Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Nghiên cứu thiết kế và điều khiển máy cắt ống

Và do sự đòi hỏi ngày càng cao cũng như yêu cầu độ phức tạp của biên dạng ống cắt nên các máy cắt ống hiện nay cũng dần được tích hợp các hệ thống CNC để có thể có thể thực hiện yêu cầu

MỞ ẦU

Lý do chọn đề tài

Khi công nghiệp hóa ngày càng phát triển thì có nhiều đường ống dẫn ưu chất được lắp đặt và sử dụng truyền dẫn Việc sử dụng các đường ống được áp dụng rất nhiều ĩnh vực Đặc biệt là ngành sản xuất công nghệ phụ trợ để cắt, tạo hình trong chế tạo máy, gia công khuôn mẫu… hỗ trợ thiết kế, sửa chữa thiết bị nhỏ gọn đáp ứng cho sản xuất vừa và nhỏ Hoặc là những ngành dịch vụ chế tác các sản phẩm mỹ nghệ tinh xảo nhƣ nữ trang, sản phẩm trang trí hay ƣu niệm…

Những sản phẩm gia công thủ công để đạt đƣợc trình độ đẹp và tinh xảo thì chỉ có rất ít thợ có tay nghề cao mới àm đƣợc nhƣng sản phẩm cũng không đồng đều

Do đó, để đáp ứng đƣợc nhu cầu đẹp, số ƣợng nhiều, sản phẩm đồng đều và sản xuất hàng loạt thì chỉ có công nghệ, thiết bị mới giải quyết đƣợc bài toán này

Vì thế, trong đề tài này, sẽ nghiên cứu và thiết kế một máy cắt ống bằng aser cũng nhƣ giải thuật để điều khiển cắt ống theo biên dạng yêu cầu

Máy cắt ống là 1 máy công cụ chuyên dụng trong việc gia công và tạo hình các loại ống có các tiết diện khác nhau, chủ yếu là ống dạng tròn và ống dạng hộp Và do sự đòi hỏi ngày càng cao cũng nhƣ yêu cầu độ phức tạp của biên dạng ống cắt nên các máy cắt ống hiện nay cũng dần đƣợc tích hợp các hệ thống CNC để có thể có thể thực hiện yêu cầu phức tạp trên

Vì nhu cầu thiết thực đó à ý tưởng cho luận văn “Nghiên cứu và thiết kế điều khiển máy cắt ống”.

M c t u đ tƣ n v v n n cứu

M c tiêu là Nghiên cứu thiết kế và điều khiển máy cắt ống mini 4 trục phục vụ cho tạo hình trong chế tạo máy, gia công khuôn mẫu… hỗ trợ thiết kế, sửa chữa thiết bị nhỏ gọn đáp ứng cho sản xuất vừa và nhỏ tư ng là các sản phẩm ống thông thường là ống trụ tròn, trụ vuông

Ph m vi nghiên cứu là đề xuất một máy cắt laser 3D trên trụ tròn, vuông hoặc đa giác theo tập tin ảnh cho trước Yêu cầu của đề tài như sau:

-Kích thước bàn máy dự kiến khổ 𝐴3

- Độ chính xác dự kiến: ± 0.01𝑚𝑚

- Đầu cắt dùng laser bán dẫn

- Có thể cắt 3D trên mặt trụ tròn, trụ vuông hoặc đa giác

- Thiết kế máy cắt ống CNC gồm phần cơ khí, phần điện và bộ điều khiển dựa trên Mach3 CNC

- Nghiên cứu giải thuật và thông qua phần thực nghiệm phần điện, phần điều khiển để phát hiện các vấn đề tồn tại trong khi sử dụng nhằm đƣa ra giải pháp và hiệu chỉnh tạo thành sản phẩm hoàn thiện, ứng dụng đƣợc trong sản xuất thực tế Ứng d ng của đề tài: đƣa ra nguyên ý chung để xây dựng một máy cắt ống CNC là sản phẩm hoàn thiện sử dụng đƣợc Máy cắt này đƣợc ứng dụng trong việc cắt trên ống trụ tròn, trụ vuông và đa giác góp phần tăng hiệu quả và năng suất ao động.

n a a ọc v t c t n

Hiện nay, khi đất nước chuyển mình đổi mới để phát triển thì việc áp dụng các tiến bộ kỹ thuật vào trong các ngành dịch vụ, sản xuất là yêu cầu tất yếu

Nhƣng, việc nghiên cứu và ứng dụng CNC 4 trục chỉ ở giai đoạn đầu, nên các sản phẩm khắc hay cắt bằng laser trên ống trụ tròn, trụ vuông và đa giác chƣa đƣợc phổ biến rộng rãi

Do đó, uận văn sẽ góp một phần nhỏ trong ĩnh vực này Nhất là trong việc nghiên cứu giải thuật bài toán động học thuận, bài toán động học ngƣợc, ma trận vị trí và hướng cắt

Việc áp dụng thành công máy cắt ống bằng laser sử dụng 4 trục vào trong sản xuất góp phần năng cao chất ƣợng, năng suất và giảm giá thành của sản phẩm Giúp giải quyết vấn đề kỹ thuật mà máy 3 trục hay công nhân không thể àm đƣợc, cải thiện điều kiện chất ƣợng công việc

Tính kinh tế đạt đƣợc cao bới tốc độ gia công cao cũng nhƣ thời gian gia công cơ bản, thời gian phụ, thời gian chuẩn bị và thời gian kết thúc giảm Các nhân tố ảnh hưởng sau đây tác động mạnh tới tính kinh tế của máy.

G ớ t ệu c un của áy cắt n .1 Lịc sử át tr ển

Ý tưởng về điều khiển máy bằng các lệnh nhớ ở các máy CNC đã được xuất hiện ở thế kỷ XIV, nó đƣợc phát triển và hoàn thiện dần cho đến ngày nay với một số cột mốc lịch sử nhƣ sau:[1]

- Năm 1808 Toseph và M Jacquard đã dùng bìa tôn đục lỗ để điều khiển các máy dệt (bìa đục lỗ là vật mang tin)

- Năm 1938 C aude Shannon bảo vệ luận án tiến sỹ ở Viện Công Nghệ MIT (Mỹ) với nội dung tín toán chuyển giao dữ liệu dạng nhị phân

- Năm 1946 tiến sỹ John W Mauch y đã cung cấp máy tính số điện tử đầu tiên có tên ENIAC cho quân đội Mỹ

- Năm 1954 Bendix đã mua bản quyền của Pasons và chế tạo ra bộ NC hoàn chỉnh đầu tiên có sử dụng các bóng điện tử

- Năm 1954, phát triển ngôn ngữ biểu trƣng gọi là ngôn ngữ trình tự động APT

- Năm 1957, Không quân Mỹ đã trang bị những máy NC đầu tiên ở xưởng

- Năm 1960, kỹ thuật bán dẫn thay thế cho hệ thống điều khiển xung rơ e, đèn điện tử

- Năm 1968, kỹ thuật mạch tích hợp IC ra đời có độ tin cậy cao hơn - Năm 1972, hệ điều khiển NC ( Numerical Control – trung tâm điều khiển số) đầu tiên có lắp đặt máy tính nhỏ…

- Năm 1979, hình thành khớp nối liên hoàn CAD/CAM-CNC

- Ngày nay các máy công cụ CNC (Computer Numerrical Control-trung tâm điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính) đã hoàn hiện hơn với tính năng vƣợt trội có thể gia công hoàn chỉnh chi tiết trên một máy gia công, với số lần gá đặt ít nhất Đặc biệt chúng có thể gia công các chi tiết có bề mặt phức tạp

Công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày càng phát triển thì có rất nhiều đường ống thép đƣợc lắp đặt Yêu cầu truyền dẫn ƣu chất không chỉ phục vụ cho các ngành công nghiệp, mà còn phục vụ cho dân dụng Chúng tạo thành hệ thống mạng ưới đường ống phức tạp ở trong òng đất, trên mặt đất và cả trên không

