Đồ án máy cắt Plasma

Mục đích, nhiệm vụ đặt ra Với đề tài được giao, nhóm đã xác định phải giải quyết các vấn đề sau đây: - Tính toán, thiết kế máy cắt plasma CNC có kết cấu, hình dạng phù hợp vớiyêu cầu l

MỤC LỤC Tr

ang

2.1.3- Xác định kích thước và các thông số kỹ thuật 27

3.1- Thiết kế chi tiết và xây dựng bản vẽ lắp 45

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển máy cát plasma CNC 49

4.2- Sơ đồ khối của đề tài 49

4.5- Module chuyển đổi tín hiệu điện áp 2PCS PWM 574.6- Sơ đồ kết nối mạch điều khiển và nguồn động lực 584.7- Thiết lập các thông số trên bo mạch BOB MACH3 USB 60

Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến các thầy …

đã tận tình giúp đở, chỉ bảo và trực tiếp hướng dẫn chúng em trong thời gian qua

THÁNG 10 NĂM 2021 …

LỜI MỞ ĐẦU

Trong giai đoạn phát triển đi lên theo hướng hiện đại hóa, công nghiệp hóa sảnxuất của đất nước ta hiện nay, thì việc sử dụng các loại máy móc hiện đại thay thếsức lao động của con người là xu hướng tất yếu để tăng năng xuất lao động, tạođược nhiều sản phẩm chất lượng cao phục vụ cuộc sống, giải phóng sức lao độngcon người Trong công nghiệp để tạo ra các sản phẩm có chất lượng tốt, độ bềncao, mẫu mã đẹp và đảm bảo tiêu chuẩn, phục vụ nhu cầu cuộc sống, phát triểnkinh tế thì cần phải có hệ thống sản xuất tự động bao gồm nhiều loại máy móccông nghiệp hiện đại khác nhau

Máy CNC (Computer Numerical Controlled) là những công cụ gia công kimloại tinh tế có thể tạo ra những chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệ hiệnđại Phát triển nhanh chóng với những tiến bộ trong máy tính, có thể bắt gặp CNCdưới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nước có hạt mài, máy độtrập và nhiều công cụ công nghiệp khác Thuật ngữ CNC liên quan đến một nhóm

máy móc lớn sử dụng logic máy tính để điều khiển các chuyển động và thực hiệnquá trình gia công kim loại

Đồ án này sẽ thảo luận và tập trung thiết kế về một loại máy CNC được sử dụngtương đối rộng rãi trong đời sống, máy cắt plasma CNC Sự tiến bộ trong máy tính

và trí thông minh nhân tạo sẽ làm cho những chiếc máy CNC tương lai nhanh hơn

và dễ vận hành hơn Chuyển động của trục chính được điều khiển bởi một máy tínhcó khả năng thực hiện nhiều phép tính để đảm bảo độ chính xác gia công

Mục đích, nhiệm vụ đặt ra

Với đề tài được giao, nhóm đã xác định phải giải quyết các vấn đề sau đây:

- Tính toán, thiết kế máy cắt plasma CNC có kết cấu, hình dạng phù hợp vớiyêu cầu linh hoạt về công việc đặt ra;

- Hệ thống cơ khí, truyền động chính xác, gia công phải đảm bảo độ chuẩn theoyêu cầu kích thước bản vẽ Đảm bảo cho máy chạy êm, đúng yêu cầu kĩ thuật;

- Các cơ cấu đảm bảo không gian làm việc ổn định, tự do, không va chạm, đảmbảo cắt được hình dạng chi tiết mong muốn

- Tính toán các cơ cấu truyền động, nguồn động lực cấp cho máy

Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Về phần lý thuyết của đề tài, em nghiên cứu một số vấn đề sau đây:

- Nghiên cứu bài toán tính toán bộ truyền bánh răng – thanh răng, cụm ray dẫnhướng và nguồn động lực;

- Thiết kế mô hình 3D và bản vẽ 2D bằng phần mềm SolidWorks và AutoCadcho máy cắt plasma CNC;

- Mô phỏng chuyển động của máy bằng phần mềm SolidWorks

Phạm vi nghiên cứu đề tài

Đây là đề tài có nhiều ứng dụng trong thực tế, vì vậy có rất nhiều phương pháp,cũng như hướng giải quyết, phát triển khác nhau Nhóm quyết định xây dựng môhình máy cắt plasma CNC gia công chi tiết dạng tấm và di chuyển theo quỹ đạocho trước.

