Nhược điểm của phương pháp này chủyếu đến từ giá thànhĐối với những xưởng nhỏ, hiện nay thao tác hàn mig đa số được thực hiện bán tự động hoặctự động một phần nhờ các thiết bị hỗ trợ như
TỔNG QUAN
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Robot hàn và thiết bị hỗ trợ như rùa hàn đang tự động hóa quá trình hàn MIG, đảm bảo chất lượng mối hàn đồng đều cho sản xuất quy mô lớn Tuy nhiên, chi phí cao là nhược điểm chính, hạn chế ứng dụng trong xưởng nhỏ Nghiên cứu và phát triển thiết bị hỗ trợ hàn MIG vẫn chưa được đầu tư mạnh mẽ.
1.1.2 Tình hình hình cứu ngoài nước Đã có một số sản phẩm hỗ trợ hàn mig tự động dạng 3 trục, nhưng mức độ phổ biến vẫn còn hạn chế và chưa được tối ưu hóa, giá thành còn cao
Nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu về thiết bị hàn MIG tự động sử dụng Arduino và servo motor, tuy nhiên thiết bị này chỉ phù hợp với hàn kích thước nhỏ, cấu trúc chữ T, hạn chế ứng dụng thực tiễn.
NHẬN XÉT TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Đối với thiết bị hỗ trợ hàn mig hiện nay, có rất ít đề tài nghiên cứu về loại hình thiết bị này
TÍNH CẤP THIẾT VÀ LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Hàn MIG và các phương pháp hàn, cắt sử dụng dòng điện cao áp, tạo hồ quang hàn nóng chảy vật liệu, tiềm ẩn nguy hiểm cho người dùng gồm nhiều tác hại.
+ Nhiệt độ cao: gây bỏng da
+ Ánh sáng cường độ cao: tiếp xúc với ánh sáng cường độ cao lâu dài sẽ gây hại cho mắt, gây viêm giác mạc
+ Các bức xạ tử ngoại: trong ánh sáng của hồ quang hàn có chưa tia UV bước sóng 315mm tác động lên vùng da, mắt của thợ hàn
+ Ngoài ra còn có nguy cơ an toàn điện, cháy nổ khi thực hiện thao tác hàn
An toàn lao động là yếu tố hàng đầu Trước khi hàn MIG hoặc bất kỳ phương pháp hàn nào khác, hãy trang bị đầy đủ bảo hộ.
Nhóm nghiên cứu phát triển thiết bị hỗ trợ hàn MIG tự động, nhằm giảm thiểu rủi ro cho người thợ và nâng cao chất lượng sản phẩm cơ khí trong bối cảnh công nghệ ngày càng tiên tiến Thiết bị này sẽ tự động hóa quá trình hàn, thay thế thao tác thủ công nguy hiểm.
1.4 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN
Mục tiêu của đồ án nhằm:
Bài viết trình bày quá trình thiết kế và chế tạo một thiết bị cụ thể, ứng dụng kiến thức cơ khí, điện - điện tử và tự động hóa Quá trình này giúp nắm vững quy trình thiết kế và thách thức gặp phải để tối ưu hiệu quả sử dụng thiết bị.
+ Thiết kế thiết bị hỗ trợ hàn MIG tự động tối ưu hóa chất lượng mối hàn và thời gian thao tác
+ Trên cơ sở đó có định hướngphát triển, chế tạo thiết bị cải tiến trong tương lai
1.5.1 Phương pháp tổng hợp tài liệu
- Phương pháp thu thập tài liệu:
+ Thu thập tài liệu có chọn lọc từ các nguồn khác nhau như: internet, giáo trình môn học, các đề tài nghiên cứu
+ Thu thập tài liệu liên quan từ các sản phẩm thực tế đã được chế tạo thành công
- Phương pháp tổng hợp tài liệu:
Bài viết tập trung chọn lọc kiến thức liên quan, chi tiết và đa dạng để tối ưu thiết kế đề tài.
1.5.2 Phương pháp phân tích thực nghiệm
Bài viết trình bày quá trình nghiên cứu hàn Mig thông qua thực nghiệm trực tiếp, từ đó nắm vững quy trình, các bước hàn, đặc tính kỹ thuật và những lưu ý quan trọng Kết quả nghiên cứu được ứng dụng để thiết kế máy cơ khí hóa tự động thay thế thao tác thủ công.
1.5.3 Phương pháp phân tích so sánh
So sánh với những sản phẩm khác cùng công năng để cải thiện cũng như khắc phục những nhược điểm gặp phải của sản phẩm
Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỒ ÁN
Thực hiện dự án giúp nhóm ứng dụng kiến thức, kỹ năng, phát hiện và giải quyết vấn đề, đồng thời bổ sung thiếu sót chuyên môn, hoàn thiện sản phẩm.
Chúng tôi thiết kế và chế tạo thiết bị kỹ thuật phục vụ sản xuất, nghiên cứu, học tập Công trình nghiên cứu cơ bản hướng tới cải tiến và tối ưu hóa sản phẩm.
Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỒ ÁN
Thiết bị hỗ trợ hàn tự động giúp giảm tiếp xúc nguy hiểm cho người lao động, tăng năng suất và hiệu quả gia công cơ khí.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CÔNG NGHỆ HÀN MIG
2.1.1 Khái niệm về hàn MIG
Hàn Mig (GMAW - Gas Metal Arc Welding) là phương pháp hàn hồ quang nóng chảy sử dụng khí bảo vệ, trong đó hồ quang giữa điện cực nóng chảy (dây hàn) và vật hàn tạo ra nhiệt, được bảo vệ khỏi oxy và nitơ bởi khí trơ hoặc hỗn hợp khí.
Khí bảo vệ hàn gồm khí trơ (Ar, He, hoặc hỗn hợp) và khí hoạt tính (CO2, CO2+O2, CO2+Ar, ) Khí trơ không phản ứng với kim loại nóng chảy, còn khí hoạt tính đẩy không khí khỏi vùng hàn, ngăn ngừa tác hại của oxy và nitơ.
Hàn hồ quang bán tự động sử dụng cơ cấu cấp dây tự động nhưng thao tác di chuyển hồ quang vẫn thủ công trong môi trường khí bảo vệ Hàn hồ quang tự động hoàn toàn cơ khí hóa mọi chuyển động, bao gồm cả cấp dây và di chuyển hồ quang, cũng trong môi trường khí bảo vệ.
2.1.2 Các thiết bị sử dụng trong hệ thống hàn MIG
Hình 2.1: Sơ đồ hàn MIG
Trên đây là sơ đồ của một hệ thống hàn MIG cơ bản, bao gồm:
- Nguồn điện hàn: nguồn tuyến tính được chỉnh lưu và ổn áp hoặc nguồn xung một chiều
=> Nguồn điện đóng vai trò cấp dòng điện và điện áp đủ lớn để tạo và duy trì được hồ quang
- Khí bảo vệ: CO2/ Ar/Ar+CO2
- Van điều áp và bộ phận cấp dây
=> Van điều áp duy trì mức áp suất thích hợp cho hệ thống, bộ phận cấp dây có nhiệm vụ cấp dây cho hệ thống hoạt động
- Mỏ hàn: Thao tác trực tiếp trên mối hàn, cấp dây, cấp khí cho mối hàn, trên súng hàn có cò súng để gây hồ quang và cấp dây
2.1.3 Dịch chuyển kim loại điện cực vào vũng hàn
Hàn ngắn mạch xảy ra ở chế độ năng lượng thấp, với điện cực tiếp xúc bề mặt vũng hàn 90-200 lần/giây, tạo ngắn mạch tức thời, tăng mật độ dòng điện và hình thành hồ quang Kim loại chuyển hoàn toàn từ điện cực vào vũng hàn.
Chuyển dịch ngắn mạch có tốc độ cấp dây, điện thế hàn và tốc độ chảy thấp hơn các phương pháp khác như chuyển dịch tia, nhưng rất linh hoạt, phù hợp hàn vật liệu mỏng và dày ở mọi tư thế.
Hình 2.2: Dịch chuyển ngắn mạch
Hạn chế của chuyển dịch ngắn mạch là:
+ Tốc độ chảy của dây hàn tương đối thấp
+ Không ngấu sâu với vật hàn dày.
Sơ đồ dịch chuyển ngắn mạch:
Hình 2.3: Sơ đồ dịch chuyển ngắn mạch
A: Dây hàn chạm vào vật hàn, gây ngắn mạch Không có hồ quang, dòng điện hàn đi từ dây hàn xuống vật hàn.
B: Điện trở tăng trong dây hàn làm tăng nhiệt, gây nóng chảy dây hàn và dần dần tạo nút thắt.
C: Nút thắt đứt, dây hàn tách khỏi mối hàn, hồ quang xuất hiện, phần kim loại bị nóng chảy trên bề mặt vật hàn tạo thành giọt hàn.
D: Chiều dài hồ quang và điện thế hàn cực đại Nhiệt lượng hồ quang làm cho giọt kim loại trên bề mặt vật hàn chảy lỏng, phẳng ra và tăng kích thước.
E: Tốc độ dây hàn thắng nhiệt của hồ quang và tiếp tục tiến tới vật hàn.
F:Hồ quang tắt và hiện tượng ngắn mạch lại xuất hiện.