Việc cắt, tạo hình và định dạng nhằm mục đích ghép nối và rẻ nhánh các đường ống là công việc không thể thiếu trong lắp đặt hệ thống đường ống Để àm được nhiệm vụ cắt ống thì máy công cụ thông thường, máy công cụ NC hay máy công cụ CNC đều thực hiện đƣợc Với máy công cụ thông thường thì người thợ đứng máy điều chỉnh bằng tay, theo nhiệm vụ của công nghệ và bản vẽ Thợ điều khiển máy đo chi tiết bằng tay và đọc kết quả đó, nhiều trường hợp phải gia công lại Với máy công cụ NC, chương trình NC được truy nhập vào hệ thống nhờ băng đục lỗ Hệ điều khiển NC xử lý thông tin về đường dịch chuyển chạy dao và các dữ liệu công nghệ rồi đƣa ra các tín hiệu điều khiển thích hợp cho từng bộ phận Trong khi gia công máy luôn nhận các thông tin phản hồi và từ động cơ điều chỉnh nhằm đạt kích thước yêu cầu

Với máy công cụ CNC có thể nạp dữ liệu vào hệ thống điều khiển nhờ phím bấm, đĩa từ, hoặc truyền trực tiếp thông tin qua bộ điều khiển máy tính

Máy vi tính được cài đặt phần mềm tương thích sẽ đảm nhận chức năng điều khiển các thông số gia công, dự báo lỗi cũng nhƣ kiểm tra các thông số gia công

Vì vậy gia công trên máy công cụ CNC thời gian gia công ngắn, giảm chi phí kiểm tra

Hệ thống CNC là tự động và rất chính xác, một lần lập trình một máy CNC sẽ thực hiện nhiệm vụ lặp lại cho đến khi hướng dẫn để ngăn chặn nên tiết kiệm chi phí, thời gian sản xuất Nhà sản xuất có thể ƣớc tính chi phí cho CNC gia công ngày càng chính xác, so với một dây chuyền sản xuất với máy thông thường

Từ máy CNC xuất hiện đầu tiên trong những năm 1970, trong vài thập kỷ gần đây tốc độ nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNC phát triển rất nhanh.

Tổng h p tình hình nghiên cứu tr n v n nước

Dưới đây à hình ảnh cùng với sơ đồ nguyên lý của một số máy cắt ống

Là máy CNC 3 trục đƣợc chế tạo đặc thù cho việc cắt ống

Loại máy này thường có 2 kiểu kết cấu chủ yếu như sau:

Bộ phận xoay quanh trục X không tịnh tiến đƣợc Loại này là loại máy cắt ống CNC 3 trục phổ biến nhất hiện nay do có khả năng cắt rất lớn từ những ống có đường kính nhỏ tới ống có đường kính lớn hoặc rất lớn Các máy loại thường chỉ phù hợp với ống có biên dạng tròn không phù hợp việc cắt các ống hình hộp do sự giới hạn về khả năng di chuyển theo phương Z x y

Hình 2.1 AL-BG630 CNC 3 axis cutting tube machine

Tốc độ cắt: 0 – 3000 mm/min Tốc độ đi dao: 0 – 6000 mm/min Đường kính ống: 50 – 800 mm Chiều dài ống cắt tối đa: 15000 mm

Bộ phận xoay quanh trục X tịnh tiến đƣợc Loại này thì ít phổ biến hơn thường chỉ dùng trong cắt các ống có đường kính nhỏ hơn Ưu điểm của máy dạng này là kết cấu nhỏ gọn của máy, phù hợp với các cơ sở sản xuất nhỏ x y

Hình 2.2 Vernon tube cutting machine Đường kính ống: 50 – 300 mm

Chiều dài ống cắt tối đa: 7,5 mm Tốc độ cắt tối đa: 4500 mm/min

Máy CNC 3 trục là loại máy cắt ống CNC phổ biến nhất trong nước do nhu cầu cũng nhƣ đòi hỏi không cao về các loại ống có biên dạng cắt phức tạp

Phù hợp với các ống có bề dày thành ống nhỏ do các ống có bề dày lớn thường kèm đòi hỏi yêu cầu vát mép Ưu điểm của các máy cắt ống CNC 3 trục là giá cả thường khá rẻ so với các máy có số trục lớn hơn Dễ vận hành cũng nhƣ thiết lập cho máy Giải thuật cho máy dạng này rất thông dụng do sự phổ biến của các máy CNC 3 trục hiện nay, các phần mềm để tạo biên dạng ống của các máy cắt CNC 3 trục rất nhiều và giá thành thấp

Nhược điểm của các máy cắt CNC 3 trục là do sự giới hạn khả năng chuyển động theo các phương nên rất khó để có thể gia công trên bề mặt của các ống dạng hộp Không thể tạo biên dạng vát mép

 Máy cắt ng CNC 4 tr c:

Là máy CNC 4 trục đƣợc đƣợc chế tạo đặc thù trong việc cắt ống

Loại máy này có thể khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của máy cắt ống CNC 3 trục là khó gia công trên ống biên dạng hộp do bị giới hạn khả năng di chuyển theo trục X z x

Hình 2.3 SOCO 4 axis pipe cutting machine

Chiều dài ống cắt tối đa: 3000 mm/min Kích thước ống cắt: Ống tròn: Ф152 mm Ống vuông: 20 20 - 120 120 mm Ưu điểm loại máy này là khả năng tạo hình tốt trên các ống có biên dạng hình hộp, chi phí ở mức vừa phải Phù hợp với các cơ sở sản xuất lớn cũng nhƣ nhỏ

Nhược điểm giống với các máy dạng CNC 3 trục là do giới hạn về khả năng chuyển động theo các trục nên máy cắt ống dạng này vẫn chƣa thể gia công các biên dạng ống dạng mặt vát

Hình 2.4 Các biên dạng vát mép của ống

Là máy CNC 5 trục đƣợc chế tạo đặc thù cho việc cắt ống

Máy loại này đã khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của các máy cắt ống CNC 3- 4 trục à đã có thể tạo đƣợc sản phẩm có các biên dạng vát mép. z x y

Hình 2.5 DAMA DPC V600 5 axis CNC pipe cutting machine Đường kính ống cắt: 50 – 630 mm

Chiều dài cắt tối đa: 6050 mm

Tốc độ cắt tối đa: 1500 mm/phút Ưu điểm của máy dạng này là khả năng tạo hình rất tốt, các biên dạng hầu hết có đã có thể gia công đƣợc, duy chỉ có 1 số ít bề mặt dạng vát góc vẫn chƣa tạo hình đƣợc Máy phù hợp với các sản phẩm yêu cầu đòi hỏi cao về khả năng tạo biên dạng khó trên ống

Nhược điểm của máy dạng này à chi phí đầu tư tương đối cao giải thuật cho máy tương đối phức tạp Giá cả của phần mềm để sử dụng tương đối cao

Là máy CNC 6 trục đƣợc chết tạo đặc thù cho việc cắt và tạo biên dạng trên các loại ống

Do không bị giới hạn bởi phương chuyển động nên nó có khả năng cắt hầu hết các biên dạng z x

Hình 2.6 CNCXG 6 axis CNC pipe cutting machine Đường kính ống: 60 – 630 mm

Chiều dài ống tối đa: 12000mm Khối ƣợng ống tối đa: 2000 kg Tốc độ cắt tối đa: 1800 mm/min Ưu điểm : khả năng tạo hình cực kì tốt, các biên dạng phức tạp đều có thể xử í đƣợc phù hợp với các sản phẩm đòi hỏi độ phức tạp của biên dạng cao Hầu như các nhược điểm trước đây của các máy ít trục hơn đã được khắc phục

Nhược điểm : chi phí đầu tƣ cho máy ớn phù hợp, giải thuật lập trình cho máy phức tạp, giá thành cho các phần mềm của các loại máy này thường rất cao

Luận văn này tập trung nghiên cứu, thiết kế máy cắt ống với mục tiêu nhƣ sau:

- Tốc độ cắt à không đổi

- Quỹ đạo cắt à đường bất kì trong không gian

- Ống cắt có dạng hình trụ tròn, vuông hoặc đa giác.