CHƯƠNG 1- PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ

1.1- PHÂN TÍCH YÊU CẦU THIẾT KẾ MÁY

Trên cơ sở đề tài được phân công tìm hiểu là Thiết kế máy cắt plasma CNC.Máy thiết kế phải đạt được 1 số yêu cầu sau đây:

- Tên máy: Máy cắt Plasma CNC;

- Kích thước máy: 120 x 240 cm;

- Chiều gia công: Trục X, trục Y;

- Cụm cơ cấu truyền động: Bánh răng – thanh răng;

- Cơ cấu dẫn hướng: Ray trượt;

- Nguồn động lực: Động cơ servo có hộp giảm tốc bánh răng hành tinh hoặcđộng cơ bước có hộp giảm tốc bánh răng hành tinh;

- Yêu cầu cấu trúc chung: Khung cơ khí cần 2 ray trượt 2 bên, kèm 2 động cơtrục X,Y; có dạng cầu trục chữ U;

- Chế độ cắt: Plasma/ Oxy gas;

- Độ chính xác đường cắt: 0,55mm/m;

Hình 1.1- Máy cắt Plasma CNC

Sau khi tính toán, lựa chọn được các linh kiện và các cụm cơ cấu truyền động,dẫn hướng cụ thể; nhóm dựa vào hình dáng và kích thước các chi tiết ấy để thiết kếlên mô hình 3D dựa vào phần mềm SolidWorks và từ đó mô phỏng hoạt động củamáy cắt plasma CNC

1.2- SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG VÀ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG

1.2.1- Sơ đồ chức năng

Hình 1.2- Lựa chọn phương án thiết kế máy

Trên H1.2 đã thể hiện đầy đủ kết cấu của máy cắt plasma CNC, bao gồm:

- Khung máy: Kết cấu tạo nên độ vững chắc cho toàn bộ máy, khung máy cóthể lựa chọn theo kết cấu chữ U hoặc chữ H, tùy vào người thiết kế Khung máycòn là bộ phận làm gá để cố định những chi tiết khác như cụm dẫn hướng, cụmtruyền động hay nguồn động lực

- Cụm truyền động: Sử dụng cụm truyền động thanh răng – bánh răng, giúpbiến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến theo dọc trục X,

Y Đảm bảo hệ số truyền, ổn định và sử dụng đưuọc lâu dài, đáp ứng yêu cầu làmviệc của máy công nghiệp

- Cụm dẫn hướng: Là cơ cấu được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệpCNC giúp máy hoạt động theo hướng trục X hay trục Y một cách ổn định, trơn tru

và chính xác nhất;

- Nguồn động lực: Cung cấp momen, truyền chuyển động tới các cụm truyềnđộng Tùy vào giá thành và yêu cầu làm việc (tải trọng) của máy mà ta tính toán vàlựa chọn được loại động cơ phù hợp

- Bộ điều khiển: Là nơi thực hiện những công việc xử lí, tiếp nhận các tín hiệucảm biến, điều khiển các cơ cấu như động cơ các trục X, Y và đầu cắt plasma

1.2.2- Hệ thống dẫn động

Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động của đầu cắt plasma theo 2 trục X và Y

Hình 1.3- Ray trượt và con trượt CNC

Ray trượt là thiết bị hướng dẫn, được cấu tạo từ con trượt, thanh trượt, gối đỡ,…Sản phẩm cơ khí này hoạt động theo nguyên tắc chuyển động tịnh tiến bởi sự kếthợp của thanh trượt và con trượt

Ray trượt có nhiều ưu điểm nổi bật, được ưa chuộng và ứng dụng rộng rãi trongđời sống và sản xuất:

- Khả năng chịu trọng tải lớn, một số loại ray trượt cho phép chịu trọng tải lêntới 1,5 lần

- Khả năng dẫn hướng chính xác, tạo ra các chuyển động tịnh tiến êm mượt, masát thấp, không gây ra tiếng ồn lớn.