GMAW-S (chuyển dịch ngắn mạch) là phương pháp hàn hồ quang kim loại khí sử dụng hiện tượng ngắn mạch lặp lại để làm chảy dây hàn Đây là kỹ thuật năng lượng thấp, chuyển kim loại nhờ tiếp xúc giữa dây hàn và vật hàn/vũng hàn Hiệu quả phụ thuộc đường kính dây (0.6-1.1mm), khí bảo vệ (100% CO2 hoặc 75-80% Ar + 20-25% CO2), và kỹ thuật hàn, lý tưởng cho hàn tấm mỏng (0.6-5mm) nhờ nhiệt độ hồ quang thấp.
+ Hàn được ở mọi vị trí, bao gồm cả hàn bằng, hàn ngang, hàn đứng (hàn tuột và hàn leo) và hàn qua đầu.
+ Thích hợp cho hàn sửa chữa và hàn lớp lót cho hàn ống.
+ Nhiệt lượng truyền vào mối hàn thấp nên giảm được biến dạng do nhiệt.
+ Yêu cầu tay nghề cao và dễ sử dụng.
+ Hiệu suất sử dụng dây hàn cao, lớn hơn 93%.
Giới hạn của chuyển dịch ngắn mạch:
+ Giới hạn về bề dày vật hàn và không hàn được mối ghép hở khi hàn các vật hàn dày và có tiết diện lớn.
+ Mối hàn không ngấu tốt.
+ Văng tóe nhiều và do đó làm tăng chi phí vệ sinh mối hàn.
+ Nhằm tránh bị thổi khí bảo vệ khi hàn ngoài trời phải có màng chắn gió.
- Chuyển dịch cầu giọt lớn
Kim loại chuyển vị trong hồ quang ở dạng giọt lớn, kích thước không đồng đều, với thông số chế độ hàn cao hơn so với hiện tượng ngắn mạch.
Hình 2.4: Dịch chuyển cầu giọt lớn
+ Chỉ hàn những mối hàn phẳng và đứng.
- Dịch chuyển dạng tia dọc trục
Chuyển dịch dạng tia dọc trục là quá trình kim loại dây hàn nóng chảy ở mức năng lượng cao, tạo dòng giọt kim loại nhỏ, chuyển dọc trục hồ quang hàn vào vũng hàn.
Dịch chuyển dạng tia dọc trục trong hàn hồ quang kim loại khí (GMAW) là hiện tượng hàn hồ quang năng lượng cao trong môi trường khí bảo vệ chứa Argon pha trộn với 1-5% Oxygen hoặc hàm lượng CO2 dưới 18%.
Chuyển dịch dọc trục dạng tia thường được dùng với loại dây hàn đặc hoặc dây hàn lõi thuốc.
Các thông số chế độ hàn lớn Để đạt được kiểu chuyển dịch này cần dùng khí bảo vệ giàu Argon (trên 80%).
Hình 2.5: Dịch chuyển tia dọc trục Ưu điểm
+ Mối hàn nóng chảy và ngấu tốt.
+ Có thể dùng dây hàn đường kính lớn.
+ Chỉ hàn được vật hàn dày từ 3mm trở lên (hàn bán tự động).
+ Chỉ hàn phẳng và đứng.
Máy hàn MIG điện tử là bộ nguồn xung công suất lớn, cung cấp dòng điện ổn định duy trì hồ quang Khác biệt giữa các loại máy hàn MIG chủ yếu nằm ở phương thức hàn và cấu hình đầu ra Hầu hết máy hàn MIG hiện nay sử dụng công nghệ inverter, cấu tạo tương tự máy hàn que và TIG, nhưng có thêm bộ phận cấp dây và khí tự động (có thể không có ở máy mini tích hợp hàn que).
Sau đây là sơ đồ khối hệ thống nguồn xung inverter có mặt trên bất kỳ máy hàn điện tử inverter nào
Hình 2.6: Sơ đồ khối hệ thống nguồn inverter
2.1.5 Các phương pháp di chuyển đưởng hàn a Về chuyển động của mỏ hàn
Mỏ hàn di chuyển dọc đường hàn, tốc độ tùy thuộc kích thước mối hàn và vật liệu, đảm bảo chiều dài mối hàn chính xác.
Chuyển động 2: Dao động ngang của mỏ hàn tạo ra mối hàn rộng, khắc phục hiện tượng mối hàn hẹp chỉ phù hợp với mối hàn nhỏ Bài viết trình bày một số phương pháp tạo chuyển động dao động ngang này.
Chuyển động ngang mỏ hàn tạo mối hàn rộng, ngấu sâu Phương pháp chuyển động này tùy thuộc vào vật liệu và mục đích hàn Bài viết trình bày các phương pháp dao động ngang phổ biến.
Bảng 2.1: Các loại dao động trong hàn MIG
Dao động tuyến tính trong hàn là phương pháp mỏ hàn chuyển động thẳng đứng dọc mối hàn, cho tốc độ hàn nhanh, mối hàn hẹp và tỏa nhiệt cao.
Hàn lấp khe hở lớn hoặc chi tiết có chiều dày mỏng
Răng cưa Mỏ hàn chuyển động liên tiếp theo hình răng cưa và hướng về phía trước
Là phương pháp dễ thao tác, chất lượng mối hàn cao
Dùng để hàn vật dầy, bề rộng mối hàn lớn, có thể hàn được tất cả các vị trí khác nhau trong không gian
Tam giác Mỏ hàn chuyển động theo hình tam giác hướng về phía trước
Mỏ hàn chuyển động theo hình tam giác hướng về phía trước
CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHẦN CƠ KHÍ
2.2.1 Động cơ a So sánh động cơ bước và động cơ servo
Hiện nay có hai loại động cơ thông dụng là động cơ servo và động cơ step
Bảng 2.2: So sánh động cơ step và động cơ servo Động cơ bước Động cơ servo Ưu điểm Nhược điểm Ưu điểm Nhược điểm
- Dễ điều khiển, ít kết nối Điều khiển trực tiếp qua driver bằng tín hiệu digital
- Momen xoắn ở mức trung bình
- Điều khiển vòng hở, dễ bị trượt bước khi có tải nặng
=> gây ảnh hưởng tới độ chính xác
- Điều khiển vòng kín, kiểm soát hoạt động của động cơ bằng encoder
- Giá thành cao, phải đi kèm bộ driver chuyên dùng
- Điều khiển phức tạp, cần bộ chuyển đổi trung gian
Thiết bị hỗ trợ hàn MIG không đòi hỏi tải trọng lớn, vì vậy nhóm chúng em lựa chọn động cơ bước Động cơ bước là… (tiếp tục định nghĩa động cơ bước ở đây).
Động cơ đồng bộ biến đổi tín hiệu điều khiển xung rời rạc thành chuyển động quay rôto, cho phép định vị chính xác vị trí rôto.
Hình 2.7: Động cơ step trong thực tế(HSTM42) c Phân loại động cơ bước
Bảng 2.3: Phân loại động cơ bước
Theo số pha Theo rotor Theo cực
+ Động cơ Step 2 pha tương ứng với góc bước 1.8 độ
+ Động cơ Step 3 pha tương ứng với góc bước là 1.2 độ
+ Động cơ Step 5 pha với góc bước là 0.72 độ
+ Động cơ có rotor được tác dụng bằng dây quấn hoặc nam châm vĩnh cữu
+ Động cơ thay đổi từ trở. Đây là loại động cơ có rotor không được tác động nhưng có phần tử cảm ứng
Động cơ bước, khác với động cơ thông thường, hoạt động bằng cách quay từng bước, cho độ chính xác cao Việc điều khiển chính xác này nhờ các bộ chuyển mạch điện tử gửi tín hiệu đến stato theo trình tự và tần số xác định Có hai loại chính là động cơ đơn cực và động cơ lưỡng cực.
Số lần chuyển mạch, chiều quay và tốc độ quay của rotor phụ thuộc vào thứ tự và tần số chuyển đổi Tổng góc quay của rotor tương ứng với số lần chuyển mạch.
2.2.2 Bộ truyền vít me đai ốc a Công dụng và phân loại
Hình 2.8: Trục vít me và đai ốc
Bộ truyền vít me-đai ốc biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến nhờ ăn khớp giữa ren trong của đai ốc và ren ngoài của vít me.
Tùy theo tính chất tiếp xúc của cặp ren ta có thể chia ra làm hai loại: ma sát trượt và ma sát lăn.
+ Kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, dễ chế tạo
+ Làm việc êm và không ồn
+Có thể chuyển động chậm với độ chính xác cao
Tuy nhiên do ma sát lớn nên ren mòn nhanh, hiệu suất thấp
+ Do có tỷ số truyền cao và có khả năng tự hãm nên được ứng dụng trong: máy nâng, máy ép vít, điều khiển, bàn dao, các máy CNC, …
- Theo công dụng bộ truyền vít me được phân loại:
Vít tải tạo lực dọc trục lớn Ren hình thang dùng khi tải trọng thay đổi, còn ren hình răng cưa thích hợp cho tải trọng một chiều lớn.
Vít dẫn truyền chuyển động cho cơ cấu chạy dao, sử dụng ren nhiều mối để giảm ma sát Khử khe hở do mài mòn bằng đai ốc rời có miếng kim loại điều chỉnh.