LỰ HỌN PHƯƠNG ÁN

P ƣơn án c uyển động của từng tr c

Sau khi chọn được số trục là 4 ta bắt đầu lựa chọn phương thức chuyển động của các trục với nhau

 Dạng 1: Ống tròn sẽ đƣợc vừa chuyển động tịnh tiến vừa xoay độc lập theo phương X so với đầu cắt Đầu cắt sẽ di chuyển độc lập theo phương trục Y và Z

- Ưu điểm : Kết cấu của dạng này thường nhỏ gọn hơn nhiều so với dạng thứ

- Khuyết điểm : Công suất của dạng này thường không lớn Kết cấu cơ khí sẽ phức tạp hơn dạng 2 do việc xoay ống và di chuyển ống tịnh tiến cùng phải thực hiện trên 1 trục z x Ống cắt Đầu cắt

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên ý máy cắt ống 4 trục dạng 1

 Dạng 2 : Ống tròn chỉ có thể đứng yên xoay quanh phương trục X Đầu cắt sẽ di chuyển được theo 3 phương X Y Z

- Ưu điểm : Kết cấu cơ khí đơn giản, có thể cắt đƣợc các ống có tiết diện lớn

Phù hợp với những cơ sở sản xuất công nghiệp hang loạt

- Khuyết điểm : Máy chiếm diện tích lớn so với máy dạng 1 cùng công suất cắt x y z Ống cắt Đầu cắt

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên ý cắt ống 4 trục dạng 2 Ở đây nhƣ đã nói mô hình cơ khí chỉ mang tính thực nghiệm nên ta chọn cơ cấu có kết cấu nhỏ gọn Do đó ta chọn kết cấu dạng 1.

Công nghệ cắt

Hình 3.3 Mô hình đầu cắt Plasma Cắt P asma à một quá trình trong đó để cắt thép và các kim oại khác ở các độ dày cắt khác nhau sử dụng mỏ cắt p asma Trong phương pháp này khí trơ (hoặc không khí nén) đƣợc thổi qua vòi phun với áp suất cao, cung thời điểm dòng hồ quang điện cũng truyền qua dòng khí này từ vòi phun đến bề mặt vật cắt, chuyển một phần khí sang thành P asma P asma có nhiệt độcao àm nóng chảy kim oại vật cắt, khí thổi với áp suất cao đủ để thổi kim oại nóng chảy ra khỏi mặt cắt

 Ưu điểm của phương pháp cắt Plasma - Phương pháp cắt p asma có các ợi thế đối với phương pháp cắt aser

- Tốc độ cắt nhanh: Tốc độ cắt p asma nhanh hơn cắt aser khi thực hiện với các tấm dày hơn 3mm Tốc độ cắt nhanh giúp tăng năng suất, giảm giá thành thể cắt nhiều oại vật iệu chứa sắt, hoặc không chứa sắt Độ dày cắt có thể ên đến 80mm

- Dễ dàng vận hành: Cắt p asma không yêu cầu kỹ thuật cao đối với người vận hành, việc đào tạo cũng dễ dàng, thao tác cắt đơn giản, không cần phải điều chỉnh nhiều khi thao tác

- Tính kinh tế: Cắt p asma có tính kinh tế hơn so với cắt oxy-gas khi cắt với các tấm dày dưới 25mm

 Nhược điểm của phương pháp cắt Plasma

- Điện cực cắt, vòi phun thường xuyên phải thay thế àm tăng giá thành sản xuất

- Cắt p asma không thể cắt với vật cắt không phải kim oại

 Ưu điểm của phương pháp - Chất ƣợng vết cắt rất cao

- Vết cắt có thể bắt đầu ở bất kỳ chỗ nào mà không cần khoan mồi trước và có thể cắt đƣợc các vật liệu cán mỏng

- Có khả năng tự động hóa và người máy hóa rất cao

- Thích ứng với hệ thống CAD/CAM

- Có thể cắt bất cứ vật liệu nào

- Ít tạo ra chất thải sau gia công

 Nhược điểm của phương pháp - Khó kiểm soát độ chính xác về kích thước gia công

- Giá thành thiết bị cao

- Công nghệ gia công bằng tia nước áp lực cao trong ĩnh vực chế tạo máy vẫn còn mới mà nhiều vấn đề lý thuyết và thực tiễn chƣa giải quyết đƣợc hoặc giải quyết chƣa triệt để

Bộ tích trữ Điều khiển

Hình 3.4 Sơ đồ khối máy cắt tia nước

Phương pháp sử dụng đầu cắt aser dùng để lấy bỏ vật liệu bằng cách đốt cháy vật liệu Mức độ khắc vật liệu phụ thuộc vào công suất của đầu khắc laser

Bàn máy Gương phản xạ toàn phần

Gương phản xạ bán phần

Hình 3.5 Sơ đồ khối máy cắt tia laser

 Ưu điểm của cắt kim loại bằng laser - Gia công trên mọi vật iệu khác nhau từ kim oại đến phi kim, các vật iệu tổng hợp composite …

- Có khả năng àm việc trong môi trường không khí, chân không, chất bề mặt dày mỏng khác nhau, chi tiết cầu kỳ phức tạp…

- Có thời gian cắt nhanh.Vận tốc cắt có thể đạt đƣợc 6000𝑚𝑚/𝑝ℎ

- Thời gian thay đầu cắt aser âu 4000−5000ℎ với đầu cắt aser bán dẫn, đầu cắt aser không bị hao mòn nhƣ khi sử dụng dao cắt cơ khí

- Không phải xử ý bề mặt sau khi cắt

- Kết cấu cắt nhỏ gọn

- Gá đặt dễ dàng khi gia công

 Nhược điểm của gia công cắt laser kim loại - Giá thành rất cao

-Tỏa nhiệt độ cao trong quá trình cắt

Hình 3.6 Đầu cắt máy phay CNC

 Ưu điểm - Nhỏ gọn dễ sử dụng, dễ vận hành và bảo quản, cắt nhanh chóng trong nhiều môi trường khác nhau, thực hiện bởi người công nhân

- Chi phí đầu tƣ mua sắm thiết bị cắt nhỏ

- Cắt đƣợc nhiều oại ống khác nhau

- Chỉ cắt được ống có đường kính nhỏ và mỏng

- Chỉ cắt đƣợc biên dạng tròn - Không điều chỉnh đƣợc góc cắt Do đề tài chỉ dừng lại ở mức thực nghiệm, chứng minh thuật toán nên ta chỉ sử dụng đầu cắt laser công suất nhỏ à đã đạt đƣợc các yêu cầu cần thiết là kinh phí thấp độ chính xác cho phép trong việc thực nghiệm, và vận hành đơn giản.

P ƣơn án c ọn độn cơ

Ta chọn nguồn điện dẫn động cho máy CNC, do đó để chuyển đổi từ điện năng sang cơ năng cho máy hoạt động ta cần phải có động cơ điện Vì là máy gia công chính xác nên động cơ servo à sự lựa chọn phổ biến nhất ộn cơ truyền động Động cơ có vai trò quan trọng trong chuyển đổi điện thành cơ Có ba yếu tố động quyết định bao gồm: vận tốc, gia tốc, moment Dựa trên động cơ đƣợc chọn mà ảnh hưởng đến việc lựa chọn các thành phần khác của máy như: bộ điều khiển, nguồn điện, bộ chuyển đổi điện

Có ba loại động cơ được thường được sử dụng trong bàn máy 3D à động cơ bước, động cơ DC servo và động cơ AC servo

Trước tiên ta phân tích ưu và nhược điểm của động cơ bước: Đặc tính của động cơ bước là khi cung cấp những xung điện điều khiển thì trục của động cơ sẽ quay lần ƣợt với các góc xác định Về nguyên tắc, động cơ bước có thể sử dụng để dịch chuyển và định vị dụng cụ cắt không cần có tín hiệu ngƣợc để so sánh và hiệu chỉnh giữa các vị trí chuyển động với giá trị chuẩn Nhƣ vậy có thể áp dụng cho những hệ điều khiển hở và cấu trúc mạch đơn giản Ưu điểm:

- Momen xoắn cao ở tốc độ thấp

- Không tốn chi phí bảo dƣỡng chổi quét

Nhược điểm: xảy ra trong khi gia tốc hoặc giảm tốc động cơ

-Động cơ bước không phù hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao vì momen giảm theo tốc độ Tiếp theo ta phân tích các ƣu và nhƣợc điểm của động cơ DC servo: Ưu điểm:

- Nếu tải đặt vào động cơ tăng, bộ điều khiển sẽ tăng dòng tới cuộn dây động cơ giúp tiếp tục quay Tránh hiện tƣợng trƣợt gây sai lệch điều khiển

