Báo cáo về máy CNC mini thường bao gồm các phần chính sau: 1. **Thông tin chung về máy CNC mini:** - Mô tả tổng quan về máy CNC mini, bao gồm kích thước, trọng lượng, công suất và các tính năng chính của máy. 2. **Các thành phần chính của máy CNC mini:** - Đề cập đến các thành phần như máy cắt, bàn làm việc, hệ thống điều khiển, động cơ, trục chính và các bộ phận cơ khí quan trọng khác. 3. **Công dụng và ứng dụng của máy CNC mini:** - Trình bày các ứng dụng chủ yếu của máy CNC mini trong công nghiệp nhỏ và DIY (tự làm) như gia công gỗ, nhôm, nhựa, PCB, vv. 4. **Ưu điểm và hạn chế của máy CNC mini:** - Liệt kê các lợi ích của việc sử dụng máy CNC mini như tiết kiệm không gian, dễ di chuyển, chi phí thấp hơn so với máy CNC lớn. Ngoài ra, cũng cần đề cập đến các hạn chế như khả năng gia công giới hạn, tốc độ làm việc chậm hơn so với các máy CNC lớn. 5. **Các tính năng và phần mềm điều khiển:** - Giới thiệu các tính năng điều khiển của máy, ví dụ như hỗ trợ G-code, khả năng chuyển đổi định dạng file, và các phần mềm điều khiển phổ biến được sử dụng. 6. **Kết luận và đánh giá:** - Tóm tắt lại các điểm nổi bật về máy CNC mini và đưa ra đánh giá tổng thể về hiệu suất và tính khả thi của máy trong các ứng dụng cụ thể. Báo cáo này nên được viết một cách rõ ràng, tránh sử dụng các thuật ngữ kỹ thuật quá phức tạp để người đọc có thể hiểu và áp dụng thông tin dễ dàng.
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG VẬT LIỆU PHI KIM
Lịch sử nghiên cứu
- Máy CNC (computer Numerical Controlled) là máy công cụ, điều khiển theo một chương trình định sẵn Các dữ liệu được cung cấp dưới dạng tập lệnh.
- Lịch sử phát triển của hệ thống máy CNC:
Năm 1949: Mẫu đầu tiên của máy NC (Numerical Controlled) do MIT (Viện công nghệ Massachusetts) thiết kế và chế tạo theo đặt hàng của không lực Hoa kỳ, để sản xuất các chi tiết phức tạp và chính xác của máy bay.
Năm 1952: Chiếc máy phay đứng 3 trục điều khiển số của hãng Cincinnati Hydrotel được trưng bày tại MIT.
+ Máy NC được sản xuất và sử dụng trong công nghiệp.
+ Các bộ điều khiển số đầu tiên dùng đèn điện tử nên tốc độ xử lý chậm, cồng kềnh và tiêu tốn nhiều năng lượng.
+ Chương trình được chứa trong các băng đục lỗ, khó hiểu và không sửa chữa được.
+ Giao tiếp người – máy rất khó khăn vì không có màn hình, bàn phím.
Hình 1.1 Máy NC nhưng năm 1960
+ Các linh kiện bán dẫn được sử dụng phổ biến trong công nghiệp
+ Máy NC gọn hơn, tốc độ xử lúy cao hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn,…
+ Tính năng sử dụng của các máy NC vẫn chưa được cải thiện đáng kể, cho đến khi máy tính được ứng dụng.
Đầu những năm 1970, đánh dấu sự ra đời của máy CNC (Computer Numerical Control) - thời điểm xuất hiện các bộ điều khiển số trên máy công cụ được tích hợp máy tính Thuật ngữ CNC bắt nguồn từ đây, đánh dấu một bước tiến đột phá trong công nghệ gia công cơ khí.
Máy CNC ưu việt hơn máy NC thông thường về nhiều mặt :
+ Tốc độ xử lý cao, kết cấu gọn, …
+ Ưu điểm quan trọng nhất của chúng là ở tính năng sử dụng, giao diện với người dùng và các thiết bị ngoại vi khác.
Ưu điểm của các máy CNC ngày nay:
+ Có màn hình, bàn phím và nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin với người dùng,
Màn hình cung cấp thông tin liên tục về tình trạng máy, cảnh báo lỗi và nguy cơ tiềm ẩn, cho phép người dùng mô phỏng quá trình gia công trước khi thực hiện.
Hiện nay máy công cụ CNC đang được phát triển và ứng dụng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực cuộc sống nhiều nước trên thế giới Cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ vi xử lý, trung tâm điều khiển của máy CNC hiện đại được điều khiển bởi bộ vi xử lý Có thể coi sự ra đời của máy CNC là một cuộc cách mạng lớn trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy Nó góp phần thúc đẩy quá trình tự động hóa nhằm dần dần thay thế vai trò của con người trong quá trình sản xuất.
Công nghệ gia công vật liệu phi kim
- Công nghệ gia công vật liệu phi kim là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại, đặc biệt là trong việc sản xuất các sản phẩm từ các vật liệu không phải kim loại như nhựa, gỗ, composite, và các loại vật liệu kỹ thuật khác Dưới đây là một số công nghệ phổ biến được sử dụng trong gia công vật liệu phi kim:
Cắt laser là phương pháp sử dụng tia laser để cắt và tạo hình vật liệu, bao gồm nhựa, gỗ, vải, cao su và composite Ưu điểm vượt trội của công nghệ này là độ chính xác cao và tốc độ nhanh, cho phép chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp mà không cần đến dụng cụ cắt truyền thống.
CNC (Computer Numerical Control) Router: Máy CNC Router được sử dụng để gia công các vật liệu như gỗ, nhựa, foam, và composite bằng cách cắt, khoan, và tạo hình theo các mô hình được lập trình trước Máy CNC Router cung cấp độ chính xác cao và khả năng sản xuất hàng loạt.
Thủy tinh (Waterjet) Cutting là công nghệ cắt vật liệu ứng dụng một dòng nước áp lực cao hoặc hỗn hợp nước và hạt cát Phương pháp này cho phép cắt chính xác các vật liệu cứng và dày, chẳng hạn như gốm, gạch, kính, chất composite Ưu điểm vượt trội là quá trình cắt không sinh nhiệt hay biến dạng vật liệu.
Gia công 3D Printing: Sử dụng công nghệ in 3D để tạo ra các sản phẩm từ các vật liệu như nhựa, cao su, và composite Quá trình in 3D cho phép sản xuất các sản phẩm có hình dạng phức tạp và tỷ lệ tùy chỉnh cao.
Thiết kế và Mô phỏng (CAD/CAM): Sử dụng phần mềm thiết kế và mô phỏng CAD/CAM để thiết kế và lập trình quy trình gia công Điều này cho phép mô phỏng trước quy trình sản xuất và tối ưu hóa hiệu suất sản xuất.
Công nghệ gia công vật liệu phi kim đang không ngừng tiến triển với sự đa dạng ngày càng tăng Điều này nhằm mục đích đáp ứng nhu cầu sản xuất của nhiều ngành công nghiệp, bao gồm điện tử, ô tô, y tế và nội thất.
- Các phương pháp gia công chính:
+ Cắt: sử dụng lưỡi cắt để tạo hình chi tiết
+ Tiện: Dùng để tạo ra các chi tiết hình trụ hoặc hình nón.
+ Phay: Gia công các bề mặt phẳng hoặc định hình phức tạp.
+ Khoan: tạo lỗ trên vật liệu.
+ Mài: Làm mịn bề mặt.
+ Hàn nhiệt: Kết nối các chi tiết bằng nhiệt.
+ Ép nhiệt: Dùng nhiệt và áp lực để định hình vật liệu.
Gia công bằng công nghệ cao:
+ In 3D: Tạo chi tiết từ lớp vật liệu phi kim chồng lên nhau.
+ Cắt bằng tia laser: Sử dụng tia laser để cắt chính xác vật liệu
Ứng dụng của máy phay CNC trong gia công vật liệu phi kim:
+ Ngành điện tử: Gia công bảng mạch in (PCB), vỏ bọc linh kiện điện tử + Ngành y tế: Sản xuất thiết bị y tế như chân tay giả, dụng cụ phẫu thuật. + Ngành ô tô: Chế tạo các bộ phận phi kim như bảng điều khiển, chi tiết
Hình 1.2 Công nghệ gia công
Kết luận : Máy CNC là một công nghệ tiên tiến trong gia công vật liệu phi kim, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất Việc ứng dụng máy phay CNC đã và đang đem lại những thay đổi tích cực cho nhiều ngành công nghiệp.
