Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển(1).Pdf

Đồ án này trình bày về quá trình tính toán thiết kế hệ thống dẫn hướng cho gia công dưới sự di chuyển của 3 trục chính... Thuật ngữ này được sử dụng trong hệ thống máy tiện cơkhí, máy cắ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA CƠ KHÍ

-Họ và tên sinh viên: Đào Văn Tấn Lớp: DHCD14A3HN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN : Nguyễn Thị Khánh Huyền

Hà Nội – Năm 2023

1

LỜI NÓI ĐẦU

Cơ điện tử là sự kết hợp của kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật điện tử và kỹ thuật máy tính Khoa học cô ng nghệ để phát triển thì cần đến kỹ năng đến từ ngành

Cơ điện tử Vậy nên ngành Thiết kế Kỹ thuật Cơ – Điện tử ra đời với mục tiêu phát triển tối đa tư duy hệ thống trong thiết kế và phát triển sản phẩm điện tử.

Từ đó cho ra đời những sản phẩm hiện đại có những tính năng cô ng nghệ vượt trội,

Sinh viên ngành Thiết kế Kỹ thuật Cơ – Điện tử sẽ được học về tư duy thiết kế hệ thống, sản xuất tích hợp máy tính, hệ thống khí nén – thủy lực, hệ thống điều khiển nhúng, hệ thống đo lường và điều khiển thông minh Ngoài ra, sinh viên còn được nghiên cứu kiến thức về cảm biến, robot Tất cả những kiến thức trên đều hỗ trợ cho sự phát triển kỹ năng thiết kế hệ thống điện tử sau  này.

Đồ án này trình bày về quá trình tính toán thiết kế hệ thống dẫn hướng cho gia công dưới sự di chuyển của 3 trục chính.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU VÀ HỆ THỐNG

DẪN ĐỘNG MÁY CNC

 Khái niệm

CNC là viết tắt của từ ” Computer Numerical Control”, được hiểu đơn giản là

“điều khiển bằng máy tính“ Thuật ngữ này được sử dụng trong hệ thống máy tiện cơkhí, máy cắt cnc… được điều khiển hoàn toàn tự động Mục tiêu cuối cùng của CNC

là tối ưu hóa công việc giúp giảm thiểu chi phí và nhân công

Bằng các loại máy phay CNC, được điều khiển tự động thông qua các lệnh được lập

Trục chính chứa dao sẽ di chuyển đến phôi để loại bỏ các vật liệu thừa, nhằm tạo rasản phẩm có hình dạng mong muốn

Đối với dòng máy CNC 3 trục đứng, các hành trình mang theo bàn máy sẽ dichuyển theo chiều trái – phải, vào trong – ra ngoài Trục hành trình mang theo trụcchính sẽ di chuyển lên – xuống

Hình 1-1:Hình ảnh biểu diễn các trục tọa độ máy phay CNC đứng

3

Đối với dòng máy CNC ngang, các trục hành trình sẽ là các trục di chuyển trái – phải, đi lên – đi xuống Trục hành trình mang theo trục chính sẽ di chuyển vào trong – ra ngoài.

Hình 1-2:Hình ảnh biểu diễn các trục tọa độ máy phay CNC ngang

Mỗi loại sẽ có những cấu tạo riêng nhưng nhìn chung sẽ có 2 phần cơ bản sau:

Phần chấp hành: Đế máy, thân máy, bàn máy, bàn xoay, trục vít me bi, ổ tích dụng cụ,cụm trục chính và băng dẫn hướng

1.2.1 Phần chĀp hành

Phần chấp hành của máy CNC gồm 7 bộ phận:

 Thân, đế máy

Là một trong những bộ phận rất quan trọng của máy và thường được làm bằng

của máy khi hoạt động và bảo vệ các động cơ bên trong máy

mà bàn máy sẽ di chuyển và trục chính đứng yên hoặc 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 1-5:Bàn máy CNC

 Trục chính

Chuyển động chính của máy CNC là chuyển động quay của trục chính kết hợp với cácchuyển động khác theo các phương như x, y, z nhằm di chuyển phôi đến phần cầngia công

trục chính

Có các loại trục chính phổ biến như:

chính Mô tơ nằm bên trong trục, Không cần thông qua 1 cơ cấu khác đểdẫn động Đây là cơ cấu trục tiên tiến nhất hiện tại và tương lai sẽ thaythế Direct