-Có thể hoạt động ở tốc độc cao

- Độ chính xác phụ thuộc vào encoder hồi tiếp

Với động cơ AC servo có tất cả các ƣu điểm của động cơ DC servo, thêm vào đó động cơ AC servo thêm một ƣu điểm là ít tốn chi phí bảo trì Tuy nhiên, động cơ AC servo cũng có nhƣợc điểm sử dụng nguồn AC điện áp lớn hơn 100V do đó yêu cầu cần phải sử dụng để có đƣợc an toàn điện

- Kết luận: Động cơ AC Servo đƣợc lựa chọn để dẫn động toàn bộ các trục di chuyển của máy

Phương pháp dẫn động cho cơ cấu chấp hành tuyến tính đa dạng Để chọn được phương pháp dẫn động phù hợp cần xem xét các yếu tố sau:

- Độ chính xác trên mỗi trục yêu cầu

- Hiệu suất hoạt động cao lớn hơn 90%

Các phương án khả dĩ cho cơ cấu chấp hành tuyến tính như sau :

Vít-me bi: Chuyển động quay của vít-me đƣợc chuyển thành chuyển động tuyến tính thông qua liên hệ giữa vít-me và nút vít me Số bi và số vòng xác định khả năng chịu đƣợc lực đẩy Ưu điểm:

- Bi ăn theo biên dạng của bi nên năng ƣợng tiêu tốn rất thấp - Hiệu suất của vít-me bi rất cao đạt đƣợc lớn hơn 96%

- Độ chính xác của vít-me bi có thể đạt đƣợc 0.005𝑚𝑚/300𝑚𝑚

- Giá thành tương đối thấp

- Cần phải đƣợc bôi trơn

- Ngoài ra, để tránh các vấn đề do cộng hưởng, tốc độ của vít-me thường đƣợc giới hạn nhỏ hơn 80% tốc độ giới hạn của nó

Vít-me ren: Ưu điểm:

- Hiệu suất thấp, đạt được từ 10% đến 60% tùy thuộc vào phương pháp dẫn động và vật liệu đai ốc

- Độ chính xác có thể đạt đƣợc 0.015𝑚𝑚/300𝑚𝑚

- Rơ trong quá trình sử dụng

Sử dụng đai răng: Ưu điểm:

- Vận tốc truyền động nhanh

- Hiệu suất tương đối cao có thể đạt được 92%

- Rơ trong quá trình sử dụng

- Đai bị dãn theo thời gian sử dụng nên cần thiết phải sử dụng bộ căng đai, làm giảm độ chính xác theo theo thời gian

- Độ chính xác cao nhất đạt đƣợc 0.25𝜇𝑚

- Không có rơ - Hiệu suất cao Đạt đƣợc trên 90%

 Đối với máy cắt ống, phương án sử dụng vít-me bi được lựa chọn vì các yếu tố sau:

- Độ chính xác phù hợp với độ chính xác yêu cầu của máy

- Không có tải tác dụng ên đầu công tác, chỉ có khối ƣợng mang theo ảnh hưởng đến tải

⇒Kết luận: sử dụng vít-me đai ốc bi để truyền động vì:

- Đạt đƣợc độ chính xác

- Tải mang theo và giá phù hợp.

MÔ HÌNH TOÁN

Sơ đồ n uy n lý áy

Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên ý của máy có thể biểu diễn trên hình 5 và 6

Hình 4.1 Hình ảnh máy thực tế

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý của máy phần tổng quan Ống cần cắt có chuyển động tịnh tiến theo phương và xoay quanh trục so với gốc tọa độ, đƣợc biểu diễn lần ƣợt thông qua 2 hệ trục tọa độ à {1} và {2} Đầu cắt laser có 2 chuyển động tính tiến theo 2 trục và , đƣợc biểu diễn lần ƣợt qua 2 hệ trục tọa độ là {3} và {4}.

T ết ế ả t uật đ ều ển

Xây dựng giải thuật điều khiển vị trí khâu công tác của máy cần dựa trên mối quan hệ giữa thông số đầu vào mà cụ thể ở đây à giá trị của các khâu khớp với vị trí của bộ phận công tác Mối quan hệ này đƣợc xác định dựa trên các bài toán động học của máy và đƣợc mô tả trong hình 4.3

Bài toán động học thuận

Bài toán động học ngược

Vị trí khâu công tác Giá trị của các khớp xoay và khớp tịnh tiến

Hình 4.3 Sơ đồ mối quan hệ giữa các khớp của robot với vị trí của khâu công tác

Trong phần này sẽ giải quyết các vấn đề về các bài toán động học thuận, động học nghịch và xây dựng giải thuật điều khiển vị trí khâu công tác của máy

Trước khi giải các bài toán động học thuận và ngược ta cần phải vẽ được sơ đồ nguyên lí của máy

Phương trình động học thuận cho ta biết được vị trí tương quan đầu công tác và của các phôi khi ta biết đƣợc độ chuyển vị của từng khớp

Ma trận chuyển đổi giữa các hệ trục tọa độ

Ma trận chuyển đổi từ hệ trục tọa độ {2} và {4} về hệ trục tọa độ gốc {0} là:

Ma trận chuyển đổi từ hệ trục tọa độ {4} về hệ trục tọa độ {2} là

Vậy vị trí của đầu công tác trong hệ tọa độ {4} so với hệ tọa độ {2} là:

Phương trình động học ngược cho ta biết được độ chuyển vị của các khâu

Cân bằng các phần tử của (4.10) và (4.11), ta được hệ phương trình:

Ta cần phải tìm chuyển vị của 3 khớp tịnh tiến và 1 khớp xoay, trong khi ta chỉ có được 3 phương trình Có nghĩa à để đảm bảo đầu cắt chạy theo biên dạng đã cho, hệ thống hiện tại đã thừa 1 chuyển vị Để cố định chuyển vị này, ta đặt thêm yêu cầu: đầu cắt vuông góc với bề mặt cần cắt Phương của đầu cắt phải vuông góc với phương tiếp tuyến tại vị trí cần cắt

Phương của đầu cắt trong hệ tọa độ {0} là

⃗ [ ] Gọi 𝐴 là vị trí của đầu cắt hiện tại trong hệ tọa độ {2}

Vectơ chỉ phương của tiếp tuyến của đường cần cắt tại A trong hệ tọa độ {2} là:

Do đó véc tơ chỉ phương trong hệ tọa độ {0} là

Theo điều kiện vuông góc

Ta có được hệ phương trình sau

Từ đó ta tìm đƣợc chuyển vị cần thiết của các khớp là

4.3 Hoạch định quỹ đạo chuyển động

Các khâu chuyển động đồng thời và phối hợp dụng cụ công tác đi theo các phương trình đường cắt trong một thời gian t xác định trước Đây à đường dẫn liên tục

Phương trình đường cắt trong không gian Descartes sẽ được chia nhỏ thành tập hợp các điểm cách đều nhau một khoảng cách nhỏ ∆p Bài toán động học ngƣợc để sử dụng để xác điịnh tập hợp các điểm trung gian trong không gian

Biến các khớp tương ứng với tập hợp các điểm trung gian trong không gian Descartes

Việc hoạch định quỹ đạo đƣợc xem là việc xác định quy luật chuyển động của các biến khớp, từ đó điều khiển chuyển động của từng khớp để tổng hợp thành chuyển động chung của hệ thống Robot theo quỹ đạo đường cắt đã định trước

Quỹ đạo hoạch định phải đảm bảo tính liên tục về vị trí, vận tốc, gia tốc và quỹ đạo đa thức bậc ba được lựa chọn trong trường hợp này Giả sử khớp thứ n quay góc và trong các khoảng thời gian và tương ứng, quỹ đạo đa thức bậc ba của biến khớp n có dạng

(4.18) ̇ (4.20) Việc xác định các tham số của các đa thức dựa trên các điều kiện ràng buộc sao cho đảm bảo điều kiện liên tục về vị trí, vận tốc và gia tốc

Các khoảng thời gian đƣợc chia đều nên

Giải các phương trình trên ta được ̇ ̇

Sử dụng quỹ đạo đa thức bậc 3 cho các bước chuyển động, ta có: ̇ ̇

Hình 4.4 Dạng quỹ đạo của đa thức bậc 3

-Máy cắt ống 4 trục có 3 trục truyền chuyển động theo phương tịnh tuyến thẳng (X,Y,Z) và một trục thứ tƣ à trục xoay A Nên về nguyên lý có thể cắt được mọi vị trí và hướng nằm trong không gian làm việc