+ Vít điều chỉnh: Sử dụng để truyền chuyển động chính xác và điều chỉnh Sử dụng ren hệ mét
- Theo số mối ren ta phân làm ren một mối, hai mối, ba mối, …
Hình 2.9: Các kiểu ren của vít me b Thông số hình học
Ren vuông có các thông số hình học chính: đường kính ngoài (d), đường kính trong (d1), đường kính trung bình (d2), chiều cao biên dạng (h = 0,1d2) và bước ren (ps = 2h) Mối quan hệ giữa các thông số: d = d2 + h và d1 = d2 - h.
Góc nâng ren vít được xác định theo công thức:
Bài viết trình bày về bước xoắn ốc vít và số mối ren Theo yêu cầu chọn bộ truyền tự hãm, nên chọn ren một mối Nội dung đề cập đến động học và lực tác dụng lên vít.
- Vận tốc góc (rad/s) và số vòng quay n(v/ph) của khâu quay liên quan đến vận tốc v(mm/s) của khâu chuyển động tịnh tiến như sau:
Trong đó: ps là bước ren(mm)
Z1 là số mối ren vít
Tỷ số truyền của bộ truyền vít me-đai ốc (u) được xác định bằng tỷ số vận tốc dài một vòng vô lăng (Sv) và khoảng dịch chuyển của đai ốc (Sd) Công thức tính: u = Sv/Sd.
Trong đó: dv là đường kính vô lăng
- Trường hợp biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, mô men xoắn T trên khâu dẫn được xác định theo công thức:
Trong đó: Fa-lực dọc trục, trong mối ghép ren là lực xiết V
-đường kính trung bình của ren
-góc nâng ren vít, xác định theo công thức 8.1, tài liệu [1]
Công thức (17.5) trong tài liệu [1] và bảng 8.1d được sử dụng để xác định góc ma sát tương đương của cặp ren vít Quá trình tính toán bộ truyền vít-đai ốc bao gồm việc tính toán ma sát lăn.
1-Chọn sơ đồ động và vật liệu bộ truyền Xác định các giá trị áp suất và ứng suất cho phép
2-Tính toán đường kính trong của vít theo lực dọc trục Fa, chiều dài vít kiểm tra theo độ ổn định
3-Chọn đường kính con lăn dcl=(0,08-0,15)d1 Giá trị dcl làm tròn đến giá trị tiêu chuẩn gần nhất(tương tự đường kính con lăn của ổ lăn)
4-Xác định bước ren theo công thức ps=dcl+(1…5)mm Giá trị ps làm tròn đến số nguyên gần nhất
5-Xác định đường kính trung bình dm=d1+dcl và làm tròn đến số nguyên gần nhất Sau đó tính toán lại d1=dm-dcl
6-Xác định góc nâng ren theo đường kính trung bình:
7-Tính toán động học và lực tác dụng lên bộ truyền
8-Vẽ kết cấu và xác định số con lăn trên vùng làm việc và rãnh thu hồi
9-Kiểm nghiệm khả năng tải cặp vít me-đai ốc bi theo điều kiện và
CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHẦN ĐIỀU KHIỂN
CNC, viết tắt của Computerized Numerical Control (điều khiển số bằng máy tính), sử dụng mã G (theo tiêu chuẩn EIA-274-D) để lập trình và điều khiển máy móc sản xuất tự động, chính xác các bộ phận kim loại và vật liệu khác Công nghệ CNC được phát triển tại MIT vào cuối những năm 1940, đầu những năm 1950.
2.3.2 Lịch sử phát triển máy CNC
Theo một tài liệu đã từng được chiếu trên đài NHK của Nhật thì nguyên lý của cái máy
NC ra đời tại Chợ Lớn, Sài Gòn, Việt Nam, bắt nguồn từ sáng tạo của người thợ thủ công An Nam đầu thế kỷ trước Họ cải tiến máy dệt Aishin (tiền thân Toyota) bằng băng giấy đục lỗ, tạo ra phương pháp sao chép mẫu dệt hàng loạt, đặt nền móng cho công nghệ băng giấy 8 bit dùng trong máy NC sau này.
Nhật Bản sử dụng băng giấy tạo máy tiện tự động JIDO BAN phục vụ chiến tranh (khoảng 1940), trong khi đó, John T Parsons tại Mỹ ứng dụng băng giấy điều khiển máy tiện tạo mặt cong cánh máy bay Năm 1952, MIT chế tạo máy phay NC đầu tiên sau khi được Không quân Mỹ hỗ trợ nghiên cứu servo điều khiển 3 trục Từ máy dệt băng giấy đến máy NC mất gần 50 năm, và năm 1953 công nghệ này được công khai Năm 1956, ngôn ngữ lập trình APT ra đời nhờ MIT và A Siegel, đơn giản hóa lập trình máy NC, dựa trên ngôn ngữ FORTRAN.
Tại Nhật Bản thì từ năm 1956 một công ty tư nhân cũng cho ra đời máy tiện điều khiển bằng
Năm 1958, Fujitsu (tiền thân của FANUC) tạo ra hệ thống điều khiển số (NC) đầu tiên cho máy phay Makino Đến năm 1965, công nghệ NC bùng nổ tại Nhật Bản với sự ra đời của máy NC điều khiển hoàn toàn bằng chip.
Máy NC, nay được gọi chính xác là CNC nhờ sự hỗ trợ của vi tính, đã được cải tiến liên tục với các kỹ thuật điều khiển hiện đại như quản lý mô-đun, tự động hóa và sản xuất tự động không người lái (AF), tạo nên các máy CNC gia công phức hợp hiện đại ngày nay.
Năm 1972 thì Fujitsu tách bộ phận nghiên cứu NC ra khỏi tập đoàn và hãng FANUC danh tiếng ngày nay ra đời.
FANUC Việt Nam được thành lập năm 2003, đánh dấu cột mốc một thế kỷ kể từ ngành dệt An Nam cho đến sự ra đời của máy NC Việt Nam do BKmech sản xuất.
Máy CNC đã cách mạng hóa sản xuất công nghiệp, cho phép tạo ra các đường cong và cấu trúc 3D phức tạp một cách dễ dàng, đồng thời giảm thiểu đáng kể lao động thủ công.
Tự động hóa CNC nâng cao độ chính xác và chất lượng sản phẩm, giảm lỗi thao tác và tiết kiệm thời gian cho người vận hành Khả năng linh hoạt trong sản xuất các sản phẩm khác nhau và chuyển đổi nhanh chóng giữa các linh kiện là ưu điểm vượt trội của công nghệ này.
Cell CNC tích hợp nhiều máy CNC để thực hiện đa thao tác trên cùng một chi tiết, điều khiển trực tiếp từ bản vẽ CAM, rút ngắn quy trình từ thiết kế đến sản xuất CNC là phân đoạn hệ thống robot công nghiệp, tự động hóa các thao tác sản xuất trong phạm vi cho phép.
2.3.3 Định nghĩa máy và trục máy. a Định nghĩa trục Đoạn thẳng dùng để dịnh hướng một không gian hoặc một đối tượng hình học gọi là trục.
Trục được xem như là đường chuẩn dùng để xác định đối tượng nào đó trong không gian theo kích thước dài và kích thước góc.
Ba trục bố trí vuông góc nhau từng đôi một hình thành hệ tọa độ Descastries vuông góc theo qui tắc bàn tay trái. b Định nghĩa trục máy
Trục máy, hay trục chuyển động, là chuyển động tịnh tiến hoặc quay của dụng cụ cắt/chi tiết trong hệ tọa độ máy Số trục máy phản ánh khả năng công nghệ.
2.3.4 Phân loại hệ thống điều khiển trong máy công cụ điều khiển số.
2.3.4.1 Phân loại theo dạng điều khiển a Điều khiển theo vị trí Điều khiển theo vị trí hay còn gọi là hệ điều khiển điểm - điểm Chức năng chính của hệ điều khiển này là chuyển động nhanh dụng cụ từ vị trí này đến vị trí khác đã được định trước với với độ chính xác cao Hệ điều khiển này thường dùng trong các máy khoan, đục lỗ, doa… Để thực hiện dịch chuyển dụng cụ từ điểm này đến điểm khác tiếp theo, ta có thể có các cách như sau:
- Chuyển động của dụng cụ song song với trục của hệ tọa độ
Hình 2.10: Hai phương án chuyển động dụng cụ song song với hệ tục tọa độ
- Chuyển động của dụng cụ nghiêng góc 45 o
Hình 2.11: Phương án chuyển động dụng cụ nghiêng góc 45 o
- Chuyển động dụng cụ theo đường thẳng
Thuật toán nội suy thẳng giúp dụng cụ di chuyển theo đường thẳng Nội suy, bao gồm nội suy thẳng và tròn, thực hiện được bằng phần cứng hoặc phần mềm, với nhiều phương pháp như hàm đánh giá hay tích phân số Chi tiết về nội suy sẽ được trình bày ở các chương sau Đường dẫn dụng cụ cần liên tục.
Kiểu dẫn đường dẫn liên tục, hay còn gọi là hệ contour, cho phép chuyển động dụng cụ và quá trình gia công diễn ra đồng thời giữa các điểm.