- Độ bền cao cùng khả năng hoạt động liên tục, đảm bảo độ chính xác trongkhoảng thời gian dài với tốc độ lớn

- Thiết kế nhỏ gọn, đơn giản nên ray trượt dễ lắp đặt và bảo trì

- Chất liệu làm từ thép và hợp kim thép tạo nên ray trượt có độ cứng lớn và chắcchắn

Yêu cầu của hệ thống thanh trươt trượt phải thẳng, có khả năng tải cao độ cứngvững tốt, không có hiện tượng dính, trơn khi trượt.Trên trục X sẽ có 2 thanh trượtđược gắn cố định vào khung máy và tương tự trên trục Y có 1 thanh trượt Độ dàicủa thanh trượt dẫn hướng phụ thuộc vào kích thước của máy Với kích thước máyyêu cầu khoảng 120 x 240 cm, thì chiều dài thanh dẫn hướng theo trục X và Y lầnlượt là khoảng 100 cm, 220 cm

Để lựa chọn loại thanh dẫn hướng và con trượt phù hợp, ta cần tính toán dựa vàotải trọng tác dụng lên hệ Phần này sẽ được trình bày trong mục 3.1

1.3- Xác định các cơ cấu truyền động

Trong đồ án thiết kế máy cắt plasma CNC của nhóm, cần tìm hiểu và tính toán

bộ truyền động để thỏa mãn sự dịch chuyển của 2 trục X, Y Và sự dịch chuyển đóđược tạo ra bằng động cơ servo có hộp giảm tốc bánh răng hành tinh hoặc động cơbước có hộp giảm tốc bánh răng hành tinh

Với đồ án này, mục đích chính của các bộ truyền là nhằm biến chuyển độngquay của các động cơ thành chuyển động tịnh tiến cho các cụm chi tiết Và để đápứng được nhiệm vụ làm việc trên, nhóm đề xuất các phương án sau, và lựa chọnmột trong số đó làm bộ truyền động cho 2 trục X, Y cho máy

Phương án 1: Bộ truyền vit me – đai ốc

Vít me đai ốc hay trục vít me đai ốc là hệ thống truyền chuyển động được giacông một cách chính xác, có nhiệm vụ biến đổi chuyển động quay thành chuyểnđộng tịnh tiến theo cơ chế con vít đai ốc bi Việc tiếp xúc giữa trục vít và đai vítbởi một lớp bi thép có tác dụng giảm triệt để lực ma sát trượt khi chuyển động,đem lại những chuyển động chính xác cao, trơn tru, mượt mà, bền bỉ, liên tục và ổnđịnh trong thời gian dài.

Hình 1.4- Bộ truyền vit me – đai ốc

Hiện nay, có 2 loại vít me đai ốc đó là vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi.Nếu như trục vitme đai ốc thường là loại vitme và đai ốc có dạng tiếp xúc mặt thìvít me đai ốc bi lại có dạng tiếp xúc lăn Nhờ sự khác biệt này mà vít me đai ốc biđược ứng dụng rộng rãi và phổ biến hơn, đem lại hiệu quả chuyển động cao hơn

Ưu điểm:

- Ma sát trượt không đáng kể;

Tiêu chuẩn trục vít me đai ốc chất lượng cao phải hạn chế tối đa lực ma sáttrượt trong quá trình biến đổi chuyển động, đem lại hiệu suất làm việc vượt trội,những chuyển động chính xác, trơn tru, nhẹ nhàng, ít tiếng động.