Lựa chọn cấu trúc máy
Ba loại cấu trúc máy phổ biến:
- Đặc điểm: Spindle di chuyển trên trục Z cố định, bàn gia công gá trên cả trục
- Máy có kết cấu giống hình dạng chữ C nên còn được gọi là C-frame Do kiểu kế đặc biệt nên yêu cầu phần gia công cơ khí cấu tạo nên thân máy phải khỏe, chắc chắn, yêu cầu độ chính xác rất cao Vì trục Y phải chịu tải trọng của trục X, bàn gia công, phôi.
Vì cấu trúc của loại máy này đòi hỏi độ chính xác cao, nên không thể sử dụng nhôm định hình để chế tạo mô hình Thay vào đó, khung máy phải được gia công chính xác từ phôi nhôm dạng tấm.
- Các điểm phân bố lực chính ở dạng cấu trúc C-frame:
+ Trục chính và bàn làm việc
+ Kết nối giữa trục chính và thân máy
+ Phần đầu của khung máy
+ Phần đáy của khung máy Ưu điểm :
- Máy có thể gia công được các vật liệu có độ cứng cao như sắt, thép,
- Khả năng chịu được lực cắt lớn nên độ cắt sâu hơn so với H-frame và Router do đó giảm thời gian gia công và tăng hiệu suất làm việc.
Sử dụng máy C-frame trong gia công sẽ giúp giảm độ sai số cộng dồn nhờ cấu trúc khung ít bị biến dạng Đặc điểm này làm cho máy C-frame trở thành lựa chọn tối ưu khi gia công các chi tiết phức tạp và có yêu cầu độ chính xác cao.
- Máy chỉ gia công được những vật liệu có kích thước nhỏ, vật liệu có trọng lượng không quá lớn vì trục Y phải chịu tải trọng cực lớn Đồng thời khi phôi chạy càng ra xa trọng tâm của máy, phôi sẽ bị nghiêng về một phía, ảnh hưởng trực tiếp lên cấu trúc máy gây hiện tượng nghiêng trục từ đó có sự sai số khi gia công.
- Trục Z cố định, thiết kế cánh tay nâng spindle có giới hạn do cánh tay càng dài thì kết cấu máy càng yếu nên hành trình gia công bị giới hạn.
- Đặc điểm: Bàn gia công gá trên trục Y, spindle di chuyển trên trục Z và trục X
- Máy có kết cấu giống dạng chữ H nên còn được gọi là H-frame Vì trục Y phải chịu tải trọng của bàn gá phôi và phôi nên đòi hỏi thân máy có kết cấu chắc chắn, khỏe Đặc biệt là 2 trục của 2 vai máy phải chịu tải trọng tốt.
Máy CNC có khả năng gia công các vật liệu cứng và đòi hỏi độ chính xác cao Tuy nhiên, khi chế tạo làm mô hình máy CNC với cấu trúc máy như thế này, bạn có thể cân nhắc sử dụng nhôm định hình như một vật liệu gia công mềm hơn.
- Các điểm phân bố lực chính ở dạng cấu trúc H-frame:
+ Điểm kết nối giữa thanh ngang và cột
+ Phần đáy của khung máy Ưu điểm:
- Thiết kế khung máy kiểu chữ H Do đó máy sẽ được phân bố đều lực và khả năng chịu tải cao.
- Độ ổn định cao trong quá trình gia công.
- Tuy kết cấu khung máy có độ ổn định cao trong quá trình gia công nhưng do có sự sai số cộng dồn khi gia công vì trục Z chuyển động trên trục X.
- Tốc độ động cơ bị giới hạn vì khi khi động cơ quay càng nhanh thì độ rung lắc càng lớn, ảnh hưởng trực tiếp lên trục Z và trục X gây sai số cộng dồn.
- Hành trình gia công bị giới hạn do thiết kế của trục chính và bàn gia công.
- Đặc điểm: Bàn gia công tĩnh, Spindle di chuyển linh hoạt trên bàn gia công nhờ chuyển động của trục X, Y, Z.
- Kiểu cấu trúc Router phần đa được sử dụng để gia công các vật liệu mềm như: gỗ, nhựa mica, nhôm… Vì đặc tính kết cấu máy yếu hơn so với hai cấu trúc C- frame và H-frame
- Các điểm phân bố lực chính ở dạng cấu trúc Router:
- Khả năng gia công vật liệu mềm nhanh chóng.
- Độ chính xác cao khi gia công vật liệu phẳng khi khung có thiết kế vững chắc và độ sai số của máy là ít nhất.
Dao cắt chỉ thực sự hiệu quả nếu dùng để gia công vật liệu mềm Dù đôi khi có thể gia công cả vật liệu cứng nhưng sẽ rất tốn thời gian và làm hư hại máy móc vì dao cắt sẽ không ăn sâu vào vật liệu.
- Khả năng sai số cộng dồn lớn do cộng dồn trên cả ba trục.
Kết luận: Với mục đích sử dụng mô hình thí ngiệm, và thử nghiệm phay board mạch điện tử và vật liệu mềm nên nhóm tác giả chọn cấu trúc máy Router vì kiểu máy có hành trình chạy đáp ứng với các vật liệu có biên dạng lớn và không yêu cầu độ chính xác khi gia công quá cao.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là máy công cụ điều khiển bằng chương trình số.
- Chế tạo mô hình máy CNC 3 trục gia công vật liệu mềm (nhôm, gỗ), mạch điện tử, mica hoạt động ổn định.
- Hành trình của máy 160x270x60 mm, kết cấu ổn định chắc chắn khi làm việc
- Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy CNC mini
- Nghiên cứu tính toán phần điện, điều khiển, ứng dụng bộ điều khiển hiện đại.
- Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu truyền động của máy
- Nghiên cứu phần mềm giao tiếp, hỗ trợ gia công CNC
Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu các tài liệu liên quan đến động cơ DC, động cơ bước, động cơ servo
- Tham khảo từ nhiều nguồn khác nhau: đồ án khóa trước, tài liệu trong sách, trên mạng internet,
- Tổng hợp tài liệu tính toán, thiết kế cơ cấu truyền động đảm bảo độ chính xác, tối ưu hóa chuyển động.
- Tìm hiểu về thuật toán điều khiển giảm sai số khi in.
- Phân tích và so sánh sản phẩm: Phân tích và so sánh máy CNC mini với các sản phẩm tương tự trên thị trường để đánh giá sự khác biệt về tính năng, hiệu suất và giá cả.
- Thử nghiệm dựa trên việc quan sát, đo lường và đánh giá hoạt động thực tế của mô hình hệ thống để kịp thời đưa ra biện pháp giải quyết phù hợp:
- Chế tạo mô hình máy CNC mini 3 trục từ đó áp dụng, kiểm tra lại các lý thuyết trước đó đã nghiên cứu.
- Kết hợp, vận dụng lý thuyết vào thực nghiệm: từ những chọn lựa tính toán lí thuyết, kết quả của quá trình thực nghiệm sẽ được xem xét, đánh giá từ đó có những đề xuất thay đổi phù hợp với thực tiễn.
- Thực nghiệm thực địa: Thực hiện các thử nghiệm và thử nghiệm trên máyCNC mini để đánh giá hiệu suất, độ chính xác, độ tin cậy và tính năng của máy.Điều này có thể bao gồm việc thực hiện các quy trình gia công cụ thể và đánh giá kết quả.
CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY GIA CÔNG CNC MINI 3 TRỤC
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy CNC mini 3 trục
2.1.1 Cấu tạo của máy CNC mini 3 trục
Hình 2.6 Cấu trúc chung của máy CNC
Hình 2.7 Minh họa khung máy
Khung máy đóng vai trò quan trọng trong hệ thống gia công Được gia công từ các vật liệu bền chắc như thép hợp kim hoặc nhôm, với cấu trúc được thiết kế đặc biệt để đảm bảo sự ổn định và chính xác trong quá trình làm việc Khung máy CNC có thể được xây dựng theo các kiểu dáng khác nhau tùy theo mục đích của người sử dụng, mỗi loại mang lại những ưu điểm riêng Khung giúp bảo vệ và giữ chặt vật liệu và công cụ gia công, giúp máy hoạt động mạnh mẽ và an toàn.
Hình 2.8 Minh họa bàn máy
Bàn máy là nơi đặt các chi tiết cần gia công, hay còn gọi là đồ gá Bàn máy có thể di chuyển theo hướng ngang sang trái, phải theo trục x và di chuyển theo hướng dọc theo trục y Tùy thuộc vào từng loại máy, bàn máy có thể di chuyển hoặc đứng yên, còn trục chính sẽ di chuyển ngược lại.
