

6

d Tính năng chính xác, đ m b o chất lượng cao

 Giảm được hư hỏng do sai sót của con người Đồng thời cũng giảm được cường độ chú ý của con người khi làm việc

 ó khả năng gia công chính xác hàng lo t Độ chính xác lặp l i, đặc trưng cho mức độ ổn định trong suốt quá trình gia công là điểm ưu việt tuyệt đối của máy N

 Máy N với hệ thống điều khiển khép kín có khả năng gia công được những chi tiết chính xác cả về hình dáng đến kích thước Những đặc điểm

này thuận tiện cho việc lắp đặt giảm khả năng tổn thất phôi ở mức thấp nhất

e Gia công biên dạng phức tạp

Máy N là máy duy nhất có thể gia công chính xác và nhanh các chi tiết có hình dáng phức t p như các bề mặt 3 chiều

Hình 2.3: Chi tiết gia công bàng máy CNC

f Tính năng hiệu qu kinh tế và kỹ thuật cao

 ải thiện tuổi bền dao nhờ điều kiện cắt tối ưu Tiết kiệm dụng cụ cắt g t,

đồ gá và các phụ tùng khác Giảm phế phẩm

 Tiết kiệm tiền thuê mướn lao động do không cần yêu cầu k năng nghề nghiệp nhưng năng suất gia công cao hơn

 Sử dụng l i chương trình gia công

 Giảm thời gian sản xuất

 Thời gian sử dụng máy nhiều hơn nhờ vào giảm thời gian dừng máy

 Giảm thời gian kiểm tra vì máy N sản xuất chi tiết chất lượng đồng nhất

 N có thể thay đổi nhanh chóng từ việc gia công lo i chi tiết này sang

lo i khác với thời gian chuẩn bị thấp nhất

7

Tuy nhiên máy N không phải không có những h n chế Dưới đây là một số h n chế:

 Sự đầu tư ban đầu cao: Nhược điểm lớn nhất trong việc sử dụng máy N

là tiền vốn đầu tư ban đầu cao cùng với chi phí lắp đặt

 Yêu cầu bảo dưỡng cao: Máy N là thiết bị k thuật cao và hệ thống cơ khí, điện của nó rất phức t p Để máy gia công được chính xác cần thường xuyên bảo dưỡng Người bảo dưỡng phải tinh thông cả về cơ và điện

 Hiệu quả thấp với những chi tiết đơn giản

2.4 Các thành ph n máy CNC

Hình 2.4: Hệ Thống điều khiển máy CNC

Một máy CNC bao gồm 2 thành phần cơ bản sao :

- Phần điều khiển: Gồm chương trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển hương

trình điều khiển: Là tập hợp các tín hiệu (g i là lệnh) để điều khiển máy, được mã hóa dưới d ng chữ cái, số và môt số ký hiệu khác như dấu cộng, trừ, dấu chấm,

g ch nghiêng hương trình này được ghi lên cơ cấu mang chương trình dưới

d ng mã số (cụ thể là mã thập - nhị phân như băng đục lỗ, mã nhị phân như bộ nhớ của máy tính)

ác cơ cấu điều khiển: Nhận tín hiệu từ cơ cấu đ c chương trình, thực hiện các phép biến đổi cần thiết để có được tín hiệu phù hợp với điều kiện ho t động của cơ cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra sự ho t động của chúng thông qua các tín hiệu

8

được gửi về từ các cảm biến liên hệ ngược Bao gồm các cơ cấu đ c, cơ cấu giải

mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuyếch đ i, cơ cấu đo hành trình, cơ cấu đo vận tốc, bộ nhớ và các thiết bị xuất nhập tín hiệu Đây là thiết bị điện - điện tử rất phức t p, đóng vai trò cốt yếu trong

hệ thống điều khiển của máy NC

- Ph n chấp hành: Gồm máy cắt kim lo i và một số cơ cấu phục vụ vấn đề tự động

hóa như các cơ cấu tay máy, ổ chứa dao, bôi trơn, tưới trơn, hút thoát phoi, cấp phôi ũng như các lo i máy cắt kim lo i khác, đây là bộ phận trực tiếp tham gia cắt g t kim lo i để t o hình chi tiết Thành phận: Hộp tốc độ, hộp ch y dao, thân

máy, sống trượt, bàn máy, trục chính, ổ chứa dao, các tay máy

Kết cấu từng bộ phận chính chủ yếu như máy v n năng thông thường, nhưng có một vài khác biệt nhỏ để đảm bảo quá trình điều khiển tự động được ổn định, chính xác, năng suất và đặc biệt là mở rộng khả năng công nghệ của máy Hộp tốc độ: Ph m vi điều ch nh tốc độ lớn, thường là truyền động vô cấp, trong đó sử dụng các ly hợp điện từ để thay đổi tốc độ được dễ dàng Hộp ch y dao: ó nguồn dẫn động riêng, thường là các động cơ bước, động cơ servo