- Không có độ rơ, độ cứng cao;

Bộ vít me chất lượng sẽ không tồn tại khe hở trong mối ghép, không có độ rơkhi vít me bi đảo chiều quay Đồng thời, các viên bi tạo áp lực đồng đều trên toàn

bộ bề mặt trục vít, đảm bảo độ cứng vững cao, cho phép tạo ra lực căng ban đầuhiệu quả

- Cho phép hoạt động hiệu quả với tốc độ cao

Sử dụng vít me đai ốc bi đem lại hiệu suất truyền động cao, nhiệt độ thấp, cóthể di chuyển với tốc độ cao mà không ảnh hưởng đến chất lượng chuyển động

Nhược điểm:

- Chịu tải kém hơn so với các bộ truyền khác;

- Chi phí, giá thành đầu tư tương đối đắt so với các kết cấu có cùng chức năng

Phương án 2: Bộ truyền bánh răng – thanh răng

Hình 1.5- Cụm bánh răng – thanh răng

Một bộ truyền động thanh răng bánh răng gồm 1 thanh răng và 1 bánh răng, vậnhành theo nguyên lý biến đổi từ chuyển động quay của động cơ sang chuyển độngtịnh tiến Khi thanh răng và bánh răng kết hợp với nhau sẽ tạo thành chuyển động

ăn khớp theo dạng khép cứng vào nhau, không gây ra độ trượt, độ rung Điều này

cho phép truyền các lực nhỏ trong kỹ thuật chính xác; hay 1 lực rất lớn, như bộtruyền động trong máy CNC, giữ được tỷ lệ truyền chính xác.

Tuy nhiên, với bộ truyền vit me – đai ốc lại có một số nhược điểm như sau: hiệusuất của bộ truyền thấp, ren bị mòn nhanh nên tuổi bền không cao, nhất là với cácyêu cầu làm việc ở tốc độ cao Chính vì những đặc điểm trên, bộ truyền này khôngthể đáp ứng với yêu cầu làm việc của máy cắt plasma nên em sẽ sử dụng bộ truyềncòn lại, bộ truyền bánh - răng thanh răng

Ưu điểm của bộ truyền bánh - răng thanh răng:

- Có kích thước khá nhỏ nhưng khả năng tải lớn;

- Tỷ số truyền ổn định do không xảy ra hiện tượng trượt trơn;

1.4- Lựa chọn bộ điều khiển

Để cho máy cắt plasma CNC có thể hoạt động theo sự điều khiển của ngườiquản lí, và có thể cắt theo biên dạng của bản vẽ chi tiết thì máy cần có một bộ điềukhiển để thực hiện những chuyển động của các trục X, Y và đầu cắt plasma

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp điều khiển được áp dụng trong máy côngnghiệp tự động Nổi bật nhất trong các phương pháp điều khiển động cơ là 3phương án sau đây:

- Điều khiển bằng rơ-le;

- Điều khiển bằng PLC;

- Điều khiển bằng biến tần

Mỗi phương án điều khiển lại có một số ưu, nhược điểm khác nhau

Phương án 1 : điều khiển bằng rơ le

Rơ le là một thiết bị chuyển mạch bằng hoạt động bằng điện, sử dụng một nâmchâm điện như một đòn bẫy, khi dòng điện chạy qua nâm châm thì sẽ tạo ra một từtrường hút lõi sắt non làm thay đổi công tắc chuyển mạch Dòng điện qua nâmchâm điện có thể có hoặc không vì thế mà rơ le có 2 vị trí chuyển mạch, trong đókhi mà có điện thì rơ le sẽ có trạng thái ON ngược lại thì là trạng thái OFF

Hình 1.6- Một số loại rơ le thông dụng

Hệ thống điều khiển Rơ le là tập hợp nhiều thiết bị chuyển mạch Rơ le, cùngvới các thiết bị như: Timer, CP, … Mà cấu hành hệ thống điều khiển rơ le Hiệnnay hệ thống này vẫn được sử dụng trong các loại tủ điện như tủ điện ATS, UPS,

… Ngoài ra còn được sử dụng như một phần tử cách ly điện áp điều khiển và điện

áp cháp hành

Ưu điểm:

 Thiết kế nhỏ gọn với trọng lương nhẹ dễ di chuyển khi cần thiết

 Cấu thành từ những nguyên vật liệu có độ bền cao, khả năng chịu nhiệt tốt

Nhược điểm:

 Người vận hành phải có kiến thức và kinh nghiệm cao

Phương án 2 : điều khiển bằng plc

Đặc trưng của tất cả các dòng PLC bất kì là khả năng có thể lập trình được, chỉ

số IP ở dải quy định cho phép PLC hoạt động trong môi trường khắc nghiệt côngnghiệp, yếu tố bền vững thích nghi, độ tin cậy, tỉ lệ hư hỏng rất thấp, thay thế vàhiệu chỉnh chương trình dễ dàng, khả năng nâng cấp các thiết bị ngoại vi hay mởrộng số lượng đầu vào nhập và đầu ra xuất được đáp ứng tuỳ nghi trong khả năngtrên có thể xem là các tiêu chí đầu tiên cho chúng ta khi nghĩ đến thiết kế phần điềukhiển trung tâm cho một hệ thống hoạt động tự động

Hình 1.7- Bộ điều khiển PLC

Ứng dụng của PLC trong công nghiệp:

Từ các ưu điểm nêu trên, hiện nay PLC đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnhvực khác nhau trong công nghiệp như:

– Hệ thống nâng vận chuyển;

– Dây chuyền đóng gói;

– Sản xuất xi măng;

– Công nghệ chế biến thực phẩm;

– Dây chuyền chế tạo linh kiện bán dẫn

Phương án 3: Điều khiển bằng biến tần

Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điệnxoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được

Nhiều loại máy móc sử dụng động cơ servo, công suất nhỏ thì từ 50-100W,công suất lớn có thể lên tới 22kW-30kW Chính vì vậy, driver của động cơ này hưhỏng thì luôn đặt ra những bài toán khó cho nhà máy Do driver đang sử dụng đãquá lâu và hàng thay thế đã ngưng sản xuất, ngay cả hàng cũ cũng không có hàngsẵn, vì vậy muốn thay thế trong trường hợp này buộc phải thay thế nguyên bộ baogồm motor và driver với giá thành rất cao

Vì vậy sử dụng biến tần để điều khiển động cơ servo cũng một phần xuất phát

từ đây

Hình 1.8- Biến tần của hãng LS

Nhóm chọn biến tần làm bộ điều khiển chính để thiết kế, bởi biến tần có những

ưu điểm sau:

- Dễ ràng thay đổi tốc độ động cơ, đảo chiều quay động cơ

- Giảm dòng khởi động so với phương pháp khởi động trực tiếp, khởi động tam giác nên không gây ra sụt áp hoặc khó khởi động

sao Quá trình khởi động thông qua biến tần từ tốc độ thấp giúp cho động cơ mangtải lớn không phải khởi động đột ngột, tránh hư hỏng phần cơ khí, ổ trục, tăng tuổithọ động cơ

- Tiết kiệm năng lượng đáng kể so với phương pháp chạy động cơ trực tiếp

- Biến tần thường có hệ thống điện tử bảo vệ quá dòng, bảo vệ quá áp và thấp

áp, tạo ra một hệ thống an toàn khi vận hành

- Biến tần được tích hợp các module truyền thông giúp cho việc điều khiển vàgiám sát từ trung tâm rất dễ dàng

CHƯƠNG 2- THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG

Để xác định, kiểm nghiệm khả năng tải trọng tĩnh danh nghĩa, tải trọng tươngđương thì việc đánh giá qua giá trị (tải trọng động định mức) là khả quan và chínhxác hơn cả.

Tuổi thọ có thể thu được bằng cách tính toán trên cơ sở lý thuyết bằng công thứcthực nghiệm dựa trên việc đánh giá thông qua tải trọng động danh nghĩa

Các tính toán ray trượt được tham khảo từ tài liệu “NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH TRUNG TÂM TIỆN - PHAY CNC” trong tập san sinh viên nghiên cứu khoa học kĩ thuật.

Sau đây là một số yêu cầu và đặc điểm kỹ thuật khi tính chọn một ray trượt

a, Hệ số tải tĩnh

− Tải trọng tĩnh định mức được đặt theo giới hạn tải trọng tĩnh cho phép

− Sự biến dạng tập trung không đổi sẽ tăng giữa kênh dẫn và bi lăn khi ray dẫnhướng nhận tải trọng thừa hay chịu va đập diện rộng Nếu độ lớn của biếndạng vượt quá giới hạn cho phép, nó sẽ cản trở sự di trượt của ray dẫn hướng

b, Momen tĩnh cho phép

− Mômen tĩnh cho phép được đặt theo giới hạn của mômen tĩnh

− Khi 1 mômen tác dụng vào ray dẫn hướng, các vị trí bi lăn cuối cùng sẽ chịu

áp lực lớn nhất giữa các áp lực phân bố trên toàn bộ bi lăn của hệ thống

− : momen tĩnh cho phép (Nm);