- Các doanh nghiệp khi mua máy nên quan tâm kích thước của bàn máy cũng như trọng tải tối đa của nó để chọn loại phù hợp với phôi cần gia công.
Hình 2.9 Minh họa trục chính
Trục chính hay còn gọi là trục Spindle là thành phần có tính quyết định nhất trục chính sẽ mang các dụng cụ cắt khác nhau Có tốc độ phay, cắt khác nhau, vì vậy mà trục chính sẽ quyết định sản phẩm mà máy CNC có thể thực hiện được, chất lượng sản phẩm và vật liệu sản phẩm máy có thể phay, cắt.
Hình 2.10 Minh họa đế máy
Trong cấu tạo của máy CNC thì đế máy rất quan trọng Đế máy là nền tảng trung tâm của máy vì vậy cần có độ nặng, kết cấu tốt và cực kì chắc chắn Đế máy chịu toàn bộ khối lượng của máy, đồng thời là mặt phẳng ngang giúp các trục máy hoạt động thẳng Khi hoạt động, tùy theo công suất của máy CNC mà chuyển động của các trục sẽ làm rung lắc thân máy, vì vậy, một đế máy có kết cấu chắc chắn sẽ giúp giảm đi độ rung của máy CNC khi hoạt động Thông thường, các máy CNC sẽ có đế máy là khối kim loại chắc chắn.
2.1.5 Vít me bi và đai ốc
- Máy CNC mini thường được sử dụng trong các ứng dụng gia công nhỏ và phổ thông, vì vậy việc chọn loại vít me đai ốc phù hợp có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ chính xác của máy
- Độ chính xác cao: Vít me đai ốc bi thường có độ chính xác cao hơn so với vít me đai ốc thường Điều này là do hệ thống bi giúp giảm ma sát và giữ cho chuyển động của trục diễn ra mượt mà hơn, đồng thời giảm được sự lệch lạc trong quá trình di chuyển.
Độ chính xác duy trì lâu dài là một lợi thế của vít me đai ốc bi so với các loại vít me khác Không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa vít và bạc đạn, giảm đáng kể tình trạng mài mòn và cho phép vít me duy trì độ chính xác cao trong thời gian sử dụng kéo dài.
- Độ ổn định và hiệu xuất: Hệ thống bi giúp phân bố tải trọng đồng đều hơn trên toàn bộ vít, giúp tăng cường độ ổn định và độ bền của máy CNC
Kết luận : Do đó nhóm tác giả chọn vít me ốc bi
- Vít me bi (ballscrews) là một bộ truyền động tuyến tính cơ học, biến đổi chuyển quay sang chuyển động tịnh tiến với ma sát nhỏ Một trục vít me cấu tạo gồm rãnh xoắn ốc cho các viên bi trong ổ bi, vòng bi chạy bên trong Ổ bi hoạt động bằng cách chuyển động tịnh tiến quá lại một cách chính xác Hình … cho thấy cấu tạo bên trong của một vít me bi.
Hình 2.11 Vít me bi và đai ốc
Hình 2.12 Trục vít me và đai ốc
- Vít me bi và đai ốc có một đường lấp đầy bởi những viên bi thép Khi trục vít me xoay, những viên bi được cuộn tròn trong mối ren của trục vít và đai ốc, làm đai ốc di chuyển.
- Vít me bi và đai ốc là bộ phận truyền động trong máy CNC, có tác dụng kéo trục chính di chuyển theo hướng máy hoạt động.
- Nguyên lý hoạt động của vít me, đai ốc: Trục vít me đai ốc được hoạt động dựa trên sự biến đổi chuyển động từ chuyển động quay sang chuyển động tuyến tính Cụ thể, khi trục vít me đai ốc quay, các viên bi có sự đổi hướng rồi đi vào ống hồi bi Ở vị trí đó, các viên bi có thể di chuyển liên tục đến phía cuối của đai ốc và ra khỏi ống hồi bi rồi đi vào rãnh đai ốc và vít me, đem lại những chuyển động trơn tru, liên tục, chính xác.
- Dao là dụng cụ cắt được dùng để gia công Khi sử dụng dao cho máy CNC,cần sử dụng các loại dao chất lượng cao nhằm giảm rung động và đảm bảo độ chính xác cho chi tiết gia công Tùy theo từng loại vật liệu sẽ có các loại dao cắt khác nhau phù hợp Lựa chọn sai dao sẽ làm hư hỏng sản phẩm và máy CNC.
2.1.7 Nguyên lí hoạt động máy CNC
- Chuyển Đổi Thiết Kế Sang Mã G-code: Quá trình bắt đầu với việc sử dụng phần mềm CAD/CAM để tạo ra một mô hình hoặc bản vẽ kỹ thuật của sản phẩm cần gia công Mô hình này sau đó được chuyển đổi sang các lệnh G-code, ngôn ngữ lập trình mà máy CNC hiểu được, thông qua phần mềm CAM.
- Điều Khiển Động Cơ và Trục: Mã G-code được truyền đến bộ điều khiển của máy CNC, nơi nó được giải mã và thực hiện Bộ điều khiển sẽ điều chỉnh động cơ và di chuyển các trục (X, Y, Z) theo các lệnh cụ thể trong mã G-code, đảm bảo vị trí và đường đi chính xác của công cụ cắt hoặc khoan.
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY
Tính toán hệ thống cơ khí
Hình 3.33 Tổng quan hệ thống cơ khí
3.1.1 Tính toán động cơ trục chính
- Mô hình máy phay CNC 3 trục phải được đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật và làm được ở nhiều chế độ tải khác nhau, dễ dàng điều khiển, làm việc ổn định, trong thực tế máy phay CNC thường được sử dụng động cơ trục chính để lắp đặt dao cắt thông qua chấu kẹp trục chính thực hiện trong quá trình gia công
Để lựa chọn thông số đầu vào phù hợp khi gia công các vật liệu như mạch điện tử, mica, gỗ, nhôm bằng máy phay CNC 3 trục, chúng ta cần căn cứ vào mục đích sử dụng của mô hình máy phay CNC 3 trục.
+ Vật liệu gia công: nhôm
+ Chọn lượng chạy dao răng S z =¿ 0,18 – 0,15 (mm/ răng)
+ Đường kính giao phay: D= 2 (mm) = B (bề rộng cắt)
Xác định tốc độ cắt:
(Trang 27 trong Sổ tay chi tiết máy của GS.TS Nguyễn Đắc Lộc)
+ Hệ số và các số mũ trong công thức tính tốc độ cắt khi phay trong bảng 5-
39 (dao phay ngón và phay mặt phẳng)
Chu kì bền của dao phay ngón là T = 80 phút Hệ số điều chỉnh chung cho tốc độ cắt k v được tính dựa trên hệ số điều chỉnh tốc độ cắt k MV, hệ số điều chỉnh vật liệu k nv và hệ số điều chỉnh chiều sâu cắt k uv.
(3.2) + k MV – hệ số phụ thuộc vào chất lượng của vật liệu gia công đối với nhôm bằng 1
+ k nv – hệ số điều chỉnh k nv phụ thuộc vào tình trạng bề mặt phôi, đối với nhôm bằng 0,9
+ k uv – hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào vật liệu và dao phay Đối với nhôm và dao phay ngón bằng 1
+ D là đường kính dao phay
Từ công thức 3.2 ta có: k v =1.0,9 1=0,9 (3.3)
(3.4) Các giá trị trên được tính cho gia công phôi là thép carbon Với yêu cầu của đồ án ta có thể áp dụng các giá trị tính toán trên cho kết quả gia công với vật liệu là nhôm.
Hình 3.34 Sơ đồ lực cắt
(Công thức tính lực cắt trong sổ tay chi tiết máy của
GS.TS Nguyễn Đắc Lộc trang 28)
- B là bề rộng tiếp xúc
- Z là số răng dao phay;
- n là số vòng quay của dao (vòng/ phút)
- S z là lượng chạy dao răng
Ta chọn trong bảng 5-41 (sổ tay chi tiết máy của GS.TS Nguyễn Đắc Lộc trang 34)
Loại dao phay ngón với các thông số:
+ k MP là hệ số điều chỉnh cho chất lượng của vật liệu gia công.
=1 (Bảng 5-9 trang 9 sổ tay chế tạo máy tập 2 của GS
Thay vào công thức, ta có:
(3.6) Trong đó với vật liệu nhôm: P zt =0,25 (3.7) P z
Công suất động cơ trục chính:
(3.10) Chọn động cơ trục chính có công xuất 400W > 312,5 W đáp ứng yêu cầu.