Với cách điều khiển đường dẫn dụng cụ liên tục, tất cả các trục đồng thời chuyển động nhưng tốc độ khác nhau.
2.3.4.2 Phân loại theo cấu trúc điều khiển
Theo cấu trúc điều khiển ta có thể chia thành hai hệ: NC và CNC
Hệ thống điều khiển số (NC) sử dụng mạch điện tử để thực hiện các chức năng cơ bản, cấu trúc điều khiển chỉ thay đổi được bằng cách thiết kế lại mạch, vì vậy hệ NC là hệ điều khiển kín Tín hiệu điều khiển trong hệ NC là xung điện áp.
Hệ thống CNC, điều khiển bằng máy tính và lập trình lại được bằng phần mềm chuyên dụng, cho phép thay đổi cấu trúc điều khiển dễ dàng chỉ bằng cách chỉnh sửa chương trình Tính linh hoạt cao của hệ thống CNC khiến nó trở thành thành phần không thể thiếu trong sản xuất linh hoạt.
2.3.4.3 Phân loại kiểu điều khiển a Hệ điều khiển hở
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Như vậy để thiết kế được thiết bị hỗ trợ hàn MIG cần giải quyết được hai vấn đề chính: cơ khí và điều khiển
+ Mô hình hóa phần khung thiết bị, các cụm trục
+ Tính toán lựa chọn thông số cho bộ truyền vít me
+ Lựa chọn động cơ step thích hợp
+ Lắp ráp các cụm trục thành máy hoàn chỉnh
+ Lựa chọn hệ thống điều khiển: phần cứng và phần mềm
+ Thiết kế mạch kết nối phần cứng bao gồm: nguồn điện, mạch điều khiển chính, mạch driver và động cơ step
+ Thiết lập ban đầu các thông số trên phần mềm điều khiển
KẾT CẤU THIẾT BỊ
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU
3.1.1 Yêu cầu về hoạt động của thiết bị
+ Có thể chuyển động tịnh tiến theo 2 trục X, Y
+ Có thể lên xuống theo trục Z
+ Có thể dao động đầu mỏ hàn
Thiết kế thiết bị có 3 trục máy chính: X, Y, Z và một trục máy phụ A
- Lựa chọn phương án kết cấu:
Hình 3.1: Phác thảo kết cấu thiết bị
3.1.3 Lựa chọn kích thước và vật liệu a Vật liệu
Khung máy CNC nhỏ gọn, chất liệu nhôm định hình nhẹ, dễ lắp ráp, độ bền cao, tương thích nhiều phụ kiện đa dạng.
Thiết bị có mục đích chính hàn các chi tiết có kết cấu dạng khung cỡ nhỏ (Như vậy bộ truyền vít me thích hợp
TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN VÍT ME TRỤC Z
4.2.1 Chọn vật liệu làm trục vít và đai ốc
+ Vật liệu làm đai ốc: Đồng thau
4.2.2 Tính toán thiết kế truyền động
Trục Z chịu tải chủ yếu cho trục A, súng hàn: tính toán sơ bộ bộ khối lượng tải trục Z với vật liệu nhôm 1060 trên phần mềm solidworks:
=>Tổng khối lượng sơ bộ trục Z là: 2223.48g~2,2kg
Lấy khối lượng sơ bộ trục Z là 3kg
=>Vậy lực dọc trục tác dụng lên bộ truyền trục vít của trục X là:
Xác định sơ bộ đường kính trong của vít me
Theo tài liệu [1] về điều kiện bền của vít me, ta có: (4.1)
Trong đó Fa là lực dọc trục, d1 là đường kính trong vít me
, với là giới hạn chảy của vật liệu làm trục vít, trục vít me được làm bằng thép C45 do đó giới hạn chảy là 360Mpa
- Chọn các thông số khác của bộ truyền theo tài liệu [1], ta có:
+ Bán kính rãnh lăn r1=(0,51…0,53)db=0,53.1,8=0,795mm
+ Khoảng cách từ tâm rãnh đến tâm bi:
+ Đường kính vòng tròn qua các tâm bi
+ Đường kính trong của đai ốc
+ Chiều sâu của profin ren:
+ Đường kính ngoài của vít và đai ốc
+ Số bi trên các vòng ren làm việc viên + Khe hở hướng tâm
+ Góc ma sát lăn thay thế:
+ Hiệu suất khi biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến
Chọn trục Z CNC có mã KUT1205-340 sử dụng vít bi như hình 4.1
Hình 4.1: Trục Z CNC mã KUT1205-340
- Thông số kỹ thuật của trục Z:
+ Chiều dài cơ sở: 340mm
TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN VÍT ME TRỤC Y
4.3.1 Chọn vật liệu làm trục vít và đai ốc
+Vật liệu làm đai ốc: Đồng thau
Trục Y chịu tải cho trục trục Z, ước lượng sơ bộ khối lượng trục Z bằng phần mềm solidworks 2018 với vật liệu nhôm 1060(2700kg/m 3 ):
+ Tấm trượt trục Z (nhôm mã 2014-T6): 1030,03g
Vậy tổng khối lượng sơ bộ trục Z là: 6347,94g
Khối lượng mỏ hàn, mô tơ, các thiết bị phụ trợ: 2000g
=> Tổng khối lượng trục Z là 8347,94g
+ Vậy lực dọc trục tác dụng lên bộ truyền trục vít của trục Y là tổng khối lượng trục Z:
+ Xác định sơ bộ đường kính trong của vít me
Theo công thức 4.1, điều kiện bền ta có:
Trong đó Fa là lực dọc trục, d1 là đường kính trong vít me
, với là giới hạn chảy của vật liệu làm trục vít, trục vít me được làm bằng thép C45 do đó giới hạn chảy là 360Mpa
+ Tương tự cách tính của trục Z, ta có các thông số khác của bộ truyền
Bảng 4.2: Thông số vít me trục Y
Thông số Giá trị Đường kính bi db=1,8mm
Bán kính rãnh lăn r1=(0,51…0,53)db=0,53.1,8=0,954mm
Khoảng cách từ tâm rãnh đến tâm bi c=0,04mm Đường kính vòng tròn qua các tâm bi Dtb,832mm Đương kính trong đai ốc D1,664mm
Chiều sâu profin ren h1=0,554mm Đường kính ngoài của vít và đai ốc d,08mm
Số bi trên các vòng ren làm việc 48 viên
Khe hở hướng tâm 0,064mm
Khe hở tương đối 0,005mm
Góc ma sát lăn thay thế 0,054 o
Hiệu suất khi biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến
Momen quay đai ốc 65,78Nmm
Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật vít me trục Y
Mã trục vít Đường kính trục(mm)
Loại ren Chiều dài(mm) Đường kính nối trục(mm)
TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN VÍT ME TRỤC X
4.4.1 Chọn vật liệu làm trục vít và đai ốc
+Vật liệu làm đai ốc: Đồng thau
4.4.2 Tính toán thiết kế truyền động
Trục X chịu tải cho cả trục Y và trục Z, do đó ước lượng sơ bộ khối lượng bằng phần mềm solidwork:
+ Hai thanh nhôm 60mmx120mmx1100mm (khối lượng riêng 2700kg/m 3 ): 5039,76x2079,52g
+ Tấm trượt trục Z (nhôm mã 2014-T6): 1030,03g
=>Tổng khối lượng sơ bộ trục Y và Z là: 20427,46g~20,43kg
+ Vậy lực dọc trục tác dụng lên bộ truyền trục vít của trục X là:
Do mô hình sử dụng 2 vít me nên Fa mỗi trục phải chịu là 100,2N
+ Xác định sơ bộ đường kính trong của vít me
Theo công thức 4.1, điều kiện bền ta có:
Trong đó: Fa là lực dọc trục, d1 là đường kính trong vít me
, với là giới hạn chảy của vật liệu làm trục vít, trục vít me được làm bằng thép C45 do đó giới hạn chảy là 360Mpa
+ Chọn các thông số khác của bộ truyền tương tự như trục Z, và trục Y
Bảng 4.4: Thông số vít me trục X
Thông số Giá trị Đường kính bi db=1,8mm
Bán kính rãnh lăn r1=(0,51…0,53)db=0,53.1,8=0,954mm
Khoảng cách từ tâm rãnh đến tâm bi c=0,04mm Đường kính vòng tròn qua các tâm bi Dtb,832mm Đương kính trong đai ốc D1,664mm
Chiều sâu profin ren h1=0,554mm Đường kính ngoài của vít và đai ốc d,08mm
Số bi trên các vòng ren làm việc 48 viên
Khe hở hướng tâm 0,064mm
Khe hở tương đối 0,005mm
Góc ma sát lăn thay thế 0,054 o
Hiệu suất khi biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến
Momen quay đai ốc 80,47Nmm
Bảng 4.5: Thông số kỹ thuật vít me trục X
Mã trục vít Đường kính trục(mm)
Loại ren Chiều dài(mm) Đường kính nối trục(mm)
4.5.1 Động cơ trục X a Thông số đầu vào
- Hệ số ma sát của bề mặt dẫn hướng μ = 0.05
- Hiệu s uất bộ truyền trục vít me η =0.9
- Đường kính trục vít me Db = 15[mm]
- Khối lượng trục vít me Mb = 0.84[kg]
- Khối lượng khớp nối Mk = 0.5[kg]