Trong xích truyền động, sử dụng các phương pháp khử khe hở của các bộ truyền như vít me - đai ốc bi Thân máy cứng vững, kết cấu hợp lý để dễ thải phoi, tưới trơn, dễ thay dao tự động Nhiều máy có ổ chứa dao, tay máy thay dao

tự động, có thiết bị tự động hiệu ch nh khi dao bị mòn

Trong các máy N có thể sử dụng các d ng điều khiển thích nghi khác nhau bảo đảm một hoặc nhiều thông số tối ưu như các thành phần lực cắt, nhiệt độ cắt,

độ bóng bề mặt

2.5 Hệ trục t a độ trên máy CNC

Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt g t khi gia công chi tiết trên máy

N phải nằm trong một hệ trục t a độ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải Trong đó có ba chuyển động tịnh tiến theo các trục và ba chuyển động quay theo các trục tương ứng

Hình 2.5: Hệ trục tọa độ

9

Trục Z tương ứng với phương trục chính của máy N , chiều dương là chiều làm tăng khoảng cách giữa dao và chi tiết gia công hiều quay dương cùng chiều kim đồng hồ (nhìn từ gốc t a độ) Trục X tương ứng chuyển động tịnh tiến lớn nhất của máy N Ví dụ trên máy phay là chuyển động ch y dao d c, trên máy tiện là chuyển động ch y dao ngang hiều dương là chiều làm tăng khoảng cách giữa dao

và chi tiết

Trục Y hình thành với hai trục trên trong hệ trục t a độ Ví dụ trên máy phay chính là chuyển động ch y dao ngang của bàn máy, trên máy tiện không có trục này Lưu ý khi xét hệ trục t a độ của máy N phải coi như chi tiết đứng yên, còn

dao chuyển động theo các phương của hệ trục t a độ

Hình 2.6: Hệ trục tọa độ của máy CNC

Hệ trục tọa độ của máy CNC được đặt vào các loại chuẩn cơ bản sau:

M (Machine Point): huẩn máy Máy s đo lường từ vị trí này đến các vị trí

khác khi làm việc

R (Reference Point): huẩn quy chiếu của máy, dùng để đóng kín không gian

làm việc của máy

T (Tool Offset): huẩn dao Để xác định vị trí dao cắt sau khi đã lắp dao vào ổ

dao

W (Work Point): huẩn chi tiết Dùng làm gốc của hệ t a độ làm việc trong quá

trình gia công ó thể thay đổi theo ý muốn của người thiết kế huẩn này chính là chuẩn công nghệ vì vậy phải được ch n trong không gian làm việc của máy

P (Program Point): huẩn thảo chương Dùng làm gốc của hệ t a độ trong quá

trình so n thảo chương trình ó thể thay đổi theo ý muốn của người lập trình

huẩn này nên trùng với chuẩn thiết kế trên bản v chi tiết

 Để trục Y có thể vừa trượt được trên bệ đỡ vừa nâng được các trục X và Z thì

nó phải có kết cấu vững chắc để toàn bộ phần trượt Y ổn định khi di chuyển Đồng thời hai tấm đỡ hai bên phải đủ độ dày để đảm bảo độ cứng vững nhất định, đảm bảo trượt ổn định và và sai số thấp

 Trục X trượt trên trục Y nên trên bộ phận trượt trục Y có gắn hệ thống các thanh trượt, cơ cấu truyền động, động cơ… tất cả các bộ phận này chuyển động cùng với trục Y

 Trên trục Z có gắn động cơ trục chính 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 gắn các thanh trượt trục Y và phôi cần gia công

 Động cơ trục chính nằm trên trục Z

 Trục X và trục Y đều trượt trên các thanh trượt gắn cố định trên thân máy, trục

Z trượt trên trục X, nên trên trục X có gắn thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động của trục Z

 Động cơ trục chính nằm trên trục Z

c Phôi di chuyển theo hai trục X và Y, động cơ trục chính di chuyển theo trục Z

Hình 3.3: hư ng án phôi dịch chuyển trục X,Y

12

Đặc điểm:

 Phần cố định bao gồm đế máy và phần gá cơ cấu dẫn động của trục Z

 Phôi được đặt trên bàn máy và có thể di chuyển tự do theo phương trục X và trục Y trong mặt phẳng ngang nhờ các cơ cấu dẫn động thường là động cơ gắn liền với trục vít me

 Động cơ trục chính nằm trên trục Z

3.1.2 Lựa ch n phương án tối ưu

Trong việc thiết kế máy N , một t số rất quan tr ng đó là t số giữa khối lượng phần di chuyển và khối lượng phần cố định phải đủ thấp để đảm bảo trong quá trình vận hành máy không bị rung, ảnh hưởng lớn tới các kết cấu, và độ chính xác trong quá trình gia công Như vậy trong phương án phôi cố định, vì khối lượng phần di chuyển lớn, t số này tăng cao, nên rất dễ bị rung khi làm việc Từ đó người

ta đưa ra giải pháp là tăng khối lượng phần bệ đỡ làm t số giảm xuống mức độ chấp nhận được, đủ để máy ho t động bình thường Tuy nhiên, điều này s làm tăng tr ng lượng của toàn máy lên cao, đó là lý do mà hầu hết các mẫu máy hiện nay thiết kế theo phương án này đều có cái bệ đỡ rất to, đôi khi trong một số ứng dụng cần sự linh ho t hay vận chuyển nhiều s gặp khó khăn

Trong 2 phương án di chuyển phôi, thì phương án phôi di chuyển theo hai phương trục X và trục Y là cho kết cấu máy nhỏ g n và mang tính công nghệ cao hơn so với phương án phôi di chuyển theo một phương Tuy phuơng án này

có thể gặp khó khăn trong khâu chế t o vì kết cấu khá phức t p nhưng nó đảm bảo được tính công nghệ, vấn đề về tr ng tâm của máy cũng như đưa mô hình đến gần với máy N trong công nghiệp hơn

Trong máy công cụ nói chung và máy N nói riêng, tr ng tâm thấp s làm tăng tính cứng vững và ổn định của hệ thống Do đó trong thiết kế và chế t o, cần tối ưu hóa thiết kế sao cho tr ng tâm máy ở vị trí thấp nhất và vị trí của tr ng tâm không thay đổi quá nhiều trong suốt thời gian máy ho t động

Trong ba phương án trên, phương án phôi di chuyển theo hai trục X,Y đảm bảo tr ng tâm của máy ở vị trí thấp nhất vì hai trục X,Y ở vị trí thấp nhất và có độ cao không đổi trong quá trình máy ho t động

Từ những lý do trên nhóm quyết định ch n kết cấu máy N theo phương

án phôi di chuyển theo hai phương của trục X và trục Y

13

3.2 Lựa ch n cơ cấu truyền động

3.2.1 Vít me đai ốc thường

Vít me được gắn đồng trục trực tiếp với động cơ hoặc qua bộ giảm tốc Khi động

cơ quay, vít me quay làm cho đai ốc di chuyển d c theo trục vít me Đai ốc được gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động (trục X, Y, Z) Từ đó làm cho bộ phận đó chuyển động tịnh tiến

Tốc độ di chuyển được phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vít, thường thì bước ren rất nhỏ cỡ 1 đến 2 mm, một vòng quay của trục động cơ s làm đai ốc di chuyển một đo n bằng bước ren của trục vít, vì vậy tốc độ di chuyển của bộ phận trượt ở phương pháp này là chậm nhưng l i có độ chính xác khi chuyển động khá cao Một ưu điểm khác là t o ra lực đẩy lớn khi gia công mẫu vật Do đó phương

án này thường được dùng trong các máy N công nghiệp, gia công các lo i vật liệu cứng, kính thước lớn…Tuy nhiên, vít me đai ốc thường cũng tồn t i một số nhược điểm sau:

 Mau mòn và hiệu suất không cao (20%-40%) do tiếp xúc giữa hai bề mặt là tiếp xúc theo đường và ma sát t o ra khi làm việc là ma sát trượt

 Luôn tồn t i một khe hở giữa vít me và đai ốc, khe hở này tăng lên trong quá trình ho t động nên làm giảm độ chính xác của máy