-Điểm làm việc của máy cắt ống là trục thứ 4 không chỉ xoay liên tục nối tiếp mà còn có sự khối hợp di chuyển điểm công tác cuối-đầu cắt; có thể di chuyển liên tục hoặc dứng yên tại chỗ so với hệ tọa độ gốc {0}

-Khi ống xoay góc với vị trí và vận tốc khác nhau, mặc dù quỹ đạo cần cắt trong thực tế ( trong hệ tọa độ {-1} à không đổi, nhƣng khí đó, quỹ đạo đƣợc hoạch định mà điểm công tác cuối, đầu cắt, phải đi ngang qua trong hệ tọa độ gốc {0} là rất phức tạp, nhƣng vẫn không nằm ngoài các công thức đã đƣợc chỉ ra bên trên Sẽ có vô số những quỹ đạo như thế tương ứng từng giá trị góc xoay

-Để vấn đề trở nên đơn giản, dễ hiểu, dễ lập trình và vận hành, ta chỉ xoay ống trong các trường hợp đặc biệt bao gồm:

Vị trí, hướng cắt hoặc cả hai nằm ngoài giới hạn của tay máy có thể thực hiện Khi đó, ta mới thực hiện vừa xoay vừa cắt Để nhận biết vị trí hoặc hướng cắt có nằm ngoài giới hạn tay máy ta cho giải bài toán động học ngƣợc trên toàn quỹ đạo cắt; phương trình vô nghiệm, cụ thể không giải được , máy tính báo lỗi vô nghiệm Không có giá trị các góc , , , nào phù hợp với bài toán Lúc này ta mới vừa xoay vừa cắt

Trong trường hợp vừa xoay vừa cắt ở hai mặt của một ống, mà ở mỗi mặt của ống, vị trí và hướng cắt đều nằm trong vùng hoạt động của máy Khi đó ta cắt ở một mặt ống trước, trong trạng thái góc = 0 Sau khi cắt xong một mặt ta xoay góc 0 0 và tiếp tục thực hiện công việc nhƣ quỹ đạo hoạch định

Trong trường hợp thứ ba à điểm công tác cuối, đầu cắt chỉ di chuyển trên một đường thẳng, hay quỹ đạo cắt là một đường thẳng trong hệ tọa độ gốc {0}

Kết quả mô phỏng

Mô phỏng và thực nghiệm đã đƣợc thực hiệm để kiểm chứng giải thuật đề nghị Hai loại ống đƣợc nghiên cứu là ống tròn ( 𝑚𝑚) và ống vuông ( 𝑚𝑚

𝑚𝑚) Thiết bị gia công 4 trục sử dụng cho nghiên cứu đã đƣợc trình bày ở chương Mô hình hóa

Kết quả mô phỏng cho ống tròn, chữ nhật và kết quả thực nghiệm tương ứng được được xác đinh thống qua một số trường hợp cụ thể được trình bày dưới đây

 Trường hợp 1 : Cho ống trụ tròn có bán kính Cắt trên bề mặt ống trụ đó theo biên dạng à đường giao nhau giữa ống trụ nói trên với một ống trụ khác có bán kính là với , với điều kiện à đường trục của 2 ống vuông góc và cắt nhau

Hình 5.1 Hai ống trụ tròn cắt nhau Ống 𝑅 Ống 𝑅

Hình 5.2 Kết quả mô phỏng cắt biên dạng tròn trên ống trụ tròn

 Trường hợp 2: Cho ống trụ tròn bán kính Cắt trên bề mặt ống trụ đó theo biên dạng à một hình chữ nhật

Hình 5.3 Kết quả mô phỏng cắt biên dạng vuông trên ống trụ tròn

 Trường hợp 3: Cho một ống trụ vuông Cắt trên bề mặt ống trụ đó theo biên dạng là một đường tròn

Hình 5.4 Kết quả mô phỏng cắt biên dạng tròn trên ống trụ vuông

 Trường hợp 4: Cho một ống trụ vuông Cắt trên bề mặt ống trụ đó theo biên dạng là một hình vuông

Hình 5.5 Kết quả mô phỏng cắt biên dạng vuông trên ống trụ vuông

Trình t để xác định sai s .1 Ca líp l i chuyển vị của từng tr c trên máy

Sử dụng chức năng Ca ibrate có trong phần mềm MACH3 để kiểm tra lại độ chính xác trong dịch chuyển của từng trục

5.2.2 Tiền hành cắt ng theo một s biên d n n ƣ đã n u

Sau khi tiến hành cắt xong, ta giữ nguyên ống đã cắt trên máy và tiến hành đo sai số

Vì máy sử dụng đầu cắt laser nên kết quả à đường cắt sẽ khác với quỹ đạo dịch chuyển của đầu cắt nhƣ sau:

Quỹ đạo dịch chuyển của đầu cắt Giới hạn của đường cắt thực tế

Hình 5.6 Hình dạng thực tế của đường cắt Vì không thể biết được chính xác vị trí của quỹ đạo cắt trên đường cắt nên ta sẽ xác định gian tiếp thông qua 2 đường giới hạn của đường cắt thực tế Cụ thể, để giải quyết vấn đề đo sai số trong 4 trường hợp nêu ở trên, ta đi vào giải quyết các trường hợp như sau:

Xác định sai s đ i với bề mặt cắt là mặt phẳng (cắt trên ng tr vuông)

 Xác định khoảng cách giữa 2 đường thẳng song song Để xác định khoảng cách giữa 2 đường thẳng a và b, ta dịch chuyển đầu đo theo n lần Điều kiện là lần thứ sẽ có tọa độ cố định không đổi và ghi lại 4 tọa độ Khoảng cách giữa 2 đường thẳng được xác định trong mỗi lần đo nhƣ sau:

Suy ra khoảng cách trung bình giữa 2 đường thẳng được xác định như sau:

Hình 5.7 Hai đường cắt song song với nhau

 Xác định đường tròn qua tọa độ nhiều điểm đo Để xác định bán kính đường tròn cần đo, ta xác định gián tiếp thông qua bán kính của 2 đường tròn tạo bởi 2 đường giới hạn trong và ngoài của vết cắt

Hình 5.8 Đường cắt có dạng tròn

Giả sử ta đo đƣợc toạ độ của n điểm ; là với và toạ độ tâm đường tròn ; – ta uôn xác định được bán kính của đường tròn tại mỗi điểm đo nhƣ sau:

Từ toạ độ của n điểm đo ta có được bán kính trung bình của đường tròn đó là:

Như vậy bán kính tại từng điểm trên đường tròn sẽ là sai lệch với bán kính trung bình một giá trị

Người ta uôn tìm được một đường tròn xấp xỉ tốt nhất với tập n điểm đo

Phương pháp bình phương bé nhất chỉ ra rằng sẽ là bán kính của đường tròn gần đúng nhất với bộ số liệu đo khi tổng bình phương các sai ệch đạt giá trị nhỏ nhất, nghĩa à:

∑ ; ; ; 𝑚 (5.6) Theo định lý Fecma, biểu thức này đƣợc thoả mãn khi vi phân toàn phần theo bằng 0 Từ đó ta có được hệ phương trình:

Trong hệ phương trình trên, ; là toạ độ các điểm đo bằng số đã biết sau khi đo Nghiệm của hệ phương trình ; là toạ độ tâm đường tròn cần đo Bán kính của đường tròn ngoài nhận được sau khi xác định được các giá trị ;

Tương tự, ta xác định được bán kính đường tròn trong Vậy, bán kính của đường tròn tạo bởi quỹ đạo cắt là:

 Khoảng cách giữa 2 đường thẳng nằm trên mặt trụ, song song với nhau và vuông góc với trục tâm của ống x z y

Hình 5.9 Hai đường thẳng nằm trên mặt trụ song song với nhau và vuông góc với trục tâm của ống Trong trường hợp này, khoảng cách từ 2 đường giới hạn của vết cắt đến quỹ đạo chuyển động mong muốn của đầu cắt khi chiếu xuống mặt phẳng là không đổi nên ta có thể áp dụng lại phương pháp như đã sử dụng với mặt phẳng

VD: Ta cần đo khoảng cách Tuy nhiên do hình chiều của là nên ta có thể đo thông qua đo tương tự như đo trên mặt phẳng