- Đường kính ngoài khớp nối Dk @[mm]
- Độ chính xác bàn máy Δl = 0.03[mm/bước]
- Khoảng cách dịch chuyển của trục X l 0 [mm]
- Hệ số an toàn Sf = 2 b Tính toán các thông số động cơ
Tra cứu tài liệu [4], ta có thứ tự các bước lựa chọn động cơ bước:
- Độ phân giải cần thiết của động cơ bước θs = 360
5 = 2,16 0 Trong đo: θs-độ phân giải cần thiết động cơ bước( o ) Δ l-độ chính xác bàn máy(mm/bước)
=> Chọn độ phân giải động cơ bước theo tiêu chuẩn là 1,8 o
- Số vòng quay cần thiết của động cơ f = 10000 (Hz)
Trong đó: f-tần số động cơ
Nm: số vòng quay động cơ(v/ph)
- Momen quán tính trục vít
+ Đường kính trục vít me: D b = 15(mm)
+ Khối lượng trục vít me : m b = ¿0,84 [kg]
Với J tv -momen quán tính trục vít
- Momen quán tính trục X và các chi tiết tác dụng lên trục vít(Jtw)
+ Khối lượng tải : mt = 10,2 (kg)
= 10,2 (( 0,005 2 π ) 2 =6,46.10 -6 kg.m 2 trong đó: mt-khối lượng tải(kg) mw-khối lượng các chi tiết tác dụng lên trục vít(kg)
- Momen quán tính tổng cộng tác dụng lên trục động cơ
- Mômen xoắn tổng cộng tác dụng lên trục động cơ ,Tm [N.M]
J0 = Jm = 380.10 -7 [kg.m 2 ] mômen quán tính trục động cơ
- Momen xoắn tác động lên motor
= 0,004 (N.m) Trong đó: T1-momen xoắn(Nmm) μgf-hệ số ma sát m-khối lượng tải(kg)
Fz: Lực dọc tác dụng lên trục vít(N)
- Momen tổng tác dụng lên trục động cơ
Tm = (Ta + Tl ) Sf = (0,166 + 0,004).2 =0,34(N.m)40Nmm
Trong đó: Sf-hệ số an toàn
Vậy động cơ bước phù hợp có momen xoắn Nm trong khoảng thời gian tăng tốc t=0,2s c Chọn động cơ
Chọn động cơ có mã C-57STM04 có thông số kỹ thuật như sau:
Bảng 4.6: Thông số kỹ thuật động cơ trục X
Lực quán tính(g.cm 2 ) 300 Điện áp(V-DC) 24-80 Đường kính trục(mm) 6,35
Chọn nối trục mềm loại 6.35-10 với thông số kỹ thuật sau:
+ Đường kính đầu vào: 6.35mm
+ Đường kính đầu ra: 10mm
4.5.2 Động cơ trục Y a Thông số đầu vào
- Hệ số ma sát của bề mặt dẫn hướng μ = 0.05
- Hiệu s uất bộ truyền trục vít me η =0.9
- Đường kính trục vít me Db = 15[mm]
- Khối lượng trục vít me Mb = 0.84[kg]
- Khối lượng khớp nối Mk = 0.5[kg]
- Đường kính ngoài khớp nối Dk @[mm]
- Độ chính xác bàn máy Δl = 0.03[mm/bước]
- Khoảng cách dịch chuyển của trục Y l 60 [mm]
- Hệ số an toàn Sf = 2 b Tính toán các thông số động cơ
Tương tự cách tính chọn động cơ trục X, ta có bảng thông số lựa chọn đông cơ trục Y như bảng 4.7
Bảng 4.7: Thông số lựa chọn động cơ trục Y
Thông số Giá trị Độ phân giải cần thiết của động cơ bước 1,8 o
Momen quán tính trục vít 2,3625.10 -5 kg.m 2
Momen quán tính trục X và các chi tiết tác dụng lên trục vít
Momen quán tính tổng cộng tác dụng lên trục động cơ
Momen xoắn tổng cộng tác dụng lên trục động cơ
Momen xoắn tổng cộng tác dụng lên motor 0,003 Nm
Momen tổng tác dụng lên trục động cơ 0,336 Nm
Vậy động cơ bước phù hợp có momen xoắn Nm trong khoảng thời gian tăng tốc t=0,2s c Chọn động cơ trục Y
Chọn động cơ có mã C-57STM04 có thông số kỹ thuật như sau:
Bảng 4.8: Thông số kỹ thuật động cơ trục Y
Lực quán tính(g.cm 2 ) 300 Điện áp(V-DC) 24-80 Đường kính trục(mm) 6,35
Chọn nối trục mềm loại 6.35-10 với thông số kỹ thuật sau:
+ Đường kính đầu vào: 6.35mm
+ Đường kính đầu ra: 10mm
4.5.3 Động cơ trục Z a Thông số đầu vào
- Hệ số ma sát của bề mặt dẫn hướng μ = 0.05
- Hiệu s uất bộ truyền trục vít me η =0.9
- Đường kính trục vít me Db = 12[mm]
- Khối lượng trục vít me Mb = 0.3[kg]
- Khối lượng khớp nối Mk = 0,015 [kg]
- Đường kính ngoài khớp nối Dk ",2[mm]
- Độ chính xác bàn máy Δl = 0.03[mm/bước]
- Khoảng cách dịch chuyển của trục Z l 40 [mm]
- Hệ số an toàn Sf = 2 b Tính toán các thông số động cơ
Tương tự cách tính chọn động cơ trục X, ta có bảng thông số như bảng 4.9
Bảng 4.9: Thông số lựa chọn động cơ trục Z
Thông số Giá trị Độ phân giải cần thiết của động cơ bước 1,8 o
Momen quán tính trục vít 5,4.10 -5 kg.m 2
Momen quán tính trục X và các chi tiết tác dụng lên trục vít
Momen quán tính tổng cộng tác dụng lên trục động cơ
Momen xoắn tổng cộng tác dụng lên trục động cơ
0,131 Nm Momen xoắn tổng cộng tác dụng lên motor 0,0017 Nm
Momen tổng tác dụng lên trục động cơ 0,265 Nm
Vậy động cơ bước phù hợp có momen xoắn Nm trong khoảng thời gian tăng tốc t=0,2s c Chọn động cơ trục Z
Chọn động cơ có mã C-57STM03 có thông số kỹ thuật như sau:
Bảng 4.10: Thông số kỹ thuật động cơ trục Z
Lực quán tính(g.cm 2 ) 275 Điện áp(V-DC) 24-80 Đường kính trục(mm) 6,35
Chọn nối trục mềm loại 6.35-8 với thông số kỹ thuật sau:
+ Đường kính đầu vào: 6.35mm
+ Đường kính đầu ra: 8mm
4.5.4 Thiết kế và chọn động cơ trục A a Trục A
Động cơ truyền chuyển động xoay đến bộ phận kẹp súng hàn qua trục A và khớp nối mềm 5-10, với trục A được đỡ bởi gối đỡ trục ổ bi mặt bích UFC201J (MISUMI).
Hình 4.3: Gối đỡ trục A b Chọn động cơ trục A
Trục A không chịu tải lớn do vậy nhóm em quyết định chọn động cơ có mã HSTM42
Bảng 4.11: Thông số kỹ thuật động cơ trục A
Bước góc(độ) 1,8 Điện áp(V-DC) 24-80 Đường kính trục(mm) 5
Chọn nối trục mềm loại 5-5 với thông số kỹ thuật sau:
+ Đường kính đầu vào: 5 mm
+ Đường kính đầu ra: 5 mm
GÁ ĐỘNG CƠ
Kích thước gá motor trục X
Hình 4.4: Kích thước gá trục X
Gá motor trục X có hai nhiệm vụ: cố định motor trục X và cố định ổ lăn trục vít trục X vào phần thân máy như hình 4.5
Hình 4.5: Vị trí gá mô tơ trục X Motor được nối với trục vít bằng khớp nối mềm loại 6,35-10
Kích thước gá motor trục Y
Hình 4.6: Kích thước gá mô tơ trục Y
Gá motor trục Y có nhiệm vụ tương tự gá motor trục X, được mô phỏng như hình 4.7
Hình 4.7: Vị trí gá mô tơ trục Y Motor được nối với trục vít bằng khớp nối mềm 6,35-10
Kích thước gá motor trục Z
Hình 4.8: Kích thước gá mô tơ trục Z Động cơ trục Z được kết nối với trục vít trục Z qua khớp nối mềm loại 6,35-8
Hình 4.9: Vị trí gá mô tơ trục Z
4.6.4 Gá động cơ trục A a Khung đỡ trục A
Kích thước trục khung đỡ trục A
Hình 4.10: Kích thước khung đỡ trục A b Gá trục A
Hình 4.11: Kích thước gá mô tơ trục A Động cơ trục được kết nối với trục A thông qua khớp nối mềm 5-10 như hình 4.11
Hình 4.12: Nối động cơ trục A và trục AHình ảnh trục A sau khi lắp ráp các bộ phận như hình 4.12
Hình 4.13: Vị trí gá mô tơ trục A
TRUYỀN ĐỘNG
4.7.1 Truyền động trục X a Ray trượt và con trượt trục X
- Trục X của thiết bị được dẫn hướng bởi hai ray trượt( bên phải và bên trái trục X)
- Ray trượt sử dụng là loại dùng cho tải nặng có mã SX2R24 có thông số như sau:
- Để đảm bảo cân bằng, mỗi ray trượt trục X sử dụng hai con trượt cùng bộ ray trượt
Hình 4.14: Kích thước con trượt trục X
Hình 4.15: Ray trượt trục X Trục X được bố trí trên ray trượt thông qua một tấm đỡ giúp định vị 2 con trượt
Hình 4.15: Kích thước tấm đỡ
Hình 4.16: Bố trí ray trượt trục X b Truyền động vít me trục X
Bộ truyền vít me trục X, bố trí hai bên, sử dụng thanh truyền chuyển động tịnh tiến đến băng máy Đai ốc trục X truyền chuyển động này qua thanh nối X (kích thước như hình 4.16).