− M: momen đã tính toán (Nm)

Hình 2.2- Bảng thông số cho một số loại máy

Hình 2.3- Sơ đồ phân bố tải trọng

d, Hệ số tải trọng động định mức C

Thậm chí khi các ray dẫn hướng như nhau được sản xuất theo cùng một cách vàchịu tác dụng dưới điều kiện như nhau, tuổi bền dịch vụ cũng khác nhau Vậy nên,tuổi bền dịch vụ được sử dụng như một chỉ tiêu xác định tuổi bền của hệ thống raydẫn hướng Tải trọng định mức động C được sử dụng để tính toán tuổi bền dịch vụkhi hệ thống ray dẫn hướng chịu tải Tải trọng định mức động C được xác định nhưmột tải trọng có hướng và độ lớn khi nhóm các ray dẫn hướng làm việc cùng điềukiện, tuổi bền trung bình cuả ray dẫn hướng là 50 km (nếu bộ phận lăn là bi)

e, Tính toán tuổi bền danh nghĩa L

Tuổi bền danh nghĩa của ray dẫn hướng chịu ảnh hưởng của tải trọng làm việcthực tế Tuổi bền danh nghĩa có thể được tính toán dựa trên tải trọng động địnhmức và tải trọng làm việc thực tế

Tuổi bền của hệ thống ray chịu ảnh hưởng lớn của hệ số môi trường như độcứng vững của đường ray, nhiệt độ môi trường, điều kiện chuyển động.Vì vậy,những thông số này có trong tính toán tuổi bền danh nghĩa

Vì lí do này, tải trọng động định mức và tải trọng tĩnh định mức sẽ được nhânvới hệ số cững vững trong tính toán Bảng dưới đây là đồ thị độ cứng vững đảmbảo HRC lớn hơn 58, do đó

Với hệ số nhiệt : Khi nhiệt độ điều khiển lớn hơn 100 độ C, tuổi bền danh nghĩa

sẽ giảm bớt Do đó tải trọng động và tĩnh định mức sẽ được nhân với hệ số nhiệt

độ trong tính toán Xem hình bên dưới Nhiều phần của ray được làm từ nhựa vàcao su, nên nhiệt độ phải dưới 100 độ C là tốt nhất Các yêu cầu đặc biệt phải liên

hệ với nhà sản xuất

Hình 2.4- Hệ số

Hệ số tải trọng : Mặc dù tải trọng làm việc của ray đã đước xét trong tính toán,nhưng tải trọng thực tế hầu hết đều cao hơn khi tính toán Đó là do rung động và vađập khi máy chuyển động Rung động xảy ra khi điều khiển tốc độ cao, va đập xảy

ra khi máy khởi động lại và dừng máy

Do đó, xét đến tốc độ chuyển động và rung động, tải trọng động định mức phảiđược chia cho hệ số tải trọng theo bảng bên cạnh

g, Tính toán tuổi bền dịch vụ theo thời gian.

Khi tuổi bền danh nghĩa đã được xét đến, tuổi bề dịch vụ được tính toán theo những thông số có được khi chiều dài hành trình và vòng quay là không đổi

Trong đó:

− L: Tuổi bền danh nghĩa;

ma sát của sêri trong khoảng 0.002 tới 0.003.