 Khoảng cách giữa 2 đường thẳng nằm trên mặt trụ, song song với nhau và song song với trục tâm của ống

Trong trường hợp này, khoảng cách từ 2 đường giới hạn của vết cắt đến quỹ đạo chuyển động mong muốn của đầu cắt khi chiếu xuống mặt phẳng là bị thay đổi nên ta phải dùng phương pháp khác

VD: Trong hình, vì 𝐴 𝐴 , nên ta không xử í đƣợc nhƣ ở trên mặt phẳng x z y

Hình 5.10 Hai đường thẳng nằm trên mặt trụ song song với nhau và song song với trục tâm của ống y z

Hình 5.11 Hình chiếu của 2 đường thẳng trên lên mặt phẳng yOz Ta xác định điểm tọa độ điểm thông qua tọa độ 𝐴 và nhƣ sau:

Bằng máy, ta đo đƣợc tọa độ 𝐴 và lần ƣợt là: ; ; và ; ; với

Phương trình của mặt trụ ống là: , với R là bán kính của ống trụ

Giải hệ phương trình sau: {

→ Tính đƣợc Từ đó ta tính đƣợc các góc 𝐴̂ ; ̂ → (5.11)

Thay vào phương trình ống trụ, ta tính ra được: ; ; Dựa vào đó ta có thể tiếp tục xác định khoảng cách giữa 2 đường thẳng nhƣ ở trên.

Xử lý s l ệu

Dựa vào các phương pháp xác định sai số trên, ta xác định sai số cho từng trường hợp sau:

Hình 5.12 Kích thước biên dạng hình chữ nhật cần khắc trên ống vuông

Hình 5.13 Kết quả khắc biên dạng hình chữ nhật lên ống vuông

 Xác định khoảng cách giữa 2 đường thẳng và Bảng số liệu (đơn vị: m m )

Các vị trí (1) (2) (3) (4) (5) x n -16,729 -9,579 -2,503 -25,214 -36,318 y b’c’ -0,192 -0,105 -0,1 -0,167 -0,067 y b’’c’’ -1,392 -1,227 -1,322 -1,366 -1,167 y ad -21,44 -21,517 -21,548 -21,365 -21,048 Bảng 1: Xác định khoảng cách giữa 2 đường thẳng và

Kết quả: khoảng cách thực tế giữa và là : 𝑚𝑚

Bảng 2: Xác định khoảng cách giữa 2 đường thẳng và

Các vị trí (1) (2) (3) (4) (5) x n -3,469 -9,955 -17,938 -25,175 -35,635 y e’f’ -34,768 -34,941 -34,84 -34,94 -34,639 y e’’f’’ -35,967 -35,92 -35,979 -35,919 -35,96 y ad -55,504 -55,885 -55,649 -55,785 -55,975 Bảng 3 : Xác định khoảng cách giữa 2 đường thẳng và

Kết quả: khoảng cách thực tế giữa và là :

Hình 5.14 Kích thước biên dạng hình tròn cần khắc trên ống vuông

Hình 5.15 Kết quả khắc biên dạng hình chữ nhật tròn lên ống vuông

 Xác định bán kính cung tròn Bảng số liệu (đơn vị: m m )

Bảng 5: Xác định bán kính cung tròn

Kết quả: Bán kính thực tế của cung tròn là : 𝑚𝑚

 Xác định bán kính cung tròn Bảng số liệu (đơn vị: m m )

Bảng 6: Xác định bán kính cung tròn

Kết quả: Bán kính thực tế của cung tròn là : 𝑚𝑚

Hình 5.16 Kích thước biên dạng hình vuông cần khắc trên ống tròn

Hình 5.17 Kết quả khắc biên dạng hình vuông tròn lên ống tròn

 Xác định khoảng cách giữa 2 đường thẳng và Bảng số liệu(đơn vị: m m )

Bảng 8: Xác định khoảng cách giữa 2 đường thẳng và Kết quả: khoảng cách thực tế giữa và là : 𝑚𝑚

Hình 5.18 Kích thước biên dạng hình tròn cần khắc trên ống tròn

Hình 5.19 Kết quả khắc biên dạng hình tròn lên ống tròn

Bảng số liệu (đơn vị: m m )

Bảng 9: Xác định vị trí của cung tròn (đơn vị: m m )

Bảng 10: Xác định vị trí của cung tròn (tt)

Kết quả: bán kính thực tế của đường tròn là : 𝑚𝑚

- Sai số tối đa khi khắc trên trụ tròn là : 𝑚𝑚 - Sai số tối đa khi khắc trên trụ vuông là : 𝑚𝑚

Kết luận

Nhìn chung đề tài đã đạt đƣợc cơ bản các mục tiêu đề ra nhƣ: nghiên cứu, thiết kế và mô hình thực nghiệm máy cắt ống bằng laser mini 4 trục Giải chính xác bài toán động học thuận và động học ngƣợc cho hệ thống, hoạch định quỹ đạo và hướng cắt cũng như thiết kế thành công bộ điều khiển bám quỹ đạo cho đầu khắc laser

Các kết quả sai số mô phỏng và kết quả thực nghiệm ần ƣợt đƣợc chỉ ra tường minh àm cơ sở cho việc so sánh, đánh giá mô hình Đặc biệt à kết quả mô phỏng 3D theo thời gian thực à tiền đề quan trọng cho việc xây dựng mô hình thực nghiệm và kết quả thực nghiệm đã chứng minh tính đúng đắn của ý thuyết

6.2 Hướn át tr ển của đề t

Mô hình mô phỏng 3D theo thời gian thực trong môi trường Mat ab iên kết với So idWorks trực quan có thể nhân rộng cho các hệ thống CNC khác với các trục cao hơn, giúp đánh giá và kiểm tra chính xác cơ sở ý thuyết đã xây dựng

Bộ điều khiển bám quỹ đạo hiện tại có thể được cải tiến theo các phương pháp điều khiển khác nhằm tăng độ chính xác và tốc độ àm việc của máy

Trang bị thêm cho máy cắt ống các cảm biến góc trực tiếp ở khớp xoay nhằm khử sai số cơ khí (back ash) do hệ thống bánh răng giảm tốc gây nên Và các cảm biến này phải có độ phân giải rất cao nhằm tăng độ chính xác cho máy

Sử dụng các vi điều khiển mạnh hơn nhằm tăng tốc độ xử ý, đồng nghĩa với việc có thể chia quỹ đạo nhỏ hơn nữa nhằm tăng độ mƣợt cho hoạt động của máy

[1] TS Trần Đức Quý, TS Phạm Văn Bổng, ThS Nguyễn Xuân Chung, ThS Nguyễn Văn Thiện, ThS Hoàng Tiến Dũng, ThS Trịnh Văn Long, Giáo trình Công nghệ CNC , Hà Đông , NXB Giáo dục, 2008 pp

[2] Đặng Minh Phụng, Lê Hiếu Giang, Nguyễn Văn Lâm, Nguyễn Trường Hải và Lê Tấn Cường, Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy phay CNC 4 trục sử dụng trong chương trình Mach3 trong gia công nhôm và kim loại màu , ,

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV, pp113-118

[3] A.Hace, M Rodic, M Terbuc, K Jezernik, Robust Motion Control and Trajectory Planning for Planar Laser Cutting System , Advanced Motion

Control, 1998 AMC '98-Coimbra., 1998 5th International Workshop on, July 1998, pp 53-58

[4] P.Dr.Safeen Yaseen Ezdeen, Ahmed Khalid Ahmed, Simulation of the Dynamic Model of a 3-Axis Stabilized Satellite , 1st International Conference on Engineering and Innovative Technology, SU- ICEIT 2016, April 12- 14, 2016

[5] Hu Zhanqi, Li Yukun, 4-Axis CNC Machine Tool for Relief Grinding Sphere Gear Hob, TELKOMNIKA, Vol.10, No.7, November 2012, pp

[6] Wang Fenga et al., Design and Implementation of Five-axis Transformation Function in CNC system , Chinese Journal of Aeronautics

[7] Vladimir Kvrgic et al., A control algorithm for a vertical 5-axis turning centre , The Int’ Journa of Advanced Manufacturing Techno ogy, Ju y 2012, postprocessor based on generalized kinematics model of machine tool , The

International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol 47, Issues 3–4, March 2007, pp 537–545

[9] Andrew Warkentin, Paul Hoskins, Fathy Ismail, Sanjeev Bedi, Computer Aided 5-Axis Machining, Systems techniques and computational methods ,