Hình 4.17: Kích thước thanh nối X
Thanh nối có 2 nhiệm vụ:
+ Truyền chuyển động tịnh tiến của đai vít lên trục X
+ Cố định 2 tấm nhôm định hình trục X
4.7.2 Truyền động trục Y a Ray trượt trục Y
- Trục Y của thiết bị được dẫn hướng bởi hai ray trượt
- Ray trượt sử dụng là loại dùng cho tải nặng có mã SX2R24 có thông số như sau:
- Để đảm bảo cân bằng, mỗi ray trượt trục Y cũng được sử dụng hai con trượt cùng bộ ray trượt SX2R24 b Truyền động trục Y
Trục Y sử dụng thanh nối để truyền chuyển động tịnh tiến từ vít me đến băng máy Chuyển động này được truyền qua đai ốc trục Y và thanh nối Y (kích thước như hình vẽ).
Hình 4.18: Kích thước thanh nối Y
XÍCH NHỰA ĐI DÂY ĐIỆN
Thiết bị sử dụng hệ thống xích nhựa và ray đỡ để đi dây điện, xích nhựa được bố trí ở trục
Hình 4.19: Bố trí xích nhựa đi dây điện
- Xích nhựa được sử dụng là loại có bề rộng 38mm, kích thước ray: 40mm
THIẾT KẾ PHẦN ĐẾ VÀ BẢN VẼ
NHIỆM VỤ PHẦN ĐẾ
Phần đế thiết bị nhiệm vụ:
- Tạo khoảng trống phù hợp làm không gian làm việc và di chuyển của súng hàn
- Bố trí các thác thiết bị điều khiển(tủ điện và máy tính/laptop) và máy hàn
CẤU TẠO
5.2.1 Mô hình đế và kích thước a Mô hình
Hình 5.1: Mô hình 3D phần đế thiết bị
Phần đế thiết bị gồm 4 phần chính như hình 5.1, phần đế được ghép nối bằng phương pháp cắt và hàn hồ quang tay
+ Phần chứa thiết bị điều khiển và máy hàn
+ Phần khung đỡ thiết bị b Kích thước phần đế
Kích thước phần đế thiết bị được thể hiện ở hình dưới
Hình 5.2: Kích thước phần đế
- Chiếu cao phần chân: 500mm (hình 5.2)
- Có nhiệm vụ đỡ toàn bộ hệ thống, phần chân được gắn bánh xe để dễ dàng di chuyển thiết bị
- Vật liệu: thép hộp 30x30x2.6mm
5.2.2 Phần đặt máy hàn và các thiết bị điều khiển
- Nhiệm vụ: Nơi để máy hàn, tủ điện,
+ Phần đỡ: Thép hộp 30x30x2.6mm
Hình 5.3: Kích thước phần đặt phôi và phần đặt thiết bị điều khiển/máy hàn
- Nhiệm vụ: đặt phôi cần hàn
+ Thanh ngang: thép hộp 20x20x20mm
+ Các thanh ngang: thép hộp 20x20x2
- Nhiệm vụ: đỡ thiết bị
+ Thanh dọc: thép hộp 30x30x3.2mm
+ Thanh ngang: thép hộp 20x20x2.0mm
LẮP RÁP THIẾT BỊ VỚI PHẦN ĐẾ
5.3.1 Phương án lắp ráp a Thanh nối
Nối thằng loại 4 lỗ: SSPTSSL6
Hình 5.5: Thanh nối thiết bị và phần đế b Phương án lắp ráp
Bộ nối thẳng 4 lỗ nhôm định hình seri 60 được lựa chọn để đảm bảo cân bằng và thuận tiện lắp ráp chân đế với thiết bị Bộ nối gồm thanh nối và vít, sẵn sàng sử dụng.
Thanh nối gắn vào rãnh nhôm trên thiết bị, hai lỗ còn lại bắt vào khung đỡ bằng bu lông (khung đã được khoan sẵn 2 lỗ Ø7mm trên mỗi thanh dọc).
- Sử dụng 4 thanh nối để nối 4 góc của thiết bị với phần đế
5.3.2 Mô phỏng mô hình lắp ráp
Hình 5.6: Mô hình lắp ráp phần đế với thiết bị
PHẦN ĐIỀU KHIỂN
LỰA CHỌN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy CNC đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về phần cứng và phần mềm Nhóm nghiên cứu đã chọn giải pháp sử dụng module điều khiển tích hợp phần mềm chuyên dụng, có khả năng tùy biến cao, phù hợp với máy CNC mini Trên thị trường hiện có hai loại module phổ biến.
Bảng 6.1: Phân loại module CNC trên thị trường
Loại module Module CNC tích hợp driver
Module CNC đơn (chỉ có phần điều khiển) Ưu điểm
- Khả năng tùy biến cao
- Khả năng tùy biến cao
- Có nhiều dạng module khác nhau được tùy biến cho các dạng máy, số lượng IO nhiều hơn
- Công suất động cơ điều khiển thấp
- Chi phí cao hơn khi phải mua thêm driver rời=> Bộ nguồn phải có công suất lớn hơn
Thiết bị hàn MIG cần motor công suất cao và nhiều IO tùy biến (công tắc hành trình, cảm biến tiệm cận, điều khiển ngoại vi) Vì vậy, module CNC đơn kèm driver rời là giải pháp phù hợp.
Bài viết này tập trung vào module Mach3 4 trục, lựa chọn phù hợp với hệ thống 4 trục hiện có, trong khi thị trường cung cấp nhiều biến thể từ 3 đến 6 trục.
Module này có các tính năng chính cơ bản sau:
4 cổng điều khiển động cơ X, Y, Z, A(có thể mở rộng tới 5 trục)
3 relay on/off biến tần cho spindle
1 cổng analog từ 0~10V cho biến tần
1 cổng PWM 0-5V cho các spindle DC
Tính năng “Charge Pump” đảm bảo an toàn cho máy khi khởi động máy tính
5 tín hiệu đầu vào(Estop, Litmit, Home X, Y, Z) được cách ly
Bổ sung tính năng Laser Mode
Sản phẩm có tính năng chống tĩnh điện ESD, lọc nhiễu EMI
CHUẨN BỊ PHẦN CỨNG
Thiết bị sử dụng hai hệ thống nguồn 24V và 5V, do đó để đảm bảo tính ổn định nhóm chúng em sử dụng:
+ Một nguồn 24V công suất lớn cho khối công suất
+ Một nguồn 24V công suất nhỏ cho các công tắc hành trình và cảm biến tiệm cận a Nguồn 24V cho khối công suất
5 mô tơ step có dòng tải tối đa là 3A, vậy dòng tải tổng là 15A, do đó lựa chọn nguồn tổ ong loại 24V-20A
- Điện áp ngõ vào: 110/ 220VAC
- Điện áp ngõ ra: DC24V
- Nhiệt độ làm việc: 0 - 80 oC
- Khối lượng: 700g b Nguồn 24V cho khối điều khiển
Mạch điều khiển Mach3 CNC hoạt động tối ưu khi sử dụng hai bộ nguồn 24V, 2A riêng biệt: một cho mạch điều khiển và một cho khối công tắc, theo khuyến nghị của nhà sản xuất.