Hình 2.6- Sơ đồ lực phân bố hệ chứa đầu cắt plasma nằm ngang

Do thiết kế đầu cắt plasma nằm thẳng đứng, vuông góc với ray trượt nên ray trượtkhông chịu tác dụng của trọng lực do bộ phận đầu cắt gây ra

Trong đó:

− : Tải trọng biến thiên;

− : Khoảng dịch chuyển dưới tác dụng của ;

− L: Tổng chiều dài dịch chuyển

Hình 2.7- Sơ đồ lực tác dụng

Hình 2.8- Quy trình tính toán ray dẫn hướng

Với kích thước máy gồm trục Y, X là 1200 mm và 2400 mm Ta chọn chiều dàiray dẫn hướng theo 2 trục Y và X lần lượt là 1100 mm và 2300 mm

Tính toán ray dẫn hướng trục X

Hình 2.9- Sơ đồ lực phân bố hệ chứa gá trục Y nằm ngang

Tăng tốc:

Chạy đều:

Giảm tốc:

Momen tác dụng:

Tải trọng trung bình:

2.1.3- Xác định kích thước và các thông số kỹ thuật

Ở đây lựa chọn loại ray dẫn hướng MGN vì sự đơn giản trong sự lắp ghép, sựthông dụng trên thị trường, độ cứng vững đảm bảo độ tin cậy và một phần bởi giácủa nó cũng không quá cao

Một số thông tin cho MGN Type: MSA có các dãy bóng được thiết kế để góctiếp xúc là 45 độ, cho phép nó chịu một tải trọng dạng tròn, hay đảo ngược hướngxuyên tâm hay hướng bên Do đó, nó có thể được áp dụng trong bất kỳ hướng nàocài đặt Hơn nữa MSA có thể đạt được cân bằng tải trước để tằn độ cứng trong 4chiều trong khi vẫn giữa khả năng giảm ma sát đến mức thấp Loại này đặc biệtphù hợp với độ chính xác cao và độ cứng cao trong khi hoạt động Thiết kế tuyếndầu bôi trơn làm cho chất bôi trơn phân bố đều trong vòng tuần hoàn Do đó, bôitrơn tối ưu có thể đạt được trong bất kỳ hướng cài đặt nào và điều này thúc đẩyviệc thực hiện trong hoạt động một cách chính xác, tối ưu tuổi thọ và độ tin cậycao

+ Sử dụng ray dẫn hướng có series: MGN15H có :

Hệ số tải động: C = 6.37 kN

Hệ số tải tĩnh: = 9.11 kN

Hình 2.10- Thông số rãnh trượt dòng MGN

+ Các thông số đầu vào:

− Khối lượng cụm đầu cắt plasma: = 1 kg;

− Khối lượng cụm trục Y: = 5-10 kg;

− Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công: v = 0,3 m/s;

− Gia tốc: a = a1 = a3 = 5 m/s2;

− Hành trình dịch chuyển : = 1100 mm, = 2300 mm.Các giai đoạn:

- Tính toán tuổi thọ danh nghĩa

- Động cơ (động cơ servo có hộp giảm tốc bánh răng hành tinh hoặc động cơbước có hộp giảm tốc bánh răng hành tinh)

- Bánh răng chủ động (được gắn liền trên trục động cơ chính)

- Thanh răng (Được cố định trên các trục X, Y của thân máy)

Hình 2.12- Sơ đồ bố trí kết cấu bộ truyền bánh răng – thanh răng

2.2.2- Tính chọn các chi tiết của bộ truyền động

Tính toán, thiết kế các chi tiết của bộ truyền bánh răng – thanh răng, nhóm lựachọn và tham khảo dựa vào tài liệu của APEX DYNAMICS - một trong nhữnghãng sản xuất bánh răng - thanh răng lớn trên thế giới

Hình 2.13- Sơ đồ nguyên lý chuyển động

Để làm rõ hơn, ta có một số định nghĩa quan trọng như sau:

- Lực tiếp tuyến hoặc lực tiến dao

Đây là lực [tính bằng N] cần thiết để cung cấp biên dạng chuyển động thẳng

- Mômen xoắn

Đây là những gì bánh răng nhìn thấy và đơn giản là lực tiếp tuyến * cánh tay (bánh răng bán kính) [tính bằng Nm]

Trong trường hợp này

- Các lực lượng bên ngoài

Ví dụ: hệ thống dùng để đẩy sản phẩm? Khi đó lực này nên được cộng với lực tiếp tuyến

Hình 2.14- Bảng công thức tính toán theo hãng APEX DYNAMICS

a- Tính toán bộ truyền cho cụm trục Y

Cụm trục Y là cụm di chuyển theo phương ngang, tải trọng lớn nhất của cụmnày chính là cụm chi tiết đầu cắt plasma.