3.2.2 Tính toán truyền động trục Y
- Khung máy đủ rộng để đáp ứng hành trình di chuyển của máy trục x là 160mm, trục y là 270 mm;
- Được đỡ bằng nhôm gia công và 2 chi tiết nhôm nhằm cố định
- Thông số đầu vào cần đáp ứng:
+ M: khối lượng cộng việc cần di chuyển = 15kg
+ μ : hệ số ma sát trượt của vít me bi = 0,1
- Vật liệu làm vít me: thép không rỉ (mật độ ρ=7,9.10 3 [ kg m 3 ])
- Lực cắt chính của máy: P z ,6N
- Khối lượng bàn gá trục Y: m = 15kg
- Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công V1 5m/p
- Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công V2 4m/p
Hình 3.35 Thiết kế sơ bộ trục Y l ≥V max
Xác định đường kính tối thiểu của trục vít me: Điều kiện làm việc
- lực cắt chính của máy: P Zt = 84,6 N
- lực cắt theo phương z (phương thẳng đứng) F mz = 0
- Tính các lực dọc trục:
(3.16) Vậy lực dọc trục lớn nhất khi không gia công: F 1max t,4N
Vậy lực dọc trục lớn nhất khi gia công: F 2max 4
Lực dọc trục trung bình:
F m =√ 3 F 1 3 max N N 1max 1 max T T 1 1 + + F N 2 3 2 max max N T 2 2max T 2
- F 1max , F 2 max là lực dọc trục lớn nhất khi không gia công và gia công
- N 1 max , N 2max là tốc độ quay lớn nhất của trục khi không gia công và gia công
- T 1 , T 2 Thời gian hoạt động ở chế độ không tải và có tải
Bảng lực dọc phần trăm tương ứng:
Bảng 3.1 Lực dọc trục phần trăm trục Y
Lực dọc trục (N) Tốc độ vòng Thời gian (%)
(3.18) Tốc độ quay trung bình:
(3.19) Tính toán khả năng tải trọng ( C o ,C a ):
Các công thức tương ứng:
- f s : hệ số an toàn tĩnh, với máy công cụ f s =1,5−3(chọn f s =2 )
- F amax : lực dọc trục lớn nhất tác động lên vít me
- N m tốc độ vòng quay trung bình (Vòng/phút)
- F m lực dọc trục trung bình (N)
- f w hệ số tải trọng phụ thuộc vào độ rụng động và va chạm chạm
Mạnh V > 60 (m/min) 1.5 ~3.0 Ở đây độ rung động và va chạm ở mức nhẹ và vận tốc lớn nhất là 5m/phút
(3.23) Xác định đường kính tối thiểu của trục vít me Ở đây có hai loại vít me đai ốc trượt (lead screws) và vít me bi (ball screws), mình dựa vào điều khiện máy in CNC nên cần độ chính xác cao nên chọn vít me bi
Tính ường kính trục tối thiểu dựa vào công thức trong sách hướngđường kính trục tối thiểu dựa vào công thức trong sách hướng dẫn thiết kế dẫn ộng của thầy Trịnh Chất- Lê Văn Uyển trang 167đường kính trục tối thiểu dựa vào công thức trong sách hướng
Đường kính trong d của ren được xác định sơ bộ theo độ bền kéo (hoặc nén) và đường kính trục tối thiểu dựa vào công thức trong sách hướng dẫn.
Trong ó:đường kính trục tối thiểu dựa vào công thức trong sách hướng
- F a là lực dọc trục lớn nhất
Với σ ch là giới hạn chảy của vật liệu làm vít, ta sử dụng thép SUS304
Thay vào công thức ta ượcđường kính trục tối thiểu dựa vào công thức trong sách hướng
Trong ó đường kính trục tối thiểu dựa vào công thức trong sách hướng
- K là hệ số an toàn
- D B là ường kính sơ bộđường kính trục tối thiểu dựa vào công thức trong sách hướng
- D là ường kính trục vítđường kính trục tối thiểu dựa vào công thức trong sách hướng
Trục vít me phải có đường kính lớn hơn 5mm
Ta chọn đường kính trục vít me là 12mm
- L là chiều dài trục vít = khớp nối + hành trình máy + gối đỡ
Từ những dữ kiện trên ta chọn mã vít me SFU01204-4
- Đường kính trục vít: 12mm
Lực hướng tâm và lực hướng trục của ổ đỡ lần lượt là F Ax , F Ay , F Cx , F Cy
Lực P là lực uốn tác dụng từ trên xuống từ khối lượng di chuyển được đặt tại trung điểm của trục vít me
F A là lực dọc trục = 103,5N xét trục nằm ngang Ox: F Ax + F Cx 0 N
Hình 3.36 Sơ đồ lực cắt và momen uốn
Tốc độ quay cho phép: n=f dr
= 21846 vòng/ phút (thỏa mãn điều kiện) Độ dịch do nhiệt:
- ρ là hệ số giãn lở nhiệt: 12 μm/m o C
- θ là sự thay đổi nhiệt độ
- L là chiều dài vít me
- ∆ L θ là lượng chuyển vị do nhiệt
- L là chiều dài vít me
- d r là đường kính vít me
Momen quán tính của trục:
- p làmật độ vật liệu làm vít me
Moment quán tính của tải trên bàn làm việc:
Tổng moment quán tính khối là:
Thời gian dành cho quá trình gia tốc là tương đối ngắn so với thời gian chạy đều của chuyển động, vì vậy trong phép tính này chỉ xét đến giai đoạn chạy đều (chiếm phần lớn thời gian gia công).
- F là moment hoạt động chạy đồng tốc
- F 0 là lực trước tải được tạo ra do ma sát của bi và vít me bi ¿ 1 3 F a max
- n là hiệu suất của khớp nối = 0,9
K là hệ số moment xoắn trước tải: k=0,05.(tanβ) −0,5
- β là góc xoắn vít me = 15 o k=0,05.(tan15 o ) −0,5 =0,1
- Momen do lực ma sát:
Do đó, momen phát động cần thiết bằng tổng momen đặt trước và momen cần thiết khi gia công:
- S f là hệ số an toàn
Ta có thông số của động cơ bước 57HS5125A4EP có thể đáp ứng thông số cần thiết:
- Moment quán tính: 190 g.cm 2 = 19.10 −6 kg.m 2
- Tốc độ quay 2000 vòng/ phút
Tính toán ứng suất tác dụng lên trục vít σ=F
- r là bán kính vít me σ max =√ σ 2 + τ 2 =1,02 10 6 N / m 2
(3.45) Ứng suất bền của SS400: 400.10 6 N/m 2 Ứng suất chảy của SS400: 210 10 6 N/m 2
Vít me hoạt động an toàn
Hình 3.37 Động cơ bước 57HS5125A4EP
Trong hệ trục trên ta sử dụng khớp nối để liên kết và ruyền động giữa động cơ bước và trục vít me.
Công thức tính chọn khớp nối trong trang 58 sách thiết kế dẫn động cơ khí tập 2 trang 58:
- T t là moment cần tính toán
- T là momen xoắn động cơ = 1,1 N.m
- K là hệ số chế độ làm việc, phụ thuộc vào loại máy công tác, máy cắt kim loại có chuyển động liên tục k: 1,2 – 1,5
[T] momen xoắn cho phép của khớp nối mềm RS25X30
Ta chọn khớp nối mềm RS25X30
- Đường kính đẹp ở 2 đầu: 5,6,7,8,9,10,11,12,12.7 mm
- Đường kính lớn nhất 25mm
- Momen xoắn cho phép của khớp nối mềm RS25X30 = 2,5 Nm
Hình 3.38 Khớp nối mềm RS25X30
Hình 3.39 Gối đỡ KFL001-12mm
Do yêu cầu của cơ cấu cùng sự tham khảo các nguồn tài liệu về chọn gối đỡ em chọn gối đỡ đều là loại gối cố định nhằm hạn chế sự di chuyển dọc trục Với cơ sở để lựa chọn dựa trên đường kính trục vít me và các bộ phận của cơ cấu em chọn gối đỡ vít me mã KFL001-12mm ta sử dụng cho 3 trục.