[10] Vladimir Kvrgic et al., Optimization of rotations for six-axis machining ,

The Int’ Journa of Advanced Manufacturing Technology, March 2011, Vol

53, Issue 5, pp 435–451 [11] R.-S Lee and C.-H She, Developing a Postprocessor for Three types of

Five-axis Machine Tools , International Journal of Advanced Manufacturing

Technology (1997) pp 658-665 [12] Ramesh, R., Mannan, m.a & Poo A.N (2000) Error compensation in machine tools a review Part I: geometric, cutting-force induced and fixture dependent errors International Journal of Machine Tools &

[13] Shein, T.M.M (2001) Systematic error compensation in 5-axis milling machines , (Master thesis No ISE-01-24, Asian Institute of

Technology, 2001) Bangkok: Asian Institute of Technology

Họ và tên: NGUYỄN THỊ THÁI HUYỀN Ngày sinh: 01/06/1978 Nơi sinh: An Giang Địa chỉ iên ạc: 700/32, Trần Hưng Đạo, P Mỹ Phước, TP Long Xuyên, An Giang

Bậc đ t Nơ đ t uy n n n N t t n ệ Đại học Trường Đại học Bách Khoa ĐHQG Tp.HCM

Kỹ thuật Điện-Điện tử

Thạc sĩ Trường Đại học Bách Khoa ĐHQG Tp.HCM

Kỹ thuật Cơ Điện tử

T ờ an ơn vị c n tác Vị tr c n tác

Từ 09/2007 đến nay Trường Cao đẳng Nghề

PHỤ LỤC 1: THIẾT KẾ CƠ KHÍ

1 Yêu cầu thiết kế: Đối với yêu cầu của máy: mang đầu công tác di chuyển trên mặt phẳng XY

Với các yêu cầu sau:

- Hành trình theo bàn máy 200 m m X 200 m m - Vận tốc cắt thay đổi được với vận tốc tối đa: 80𝑚 𝑚 /𝑝hút , thời gian tăng tốc 2𝑠

- Có thể khắc được trong mặt phẳng 3D hoặc ống trụ tròn, vuông hoặc đa giác

2 Tính toán dung sai Để đảm bảo độ chính xác của máy cắt ống sau khi thiết kế dung sai của các thành phần lắp ráp phải được đảm bảo Theo yêu cầu thiết kế ta có độ chính xác là 0.05𝑚𝑚 (5%) Độ chính xác này là độ chính xác tương tính đối từ vị trí Home của máy trên đến vị trí của mỗi điểm gia công mỗi trục Ở đây, vị trí Home được tác giả thiết lập là vị trí của cảm biến tiệm cận cuối hành trình Do đó cần xét đến các yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của máy trên các trục Trước tiên, ta thiết lập sơ đồ tính dung sai

Sơ đồ chuỗi kích thước cho máy như sau:

Hình 1: Sơ đồ chuỗi kích thước

Với 𝑂 là vị trí điểm Home, 𝐴 1 là chiều dài trục X, 𝐴 2 là chiều dài trục Y, 𝐴 3 là vị trí điểm cuối cần điều khiển cũng là kích thước khâu khép cần có độ chính xác

Do đó, khâu khép kín 𝐴𝛴 = 𝐴 3 nên ta có:

⟹ 𝐴𝛴 = 𝑐𝑜𝑠𝛼 ×𝐴 1 +𝑠𝑖𝑛𝛼 ×𝐴 2 Trong đó: 𝑐𝑜𝑠𝛼 ×𝐴 1 , ×𝐴 2 là hình chiếu của khâu 𝐴 1 , 2 trên phương khâu khép kín

Theo yêu cầu thiết kế cho máy cần có độ chính xác là 0.05𝑚 𝑚 , đây cũng là độ chính xác của khâu khép kín Dung sai của khâu khép kín được tính như sau:

𝑇𝛴 = 𝑐𝑜𝑠𝛼 ×𝑇 1 +𝑠𝑖𝑛𝛼 ×𝑇 2 Khi hoạt động khắc xảy ra khâu 𝐴 1,2 có kích thước thay đổi nên khâu 𝐴1,𝐴 2 có dung sai khi di chuyển 𝐴 1,2 thay đổi dẫn tới sự thay đổi của 𝑐𝑜𝑠𝛼 và 𝑠𝑖𝑛𝛼

Tuy nhiên: 𝑐o𝑠𝛼 ≤ 1 và 𝑠𝑖𝑛𝛼 ≤ 1 nên ta được:

𝑇𝛴 ≤ 𝑇 1 +𝑇 2 Từ biểu thức trên nếu ta tính dung sai thỏa mãn khâu khép kín ′ = 𝑇 1 +𝑇 2 thì dung sai 𝑇𝛴 cũng được thỏa mãn

Từ yêu cầu của khâu khép kín ta tính ra dung sai của các khâu thành phần Để thực hiện tính dung sai cho các khâu thành phần ta thực hiện tính toán như sau:

- Dựa vào chuỗi kích thước ta xác định khâu 𝐴 1,2 là khâu tăng

- Giả thuyết tất cả các khâu thành phần được chế tạo ở cùng một cấp chính xác và hệ số cấp chính xác chung được tính: 𝑎 1 = 𝑎 2

Như vậy dung sai của hai khâu thành phần là: 𝑇 1 = 𝑎 1 ×𝑖 1 và 𝑇 2 = 𝑎 2 ×𝑖 2 Từ đó suy ra:

≈ 7 Với 𝑎 1 = 𝑎 2 = 7 ta chọn cấp chính xác 5 làm cấp chính xác chung cho các khâu thành phần

Với cấp chính xác đã chọn, ta kiểm tra lại sai lệch giới hạn và dung sai cho hai khâu 𝐴 1,2 :

Với phần tính toán dung sai này là cơ sở để tính toán chọn vít-me và thanh trượt tuyến tính cho các phần thiết kế tiếp theo

3 Kết cấu thiết kế các cụm máy cắt 3 1Thân máy

Thân máy thiết kế như sau:

- Thiết kế tinh giản gồm bốn tấm nhôm ghép với nhau bằng vít định vị Shoulder Bolt Ở đây, vít Shoulder Bolt có hai vai trò định vị và ghép chặt các tấm nhôm với nhau

- Thân máy được lắp ráp đầu tiên, trên thân máy có các chi tiết định vị cho các chi tiết trục chuyển động X: định vị vít-me, động cơ và thanh trượt tuyến tính

Kết cấu cụm truyền động theo trục X

Nhiệm vụ của cụm trục X: là điều khiển bàn máy tịnh tiến theo phương X

Hình 2 : Mô hình thiết kế cụm trục X Cụm truyền động trục X được thiết kế như sau:

-Sử dụng động cơ kéo đai răng để dẫn động vít-me trục X

-Vít-me được đặt ở giữa bàn máy để loại trừ trường hợp chuyển động bị lệch do một bên sử dụng vít-me, một bên chỉ sử dụng thanh dẫn hướng

-Thông số vít-me: bước 2𝑚𝑚, chiều dài 740𝑚𝑚, đường kính 16𝑚𝑚

-Sử dụng một thanh kết nối từ con trượt của vít-me đến con trượt của thanh dẫn hướng

-Hai đầu của vít-me được định vị trên bàn máy thông qua hai đỡ trục, hai đỡ lại được gắn và định vị trên thân máy qua vít Shoulder Bolt

-Dùng thanh trượt tuyến tính hai bên để dẫn hướng cho vít me

-Thanh trượt tuyến tính được định vị trên hai lỗ trụ của bàn máy, sử dụng vòng găng để chặn chuyển động dọc của trục

-Thanh trượt tuyến tính sử dụng thông số: đường kính của thanh trượt tuyến tính 16𝑚𝑚, chiều dài 740𝑚𝑚

-Con trượt sử dụng trong thanh trượt tuyến tính có dạng 𝑆𝐿 Trên con trượt tuyến tính có các lỗ để định cho việc lắp ráp thân máy trên.