6.1.2 Mạch điều khiển Bob Mach3 CNC v2.4.3
Hình 6.4: Cổng kết nối của module Mach3 a Cổng nguồn
Bảng 6.2: Các cổng nguồn của module
Chân kết nối Kết nối và chức năng
Cổng LPT Kết nối cổng LPT máy tính(đối với laptop sử dụng thêm cáp chuyển USB-LPT), cấp tín hiệu điều khiển cho bo mạch
0V, 24V (BOB Power) Nguồn 24V bên ngoài cấp cho khối analog, tạo ra 10V
0V, 24V (Switch Power) Nguồn 24V bên ngoài cấp cho khối switch, cảm biến hành trình b Các cổng nhập xuất
Bảng 6.3: Các cổng xuất của module
Chân kết nối Kết nối và chức năng
Tín hiệu điều khiển động cơ trục X(DIR-2,
Tín hiệu điều khiển động cơ trục Y(DIR-4,
Tín hiệu điều khiển động cơ trục Z(DIR-6,
Tín hiệu điều khiển động cơ trục A(DIR-8,
- Tín hiệu DIR: tín hiệu đảo chiều quay của động cơ bằng cách đảo trạng thái tín hiệu từ mức cao xuống mức thấp hoặc ngược lại
- Chân DIR trên module nối vào chân DIR trên driver
- Tín hiệu PUL: tín hiệu điều khiển điều khiển tốc độ quay của động cơ
- Chân PUL trên module nối vào chân PUL trên driver
COM Đầu ra tín hiệu khối analog
PWM-14 Chân output 14 của cổng LPT, nếu cấu hình là chân step của spindle thì chân 14 xuất xung PWM điều khiển tốc độ spindle
P16, P17 Cấu hình mở rộng chức năng
Chân relay Tiếp điểm thường mở của relay
Bảng 6.4: Các cổng nhập của module
Chân kết nối Kết nối và chức năng
0V-SW Đầu vào nhận tín hiệu từ công tắc Estop Có tác dụng dừng khẩn cấp trong trường hợp máy bị lỗi
0V-SW Đầu vào nhận tín hiệu từ các cảm biến hành trình và được đấu thẳng vào chân tín hiệu của cảm biến
Trong một số trường hợp có thể cấu hình làm chân start
Chân tín hiệu xác định gốc máy(home) của ba trục X, Y, Z Hoạt động ở mức điện áp 24V
Mạch driver khuếch đại tín hiệu điều khiển từ mạch chính, cung cấp đủ công suất để vận hành động cơ Do công suất đầu ra của mạch điều khiển yếu, mạch driver đóng vai trò trung gian cần thiết.
Thiết bị hỗ trợ hàn mig có 5 động cơ, trong đó: 2 động cơ trục X, 1 động cơ trục Y, 1 động cơ trục Z, 1 động cơ trục A
do đó thiết bị sử dụng 5 mạch điều driver cho 5 động cơ để đảm bảo công suất đầu ra
Hình 6.5: Sơ đồ các chân kết nối module driver Bảng 6.5: Các cổng kết nối của module driver TB6600
ENA-(ENA) Cổng cho phép âm
ENA+(+5V) Cổng cho phép dương
DIR-(DIR) Cổng tín hiệu DIR âm
DIR+(+5V) Cổng tín hiệu DIR dương
PUL-(PUL) Cổng tín hiệu PUL âm
PUL+(+5V) Cổng tín hiệu PUL dương
B- Cổng tín hiệu âm cuộn 1
B+ Cổng tín hiệu dương cuộn 1
A- Cổng tín hiệu âm cuộn 2
A+ Cổng tín hiệu dương cuộn 2
6.1.4 Kết nối mạch điều khiển và mạch driver
Hình 6.6: Kết nối 1 trục Bảng 6.6: Kết nối mạch điều khiển và driver
Mạch điều khiển Mạch driver
Chân số 2(DIR-X) Chân DIR-
Chân số 3(PUL-X) Chân PUL-
Chân 5V Chân DIR+; Chân PUL+
*Chân VCC của driver kết nối với +24V-20A, GND kết nối với GND của nguồn 20A
6.1.5 Kết nối mạch driver với step motor
Bảng 6.7: Kết nối driver và motor
Tương tự đối với các trục còn lại.
6.1.6 Kết nối cảm biến home và công tắc giới hạn hành trình a Cảm biến home
- Chức năng: Cảm biến home là loại cảm biến tiệm cận NPN vuông, cảm biến này có khả năng phát hiện vật cản ở khoảng cách 4mm
Hình 6.7: Cảm biến tiệm cận
Cảm biến tiệm cận 3 dây (GND, VCC, OUT) hoạt động với nguồn 24V riêng biệt (đã nêu ở phần nguồn) Khi trục tiếp cận, chân OUT phát xung tín hiệu về mạch điều khiển, xác định vị trí gốc tọa độ.
Kết nối chân OUT của cảm biến giới hạn hành trình: OUT (trục X) với Home X (PIN 12), OUT (trục Y) với Home Y (PIN 13), và OUT (trục Z) với Home Z (PIN 15) trên mạch điều khiển.
Hình 6.8: Công tắc hành trình
Công tắc giới hạn hành trình được đặt cuối mỗi trục để tín hiệu giới hạn hành trình được gửi đến mạch điều khiển, xác định điểm dừng của từng trục.
- Kết nối: 1 chân nối với đầu ra 0V/SW của mạch điều khiển, đầu còn lại nối với cổng
- Chức năng: Dừng khẩn cấp máy khi có lỗi
- Kết nối: 1 đầu nối với 0V/SW, đầu còn lại nối với cổng Estop(PIN 10)
SƠ ĐỒ KẾT NỐI
6.3.1 Nguồn và công công tắc hành trình, nút emergency
Hình 6.10: Sơ đồ kết nối nguồn và các công tắc/cảm biến Giải thích:
- Mạch có 2 khối nguồn 24V, nguồn lớn cho driver, nguồn nhỏ cho các cảm biến và mạch điều khiển được kết nối như hình 6.10
Nút khẩn cấp (emergency stop) hoạt động như một công tắc Khi kích hoạt, pin 10 xuống mức thấp, khiến phần mềm Mach3 nhận diện và dừng toàn bộ hoạt động máy.
- Công tắc hành trình 3 trục có cơ chế tương tự nút emergency
Cảm biến tiệm cận 3 trục (cảm biến home) loại NPN hoạt động theo nguyên lý: khi được kích hoạt, cổng OUT đưa ra tín hiệu mức thấp, cho phép phần mềm Mach3 nhận biết máy đã về vị trí home.
6.3.2 Kết nối với driver và motor
Hình 6.11: Kết nối với driver và motor
+ Mạch kích cò lấy tín hiệu từ PIN17, là tín hiệu spindle, mục đích của mạch là kích cho máy hàn hoạt động(thay vì bấm nút)
Mạch kích hoạt hoạt động dựa trên nguyên lý: tín hiệu cao ở chân PIN17 làm transistor Q1 dẫn, dòng Ic chảy từ C xuống E, kích hoạt relay RL1 Relay đóng, cho phép máy hàn hoạt động.
+ Khi không có điện Q1 ngưng dẫn, relay nhả tiếp điểm =>máy hàn tắt
PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN
6.4.1 Tổng quan phần mềm điều khiển a Giới thiệu phần mềm Mach3
Mach3, phần mềm của ArtSoft, ban đầu dành cho người chế tạo máy CNC tại nhà, nay là giải pháp điều khiển linh hoạt trong công nghiệp.
Dưới đây là một vài các chức năng và đặc điểm cơ bản được cung cấp bởi Mach3:
- Biến một máy tính cá nhân PC thành một bộ điều khiển máy CNC 6 trục với đầy đủ các tính năng.
- Cho phép import trực tiếp các file dxf, bmp, jpg và hpgl thông qua phần mềm LazyCam.
- Hiển thị G-code trực quan.
- Tạo ra G-code thông qua LazyCam hoặc Wizards.
- Giao diện có thể tùy biến hoàn toàn theo ý thích người sử dụng.
- Tùy biến M-code và Macro bằng cách sử dụng VBscript.
- Điều khiển được tốc độ trục chính (Spindle).
- Điều khiển được nhiều rơle đóng-cắt.
- Có khả năng tạo ra xung điều khiển tốc độ động cơ bằng tay.
- Hiển thị video khi máy chạy.
- Có khả năng dùng được với màn hình cảm ứng.
- Giao diện phần mềm có khả năng hiển thị ra toàn màn hình bất kỳ đang sử dụng. b Ưu điểm và nhược điểm của phần mềm
Bảng 6.8: Ưu nhược điểm của phần mềm Mach3 Ưu điểm Nhược điểm
- Chức năng đa dạng, giao diện thân thiện và dễ sử dụng
- Mô phỏng quá trình làm việc rõ ràng
- Khai báo các thông số của hệ thống dễ dàng
- Dễ tùy biến cho nhiều loại máy với các mục đích khác nhau
- Mach3 điều khiển dạng vòng hở
6.4.2 Thiết lập các cổng vào ra(IO)
Khởi động trình điều khiển Mach3 Loader, chọn mode plasma->ok(đây là mode cắt plasma)
Hình 6.13: Chọn trình điều khiển
Chương trình được khởi chạy, chọn mode config->Ports and Pins để thiết lập các IO(tín hiệu vào ra)
Hình 6.14: Chọn thiết lập các cổng IO Khi đó trên màn hình hiện lên các thông số:
Hình 6.15: Thiết lập cổng giao tiếp RS232
Để điều khiển máy tính bằng cổng DB25, chọn Port 1 và thiết lập theo hình ảnh, cuối cùng nhấn Apply.
Bài viết này hướng dẫn xác định chân ra của máy tính tại cổng DB25, dùng để cấp tín hiệu điều khiển động cơ thông qua mạch giao tiếp và mạch điều khiển động cơ Sơ đồ chân được minh họa cụ thể.
Hình 6.16: Thiết lập số trục Giải thích các thiết lập:
Bảng 6.9: Giải thích thiết lập motor
Signal Tên trục thiết lập
Enabled Cho phép trục hoạt động hay không
Step pin# Chân output cấp xung cho động cơ
Dir pin # Chân ouput cấp tín hiệu đảo chiều
Dir LowActive Xác định chiều dương/âm của trục
Step LowActive Xác định xung cấp cho mạch driver là mức cao hay mức thấp
Step port Xác định port điều khiển, chọn 1
Dir port Xác định port điều khiển, chọn 1
Sau khi hoàn thành thiết lập, chọn Apply để lưu lại thiết lập.