3.1.1 Tính toán truyền động trục X
Hình 3.40 Thiết kế sơ bộ trục X
Khung máy đủ rộng để đáp ứng hành trình di chuyển của máy
Thông số đầu vào cần đáp ứng:
- M: khối lượng cộng việc cần di chuyển = 10kg
- μ : hệ số ma sát trượt của vít me bi = 0,1
- Vật liệu làm vít me: thép không rỉ (mật độ ρ=7,9.10 3 [ kg m 3 ])
- Lực cắt chính của máy: P z = 84,6 N
- Hệ số ma sát lăn: 0,01
- Khối lượng bàn gá trục X: m = 10kg
Xác định bước vít me: l ≥V max
Xác định đường kính tối thiểu của trục vít me Điều kiện làm việc
- lực cắt chính của máy: P Z = 84,6 N
- lực cắt theo phương z (phương thẳng đứng) F mz = 0
- Tính các lực dọc trục:
Vậy lực dọc trục lớn nhất khi không gia công : F 1max I,6N Vậy lực dọc trục lớn nhất khi gia công : F 2max 4,2N
Lực dọc trục trung bình:
F m =√ 3 F 1 3 max N N 1max 1 max T T 1 1 + + F N 2 3 2 max max N T 2 2max T 2
Bảng 3.3 Bảng lực dọc trục tương ứng trục X
Lực dọc trục (N) Tốc độ vòng
(3.54) Tốc độ quay trung bình:
Tính toán khả năng tải trọng ( C o ,C a ):
Các công thức tương ứng:
3.92,8 1.10 −2 u9,2N ¿¿ Xác định sơ bộ đường kính trong d của ren theo độ bền kéo (hoặc nén):
- F a là lực dọc trục lớn nhất
Với σ ch là giới hạn chảy của vật liệu làm vít, ta sử dụng thép SUS304 Thay vào công thức ta được
- K là hệ số an toàn
- D B là đường kính sơ bộ
- D là đường kính trục vít
Trục vít me phải có đường kính lớn hơn 4,8 mm
Ta chọn đường kính trục vít me là 12 mm
- L là chiều dài trục vít = khớp nối mềm + hành trình + gối đỡ
= 8mm + 160mm + 10mm = 178mm Chọn mã vít me SFU01204-4 đồng bộ với trục Y để dễ dàng chế tạo Kiểm tra sơ bộ:
- Tốc độ quay cho phép: n=f dr
400 2 10 7 ¿11325vòng/ phút (thỏa mãn điều kiện) Độ dịch do nhiệt:
Tính toán lựa chọn động cơ
Momen quán tính của trục:
Moment quán tính của tải trên bàn làm việc:
(3.66) ¿10.( 4 102.π −3 ) 2 ¿4.10 −6 [kg.m 2 ¿ Tổng moment quán tính khối là: ¿2,8 10 −6 +4 10 −6 ¿6,8.10 −6 [kg m 2 ] Thời gian dành cho quá trình có gia tốc là ngắn hạn, do đó ở đây ta chỉ tính toán cho giai đoạn chạy đều (chiếm phần lớn thời gian gia công)
K là hệ số moment xoắn trước tải: k=0,05.(tanβ) −0,5 (3.69) β là góc xoắn vít me = 15 o k=0,05.(tan15 o ) −0,5 =0,1
- Momen do lực ma sát:
Do đó, momen phát động cần thiết bằng tổng momen đặt trước và momen cần thiết khi gia công:
- S f là hệ số an toàn
Ta có thông số của động cơ bước 57HS5125A4EP có thể đáp ứng thông số cần thiết.
Tính toán ứng suất tác dụng lên trục vít σ=F
- r là bán kính vít me σ max =√ σ 2 + τ 2 =0,85 10 6 N m 2
(3.77) Ứng suất bền của SS400: 400.10 6 N/m 2 Ứng suất chảy của SS400: 210 10 6 N/m 2
Vít me hoạt động an toàn
Sử dụng phần mềm solidwork để kiểm tra khả năng chịu lực của 2 thanh vai để nâng và di chuyển trục X và trục Z:
P là lực tác dụng từ trục Z tác dụng lên giá đỡ
F m ' là phản lực tác dụng của lực cắt, có giá trị bằng lực cắt tác động lên khung máy
Hình 3.41 Sơ đồ lực tác dụng lên tấm vai Ứng xuất bền của vật liệu là: σ max =2,75 10 7 N/m 2 Ứng xuất tối đa của vật liệu là σ = 1,26 10 6 N/m 2 < σ max (thỏa mãnđiều kiện)
3.1.2 Tính toán truyền động trục Z
Hình 3.42 Mô phỏng ứng xuất trên phần mềm
Hình 3.43 Thiết kế sơ bộ trục Z
Thông số đầu vào cần đáp ứng:
- M: khối lượng cộng việc cần di chuyển = 5kg
- μ :hệ số ma sát trượt của vít me bi = 0,1
- Vật liệu làm vít me: thép không rỉ (mật độ ρ=7,9.10 3 [ kg m 3])
- Lực cắt chính của máy: P z ,6 N
- Hệ số ma sát lăn: 0,01
- Khối lượng bàn gá trục Z: m = 5kg
- Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công V1 2m/p
- Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công V2 1,5m/p
Xác định bước vít me:
Xác định đường kính tối thiểu của trục vít me: Điều kiện làm việc
- lực cắt chính của máy: P Z = 84,6 N
- lực cắt theo phương z (phương thẳng đứng) F x = 0,5 P Z = 42,3 N
- Tính các lực dọc trục:
Vậy lực dọc trục lớn nhất khi không gia công: F 1max X,9N
Vậy lực dọc trục lớn nhất khi gia công: F 2max 4,66N
Lực dọc trục trung bình:
F m =√ 3 F 1 3 max N N 1max 1 max T T 1 1 + + F N 2 3 2 max max N T 2 2 max T 2
Bảng 3.4 Bảng dọc trục tương ứng trục Z
Lực dọc trục Tốc độ vòng Thời gian (%)
(3.85) Tốc độ quay trung bình:
(3.86) Tính toán khả năng tải trọng ( C o ,C a ):
Các công thức tương ứng:
- f s : hệ số an toàn tĩnh, với máy công cụ f s =1,5−3(chọn f s =2 )
- F amax : lực dọc trục lớn nhất tác động lên vít me
- N m tốc độ vòng quay trung bình (Vòng/phút)
- F m lực dọc trục trung bình (N)
- f w hệ số tải trọng phụ thuộc vào độ rụng động và va chạm
(3.90) Xác định sơ bộ đường kính trong d của ren theo độ bền kéo (hoặc nén):
Trong ó:đường kính trục tối thiểu dựa vào công thức trong sách hướng
- F a là lực dọc trục lớn nhất
Với σ ch là giới hạn chảy của vật liệu làm vít, ta sử dụng thép SUS304
Thay vào công thức ta ượcđường kính trục tối thiểu dựa vào công thức trong sách hướng
Trong ó đường kính trục tối thiểu dựa vào công thức trong sách hướng
- K là hệ số an toàn
- D B là ường kính sơ bộđường kính trục tối thiểu dựa vào công thức trong sách hướng
- D là đường kính trục vít
Trục vít me phải có đường kính lớn hơn 4,8 mm
Ta chọn đường kính trục vít me là 12 mm
L là chiều dài trục vít = khớp nối mềm + hành trình + gối đỡ
= 8 mm + 60 mm + 10 mm = 78 mm Chọn mã vít me SFU01204-4 (Thỏa mãn điều kiện) tương tự với trục Y và X để dễ dàng trong việc chế tạo
- Tốc độ quay cho phép: n=f dr
Momen quán tính của trục:
Moment quán tính của tải trên bàn làm việc:
(3.96) ¿15.( 4 102.π −3 ) 2 ¿2.10 −6 [kg m 2 ] Tổng moment quán tính khối là:
(3.97) ¿1,25.10 −6 +2 10 −6 ¿4,4 10 −6 [kg.m 2 ¿Thời gian dành cho quá trình có gia tốc là ngắn hạn, do đó ở đây ta chỉ tính toán cho giai đoạn chạy đều (chiếm phần lớn thời gian gia công)
K là hệ số moment xoắn trước tải: k=0,05.(tanβ) −0,5
(3.99) β là góc xoắn vít me = 15 o k=0,05.(tan15 o ) −0,5 =0,1
Momen do lực ma sát:
Do đó, momen phát động cần thiết bằng tổng momen đặt trước và momen cần thiết khi gia công:
- S f là hệ số an toàn
Ta có thông số của động cơ bước 57HS5125A4EP có thể đáp ứng thông số cần thiết:
Tính toán ứng suất tác dụng lên trục vít σ=F
- r là bán kính vít me σ max =√ σ 2 + τ 2 =1 10 6 N m 2
(3.107) Ứng suất bền của SUS304: 400.10 6 N/m 2 Ứng suất chảy của SUS304: 205 10 6 N/m 2
Vít me hoạt động an toàn
Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển
3.2.1 Lựa chọn board mạch điều khiển
Mạch BOB MACH3 LPT là thiết bị giao tiếp giữa máy tính và các cơ cấu chấp hành trong hệ thống CNC Nó được sử dụng để nhận dữ liệu lệnh điều khiển thông qua cổng LPT song song của máy tính, xử lý và truyền tín hiệu đến các thành phần như cảm biến, động cơ và relay.