Kết cấu cụm truyền động theo trục Y

Nhiệm vụ của cụm trục X: là mang cụm trục X và cụm trục A tịnh tiến theo phương Y

Hình 3: Mô hình thiết kế cụm trục Y

Thiết kế cụm truyền động trục Y như sau:

Toàn bộ trục chuyển động dựa trên kết cấu gắn hai tấm gắn trên hai con trượt tuyến tính của trục X

-Phần di chuyển theo trục Y được thiết kế tương tự như trục X như sau:

-Sử dụng động cơ kéo đai răng để dẫn động vít-me trục Y Thông số vít-me như sau: dài 590𝑚𝑚, bước 2𝑚𝑚, đường kính 16𝑚𝑚

-Sử dụng thanh trượt tuyến tính để dẫn hướng cho vít-me, vòng găn chặn hai đầu thanh trượt tuyến tính

-Thanh gá giữa trục vít-me và con trượt tuyến tính dùng làm giá đỡ cho cụm đầu khắc

3.4 Kết cấu cụm truyền động theo trục Z

Nhiệm vụ của cụm trục Z: là điều khiển cụm trục laser (dao) tịnh tiến theo phương Z

Hình 4: Mô hình thiết kế cụm trục Z

Kết cấu cụm truyền động theo trục A

Nhiệm vụ của cụm trục A: là điều khiển chi tiết gia công xoay quanh trục X

Hình 5 : Mô hình thiết kế cụm trục A

Động cơ truyền động .1 Tính toán công suất động cơ

Trong phần tính toán để chọn công suất cho động cơ động cơ truyền động, tính đến các yếu tố tác động lên động cơ bao gồm: momen cần tác dụng và vận tốc của trục Trước tiên, ta xét moment tác dụng lên trục

Bộ truyền động được sử dụng máy cắt là vít-me đai ốc bi Động cơ truyền thông qua bánh đai răng Để tính công suất động cơ xem xét lực tác dụng lên vít-me đai ốc bi như sau:

Hình 6 Sơ đồ lực tác dụng lên vít –me đai ốc bi Máy cắt ống sử dụng đầu cắt laser nên không có tác dụng lực của đầu công tác Do đó, lực tác dụng lên vít me chỉ còn trọng lực 𝑃 = (𝑁) do khối lượng mà hệ truyền vít-me đai ốc bi mang theo Trọng lực này gây nên lực ma sát, chính lực ma sát này ảnh hưởng đến momen cần được tác dụng của trục vít-me

Momen yêu cầu để tác di chuyển bàn máy

Trong đó: 𝑇: Momen tác dụng (N)

𝑃ℎ: Bước ren của vít-me (m m )

1 : Hiệu suất của vít-me Lực ma sát 𝑎 được tính toán như sau:

Trong đó: 𝜇 = 0.003 Hệ số ma sát lăn của bộ truyền vít me đai ốc bi 𝑔 = 9.81 Gia tốc trọng trường (𝑚/𝑠 2 )

𝑚 = 14.1 Khối lượng vận chuyển (𝑘𝑔) Áp dụng các thông số của bàn máy ta có momen động cơ như sau:

Tiếp theo, ta giả xét tới vận tốc của động cơ Theo yêu cầu của phần thiết kế cơ khí: vận tốc tối đa của bàn máy 1000𝑚 𝑚 /𝑝ℎú𝑡 và bước vít-me được tính toán là 2𝑚 𝑚 Do đó vận tốc của động cơ được tính như sau:

Công suất của động cơ là:

Công suất động cơ trên được tính toán cho động cơ truyền động trục ngang X Động cơ trục Y và ống trụ tròn được lựa chọn hoàn toàn giống động cơ trục X để đồng nhất các động cơ, đơn giản cho phần điều khiển và quản lý hệ thống máy

3.6.2 Lựa chọn động cơ Động cơ được lựa chọn cần đáp ứng được các tiêu chí như sau:

- Độ phân giải trên mỗi trục đạt được ∆𝑚𝑖𝑛= 1𝜇𝑚 Suy ra 𝑁 – số 𝑥𝑢𝑛𝑔/𝑣𝑔 của động cơ:

𝑥𝑢𝑛𝑔 𝑣𝑔 -Tốc độ động cơ phải đạt được vận tốc :

𝑣𝑚𝑎𝑥 (𝑚 𝑚 /𝑝ℎ) Vận tốc tối đa trên mỗi trục có thể đạt được 𝑛đ𝑐 (𝑣𝑔/𝑝ℎ) Số vòng quay của động cơ

- Công suất động cơ lớn hơn 7𝑊

Từ các yêu cầu trên động cơ được sử dụng là AC servo của hãng Yaskawa, có số hiệu: SGDH 01AE

Các thông số thỏa yêu cầu:

- Số vòng quay động cơ 3000 𝑣𝑔/𝑝ℎ

- Công suất: 𝐴3 tương ứng với 0.03𝑘𝑊 = 30𝑊 -Điện áp vào: 200𝑉 𝐴𝐶

-Encoder: encoder tương đối với độ phân giải 𝑁 = 213 = 8192𝑥𝑢𝑛𝑔/𝑣𝑔

 Lựa chọn đầu khắc laser

Laser được sử dụng hiện nay sử dụng trong công nghiệp để cắt hoặc khắc có các dạng chính như sau:

- Laser sử dụng hoạt chất trong buồng cộng hưởng Phương pháp laser này đem lại nguồn laser có công suất cao từ 20W – 100kW Tuy nhiên, hệ thống dẫn tia laser đến nơi tác động cần phải có độ chính xác cao gồm hệ thống gương phản xạ và thấu kính hội tụ

-Laser bán dẫn có công suất thấp 2W, nhỏ gọn Để sử dụng laser bán dẫn chỉ cần cung cấp nguồn điện cho đầu công tác Tuy nhiên, công suất này phù hợp cho việc đốt cháy gỗ, nhựa PE Do đó, khắc bằng laser bán dẫn được lựa chọn để sử dụng trong khắc gỗ

Thông số của đầu laser bán dẫn như sau:

- Đầu laser sử dụng NDB7875 của hãng Nicha

- Có thể đạt nhiệt độ 3000𝐶 khi tập trung năng lượng

Thông số kỹ thuật của máy Đặc tính kỹ thuật Thông số

Hành trình vít me trục X 200m m

Hành trình vít me trục Y 200m m

Hành trình vít me trục Z 50m m

Không gian có thể gia công (kích thước phôi lớn nhất có thể gia công được)

160 X 160 X 50 Động cơ AC Servo Trục X,Y,Z 110VAC Servo Motor Động cơ trục xoay ( trục A) Step 2 pha nguồn 12V

Tốc độ khắc lớn nhất 80m m /phút Đường kính khắc tối đa 40m m

Khả năng gia công Mọi đường cong 3D trên ống trụ tròn, trụ vuông hoặc trụ bất kì Độ chính xác đo đạc sau gia công e tròn = 0,9140 m m e vuông = 0,7897 m m

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy CNC 4 trục

Hình 7 Sơ đồ khối máy CNC 4 trục

Phần mềm điều khiển máy CNC 4 trục

Hình 8 Giao diện thời kỳ đầu điều khiển Mach 3

Thời kỳ đầu Mach3 CNC được coi là phần mềm mã nguồn mở Vì vậy Mach3 CNC được phát triển nhanh, giao diện phong phú, nhiều tính năng, tiêu chuẩn CAD/CAM Ngày nay, Mach3 CNC (hãng sản xuất: ArtSoft USA) trở thành phần mềm thương mại nhanh hiện đại, giá thành thấp và được nhiều người sử dụng, với các đặc tính cơ bản sau: - Giao tiếp với phần cứng máy CNC thông qua cổng

LPT, cho phép biến một PC thành một bộ điều khiển máy CNC thời gian thực - Bộ điều khiển Mach3 hoàn toàn tương thích với các máy như: phay CNC, tiện CNC, cắt Plasma, máy khắc, cắt Laser - Giao diện đẹp, dễ dàng tùy biến theo ý thích của người sử dụng - Nhận file G-code, M-Code tiêu chuẩn từ các phần mềm CAM - Mô phỏng quá trình làm việc rất rõ ràng, khai báo các thông số của hệ thống dễ dàng - Cho phép đọc các file có định dạng dxf, bmp, jpg, và các file hpgl qua LazyCam kèm theo Mach3 - Cho phép set vị trí Home của phôi thông qua các phím của bàn phím máy tính - Chức năng nội suy tọa độ, giải mã xuất tín hiệu xuống driver các trục.

Hệ thống điều khiển điện

Hình 9 Mạch động lực điều khiển động cơ