Thông số đầu vào:

- Khối lượng cụm đầu cắt plasma: m = 2 (kg)

- Hệ số an toàn: 2 (với trục Y ngang)

Dựa vào các công thức tính toán trên, ta có các đại lượng sau:

- Lực tiếp tuyến:;

- Mô men xoắn:

- Mô men xoắn thiết kế:

- Tốc độ bánh răng tối đa:

- Công suất cần thiết của động cơ trục Ylà:

Vì trục Y sử dụng 1 bộ truyền bánh răng – thanh răng

b- Tính toán bộ truyền cho cụm trục X

Cụm trục X là cụm di chuyển theo phương ngang, tải trọng lớn nhất của cụmnày chính là cụm chi tiết trục Y và các cơ cấu hỗ trợ nó

Thông số đầu vào:

- Khối lượng chi tiết trục Y và các cơ cấu hỗ trợ nó: m = 20 (kg)

- Tốc độ dịch chuyển đầu cắt: V = 2 (m/s);

- Gia tốc: 0,1 ();

- Trọng lực: g = 9,8 (m/s);

- Hệ số ma sát:

- Đường kính vòng chia bánh răng: d = 60 (mm);

- Các lực khác: F = 0 (N);

- Hệ số an toàn: 2 (với trục X ngang)

Dựa vào các công thức tính toán trên, ta có các đại lượng sau:

- Lực tiếp tuyến:;

- Mô men xoắn:

- Mô men xoắn thiết kế:

- Tốc độ bánh răng tối đa:

- Công suất cần thiết của động cơ trục X là:

Vì trục X sử dụng 2 bộ truyền bánh răng – thanh răng

2.2.3- Xác định kích thước và thông số kỹ thuật

Với bộ truyền động bánh răng - thanh răng, ta biết có kích thước khá nhỏ nhưngngược lại khả năng tải lớn Có tỉ số truyền ổn định do không có hiện tượng trượttrơn 0.97 - 0.99 là hiệu suất của bánh răng

Tính toán thực hiện dựa theo giáo trình “Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí”– Trịnh Chất, Lê Văn Uyển

Mô đun được xác định dựa vào độ bền uốn, tuy nhiên để thuận tiện cho việcthiết kế, sau khi xác định được khoảng cách trục , có thể dựa vào đó để tính môđun theo công thức sau đây

Mô đun của bộ truyền:

Chọn khoảng cách trục dự kiến:

Thì, mô đun của bộ truyền:

Chọn mô dun

Mô đun còn được tính theo công thức:

Trong đó: p là bước răng

Khoảng cách trục nằm trong khoảng:

Chiều dài thanh răng phụ thuộc vào chiều dài làm việc của máy Như đã xácđịnh trong mục 2.1.3, nhóm đã lựa chọn chiều dài làm việc trục X, Y lần lượt là

2300, 1100 (mm) Đây chính là chiều dài của thanh răng

2.3- TÍNH CHỌN CÁC ĐỘNG CƠ DẪN ĐỘNG

2.3.1- Phân tích, chọn loại động cơ

Máy cắt plasma CNC trên thị trường hiện nay sử dụng 2 loại motor di chuyểncho trục X,Y chính Động cơ bước (step motor), động cơ lai servo (hybrid servo).Cấu thành máy cắt plasma CNC motor chiếm vị trí quan trọng trong việc di chuyển

để cắt hình thù chính xác, đường cắt mịn… Vậy sau đây nhóm xin nêu ra ưunhược điểm của từng loại motor được sử dụng cho máy plasma CNC và lựa chọnđộng cơ cho máy CNC nhóm thiết kế

Động cơ bước ( Stepmotor)

- Ưu điểm: giá thành rẻ, ít bị nhiễu bởi sóng HF do nguồn plasma sinh ra, dễdàng thay thế về sau khi máy hết bao hành vì trên thị trường việt nam bánsẵn rất nhiều

- Nhược điểm: khi di chuyển gặp tải nặng dễ bị mất bước dẫn đến đường cắt

bị sai kích thước, động cơ chạy chậm hơn so với những dòng động cơ khác,