Hình 3.4: Truyền động vít me đai ốc thường

14

3.2.2 Vít me đai ốc bi

Trong máy công cụ điều khiển số công nghiệp, người ta thường sử dụng 2 d ng vít – đai ốc đó là vít me – đai ốc với mặt tiếp xúc còn được g i là vít me đai ốc thường (như đã giới thiệu ở trên) và một d ng nữa đó là vít me – đai ốc bi Đây là d ng vit me – đai ốc thay vì ma sát trượt thông thường, tiếp xúc giữa vít me và đai ốc thông qua các viên bi được chuyển thành ma sát lăn Điều này đem đến một ưu điểm: ch cần một lực rất nhỏ đã có thể làm cho đai ốc chuyển động

Hình 3.5: Bộ truyền vít me – đai ốc bi có rãnh hồi bi dạng ống

Trên đây là cấu t o bộ truyền vít me – đai ốc bi Tuy có kết cấu đa d ng nhưng các thành phần chủ yếu của bộ truyền bao gồm: vít me 1, đai ốc 2, các viên bi 3 và rãnh hồi bi 4

Vấn đề quan tâm trong bộ truyền vít me – đai ốc bi đó là d ng profin răng vít me và đai ốc Frofin răng vít me d ng chữ nhật và hình thang là chế t o dễ dàng hơn cả, song khả năng chịu tải kém Để tăng khả năng chịu tải, người ta tăng bề mặt làm việc của bộ truyền bằng cách chế t o frofin d ng tròn

Một vấn đề cũng rất quan tr ng trong kết cấu của bộ truyền dó là kết cấu của rãnh hồi bi: rãnh hồi bi có thể là d ng ống, hoặc d ng theo lỗ khoan trong đai ốc hoặc là

d ng rãnh hồi bi gữa hai vòng ren kế tiếp

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

Rãnh hồi bi theo lỗi khoan trên đai ốc có ưu điểm là kết cấu g n 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 d ng hồi bi được dùng nhiều hơn cả do có kích thước g n nhất, không bị mòn nhanh, độ tin cậy cao và chiều dài rãnh hồi bi lớn

15

Hình 3.6: Bộ truyền vit me – đai ốc bi với rãnh hồi bi theo lỗ khoan trên đai ốc và

rãnh hồi bi giữa 2 vòng ren kế tiếp

 Do ma sát nhỏ và góc nghiêng lớn nên vít me bi thường không có khả năng

tự hãm Tuy nhiên, điều này có thể khắc phục bằng bộ truyền và cơ cấu thắng trong động cơ servo

 Chi phí cao

Từ những ưu điểm và biện pháp khắc phục nhược điểm như trên, ta ch n vít me đai ốc bi làm để dẫn động cho các trục ụ thể như sau thông số vít me của các trục được sử dụng như sau:

16

Nhờ có độ dẻo, bộ truyền làm việc êm, không ồn, thích hợp với vận tốc lớn, ch tiêu về khả năng làm việc của bộ truyền động đai là khả năng kéo và tuổi th của đai

ó rất nhiều lo i đai khác nhau như: đai thang, đai dẹt, đai tròn, đai nhiều chêm, đai răng…

Trong đề tài nghiên cứu này, do yêu cầu độ chính các cao của máy N nên lựa ch n phương án sử dụng bộ truyền động bằng đai dẹt có răng u điểm của bộ truyền này là không có hiện tượng trượt đai và không cần dùng bánh căng đai, bộ truyền nhỏ g n, lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ, t số truyền lớn, hiệu suất cao

ác thông số hình h c của đai răng:

Hình 3.7: Thông số hinh học đai răng

Trong đó:

h: hiều cao răng (mm)

H: Bề dày đai

b: Bề rộng đai

S: hiều dày răng nhỏ nhất (mm)

R1,R2: Bán kính góc lượn của răng (mm)

p: Bước răng

H: hiều dày đai

Hiện nay đai răng đang được sử dụng nhiều trong m i lĩnh vực; lo i truyền động này có ưu điểm của truyền động xích và truyền động đai

Đai răng tương tự như đai dẹt nhưng bề mặt trong có các gờ hình thang, tròn hoặc cong Trên các bánh đai cũng có các rãnh tương ứng Bộ truyền làm việc được

là nhờ vào sự ăn khớp giữa đai và các răng của bánh đai Bộ truyền đai răng được dùng đến công suất 100KW, cá biệt có thể đến 500KW và tốc độ 5†50 (m/s) á biệt

có thể 80(m/s) với đai lo i nhẹ Bề rộng của đai có thể đến 380(mm), tỷ số truyền đ t đến 12 cá biệt có đến 30, hiệu suất tối đa 98%