- Mạch CNC BOB MACH3 LPT được thiết kế có thể điều khiển được 5 trục X,
Y, Z, A, B và một ngõ ra kích relay, 5 ngõ đọc cảm biến đầu vào và cổng xuất xung điều khiển spindle (đầu gia công) Mạch dùng cổng usb để cấp nguồn trực tiếp, Tất cả các cổng điều khiển đầu ra đều được cách ly opto và đều được qua mạch đệm cho tín hiệu được ổn định nhất.
- Hỗ trợ điều khiển: 5 trục X, Y, Z, A, B
- Hỗ trợ 1 cổng xuất xung PWM điều khiển Spindle.
- 1 ngõ ra Relay (loại 220V 10A): có jump để chọn ngõ ra thường đóng /thường mở.
- 5 Ngõ vào: có thể kết nối với công tắc hành trình hoặc các loại các biến
- Tất cả các ngõ ra đều được cách li bởi opto và IC đệm để đảm bảo sự ổn định của tín hiệu
Hình 3.44 Mạch CNC BOB MACH3 LPT
Mạch sử dụng cổng USB
- Mạch CNC BOB 4 trục MACH3 USB 100Khz sử dụng được với phần mềm Mach3 trên máy tính thông qua giao tiếp USB với chỉ một vài bước thiết lập đơn giản.
- Mạch CNC BOB 4 trục MACH3 USB 100Khz có khả năng điều khiển 4 động cơ bước cùng lúc qua các ngõ cấp xung-chiều X, Y, Z, A, mạch còn có khả năng nhận các ngõ vào tín hiệu IN1, IN2, IN3, IN4, và xuất tín hiệu qua các ngõ ra OUT1, OUT2, OUT3, OUT4, các ngõ tín hiệu vào ra này điều được cách ly qua Opto và IC đệm nên rất an toàn cho board mạch.
- Mạch CNC BOB 4 trục MACH3 USB 100Khz có giao tiếp USB rất dễ sử dụng với các máy tính hiện nay vì hầu hết không có cổng LPT, mạch kết nối với máy tính qua cổng USB, không cần cài Driver (Driver viết lớp HID), chỉ 1 vài bước thiết lập đơn giản là có thể sử dụng.
- Lưu ý để xuất xung từ Mạch CNC BOB 4 trục MACH3 USB 100Khz sangDriver động cơ bước, cần nối dương chung 5V của mạch BOB với chân dương
- Mạch CNC BOB 4 trục MACH3 USB 100Khz
- Giao tiếp với máy tính qua cổng USB.
- Nguồn sử dụng: 5VDC USB.
- Tần số xung tối đa: 100Khz.
- Điều khiển 4 động cơ bước qua các trục X, Y, Z, A.
- Số ngõ vào: 4 ngõ IN1, IN2 IN3, IN4 cách ly Opto.
- Số ngõ ra: 4 ngõ OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 cách ly IC đệm.
Mạch CNC BOB MACH3 USB V2
- Mạch CNC BOB MACH3 USB V2 có khả năng điều khiển 5 động cơ bước cùng lúc qua các ngõ cấp xung-chiều X, Y, Z, A, B, mạch còn có khả năng nhận các ngõ vào tín hiệu IN1, IN2, IN3, IN4, IN5 và xuất tín hiệu qua các ngõ ra OUT1, OUT2, OUT3, OUT4, các ngõ tín hiệu vào ra này điều được cách ly qua Opto và IC đệm nên rất an toàn cho board mạch, ngoài ra mạch còn có ngõ ra xuất xung PWM để điều khiển tốc độ Spindle.
- Mạch CNC BOB MACH3 USB V2 có giao tiếp USB rất dễ sử dụng với các máy tính hiện nay vì hầu hết không có cổng LPT, mạch kết nối với máy tính qua cổng USB, không cần cài Driver (Driver viết lớp HID), chỉ 1 vài bước thiết lập đơn giản là có thể sử dụng.
- Mạch CNC BOB MACH3 USB V2
- Giao tiếp với máy tính qua cổng USB.
- Nguồn sử dụng: 5VDC USB.
- Tần số xung tối đa: 100Khz.
- Điều khiển 5 động cơ bước qua các trục X, Y, Z, A, B.
- Số ngõ vào: 5 ngõ IN1, IN2 IN3, IN4, IN5 cách ly Opto.
- Số ngõ ra: 4 ngõ OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 cách ly IC đệm.
- Có ngõ ra xuất xung PWM điều khiển tốc độ Spindle.
Hình 3.46 Mạch CNC BOB MACH3 USB V2
Kết luận : Qua việc phân tích 3 loại board mạch trên nhóm tác giả chọn mạch mach3 USB V2 vì:
- Dễ Cài Đặt và Sử Dụng: Mạch Mach3 USB V2 thường dễ cài đặt và sử dụng, đặc biệt là so với các phiên bản trước đó yêu cầu cấu hình phức tạp.
- Tương Thích Với Nhiều Máy Tính: Với kết nối USB phổ biến, mạch Mach3 USB V2 tương thích với nhiều loại máy tính hiện đại mà không cần cổng LPT.
- Có tần số cao nên chạy nhanh và mượt hơn.
3.2.2 Lựa chọn thiết bị giới hạn hành trình
Công tắc hành trình (Limit Switch) còn được gọi là công tắc giới hạn, đây là một thiết bị quan trọng trong công nghiệp cơ điện Thiết bị này bao gồm một bộ truyền động cơ học và một bộ tiếp điểm Khi bộ truyền động được kích hoạt bởi một đối tượng nào đó, công tắc sẽ hoạt động để tạo hoặc ngắt kết nối điện.
Limit switch dạng bánh xe gạt được làm bằng thân nhựa, trang bị khả năng chống thấm nước IP 67 Nó có thể hoạt động với mức nhiệt 70 độ C Thiết kế nhỏ gọn, trọng lượng chỉ 75g nhưng lại có tích hợp cầu chì bảo vệ khi ngắn mạch nên là lựa chọn hợp lý của nhiều người.
Hình 3.47 Công tắc giới hạn kiểu bánh gạt
Limit switch kiểu nút nhấn có thân được làm bằng kim loại hoàn toàn nên dải nhiệt độ làm việc rộng từ -25 độ C – 70 độ C, chống nước IP66 Ngoài ra, thiết bị còn có thiết kế cần linh động, có thể tăng hoặc giảm chiều dài Kiểu tác động 2 chiều, loại tiếp điểm NO+NC.
Hình 3.48 Công tắc giới hạn kiểu thân kim loại
Công tắc thiết kế với hai phiên bản thân nhựa và thân kim loại, đối với thân nhựa thì đạt IP65, thân kim loại đạt IP66 Nhìn chung thì cả hai loại này đều có thể sử dụng ngoài trời rất tốt Thân có hai loại kích thước 22 x 53 x 30mm và 30 x 60 x 41mm Tiếp điểm 1NO + 1NC kiểu tác động nhanh, lỗ nối dây kiểu PG13.5 Điểm khác biệt giữa công tắc loại này với các loại khác là có một lò xo gắn trên đầu có nhiệm vụ nhận tác động từ bộ phận truyền động
Hình 3.49 Công tắc hành trình kiểu lò xo
Công tắc hành trình kiểu bánh xe
Công tắc hành trình kiểu bánh xe là một loại công tắc điện tử được sử dụng để giám sát và điều khiển các thiết bị trong các quá trình sản xuất Với thiết kế thân nhựa, công tắc này có khả năng làm việc với điện áp lên đến 500VAC và dòng định mức lên đến 10A Tiếp điểm của loại công tắc này bao gồm cả tiếp điểm NO và NC, thường được sử dụng với ốc siết cáp và có tiêu chuẩn chống sốc điện cấp 2
Hình 3.50 Công tắc hành trình kiểu bánh xe
Công tắc hành trình kiểu kéo
Công tắc hành trình kiểu kéo là loại công tắc được sử dụng phổ biến trong các loại cửa kéo Tính năng của loại công tắc này giống như loại bánh xe, vỏ làm bằng kim loại chống va đập tốt, giúp bảo vệ công tắc và tăng độ bền cho sản phẩm Công tắc hành trình kiểu kéo thường có khả năng chịu được điện áp và dòng điện cao, và được tích hợp bảo vệ ngắn mạch để đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Ưu điểm:
Công tắc hành trình Limit Switch có nhiều ưu điểm vượt trội có thể kể đến như là:
Dễ dàng sử dụng và điều khiển.
Không bị ảnh hưởng bởi môi trường hoạt động nên được ưu tiên lựa chọn sử dụng trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.
Có khả năng kết nối với nhiều loại thiết bị khác nhau, giúp tương thích với nhiều hệ thống điều khiển khác nhau.
Khi hoạt động tiêu thụ rất ít năng lượng.
Có thể kết nối với các bộ điều khiển để mở rộng ứng dụng và điều khiển được nhiều tải hơn.
Chi phí đầu tư tương đối thấp.
Dễ dàng lắp đặt và bảo trì, giảm thiểu thời gian và chi phí sửa chữa trong quá trình sử dụng.
Bên cạnh những ưu điểm thì công tắc hành trình Limit Switch cũng tồn tại một số nhược điểm không mong muốn, có thể kể đến như là:
Không sử dụng được trong các ngành cần đảm bảo vệ sinh an toàn như: thực phẩm, đồ uống, hóa mỹ phẩm,
Giới hạn trong các ngành mà không được chạm trực tiếp vào đối tượng cần phát hiện như ngành dược phẩm, dụng cụ y khoa, sản xuất thuỷ tinh, chi tiết cơ khí,
Công tắc hành trình sẽ bị ảnh hưởng khi hoạt động trong những môi trường có sự rung lắc nhiều
Cơ cấu cơ hoạt động lâu ngày cần được bảo dưỡng định kỳ.
Cơ cấu truyền động của công tắc hành trình dễ bị mài mòn khi hoạt động liên tục.
Dễ hư hỏng và có tuổi thọ không cao khi hoạt động liên tục.
Công tắc hành trình sẽ khó sử dụng cho các đối tượng có chuyển động chậm hoặc cực kỳ chậm.
Chế tạo thử nghiệm, đánh giá hệ thống
3.3.1 Chế tạo, lắp ráp máy
3.3.1.1 Chế tạo phần đế máy và trục Y
- Phần đế máy được cố định bằng 2 trục có đường kính 16mm được cố định vào 2 chi tiết nhôm bằng bulong M5
- Part nhôm được thiết kế hạ bậc 2 mm giúp cho 2 trục dẫn động thêm phần chắc chắn
- Giá ôm đai ốc được kết nối trực tiếp vào thanh đỡ nối hai vai bằng bulong
- Gá áo con trượt trục dẫn hướng được thuyết kế riêng để tăng khả năng chắc chắn chữa 2 trục Y và X
Để tạo phần đế máy CNC, đầu tiên, lắp bulong M5 vào mặt sau và trục chuyển động trục Y Tiếp theo, cho hai trục chuyển động trục Y vào lỗ đã hạ bậc và sử dụng lục giác 5mm để siết chặt.
Hình 3.66 Lắp đế máy và trục Y
+ Lắp con trượt trục Y và gối đỡ con trượt vào thanh trượt trục Y : Lắp gối đỡ vào con trượt sau đó ta đẩy vào thanh trượt trục Y
Hình 3.67 Lắp con trượt trục Y
+ Dùng bulong M4 gắn mảnh nhôm đáy vào gối đỡ con trượt
Hình 3.68 Lắp part nhôm đáy trục Y
+ Sau khi lắp xong con trượt ta tiến hành lắp mặt trước : Lắp tương tự mặt sau, đặt lên mặt sàn phẳng để 2 mặt trước và sau song song với nhau
Hình 3.69 Lắp mặt trước trục Y
+ Lắp gối đỡ trục vít me: Đặt gối đỡ vào vị trí đã được khoan lỗ ở mặt trước sau đó dùng bulong M5 siết chặt
Hình 3.70 Lắp gối đỡ trục vít me
+ Lắp con trượt vít me, gối đỡ con trượt và gối đỡ vít me trục Y : Lắp con trượt vào gối đỡ sau đó lắp vào thanh nhôm đáy đã khoan lỗ rồi siết chặt bằng ốc lục M5
Hình 3.71 Lắp con trượt vít me và gối đỡ trục Y
+ Kết quả lắp ráp thực tế
Hình 3.72 Phần đế máy và trục Y thực tế 3.3.1.2 Chế tạo lắp ráp trục Z
- Trục Z được cố định bằng nhiều bulong và 4 bộ phận nhôm được gia công được thiết kế nhỏ gọn để tăng phần chắc chắn
- Trục Z sử dụng trục dẫn hướng và con trượt có đường kính 12mm nhỏ hơn trục X và Y
- Thanh trượt được gắn với mảnh nhôm gia công qua lỗ đã hạ bậc giúp tăng phần chắc chắn
+ Lắp 2 mảnh nhôm đã gia công của trục Z: Dùng thước vuông đặt vào 2 mảnh nhôm sau đó siết ốc để 2 mảnh vuông góc với nhau
Hình 3.73 Lắp part nhôm trục Z
+ Lắp 2 thanh trượt trục Z vào thanh nhôm: Đặt thanh trượt vào lỗ đã hạ bậc rồi dùng bulong M5 siết chặt
Hình 3.74 Lắp thanh trượt trục Z
+ Lắp con trượt trục Z và gối đỡ con trượt vào thanh trượt
Hình 3.75 Lắp con trượt và đối đỡ trục Z
+ Sau khi gắn xong con trượt ta tiến hành lắp mảnh nhôm mặt dưới, dùng ốc lục M5 gắn chặt
+ Lắp gối đỡ trục vít me: Đặt gối đỡ trục vít me vào lỗ đã khoan sẵn ở mảnh nhôm rồi dùng ốc lục M5 siết chặt
Hình 3.77 Lắp gối đỡ trục vít me trục Z
+ Lắp vít me trục Z, gối đỡ con trượt vít me
Hình 3.78 Lắp gối đỡ con trượt trục Z
+ Lắp mảnh nhôm gắn motor trục chính : Đặt mảnh nhôm vào vị trí gối đỡ con trượt và gối đỡ con trượt trục vít me rồi dùng ốc lục M4 siết chặt
Hình 3.79 Lắp part nhôm gắn motor trục chính
+ Kết quả lắp ráp thực tế:
Hình 3.80 Phần trục Z lắp ráp thực tế
3.3.1.3 Lắp ráp cố định các trục XYZ
- Trục X được kết nối với giá đỡ vai của trục Y bằng bộ phận nhôm được gia công với độ dày 8mm, được hạ bậc 4mm để tăng sự chắc chắn cho hai trục.
+ Lắp tay trục X vào gối đỡ con trượt trục Y: Dùng thước vuông đặt vào 2 mảnh để tạo góc vuông sau đó dùng ốc lục M4 gắn chặt
+ Dùng blong M5 gắn trục chuyển động trục X
Hình 3.82 Lắp thanh trượt trục X
+ Lắp gối đỡ trục vít me, dùng ốc lục M5 gắn chặt
Hình 3.83 Lắp gối đỡ trục vít me trục X
+ Gắn con trượt trục X và chi tiết nhôm: Dùng mảnh nhôm gia công để kết nối 2 con trượt.
Hình 3.84 Lắp con trượt và part nhôm đỡ con trượt trục X
Hình 3.85 Lắp con trượt vít me trục X
+ Lắp bulong M4 gắn trục Z vào trục X, dùng lục gắn chặt
Hình 3.86 Lắp trục Z vào trục X
Hình 3.87 Lắp ráp 3 trục X Y Z thực tế
+ Kết quả lắp ráp thực tế :
Trục X được kết nối với giá đỡ vai của trục Y bằng bộ phận nhôm được gia công với độ dày 8mm, được hạ bậc 4mm để tăng sự chắc chắn cho hai trục.
+ Lắp ráp hoàn thiện khung máy
+ Lắp ráp động cơ hoàn thiện phần cơ khí của máy
Hình 3.88 Khung máy chế tạo
- - Cố định động cơ bước, gắn khớp nối của động cơ bước với trục vít me
- Bắn vít cố định bàn máy
3.3.2 Chế tạo hệ thống điện, điều khiển
Hình 3.89 Lắp ráp hoàn thiện máy
3.3.2.1 Lắp đặt đối nối nguồn điện
1: Đầu vào 220V-AC của nguồn.
2: Đầu ra 24V-DC (+) , (-) của nguồn.
3.3.2.2 Lắp đặt đấu nối board mạch đều khiển
Hình 3.91 Board mạch điều khiển
1: Chân cắm nguồn 24V-DC từ nguồn xung.
2: Các chân Input 1, 2, 3, 4 lấy tín hiệu vào từ các công tắc hành trình và nút nhấn dừng khẩn cấp.
3: Các chân xuất tín hiệu điều khiển được kết nối với Driver.
3.3.2.3 Kết nối Driver với board mạch điều khển
Hình 3.92 Kết nối driver và board mạch điều khiển
1: Động cơ Step trục X, Y, Z được kết nối với Driver.
2: Cấp nguồn 24V-DC cho Driver
3.3.2.4 Công tắc giới hạn hành trình trục X
Hình 3.93 Công tắc hành trình trục X
1 Công tắc hành trình trục X kết nối với cổng IN1.
3.3.2.5 Công tắc giới hạn hành trình trục Y
Hình 3.94 Công tắc hành trình trục Y
1 Công tắc hành trình trục Y kết nối với cổng IN2.
3.3.2.6 Công tắc giới hạn hành trình trục Z
Hình 3.95 Công tắc hành trình trục Z
1 Công tắc hành trình trục Z kết nối với cổng IN3.
3.3.2.7 Relay điều khiển động cơ trục chính
1 Relay đóng cắt cho động cơ trục chính
1: Công tắc nguồn cấp điện cho hệ thống.
2: Công tắc bật tắt điều khiển động cơ trục chính.
3: Triết áp điều khiển tốc độ động cơ trục chính.
4: Nút nhấn dừng khẩn cấp.
Thử nghiệm và đánh giá hệ thống
3.4.1 Thử nghiệm điều khiển mô hình thủ công
Sau khi hoàn thiện quá trình gia công cơ khí và lắp đặt hệ thống điện điều khiển, tiến hành vận hành thử nghiệm mô hình theo từng trục X, Y, Z Sử dụng hệ thống điều khiển thủ công của phần mềm Mach3 để thực hiện kiểm tra hoạt động của từng trục.
Trục X Dùng hai nút mũi tên phải trái trên bàn phím máy tính
Trục Y Dùng hai nút mũi tên lên xuống trên bàn phím máy tính
Trục Z Dùng hai nút PageUp và PageDown trên bàn phím máy tính
Sau khi chạy thử từng trục X Y Z, các trục hoạt động bình, di chuyển hết hành trình hoạt động mà không gặp sự cố nào Phần mềm điều khiển Mach3 có độ nhạy tốt, khi sử dụng phím nhấn để điều khiển thì các trục hoạt động ngay lập tức với độ trễ thấp (chưa đến 1 giây).
3.4.2 Thử nghiệm cài đặt điểm bắt đầu
Các bước thực hiện cài đặt điểm bắt đầu (zero point) cho việc thử nghiệm:
Bước 1: Tại trang Program Run, sử dụng các phím điều khiển, cho mũi cắt tại vị trí bắt đầu
Hình 3.98 Sử dụng phím điều khiển tại trang Program Run Bước 2: Chọn các nút Zero X, Zero Y, Zero Z để thiết lập điểm bắt đầu Các tọa độ sẽ trở về giá trị 0
Bước di chuyển mũi cắt đến vị trí bất kỳ và nhấn nút GOTO ZERO Lúc này, phần mềm sẽ tự động di chuyển mũi cắt trở lại điểm bắt đầu đã thiết lập từ trước.
Hình 3.100 Di chuyển mũi cắt trở lại điểm bắt đầu
Lắp mũi khoan sau đó cho máy chạy lên xuống để xét độ lệch của dụng cụ cắt mỗi lần di chuyển xuống mặt bàn gia công Cài đặt điểm bắt đầu (zero point) của mũi khoan là trên mặt bàn, sau đó cho mũi cắt di chuyển lên trên và tự động hạ xuống điểm bắt đầu Đo độ lệch của vị trí mũi khoan so với vị trí ban đầu để đánh giá độ chính xác của mũi khoan Tính toán độ lệch trung bình của mũi khoan khi chuyển động theo trục Z.
Bảng 3.6 Đo độ lệch so với điểm ban đầu
Lần đo Độ lệch so với điểm bắt đầu(mm)
Công thức trên dùng để tính giá trị trung bình của một mẫu thử nghiệm Trong đó, x là giá trị trung bình của một mẫu thử nghiệm, N là số lần thực hiện, x i là giá trị lấy được lần thứ i (i=1 , N ) Sử dụng công thức ta tính được độ lệch trung bình của mũi khoan so với điểm bắt đầu khi chuyển động theo trục Z là 0.167 mm
3.4.3 Thử nghiệm gia công mạch in
Tiến hành gia công thực tế một mẫu mạch in PCB
Bước 1 Thiết kế mạch in trong Altium: Altium là một công cụ mạnh mẽ để thiết kế mạch in với nhiều tính năng và tiện ích.
Hình 3.101 Thiết kế mạch Altium
Bước 2 Xuất file PDF từ Altium: Sau khi hoàn thành thiết kế, ta có thể xuất file PDF
Hình 3.102 Xuất file PDF Bước 3 Sử dụng Aspire để xuất file G-code
Hình 3.103 Sử dụng Aspire xuất file G-code
Bước 4 Sử dụng Mach3 để gia công
Hình 3.104 Nhập code vào mach3 để gia công
Kết quả gia công thực tế
- Thử nghiệm trước trên mica trước khi chuyển sang khắc trên đồng có một số lợi ích quan trọng:
+ Tiết kiệm chi phí: Mica thường rẻ hơn đồng, vì vậy việc thử nghiệm trên mica trước sẽ giúp bạn tiết kiệm chi phí khi cần phải điều chỉnh thiết lập hoặc thử nghiệm các ý tưởng mới.
+ Minh bạch và độ chính xác: Mica là vật liệu trong suốt, cho phép dễ dàng quan sát quá trình khắc và đánh giá độ chính xác của sản phẩm cuối cùng
+ Phát triển kỹ thuật: Thử nghiệm trên mica trước giúp phát triển kỹ thuật và sự hiểu biết về quá trình khắc trên vật liệu mềm hơn trước khi chuyển sang vật liệu khó khắc hơn như đồng.
+ Giảm rủi ro: Bằng cách thử nghiệm trên mica trước, giảm thiểu rủi ro phá hủy hoặc làm hỏng vật liệu như đồng trong quá trình điều chỉnh và thử nghiệm.
- Thử nghiệm trên nhựa mica :
Hình 3.105 Sản phẩm gia công trên Mica
- Sau khi thử nghiệm thành công trên vật liệu nhựa mica ta tiến hành gia công bản mạch trên phíp đồng :
Hình 3.64 Sản phẩm gia công trên phíp đồng Đánh giá và nhận xét
Để đánh giá hiệu suất và chất lượng gia công trên máy CNC mini, có một số yếu tố cần cân nhắc:
Độ chính xác: Độ chính xác của chi tiết khá cao trên mẫu gia Các đường cắt và chi tiết có được cắt ra chính xác và mịn màng Các kích thước đúng như thiết kế
Bề mặt hoàn thiện: Bề mặt của các chi tiết đã được gia công mịn và
Tốc độ và hiệu suất: Đánh giá tốc độ và hiệu suất của quá trình gia công khá tốt
Độ tin cậy: Máy hoạt động ổn định và không gây nguy hiểm trong quá trình gia công
Cả Mica và đồng máy đều là những vật liệu có khả năng gia công tốt, dễ dàng cắt và không gây mòn đáng kể cho dụng cụ cắt.
Cấu hình và thiết lập: Các thiết lập được điều chỉnh đúng cách để phù hợp với loại vật liệu và công việc cụ thể.
- Sau khi hoàn thành đồ án này, nhóm tác giả đã bước đầu có những hiểu biết cơ bản về máy CNC, cấu tạo cũng như nguyên lý làm việc Trong quá trình làm đồ án nhóm tác giả đã vận dụng các kiến thức từ những môn học khác nhau, và từ đó bắt tay vào giải bài toán kỹ thuật.
- Với yêu cầu của đề tài, nhóm tác giả đã hoàn thành được các nội dung đặt ra.
Trong quá trình nghiên cứu và thực hành lần đầu tiên với những khía cạnh mới, nhóm tác giả đã gặp phải sai số về vị trí đo đạc là 0,167mm Sai số này đặc biệt đáng chú ý khi làm việc với các chi tiết có kích thước nhỏ và phức tạp, nằm ngoài phạm vi chấp nhận trong ngành gia công cơ khí chính xác.