Máy tính nhận tín hiệu đầu vào, phần mềm phân tích và xử lý, sau đó xuất tín hiệu điều khiển.
- Thiết bị của hỗ trợ hàn mig có các tín hiệu đầu vào cơ bản sau:
+ Tín hiệu X home->port 1/pin 11
+ Tín hiệu Y home->port 1/pin 12
+ Tín hiệu Z home->port 1/pin 13
+ Tín hiệu Estop->port 1/pin 10
Hình 6.17: Thiết lập tín hiệu vào
Tab Output Signals: Để xác định các tín hiệu điều khiển đầu ra, bao gồm motor và trigger máy hàn
Ta sử dụng những tín hiệu ra sau:
+ Tín hiệu enable1, enable2, enable3, enable4: cho phép/không cho phép mạch động cơ hoạt động(tùy chọn)
+ Tín hiệu output#2: điều khiển relay spindle(ta thay spindle bằng tín hiệu mở trigger máy hàn, thay cho động tác bấm cò tay hàn)
Hình 6.18: Thiết lập tín hiệu ra Bấm Apply để lưu thiết lập.
6.4.3 Thiết lập đơn vị đo cho motor tuning
Tại tab Config, chọn select native unit->ok
Hình 6.19: Chọn đơn vị chuẩn Chọn mode mm’s->ok
Hình 6.20: Chọn đơn vị mm’s
Lựa chọn: Config->motor tuning->ok
Hình 6.21: Thiết lập từng trục
Thiết lập hàn MIG sử dụng hệ thống 4 trục X, Y, Z, A Màn hình hiển thị lựa chọn trục (Axis Selection) bên phải và biểu đồ thông số bên trái Hình ảnh minh họa thiết lập trục X, các trục còn lại được thiết lập tương tự.
Bảng 6.10: Tính toán thiết lập thông số ứng với bộ truyền vít me
Steps per (SPP) là thông số chỉ số xung cần thiết để điều khiển máy di chuyển một đơn vị (mm) Giá trị SPP được tính toán dựa trên thông số kỹ thuật của động cơ bước và bước tiến của vít me.
Động cơ bước 1.8°/ bước cần 200 xung để quay một vòng (360°/1.8° = 200 bước) Với vít me 5mm, mỗi vòng quay tương ứng với 5mm dịch chuyển.
200 xung điều khiển thì trục X tiến được3mm Từ đó suy ra số xung điều khiển để trục X, Y, Z tiến được 1mm là 200/5 = 40 xung
- Đối với trục A: Trục A chỉ quay 1 vòng do đó ta để thông số này là 1,8 0
Velocity - Thông số vận tốc các trục
- Ta chọn thông số này trong khoảng 500- 1000
Acceleration - Thông số gia tốc
- Ta chọn thông số này là 100
- Trước tiên ta cắm giắc USB to LPT vào cổng USB của máy tính và cổng LPT vào mạch giao tiếp Mach3 CNC.
Kiểm tra mạch động cơ: LED vàng sáng cho biết động cơ chưa hoạt động (enable chưa cấp), cho phép quay trục bằng tay Nếu LED vàng tắt (động cơ hoạt động), không thể quay trục, cần kiểm tra tín hiệu Tab Output hoặc đèn RESET (xanh nhấp nháy).
Phần mềm Mach3 tích hợp điều khiển bằng tay tiện lợi với các phím mũi tên: lên/xuống (trục X), trái/phải (trục Y), và Page Up/Page Down (trục Z).
Nhấn nút Reset cho đến khi biểu tượng trên chuyển xanh Giữ phím mũi tên lên trên bàn phím; giá trị trục X sẽ tăng và động cơ sẽ quay, xác nhận trục X đang hoạt động.
- Tiếp tục dùng phím mũi tên sang trái, phải và Page Up , Page Down để kiểm tra trục Y, Z
*Chú ý: mỗi lần test hay chạy chương trình ta phải click cho nút RESET trở về trạng thái nhấp nháy biểu tượng để cho động cơ được nghỉ.
- Bước 1: Ta thử đặt phôi cần hàn vào bàn làm việc của máy, cố định phôi cần hàn và máy hàn mig trong trạng thái tắt.
Sử dụng các phím mũi tên, Page Up và Page Down để định vị đầu mũi hàn về điểm zero của phôi hàn.
Bước 3: Đưa các tọa độ trục X, Y, Z về 0 trên vùng hiển thị và điều khiển tọa độ bằng cách nhấn các nút Zero X, Zero Y, và Zero Z để xác định vị trí gốc 0 của phôi hàn.
- Bước 4: Nhập file G-Code vào bằng cách Click vào nút Load G-Code trên vùng điều khiển sau đó chọn file G-Code->Open.
- Bước 5: Click vào nút RESET để biểu tượng màu phía trên chuyển sang màu xanh Đồng thời trên mạch điều khiển ta thấy LED màu vàng tắt.
- Bước 6: Tiếp theo Click vào nút CYCLE START để bắt đầu chạy chương trình và kiểm tra thử đường đi của tay hàn có chính xác không
Sau khi kiểm tra bước 6, cấp nguồn máy hàn, đảm bảo kẹp mass nối với bàn làm việc Đưa tay hàn về gốc tọa độ phôi và lặp lại các bước trước.
- Bước 8: Kiểm tra đường hàn
DỰ TÍNH CHI PHÍ, VẤN ĐỀ GẶP PHẢI VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
DỰ TÍNH CHI PHÍ
Bài viết này liệt kê một số linh kiện tiêu chuẩn, có sẵn trên thị trường, dùng làm tài liệu tham khảo (không bao gồm linh kiện đế và các linh kiện hiếm).
Bảng 7.1: Chi phí sơ bộ
Linh kiện cơ khí Linh kiện điện
Tên linh kiện Chi phí Tên linh kiện Chi phí
Bo điều khiển Mach3CNC
Driver động cơ step TB6600
134,000/cái Thanh trượt vuông - Số lượng: 4 cái
550,000/m Động cơ step 57 mới - Số lượng: 4
- Đơn giá: 175,000 Động cơ step 42 mới - Số lượng: 1 cái
Vít me bi(giá tham khảo trục vít me
Khớp nối mềm các loại
18,000/cái Gối đỡ trục vòng bi - Số lượng: 1 cái
Ke góc nhôm - Số lượng: 8 cái
Con chạy rãnh nhôm định hình
- Đơn giá: 2,800 Xích nhựa - Số lượng: 2 cuộn
VẤN ĐỀ GẶP PHẢI VÀ HƯỚNG KHẮC PHỤC TRONG QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ 97 7.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Bảng 7.2: Vấn đề và hướng khắc phục
Vấn đề gặp phải Nội dung Hướng khắc phục
- Khó tìm kiếm được nơi cung cấp linh kiện đúng như bản thiết kế
- Các linh kiện không có sẵn
- Tìm và thay thế các linh kiện tương đương Điều khiển
- Chưa nắm được hoạt động thực tế của thiết bị cũng như các vấn đề gặp phải khi setup thiết bị thực tế
Gá đặt vật cần hàn - Chưa tìm được giải pháp tối ưu cho phần gá đặt, cố định vật liệu cần hàn
- Bổ sung thêm hệ thống cố định vật liệu cần hàn
Lập trình hàn thực tế - Chưa hình dung được các vấn đề gặp phải khi hàn thực tế, đặc biệt khi mỏ hàn dao động
7.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Thiết bị hỗ trợ hàn MIG là thiết bị đa năng, có thể tùy chỉnh và tích hợp thêm các nhiệm vụ khác, đó là:
+ Thêm 1 spindle và 1 mâm cặp tự định tâm để hàn các chi tiết dạng ống tròn
+ Gia cố, thay đổi phần đế, tích hợp thêm chức năng cắt plasma khi kết hợp với máy cắt plasma
+ Bổ sung thêm cơ cấu cố định vật liệu hàn, cắt
Thiết kế và chế tạo thiết bị cơ khí điện tử phức tạp đòi hỏi thời gian nghiên cứu, thử nghiệm và khắc phục nhiều sai sót Là sinh viên thiếu kinh nghiệm thực tế, nhóm chúng em mong nhận được sự đóng góp từ các thầy cô và bạn bè để hoàn thiện sản phẩm.
Lời cảm ơn chân thành được gửi đến các bạn, thầy cô, đặc biệt là thầy Bùi Duy Khanh, vì sự hướng dẫn tận tình trong quá trình thực hiện đề tài.
[1] Trịnh Chất-Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, NXB GDVN, 2010
[2] Nguyễn Phương, Nguyễn Thị Phương Giang, Cơ sở tự động hoá trong ngành cơ khí, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật, 2005.
[3] Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở Thiết kế máy, NXB ĐHQG, Tp HCM, 2003
[4] Bài giảng truyền động và điều khiển máy CNC, Đường Công Truyền
[5] Nguyễn Ngọc Cẩn, Kỹ Thuật Điều Khiển Tự động 1&2, NXB ĐHQG Tp HCM, 2002.
1 Patrick Hood_Daniel-James.F.Kelly, Build your own CNC machine
2 Ivan Irons, Quickly learn the basic concepts of CNC
1 http://us.misumi-ec.com