17

Hình 3.8: ự ăn khớp đai răng

Hình 3.9: Các biên đạng đai răng thường g p

Sử dụng một vòng đai cao su khép kín với các răng cưa ở mặt trong Hai đầu của đai được đặt vừa vào 2 bánh đai tương ứng Một bánh đai được cố định vào động cơ, còn bánh đai kia được gắn vào vít me Do đó khi động cơ quay, chuyển động quay của động cơ được đai truyền sang vít me và chuyển hành chuyển động tịnh tiến của đai ốc bi tương ứng

Tốc độ chuyển động tịnh tiến phụ thuộc vào tốc độ động cơ và tương quan đường kính giữa hai bánh đai

3.3 Lựa ch n cơ cấu dẫn hướng các trục

Có khá nhiều phương án để dẫn hướng các trục của máy N Ở đây, nhóm xin

đề cập đến 2 cách dẫn hướng phổ biến nhất: đó là dẫn hướng bằng thanh trượt và dẫn hướng bằng rãnh mang cá

19

Theo phương án này trục vít me được nối với bộ giảm tốc được gắn chặt vào phần

cố định của mang cá 1 Đai ốc được gắn chặt vào rãnh mang cá 2 Khi động cơ quay trục vít me, đai ốc s kéo rãnh mang cá 2 trượt tịnh tiến theo mang cá 1

u điểm của phương án này là kết cấu máy s rất g n nhẹ và mang tính công nghệ cao và có kết cấu gần giống với máy N trong công nghiệp

Nhược điểm: Việc gia công sống trượt mang cá phức t p hơn việc gia công các trục trơn (có thể mua sẵn) Tuy vậy, với khả năng công nghệ, có sẵn thiết bị gia công (các máy v n năng: bào, phay) thì hoàn toàn có thể thực hiện được việc gia công sống trượt và rãnh mang cá với độ chính xác có thể chấp nhận được

Kết luận:

Với mục tiêu chế t o một máy N dùng cho phòng thí nghiệm, với các tiêu chí

g n nhẹ, tốc độ di chuyển vừa phải, để khi cần có thể dùng làm thiết bị thí nghiệm,

ho t động ổn định, không rung khi ch y ở tốc độ cao, thì nhóm đã ch n phương án thiết kế như sau:

Dùng phương án phôi di động theo hai phương trục X và trục Y để đ t được tiêu chí

g n nhẹ, giảm rung khi ho t động

Kết hợp với phương án truyền động bằng vít me đai ốc bi để đ t được độ chính xác

di chuyển và và từ đó dẫn đến đ t được độ chính xác gia công cao hơn

Trục X,Y được dẫn hướng bằng rãnh mang cá, trục Z được dẫn hướng bằng thanh trượt tròn

Đặc điểm

 Kích thước nhỏ g n, nhẹ và hiệu suất cao

 Đặc tính nổi bật: quán tính nhỏ, tăng hiệu suất và tốc độ đáp ứng

 hống bụi và chống nước

 ải thiện khả năng tản nhiệt bằng cách bổ sung vào vỏ b c hợp kim nhôm

 Kết hợp với encoder và I tích hợp lo i nhỏ tăng khả năng chống nhiễu

 ó thể kết hợp với các khối điều khiển chuyên dụng

Bảng 3.3: Thông số vật lý của động c trục chính

 Encoder tăng dần với 2500 P/r

3.5 Kết cấu chung của máy CNC

Trên nền một máy phay N có sẵn tương đối hoàn thiện hai trục X,Y, nhóm thực hiện đề tài đã thiết kế và thi công trục Z cùng cơ cấu chân đế để đảm bảo tính ổn định cho máy

Hình 3.15: B n v phối c nh máy CNC

23

3.6 Thông số bộ truyền

Như đã trình bày ở trên, việc tính toán, thiết kế dựa trên một số thông số k thuật khi vận hành thêm vào đó là giới h n về trang thiết bị Do đó, việc thiết kế nhằm mục đích tối ưu hóa khả năng vận hành ổn định, tiết kiệm chi phí và đơn giản trong quá trình chế t o

3.6.1 Tính toán bộ truyền trục Z

Phần di chuyển d c trục Z có khối lượng khá lớn và tốc độ ch y dao theo phương Z không yêu cầu cao, do đó các thông số bộ truyển và động cơ trục Z được ch n sao cho đảm bảo đủ lực mà không cần ch y tốc độ cao (4mm/s)