Là linh kiện dùng để dẫn hướng cho các chuyển động của bàn máy thường theophương trục X, trục Y và chuyển động theo trục Z của trục chính, dựa trên nguyên

lý chuyển động tịnh tiến giữa con trượt và ray trượt

các trục x, y, z để gia công và bàn máy sẽ đứng yên

Yêu cầu của hệ thống thanh trượt phải thẳng, có khả năng tải cao độ cứng vững tốt,không có hiện tượng dính, trơn khi trượt

7

 Trục vít me, đai ốc

Có 2 loại vít me thường được sử dụng đó là vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi.Vít me đai ốc thường là loại vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc mặt Vít me đai ốc bi làloại mà vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc lăn

Hình 1-7:Trục vít me, đai ốc

có thể tự động cắt gọt vật liệu liên tục bằng các loại dao khác nhau mà không cần sựcan thiệp của kỹ thuật viên Vì thế đã giảm được rủi ro khi gia công và làm tăng tốc độgia công cũng như tự động hóa quy trình sản xuất

Hình 1-9

9

1.2.2 Phần điều khiển

Phần điều khiển của máy CNC gồm cụm điều khiển chính và các loại động cơ trênmáy CNC Có 2 loại cụm điều khiển chính trên máy CNC

 Cụm điều khiển máy MCU

Cụm điều khiển được coi là trái tim của máy CNC, nó có bàn phím chữ và số để

hiện bên trong bộ điều khiển sẽ thông báo cho mô tơ chuyển động quay đúng số vòng cần thiết → trục vit me bi quay đúng số vòng quay tương ứng → kéo theo chuyển động thẳng của bàn máy và dao

MCU có các chức năng sau:

Đọc hướng dẫn mã hóa

Giúp gửi hướng dẫn thích hợp đến mọi bộ phận của máy

Nó có thể nhận ra các phép nội suy (tròn, thẳng và xoắn) để tạo thành các lệnh chuyểntrục

Để hỗ trợ các điều khiển chuyển động trục và các mạch khuếch đại để quản lýcác công cụ trục

Nó lưu giữ các tín hiệu đã xem xét về vị trí và vận tốc cho mỗi trục truyền động

Để thực hiện các mục đích điều khiển phụ trợ như chất làm mát hoặc tắt/ mở trục vàthay đổi dụng cụ

Sensor là cơ cấu phản hồi tín hiệu, dùng để truyền các tín hiệu ngược lại đến hệ

cụ điều khiển số CNC

11

Cụm điều khiển có nhiệm vụ liên kết các chức năng để thực hiện điều khiểnmáy, các chức năng bao gồm:

RAM, ROM, hệ thống BUS, điều khiển trình tự PMC, điều khiểnSERVO, bộ phận ghép nối

CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ DẪN ĐỘNG BÀN MÁY

CNC

Hình 2-12:Trục vít me

2.1.1 Kết cĀu bộ truyền vitme đai ốc bi

Cơ cấu đai ốc vitme bi là cơ cấu chấp hành trượt dẫn hướng được sử dụng

trong nhiều máy móc công nghiệp hiện nay Cơ cấu bao gồm 3 bộ phận chính: đai

ốc vitme bi, trục vít me và gối đỡ trục vitme

Đai ốc vitme bi có cấu tạo dạng ổ bi, gồm phần vỏ ngoài và lớp bên trong có cácrãnh bi

Trục vitme bi đâm xuyên qua đai ốc vitme bi Giữa hai thiết bị này có một lớp bithép, chạy dọc theo các rãnh của đai ốc vitme bi Nhờ có lớp bi thép này, quá trìnhtruyền động của máy móc sẽ ít ma sát, trơn tru, mượt mà hơn

Gối đỡ trục vitme là thiết bị có vai trò giữa trục vitme để dẫn động vitme bi theođộng cơ thông qua khớp nối

Ba thành phần này tạo thành cơ cấu đai ốc vitme bi hoàn chỉnh có vai trò chuyểnđổi từ chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến

Bởi vì cơ cấu này có nhiều ưu điểm vượt trội như:

- Có khả năng truyền động cực tốt, hiệu năng lên đến 90 - 95%, gấp 2 - 4 lần cácloại vitme thông thường

13

- Cơ cấu vitme bi có ít ma sát nên chuyển động rất mượt, giúp máy móc hoạtđộng ổn định hơn

 Các thông số đầu vào

Chế độ cắt thử nghiệm tối đa SVT

Phay mặt đầu Dao có 6 lưỡi (z=6) đường kính D= 80mm Tiêu chuẩn quốc gia : JIS Vật liệu S45C Grade 4040 Vận tốc : v= 100 m/ph Chiều sâu cắt : t= 1,2 mm Lượng chạy dao : F=900mm/ph

Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công V1 V 1 =18 m/ ph

15

Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công có lực V2 V 2 =15 m/ ph

Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống a a max =0,4 g m/s2

Tốc độ quay lớn nhất của động cơ dẫn động vít me n max

Tốc độ dịch chuyển lớn nhất của bàn máy V max

Ưu điểm : hệ thống cứng vững , chịu được tải lớn

Nhược điểm : do cố định 2 đầu nên dễ bị cong vênh khi thay đổi các điều kiện bên ngoài như nhiệt độ …

o 1 đầu lắp chặt, 1 đầu tùy chỉnh : fixed- supported

Ưu điểm : Tránh được cong vênh khi thay đổi điều kiện bên ngoài Chịu được tải lớn

Hình 2-18:Sơ đồ 1 đầu lắp chặt, 1 đầu tùy chỉnh

o 1 đầu lắp chặt – 1 đầu để tự do : fixed – free

Ưu điểm : Không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện bên ngoài

Nhược điểm : Chịu tải kém , dễ cong vênh

Hình 2-19: Sơ đồ 1 đầu lắp chặt, 1 đầu tự do

17

 Do vậy, chúng ta chọn kiểu 1 đầu lắp chặt, 1 đầu tùy chỉnh (fixed- supported) cho máy CNC

1) Lượng chạy dao (fz):

 Tốc dộ quay của động cơ quay dao: n=1000v

πD =1000.100

π 80 =397,89(vòng/phút)

 - Lượng chạy dao vòng: S=F

n= 900397,89 =2,3 (mm/vòng)

 - Lượng chạy dao răng:F z=S

z=2,3

6 =0,383 (mm/răng)

 Chiều dài tham gia làm việc (ae) và chiều dài bắt đầu tham gia làm việc (aei)

 Chọn ae và aei sao cho : ae +aei=D c=80 mm

 Ta chọn: ae =80 mm , aei=0

 Góc cắt chính (𝐾ᵞ) thường chọn K ᵞ =60 ˚

 Sau khi tính toán, kết hợp số liệu đề bào cho, điền vào bảng ta được kết quả nhưtrong hình

Momen xoắn cắt :M c =83 Nm

Lực cắt chính: F m=2M c

D c

=2.830,08=2075 N =207,5 kgf

 Bảng thông số ban đầu

Chiều dài làm việc max : S max =1300 mm

Tốc độ dịch chuyển max: V max =18 m/min

Với F m =2075 N=207,5 kgf

Ta có công thức tính lực dọc trục:

Tăng tốc (về phía sau): F a 1 =μmg+f +ma=0,1.640.10+1179+640.5=4379

Chạy đều (về phía sau): F a 2 =μmg+f =0,1.640.10+1179=1819

Gia công (về phía sau): F a 3 =F m + μ(mg + F ms)+ f =2075+ 0,1(640.10 + 0)+1179=3894

Giảm tốc (về phía sau): F a 3 =μmg−ma+f =0,1.640 10−640.5+1179=−741

Tăng tốc (về phía trước): F a 4 =−μmg−ma−f =−0,1.640 10−640.4−1179=−4379

Chạy đều (về phía trước): F a 5 =−μmg−f =−0,1.640.10−1179=−1819

Gia công (về phía trước): F a 5 =−F m −μ(mg +F ms)−f =−2075−0,1(640.10+0)−1179=−3894

Giảm tốc (về phía trước): F a 6 =−μmg+ma−f =−0,1.640.10+640.4−1179=741

 Tính lực dọc trung bình và lực lớn nhất tác dụng lên vít me:

- Lực lớn nhất

F max =Max(F a 1 , F a 2 , F a 3 , F a 4 , F a 5 , F a 6)=4379 N=437,9 kgf

- Lực trung bình

Lực dọc trục lớn nhất khi không gia công: F1max=4379 N =437,9 kgf

Lực dọc trục lớn nhất khi gia công: F2max=3894 N =389,4 kgf

N1max , N2max: Tốc độ quay lớn nhất của trục khi không gia công và gia công

21

f s: Hệ số bền tĩnh, với máy công cụ f s = 1,5 – 3, chọn f s = 2

f w: Hệ số tải trọng, được cho theo bảng Chọn f w = 1,2

Xem thêm trong catalog của hãng PMI

Từ độ cứng yêu cầu và các yếu các yếu tố bên trên, ta chọn được một số series phù hợp như sau:

2.1.4 Tính chọn ray dẫn hướng

Hình 2-22:hệ thống dẫn hướng

2.1.5 Chọn ray dẫn hướng bàn X

Vận tốc max khi chạy không v1=18 m/min=0,3 m/s

Vận tốc max khi gia công v2=15 m/min=0,25 m/s

Khoảng cách từ tâm phôi đến tâm bàn

máy theo phương X

L3=0 mm

Khoảng cách từ tâm phôi đến tâm bàn

máy theo phương Y

Từ điều kiện cho trước, ta có điều kiện làm việc của hệ thống ray dẫn hướng:

+ Quãng đường chạy đều là S2=L−(S1+S1)=1300−2.11,25=1277,5(mm)

+ Thời gian chạy đều làt2=S2

v=1,27750,3 = ¿4,258 (s)

P t2r a3=0 N

P t3r a3=0 N

P t4r a3=0 N

c, Tính toán tải trọng tương đương :

 Khi chuyển động đều

d, Tính toán tải trọng trung bình P mn

Với máy công cụ chịu va chạm và rung động thì ta chọn hệ số an toàn f s =2 ÷ 3

Tuổi thọ danh nghĩa :

L=L H.2 L S n 60

1000 =25000.2.1,3 13,6 60

1000 =53040(km)Trong đó: n – tốc độ vòng để thực hiện 1 chu trình hành trình

n=60.2

2.t = 60.22.4,408 =13,6(ct / ph)

2.2 Tính toán lựa chọn trục vít, ổ đỡ cho trục Y

a) Điều kiện làm việc và các thông số được tính chọn

 Bảng thông số ban đầu

Trọng lượng bàn gá: W +W1+W2=500+140+220=860 kgf

Chiều dài làm việc max : S max =1300 mm

Tốc độ dịch chuyển max: V max =18 m/min

Tăng tốc (về phía sau): F a 1 =μmg+f +ma=0,1.860.10+1179+860.4=5479 N

Chạy đều (về phía sau): F a 2 =μmg+f =0,1.860.10+1179=2039 N

Gia công (về phía sau): F a 3 =F m + μ(mg + F ms)+ f =2075+ 0,1(860.10 +0)+1179=4114 N

Giảm tốc (về phía sau): F a 3 =μmg−ma+f =0,1.860 10−860.4+1179=−1401N

Tăng tốc (về phía trước): F a 4 =−μmg−ma−f =−0,1.860 10−860.4−1179=−5479 N

Chạy đều (về phía trước): F a 5 =−μmg−f =−0,1.860.10−1179=−2039 N

Gia công (về phía trước): F a 5 =−F m −μ(mg +F ms)−f =−2075−0,1(860.10+0)−1179=−4114

 Tính lực dọc trung bình và lực lớn nhất tác dụng lên vít me:

- Lực lớn nhất

F max =Max(F a 1 , F a 2 , F a 3 , F a 4 , F a 5 , F a 6)=5479 N =547,9 kgf

- Lực trung bình

Lực dọc trục lớn nhất khi không gia công: F1max=5479 N=547,9 kgf

Lực dọc trục lớn nhất khi gia công: F2max=4114 N=411,4 kgf

N1max , N2max: Tốc độ quay lớn nhất của trục khi không gia công và gia công

33

f s: Hệ số bền tĩnh, với máy công cụ f s = 1,5 – 3, chọn f s = 2

f w: Hệ số tải trọng, được cho theo bảng Chọn f w = 1,2

Xem thêm trong catalog của hãng PMI

Từ độ cứng yêu cầu và các yếu các yếu tố bên trên, ta chọn được một số series phù hợp như sau:

Kết hợp các yếu tố Ta chọn series: 50-10B2-FDWC

 Tuôi thọ làm việc:

L=( Ca Fmy f w)3

Khối lượng phôi và bàn X M1=500+140=640 kgf

Vận tốc max khi chạy không v1=18 m/min=0,3 m/s

Vận tốc max khi gia công v2=12m/min=0,2 m/s

Khoảng cách từ tâm phôi đến tâm bàn

máy theo phương X

L3=0 mm

Khoảng cách từ tâm phôi đến tâm bàn

máy theo phương Y

+ Quãng đường chạy đều là S2=L−(S1+S1)=1300−2.11,25=1278(mm)=1,278(m)

+ Thời gian chạy đều làt2=S2

v=1,2780,3 = ¿ 4,26 (s)

c, Tính toán tải trọng tương đương :

 Khi chuyển động đều

Với máy công cụ chịu va chạm và rung động thì ta chọn hệ số an toàn f s =2 ÷ 3

Tuổi thọ danh nghĩa :

L=L H.2 L S n 60

1000 =25000.2.1,3 13,6 60

1000 =53040(km)Trong đó: n – tốc độ vòng để thực hiện 1 chu trình hành trình

41

2.t = 60.22.4,41 =13,6(ct / ph)

Vậy C ≥ f W P mi .√3L / 50 =f W P m 1 .√3L / 50 =1,2.2156,8 3

√53430 / 50=26,460 kN

=> Tra catalog của nhà sản xuất PMI chọn series:

Với C=28,1 kN , C0= 42,4 kN

CHƯƠNG 3: Tính toán điều khiển bàn máy X,Y

3.1 Các loại động cơ sử dụng trong máy CNC

• Các thiết bị đo và giám sát vị trí (encoder)

• Thiết bị điều khiển: PLC, VDK

• Nút ấn

• Công tắc hành trình

3.2 Tính chọn động cơ

Vận tốc lớn nhất khi chạy không v1max =18(m/min)=0,3(m/s)

Vận tốc lớn nhất khi gia công v2max=15(m/min)=0,25(m/s)

Lực cắt lớn nhất khi gia công F cmax=¿2075N¿

Gia tốc lớn nhất khi gia công a max =0,5 g (m/s2

)

Hệ số ma sát giữa bàn máy và ray dẫn hướng μ=0,1

 Momen tĩnh

M stat =M fric +M wz +M mach=113,1+0+0,8=113,9

 Tốc độ quay của motor

n noml=v max i

h =4,4.10,01=440 (vg ⁄ ph)

Dựa vào mô men tĩnh của động cơ và tốc độ của motor, ta chọn loại động

cơ AM 1400C của hãng ANILAM – www.anilam.com có momen khởi động là 13 N.m và tốc độ quay lớn nhất là 2000 rpm như hình dưới:

Điều kiện : n motor ≥ n noml ; M motor ≥ M stat

3.2.3 Chọn động cơ servo để điều khiển quỹ đạo chuyển động theo trục Oy

 Momen ma sát

M fric=mgμcosα

2πiη =860.10 0,1 1

2.π 1 0,9 =152(N m)

 Vận tốc dài

Với đường kính trục được chọn là 42,05mm.ta có:

v max= π D n60.1000 =π 42,05 2000

M stat =M fric +M wz +M mach=152+0+0,8=152,8

 Tốc độ quay của motor

n noml=v max i

h =4,4.10,01=440 (vg ⁄ ph)

Dựa vào mô men tĩnh của động cơ và tốc độ của motor, ta chọn loại động

cơ AM 1400C của hãng ANILAM – www.anilam.com có momen khởi động là 13 N.m và tốc độ quay lớn nhất là 2000 rpm như hình dưới:

Điều kiện : n motor ≥ n noml ; M motor ≥ M stat

45