Vít me bi được ch n sao cho có bước ren nhỏ nhất (phổ biến từ 4mm) Ở đây nhóm ch n vít me có bước ren 6mm, đường kính 12mm

Từ các thông số trên, ta tính t số truyền của bộ truyền bánh đai- dây đai răng như sau: T số truyền: 2.25 Ta có cặp bánh đai có số răng tương ứng là 14 và 56 răng

Hình 3.16: Truyền động bánh đai - dây đai răng + vít me đai ốc bi

3.6.2 Tính toán bộ truyền trục X,Y

Phần di chuyển d c trục X,Y có khối lượng khá lớn tuy nhiên do di chuyển trong mặt phẳng ngang, do đó có thể chuyển động ở tốc độ cao để tối ưu thời gian gia công trong đó có xét tới khả năng đáp ứng của động cơ

Hình 3.17: Bộ truyền trục X,Y

T số truyền: 15

Ta có cặp bánh đai có số răng lần lượt là 20 và 40

24

CHƯƠNG 4: TỔNG QUANG VỀ HỆ THỐNG AC SERVO

4.1 Giới thiệu tổng quan về AC servo

Hình 4.1: Tổng thể hệ thống Servo

Servo bắt nguồn từ tiếng Hy Lap Servus (Servant), nghĩa là nô lệ, đầy tớ Một

hệ thống được g i là Servo khi hệ thống đó chấp hành một cách chính xác lệnh của chủ nhân (bộ điều khiển trung tâm)

Các dòng Driver Servo hiện có trên th trường Việt Nam được chia làm 4 loại:

 Simple Switched Driver Servo ( là dòng Servo điều khiển đơn giản )

 Servo Driver (được sử dụng trong các nhà máy, các máy và dây chuyền sản xuất yêu cầu độ chính xác cao về tốc độ và góc quay)

 D servo Driver có nguyên lý hoặc động giống như servo Driver nhưng cơ câu chấp hành sử dụng động cơ D thay vì dùng động cơ Động cơ bước có chức năng điều khiển vị trí và vận tốc nhưng không có bộ phần hồi tiếp (điều khiển hệ hở)

Bảng 4.1: o sánh giữ động c bước và động c servo (AC servo và DC servo)

• Điều khiển vòng hở

• Giá thành rẻ

• Ổn định ở tốc độ nhỏ

• Thay đổi tốc độ không êm

• Hiện tượng mất xung trong quá trình

điều khiển nên thường bị sai số (tăng

tốc,tải thay đổi, tốc độ cao)

25

Hệ thống điều khiển dựa trên quan sát sai lệch tốc độ và vị trí giữa hệ cơ khí (đáp ứng) và hệ điều khiển Giá trị đáp ứng được phản hồi về sau khi thực hiện lệnh Sai biệt giữa giá trị đáp ứng và giá trị lệnh điều khiển s được hệ thống điều ch nh xuống bằng 0 hức năng chính của một hệ thống servo là điều khiển chính xác vị trí, vận tốc, quán tính cho cơ cấu chấp hành (thường là động cơ điện)

Trong khuôn khổ của đề tài này ch đề cập đến tính năng điều khiển vị trí cho động cơ S RVO công nghiệp

4.1.1 Các thuật ngữ :

 Servo

 Servo mechanism

 Servo control system

Trên thực tế các thuật ngữ trên có ý nghĩa tương đồng nhau húng điều có nghĩa là: một cơ cấu điều khiển để giám sát một đ i lượng vật lý như: xác định vị trí, xác định vận tốc, điều ch nh momen

4.1.2 Cấu hình hệ thống động cơ servo

Servo là hệ thống điều khiển vòng kín:

 Giá trị đáp ứng được phản hồi về sau khi thực hiện lệnh

 Sai biệt giữa giá trị đáp ứng và giá trị lệnh điều khiển s được hệ thống điều

ch nh xuống bằng 0

Động cơ servo được sử dụng trong các hệ thống điều khiển chuyển động để cung cấp một lực cơ h c cụ thể trong khoảng thời gian nhất định Để đ t được điều này, chúng ta phải điều khiển vị trí, vận tốc và mô men của động cơ servo theo yêu cầu ứng dụng

Hình 4.2: Cấu hình c bạn của 1 hệ thống servo

Để ho t động chuẩn xác, động cơ servo phải kết hợp với: