iv TÓM TẮT ĐỒ ÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CỤM TRỤC Z DI CHUYỂN TỰ ĐỘNG THEO BIÊN DẠNG CỦA BỀ MẶT TẤM NHẰM CẢI TIẾN CHẤT LƯỢNG ĐƯỜNG CẮT CHO MÁY CNC PLASMA Máy cắt plasma CNC được điều khiển
GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Máy CNC hiện nay đã trở thành một phần thiết yếu trong gia công nhờ vào tính linh hoạt, độ chính xác cao và khả năng sản xuất liên tục mà chúng mang lại.
Trong thời đại cách mạng công nghiệp 4.0, các doanh nghiệp không ngừng cập nhật công nghệ mới để nâng cao chất lượng sản phẩm Các phương pháp gia công cơ khí hiện đại như phóng điện ăn mòn, tia lửa điện, xung điện, siêu âm, và các phương pháp hóa học bằng tia laser, tia plasma đã trở nên phổ biến và được ứng dụng rộng rãi.
Phương pháp cắt CNC bằng plasma là công nghệ tiên tiến, mang lại hiệu quả kinh tế cao và được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp Mặc dù vậy, quá trình cắt plasma vẫn tồn tại một số nhược điểm cần được khắc phục.
- Bề mặt kim loại tấm phôi đầu vào cong vênh
- Hiện tượng cong vênh do nhiệt sinh ra trong và sau quá trình cắt
Mỏ cắt cố định chiều cao gây ra khoảng cách không đều giữa phôi và mỏ cắt, dẫn đến hiện tượng khoảng cách thay đổi, lúc gần lúc xa.
- Lúc gần: Mỏ cắt bị ma sát và kẹt với phôi hoặc xỉ cắt
Khi khoảng cách cắt tăng lên, dòng cắt sẽ mạnh hơn và chiều dài hồ quang cũng kéo dài, dẫn đến sự không ổn định của hồ quang Hệ quả là đường cắt trở nên xấu và không đều, thậm chí có thể gây ra hiện tượng mất hồ quang cắt.
Để giải quyết các vấn đề liên quan đến việc đảm bảo khoảng cách giữa mỏ cắt và phôi trong quá trình cắt plasma, nhóm đã quyết định thực hiện đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cụm trục z di chuyển tự động theo biên dạng của bề mặt tấm" Mục tiêu của đề tài là cải tiến chất lượng đường cắt cho máy CNC plasma, nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế trong ngành công nghiệp.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Vận dụng kiến thức thiết kế chế tạo máy CNC, nghiên cứu công nghệ cắt plasma và công nghệ điều khiển tự động để hoàn thiện cụm trục Z mang ý nghĩa khoa học quan trọng Đề tài này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn góp phần tăng năng suất sản xuất, đáp ứng nhu cầu của các doanh nghiệp sản xuất quy mô nhỏ lẻ.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Tổng hợp, đánh giá và phân tích những thiết kế về mô hình máy cắt plasma CNC
2 hiện nay để từ đó nắm bắt nội dung và đưa ra mục tiêu nghiên cứu về đề tài sản phẩm
Tìm kiếm, chọn lọc ghi chép lại các tài liệu tham khảo, website, phần mềm… từ nhiều nguồn có liên quan để so sánh tổng hợp lại nội dung
Nêu ra một số phương án và lựa chọn phương án phù hợp nhất
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của công nghệ cắt plasma
Tính toán, thiết kế và chế tạo kết cấu trục Z nâng hạ mỏ cắt Plasma
Tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống truyền động phù hợp cho cụm trục Z
Thiết kế và mô phỏng mô hình cụm trục Z Plasma trên phần mềm 3D
Chế tạo cụm trục Z nâng hạ mỏ cắt Plasma hoàn thiện
Chạy thử, kiểm nghiệm từ đó đưa ra phương hướng phát triển đề tài.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Máy cắt plasma CNC chưa có trục Z
Phần mềm điều khiển Mach 3 Plasma
Phần mềm thiết kế Creo Parametric 7.0
Phần mềm gia công và mô phỏng My Plasma CNC
Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh cụm trục Z cho máy cắt Plasma tại xưởng công ty CODIA
Hành trình làm việc: 100 (mm)
Vật liệu cắt: Thép, Inox Độ dày cắt max: 10mm – cắt lý tưởng: 8mm
Trục Z hoạt động độc lập, hỗ trợ gia công theo biên dạng cong
Bộ điều khiển máy plasma: Mach3 3 trục và THC
Thời gian thực hiện: 6 tháng.
Phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Cơ sở phương pháp luận
Dựa trên các tài liệu và nghiên cứu trước đây, bài viết phân tích ưu điểm và nhược điểm của các dòng máy hiện có trên thị trường Qua đó, chúng tôi tổng hợp và đánh giá các giải pháp, xác định trường hợp nào là tối ưu hoặc không tối ưu.
1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu liên quan đến công nghệ cắt plasma bao gồm việc thu thập, phân tích và biên dịch thông tin từ nhiều nguồn khác nhau Điều này đảm bảo tính đa dạng và đa chiều của tài liệu, đồng thời tận dụng kết quả từ các nghiên cứu mới nhất để phù hợp với nội dung nghiên cứu của đề tài Ngoài ra, cần quan sát và nghiên cứu các thiết kế máy cắt CNC plasma từ các phiên bản trước để rút ra những bài học quý giá cho công việc hiện tại.
Phương pháp mô hình hóa 3D bằng phần mềm Inventor là trọng tâm của đề tài, nhằm gia công và chế tạo sản phẩm Đây là cơ hội để áp dụng kiến thức đã học vào thực tiễn, đồng thời đối mặt với những thách thức từ các yêu cầu mới trong ngành.
Phương pháp phân tích thực nghiệm: Dựa trên các kết quả thu được trong thực nghiệm lựa chọn được thông số máy phù hợp.
Kết cấu của ĐATN
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo cụm trục Z di chuyển tự động theo biên dạng của bề mặt tấm nhằm cải tiến chất lượng cắt cho máy CNC plasma" bao gồm 6 chương, với chương 1 là phần giới thiệu về đề tài nghiên cứu và tầm quan trọng của việc cải tiến công nghệ cắt trong ngành công nghiệp chế tạo.
Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Chương 4: Phương hướng và các giải pháp thiết kế trục Z máy plasma
Chương 5: Tính toán thiết kế mô hình máy cắt plasma CNC
Chương 6: Chế tạo – thực nghiệm
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Giới thiệu
Máy cắt plasma CNC là dòng máy cắt CNC sử dụng đầu trục plasma có nhiệt độ cao để cắt các bề mặt kim loại như sắt, thép, …
Máy cắt plasma CNC hoạt động dưới sự điều khiển của hệ thống máy tính số hoá, cho phép người điều khiển nhập các thông số và hình dạng cắt Dựa trên thông tin này, máy cắt sẽ di chuyển nguồn plasma theo biên dạng đã chỉ định, thực hiện quá trình cắt kim loại chính xác theo các số liệu đã thiết lập ban đầu.
Đặc tính của máy
2.2.1 Ưu điểm của máy cắt plasma CNC
- Tốc độ cắt nhanh hơn nhiều so với các phương pháp cắt truyền thống khác giúp tăng năng suất, giảm giá thành chung của sản phẩm
Máy cắt có khả năng cắt đa dạng các loại vật liệu kim loại như thép không gỉ, thép cacbon, nhôm, đồng và nhiều kim loại khác, giúp nó trở thành công cụ linh hoạt và đa năng trong gia công chi tiết kim loại.
Máy được thiết kế với độ chính xác cao, cho phép cắt tạo ra các đường cắt sắc nét và tinh tế, đảm bảo chất lượng chi tiết gia công mà không cần gia công lại Điều này giúp giảm thiểu chi phí và tiết kiệm thời gian trong quá trình gia công.
Máy cắt plasma CNC được thiết kế dễ sử dụng, cho phép người vận hành điều chỉnh các thông số cắt một cách linh hoạt qua giao diện thân thiện Điều này không chỉ giảm thiểu thời gian đào tạo mà còn nâng cao hiệu quả làm việc.
Máy được thiết kế với độ ổn định và độ tin cậy cao, giúp duy trì liên tục trong quá trình sản xuất, từ đó góp phần quan trọng vào việc đảm bảo chất lượng và hiệu suất của sản phẩm.
2.2.2 Nhược điểm của máy cắt Plasma CNC
Quá trình cắt plasma tạo ra nhiệt độ cao, gây tác động nhiệt lên vật liệu, có thể dẫn đến biến dạng và thay đổi cấu trúc của chúng Tác động nhiệt này làm giảm tính chất cơ học và ảnh hưởng đến độ bền của các chi tiết gia công Tuy nhiên, bằng cách điều chỉnh các thông số cắt như dòng điện plasma và tốc độ cắt, tác động nhiệt có thể được giảm thiểu hiệu quả.
- Hạn chế trong việc cắt vật liệu phi kim loại như gỗ, nhựa, thủy tinh và gốm, …
Máy cắt plasma CNC không thích hợp cho việc cắt các chi tiết nhỏ và phức tạp do kích thước và tính chất của vòi plasma So với máy cắt laser CNC, máy cắt plasma CNC không đạt được độ chính xác cao trong việc cắt các chi tiết nhỏ, điều này hạn chế khả năng ứng dụng trong các ngành công nghiệp yêu cầu độ chính xác và chi tiết cao.
- Máy cắt plasma CNC yêu cầu sự điều chỉnh đúng các thông số như dòng điện plasma,
Tốc độ cắt, áp suất khí plasma và khoảng cách đến vật liệu là những yếu tố quan trọng mà kỹ thuật viên cần điều chỉnh chính xác để đảm bảo chất lượng cắt và hiệu suất sản xuất Việc điều chỉnh không đúng có thể dẫn đến kết quả cắt kém Tuy nhiên, nhờ vào sự phát triển của hệ thống điều khiển tự động và phần mềm quản lý, quá trình này đã trở nên dễ dàng hơn.
Quá trình cắt plasma sản sinh ra khói, bụi và khí thải, gây ô nhiễm môi trường Ngoài ra, các tia plasma còn tạo ra tiếng ồn và rung động, ảnh hưởng đến môi trường làm việc và sức khỏe nhân viên Để giảm thiểu tác động này, cần thiết phải triển khai biện pháp xử lý khí thải và hệ thống quạt thông gió hiệu quả.
Kết cấu của máy
Hình 2.1: Kết cấu máy cắt plasma CNC
Máy cắt plasma CNC có cấu trúc tổng thể bao gồm các thành phần sau:
Khung máy là phần chịu lực chính, thường được chế tạo từ các vật liệu bền như thép hợp kim hoặc gang, nhằm đảm bảo sự ổn định và cứng vững trong quá trình gia công.
Bàn cắt là một bề mặt phẳng và chắc chắn, được sử dụng để đặt và cố định các vật liệu trong quá trình cắt Thông thường, bàn cắt được trang bị lưới hoặc thanh để tạo điều kiện thông gió, giúp hỗ trợ quá trình cắt mà không làm ảnh hưởng đến mỏ cắt plasma.
Mỏ cắt plasma là thiết bị chủ yếu dùng để cắt và gia công kim loại Nguồn cắt đóng vai trò quan trọng, cung cấp năng lượng cần thiết để hình thành hồ quang plasma, là yếu tố thiết yếu cho quá trình cắt hiệu quả.
Hệ thống điều khiển CNC đóng vai trò như bộ não của máy, diễn giải chương trình cắt từ phần mềm CAM và gửi lệnh đến hệ thống truyền động cùng các bộ phận khác để thực hiện quy trình cắt Các hệ thống điều khiển CNC hiện đại thường được trang bị giao diện màn hình cảm ứng, giúp quá trình lập trình và giám sát trở nên dễ dàng hơn.
Hệ thống trục chuyển động: Bao gồm các trục chuyển động như trục X, trục Y và trục
Z Các trục này cho phép máy di chuyển và gia công trên các hướng khác nhau trong không gian ba chiều Trục X và trục Y thường di chuyển ngang, trong khi trục Z di chuyển theo chiều dọc.
Ứng dụng của máy
Máy cắt plasma CNC được ứng dụng rất nhiều trong ngành cơ khí hạng nạng cũng như cơ khí dân dụng cụ thể như:
Cơ khí hạng nặng: kết cấu thép, nhà tiền chế, đóng tàu, cắt bản mã dày, …
Cơ khí dân dụng: thiết bị nhà bếp, công cụ dụng cụ nông nghiệp, chế tạo máy công cụ, thiết bị cơ khí,
Trang trí nội ngoại thất: làm hoa văn cổng cửa để trang trí nội ngoại thất, làm sắt mỹ thuật, hoa văn cổng cửa,
Ngành quảng cáo: biển quảng cáo, biển số nhà, sản phẩm quảng cáo, …
Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
2.5.1 Các nghiên cứu ngoài nước
Saiful Irfan và các cộng sự đã nghiên cứu máy CNC plasma để xác định hệ số an toàn khung và độ chính xác cắt Kết quả cho thấy khung có hệ số an toàn tối thiểu 4,23 ul và độ chính xác cắt đạt dung sai ± 0,3 mm khi thử nghiệm ba lần với cùng một dụng cụ, 20 dòng điện ở tốc độ 400 mm/phút và độ dày 1,3 mm Trong khi đó, Gurwinder Singh đã áp dụng phương pháp Taguchi để tối ưu hóa các thông số gia công của máy cắt plasma CNC, cho thấy khả năng cải thiện đáng kể tỉ lệ loại bỏ vật liệu Nghiên cứu trên thép có tỉ lệ cacbon thấp Giá trị tới hạn 𝛿 𝑡ℎ Giá trị tải trọng tới hạn Fath (N) được xác định theo công thức Ơle
+ E - modun đàn hồi vật liệu vít, MPa, với thép E = 2,1.10 5 (MPa)
64 = 2485 (𝑚𝑚 4 ) - momen quán tính mặt cắt ngang của vít, mm 4
- Hệ số an toàn ổn định thực tế theo công thức được thỏa:
+ Bộ truyền vít đai ốc với ma sát lăn thì hiệu suất ma sát lăn 𝜂 = 0,8 [9] + Bước ren ps (mm/vòng)
• Các thông số của bộ truyền
- Đường kính trong của vít me 𝑑 1 (𝑚𝑚)
- Khoảng cách từ tâm rảnh lăn tới tâm bi:
- Đường kính vòng tròn qua các tâm bi
- Số bi trên các vòng ren làm việc 𝑍 𝑏 = 𝜋.𝐷 𝑡𝑏 𝐾
- Góc ma sát lăn thay thế
+ Hệ số ma sát lăn thay thế ft
- Hiệu suất biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến
Hệ thống thanh trượt dẫn hướng hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển động tịnh tiến giữa con trượt và ray trượt, mang lại độ chính xác cao và khả năng chịu tải tốt Trong số các loại thanh trượt hiện có trên thị trường, thanh trượt vuông nổi bật với độ cứng và ổn định vượt trội, chịu tải gấp 1,5 lần so với các loại thanh trượt khác.
Để xây dựng mô hình tối ưu cho hệ thống ray dẫn hướng, cần chú trọng đến khả năng chịu tải và tuổi thọ Việc xác định khả năng tải trọng tĩnh danh nghĩa và tải trọng tương đương có thể được thực hiện hiệu quả thông qua giá trị 𝐶 0 (tải trọng động định mức) Tuổi thọ của mô hình có thể được tính toán dựa trên lý thuyết và công thức thực nghiệm, dựa vào đánh giá tải trọng động danh nghĩa.
Các tính toán ray trượt được trích dẫn từ tài liệu “Nghiên cứu tính toán thiết kế mô hình trung tâm tiện - phay CNC” trong tập san sinh viên nghiên cứu khoa học kỹ thuật.
Sau đây là một số yêu cầu và đặc điểm kỹ thuật khi tính chọn một ray trượt
- Tải trọng tĩnh định mức 𝐶 0 được đặt theo giới hạn tải trọng tĩnh cho phép
Sự biến dạng tập trung không đổi giữa kênh dẫn và bi lăn sẽ gia tăng khi ray dẫn hướng chịu tải trọng thừa hoặc va đập diện rộng Khi độ lớn của biến dạng vượt quá giới hạn cho phép, nó có thể cản trở quá trình di trượt của ray dẫn hướng.
- Mômen tĩnh cho phép 𝑀 0 được đặt theo giới hạn của mômen tĩnh
Khi một mômen tác động lên ray dẫn hướng, các vị trí bi lăn cuối cùng sẽ chịu áp lực lớn nhất trong số các áp lực phân bố trên toàn bộ hệ thống bi lăn.
Hệ số an toàn tĩnh 𝑓 𝑠
− 𝐶 0 : tải trọng tĩnh định mức (N);
− P : tải trọng làm việc tính toán (N);
− 𝑀 0 : momen tĩnh cho phép (Nm);
− M: momen đã tính toán (Nm)
Hình 3.5: Bảng thông số 𝑓 𝑠 cho một số loại máy
Hình 3.6: Sơ đồ phân bố tải trọng
Hệ số tải trọng động định mức C
Dù các ray dẫn hướng có cùng kiểu dáng và được sản xuất theo quy trình tương tự, tuổi bền dịch vụ của chúng vẫn có sự khác biệt Do đó, tuổi bền dịch vụ trở thành chỉ số quan trọng trong việc xác định tuổi thọ của hệ thống ray dẫn hướng Để tính toán tuổi bền dịch vụ khi hệ thống chịu tải, tải trọng định mức động C được sử dụng, được xác định dựa trên hướng và độ lớn khi nhóm ray dẫn hướng hoạt động trong cùng điều kiện Tuổi bền trung bình của ray dẫn hướng là một yếu tố cần xem xét.
50 km (nếu bộ phận lăn là bi)
Tính toán tuổi bền danh nghĩa L
Tuổi bền danh nghĩa của ray dẫn hướng chịu ảnh hưởng bởi tải trọng làm việc thực tế Để tính toán tuổi bền danh nghĩa, cần xem xét tải trọng động định mức và tải trọng làm việc thực tế.
Tuổi bền của hệ thống ray chịu ảnh hưởng lớn từ các yếu tố môi trường như độ cứng của đường ray, nhiệt độ và điều kiện chuyển động Do đó, các thông số này cần được xem xét trong quá trình tính toán tuổi bền danh nghĩa.
Công thức tính ứng với:
- C : hệ số tải trọng động (N);
Để đảm bảo khả năng tải tối ưu cho hệ thống ray, tải trọng làm việc (N) yêu cầu độ cứng vững của đường ray phải nằm trong khoảng HRC58-64 Nếu độ cứng thấp hơn mức này, tải cho phép và tuổi bền danh nghĩa sẽ bị giảm.
Để đảm bảo tính toán chính xác, tải trọng động định mức và tải trọng tĩnh định mức sẽ được nhân với hệ số cứng vững Đồ thị độ cứng vững dưới đây chứng minh rằng HRC lớn hơn 58, dẫn đến 𝑓 𝐻 = 1.0.
Nguyên lí hoạt động của mỏ cắt Plasma
Khi tiến hành cắt, một tín hiệu khởi động sẽ được gửi đến nguồn công suất DC, dẫn đến việc xuất hiện các điện áp mạch hở và khí phun ra từ mỏ.
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý cắt plasma [12]
Sau khi thiết lập được luồng khí ổn định, mạch tần số cao (HF) sẽ được kích hoạt Quá trình này tạo ra hồ quang điện giữa các điện cực và đầu phun trong mỏ, trong đó hồ quang này sẽ thổi qua và bị ion hóa.
Hình 3.12: Quá trình ion hóa hồ quang [12]
Hồ quang mồi chính là kết quả được tạo ra từ khí dẫn điện giữa hai điện cực và đầu phun
Hình 3.13: Hình thành hồ quang mồi [12]
Plasma được hình thành giữa hai điện cực và vật cắt khi hồ quang mồi tiếp xúc với vật cắt Quá trình này làm nóng chảy kim loại, trong khi luồng khí tốc độ cao thổi bay khí nóng chảy.
So sánh công nghệ cắt Plasma với các công nghệ cắt kim loại khác
Có nhiều phương pháp cắt kim loại như cắt bằng khí oxy-axetylen, tia laser, tia plasma và tia nước Mỗi phương pháp này đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các nhu cầu và ứng dụng khác nhau trong ngành công nghiệp.
Vào đầu thế kỷ XX, việc cắt thép chủ yếu được thực hiện bằng ngọn khí oxy-axetylen, một quá trình phản ứng hóa học thay vì chỉ sử dụng nhiệt để làm nóng chảy kim loại Tuy nhiên, phương pháp này không hiệu quả với kim loại không chứa sắt Do đó, tia laser và tia plasma đã được phát triển và ứng dụng để thay thế oxy-axetylen, mang lại năng suất cao hơn trong quá trình cắt kim loại.
Nguyên lý cắt bằng tia laser và tia plasma đều dựa trên tác dụng nhiệt để làm nóng chảy vật liệu, nhưng cách phát tia laser lại hoàn toàn khác biệt.
Tia laser được tạo ra khi đèn phát xung chiếu vào thanh phản xạ, kích thích các nguyên tử di chuyển trong môi trường quang học nhờ hệ thống gương phản xạ Khi đạt đủ năng lượng, các nguyên tử sẽ phát ra qua gương phản xạ bán phần, và năng lượng này được tập trung bởi thấu kính hội tụ Chùm ánh sáng mạnh mẽ này có khả năng làm nóng chảy vật liệu.
Tia plasma chỉ có khả năng cắt các vật liệu kim loại do nguyên lý cắt dựa trên phóng hồ quang điện qua lớp khí thoát ra từ lỗ hẹp, nhờ vào tính dẫn điện của plasma Khi đó, dòng điện sẽ cắt vật liệu Tuy nhiên, với các vật liệu phi kim như plastic và gỗ, tia plasma không thể cắt được vì chúng không dẫn điện Một điểm cần lưu ý là quá trình cắt kim loại bằng tia plasma sinh ra nhiệt lớn, dẫn đến việc lớp bề mặt kim loại sau gia công sẽ bị biến cứng.
Phương pháp cắt kim loại bằng tia nước khắc phục được một số nhược điểm của các phương pháp cắt khác Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên việc nước được đưa vào với áp suất khoảng 4 bar, sau đó được biến áp lên tới 38.000 bar, tạo ra dòng nước có áp suất cao để ăn mòn kim loại Tuy nhiên, việc tạo ra áp suất cao như vậy gặp nhiều khó khăn và hiệu suất cắt không cao, do đó phương pháp này thường chỉ được sử dụng khi các phương pháp khác không khả thi So với tia laser và tia plasma, tia nước ít được áp dụng hơn, bên cạnh đó, phương pháp cắt bằng tia lửa điện cũng rất hiếm khi được sử dụng.
Bảng 3.1: Bảng so sánh đặc điểm công nghệ cắt plasma với các công nghệ cắt kim loại khác
Vật liệu có thể cắt được Ưu điểm Nhược điểm
Oxy-Axetylen Tốt Thép Dễ thực hiện Hình thành lớp oxit sắt trên bề mặt
Laser Cao Mọi vật liệu Cắt được vật liệu không dẫn điện được
Không làm côn lỗ cắt, mức tiêu hao năng lượng lớn, thiết bị đắt tiền
Plasma Cao Vật liệu dẫn điện Chất lượng bề mặt tương đối
Khi cắt lỗ kim loại làm lỗ cắt bị côn, bề mặt kim loại sau gia công bị biến cứng
Tia nước Không cao Vật liệu dẫn điện Không làm biến cứng lớp bề mặt sau gia công
Không gia công được chi tiết quá bé
Các thông số kỹ thuật cần lưu ý khi sử dụng máy cắt plasma CNC
Dòng điện cắt ảnh hưởng trực tiếp đến công suất của nguồn cắt plasma; tuy nhiên, việc tăng dòng cắt phải tuân thủ giới hạn dòng điện tối đa cho phép Nếu vượt quá giới hạn này, tia plasma sẽ dài hơn, làm tăng chiều rộng mạch cắt và giảm tuổi thọ của điện cực.
Tăng lưu lượng khí có thể cải thiện điện áp và cường độ của tia plasma, giúp năng lượng tập trung hơn và tạo ra mạch cắt sắc nét, từ đó nâng cao tốc độ cắt và chất lượng Tuy nhiên, nếu lưu lượng khí quá lớn, tia plasma sẽ bị ngắn lại, dẫn đến tăng tổn thất nhiệt và giảm khả năng cắt, thậm chí không thể cắt được.
Chiều cao của mỏ cắt là khoảng cách từ đầu mỏ cắt đến bề mặt cắt, thường dao động từ 2-5mm Việc duy trì chiều cao mỏ cắt phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả cắt của mỏ cắt plasma Nếu không, hiệu suất và chất lượng cắt sẽ giảm sút, thậm chí có thể gây hư hỏng cho mỏ cắt do kim loại nóng bắn ngược lên.
Tốc độ cắt plasma bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm hiệu ứng nén của hồ quang plasma, nhiệt độ và mật độ năng lượng Những yếu tố này quyết định tốc độ cắt, làm cho nó trở thành yếu tố quan trọng trong quá trình cắt plasma Độ dày của tấm thép cũng ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn phương pháp cắt; với cùng một mỏ cắt, khả năng xuyên thủng vật liệu chỉ đạt một nửa so với khả năng cắt từ cạnh Khi độ dày vượt quá mức khuyến cáo, việc đục lỗ từ giữa tấm thép không được khuyến khích, và điểm bắt đầu cắt nên ở rìa tấm, tức là cắt từ mép vào.
Trước khi cắt, các tấm kim loại cần trải qua nhiều quá trình như chế tạo, vận chuyển và lưu kho, dẫn đến việc bề mặt tấm thép hình thành lớp phủ oxit Khi lớp oxit này bị đốt nóng, nó có thể bị phá vỡ, gây tắc béc cắt và làm giảm hiệu suất cắt, đồng thời gây hư hại cho béc cắt và điện cực Do đó, việc xử lý bề mặt trước khi cắt là rất quan trọng.
Thông số chế độ cắt của máy Plasma
Máy cắt plasma CNC là công nghệ tiên tiến trong gia công kim loại, sử dụng ngọn lửa plasma cực nóng để cắt các vật liệu như thép carbon, thép không gỉ và nhôm Công nghệ này được ứng dụng phổ biến trong ngành chế tạo, xây dựng kết cấu kim loại và sản xuất linh kiện máy móc Để nâng cao chất lượng sản phẩm, cần xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của máy cắt plasma.
Khoảng cách đầu cắt plasma và phôi cắt:
Trong hệ thống cắt bằng tia Plasma, plasma thoát ra dưới áp lực lớn từ đầu bép cắt, tạo thành hình dạng thon gọn giống như giọt nước Hình dạng này được áp dụng cho cả hệ thống cắt plasma và máy cắt CNC plasma, với cơ chế phát tia plasma tương tự nhau.
Hình 3.15: Cơ chế phát tia plasma [13]
Để đảm bảo độ chính xác trong cắt plasma, khoảng cách giữa đầu cắt và vật liệu là rất quan trọng Khi tia plasma tiếp xúc với vật liệu ở khoảng cách quá gần, đường cắt có thể bị vát do hình dạng giọt nước của tia plasma Tương tự, nếu vật liệu quá xa mép cắt, cũng sẽ dẫn đến tình trạng không mong muốn Do đó, người điều khiển cần xác định khoảng cách tối ưu, thường dưới 3mm, để đạt được độ vát hợp lý cho sản phẩm.
Một số chế độ cắt của máy Plasma cho vật liệu Thép và Inox:
Trong chế độ cắt của máy Plasma, các thông số quan trọng cần chú ý bao gồm tốc độ cắt (mm/phút), điện áp của mỏ cắt plasma (V), bề dày của phôi (mm), khoảng cách giữa mỏ cắt và phôi (mm), cùng với thời gian trễ của mỏ cắt (giây) Dựa trên những thông số này, có thể tham khảo chế độ cắt hợp lý cho hai vật liệu phổ biến là Sắt và Inox, được trình bày trong bảng dưới đây.
Hình 3.16: Thông số chế độ cắt tham khảo cho vật liệu Thép và Inox
- Kerf width : chiều rộng đường cắt
- Cut height: chiều cao mỏ cắt so với phôi
- Pierce delay: thời gian mỏ cắt cần để đục thủng phôi.
PHƯƠNG HƯỚNG THIẾT KẾ
Tổng quan về doanh nghiệp và tình hình của máy
4.1.1 Thực trạng của máy CNC plasma
* Khảo sát thực trạng của máy:
- Kích thước tổng thể của máy dài-rộng-cao: 1500-1250-750 (mm)
- Dẫn hướng: thanh trượt vuông HIWIN HGH20CA, 2 con trượt
- Truyền động: thanh răng - bánh răng thẳng, modun 1.25, bánh răng có 30 răng
- Dẫn hướng: thanh trượt vuông HIWIN HGH20CA, 2 con trượt
- Truyền động: thanh răng - bánh răng thẳng, modun 1.25, bánh răng có 30 răng
* Trục Z: chưa có, điều chỉnh chiều cao mỏ cắt thủ công
* Tủ điều khiển: Dùng mạch mach3 CNC USB kết nối với máy tính và 2 driver điều khiển 2 trục XY
Phần gá mỏ cắt hiện tại còn thô sơ và chưa đảm bảo độ cứng vững, dẫn đến đường cắt không ổn định Trong quá trình hoạt động, thiết bị có thể gặp phải sự cố khi va chạm với phôi, gây ra hiện tượng chảy xỉ và làm méo đường cắt.
Mỏ cắt plasma có thể gặp vấn đề không ổn định khi sử dụng cơ chế cắt tiếp xúc, dẫn đến hiện tượng mất lửa và đường cắt không liên tục Nguyên nhân chính là do bề mặt phôi thép không phẳng, gây cản trở trong quá trình cắt.
Hình 4.1: Thực trạng về phần cơ khí của máy CNC plasma
Hình 4.2: Thực trạng về phần điện của máy CNC plasma
Hình 4.3: Mỏ cắt ban đầu được gá đặt thô sơ bằng tay
4.1.2 Yêu cầu của doanh nghiệp
Sau khi thu thập, chúng tôi xác định yêu cầu như sau:
• Thiết kế cụm trục Z nâng hạ mỏ cắt với hành trình là 100 (𝑚𝑚)
• Cụm trục Z có cơ chế nâng hạ độc lập và hổ trợ gia công tấm cong
• Nâng cấp nguồn cắt plasma cho độ dày tấm 8 (mm) có plasma mồi.
Nguyên lý hoạt động
Hình 4.4: Mô hình khái quát máy cắt plasma CNC [6]
Khi khởi động máy, nguồn điện kích hoạt điện áp để vận chuyển khí đến đầu cắt, nhưng hồ quang và dòng điện chưa hình thành Sau khi dòng điện ổn định, mạch hồ quang hoạt động ở tần số cao, tạo ra tia lửa điện và ion hóa khí, biến nó thành ống dẫn điện giữa điện cực và vòi, hình thành hồ quang plasma Hồ quang mồi mới sẽ đập vào vật liệu khi đầu phun di chuyển, và bộ nguồn nhận biết dòng điện qua vật liệu, ngừng hoạt động của bộ khởi động hồ quang trong khi dòng khí ion hóa vẫn được duy trì nhờ năng lượng từ dòng điện một chiều Hồ quang plasma với nhiệt độ cao làm tan chảy kim loại, và với dòng không khí nóng, vật liệu nóng chảy được thổi xuống đường cắt Cuối cùng, đầu cắt di chuyển theo hướng đã lập trình trong bộ điều khiển cảm ứng của máy cắt plasma CNC, đảm bảo sản phẩm được cắt chính xác theo bản vẽ.
Phương hướng thiết kế cụm trục Z máy cắt Plasma
Phương hướng thiết kế hệ thống truyền động này ta có thể chọn 1 trong 2 cách phổ biến như sau:
* Phương hướng 1: Hệ thống truyền động thanh răng bánh răng
Hệ thống truyền động thanh răng bánh răng chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến thông qua sự kết hợp giữa thanh răng và bánh răng Sự kết hợp này tạo ra chuyển động ăn khớp hiệu quả, giúp tăng cường hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Khép cứng vào nhau giúp ngăn chặn độ trượt và độ rung, cho phép truyền tải lực nhỏ hoặc lớn trong kỹ thuật một cách chính xác.
Hệ thống truyền động thanh răng bánh răng bao gồm hai loại chính: hệ thống truyền động răng thẳng và hệ thống truyền động răng nghiêng Ngoài ra, còn tồn tại bộ truyền răng cong, nhưng nó ít được sử dụng do khó khăn trong quá trình chế tạo.
Hình 4.5: Các loại hệ thống truyền động thanh răng bánh răng [11] Ưu điểm:
- Dễ chế tạo, có kích thước khá nhỏ nhưng khả năng tải lớn
- Tỷ số truyền ổn định do không xảy ra hiện tượng trượt trơn
- Kích thước chiều dài thanh răng mở rộng tối đa không giới hạn
- Sủ dụng lâu dài và bền
- Độ chính xác không cao bằng vít me đai ốc
* Phương hướng 2: Hệ thống truyền động vít me đai ốc
Có hai loại vít me: Vít me dạng thường và vít me dạng bi
Cơ cấu vít me dạng thường
Hình 4.6: Cơ cấu vít me thang [15]
Cơ cấu vít me dạng bi
Hình 4.7: Cơ cấu vít me dạng bi [15]
Bảng 4.1: So sánh đặc điểm của 2 loại vitme
Vít me thường Vít me bi
- Độ chính xác truyền động tương đối, tỷ số truyền lớn
- Truyền động có khả năng tự hãm, lực truyền lớn
- Có thể truyền động nhanh với vít me có bước ren lớn
- Hiệu suất truyền động thấp, nhanh mài mòn nên ít dùng để thực hiện những chuyển động chính
- Tổn thất ma sát ít nên có hiệu suất cao, có thể đạt từ 90-95%
- Lực ma sát gần như không phụ thuộc vào tốc độ chuyển động nên đảm bảo chuyển động ở những vận tốc nhỏ
- Hầu như không có khe hở trong mối ghép và có thể tạo ra lực căng ban đầu, đảm bảo độ cứng vững hướng trục cao
Cơ cấu vít me dạng bi được ưa chuộng trong các máy cần truyền động thẳng chính xác, như máy khoan, doa tọa độ và các máy điều khiển chương trình số, nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó.
4.3.1 Phương hướng thiết kế hệ thống thanh trượt dẫn hướng
❖ Phương hướng 1: Thanh trượt vuông
Hình 4.8: Thanh trượt vuông [16] Ưu điểm:
- Bởi vì quá trình dẫn hướng tuyến tính chịu ảnh hưởng của ma sát lăn của ổ đỡ nên dễ trượt hơn
- Độ cứng cao, chịu tải tốt, tuổi thọ cao, hiếm khi bị mài mòn
- Chống rung tốt, dễ bảo trì và sửa chữa
Để thuận tiện cho việc gia công và lắp đặt, có thể sử dụng các bộ phận có sẵn của cấu trúc dẫn hướng như ổ trượt và thanh ray.
❖ Phương hướng 2: Thanh trượt tròn
Hình 4.9: Thanh trượt tròn [16] Ưu điểm:
- Thanh trượt, con trượt tròn có độ chính xác cao mà lại có giá thành phải chăng
- Chịu tải không tốt, độ chính xác và cứng vững không ổn định
4.3.2 Phương hướng thiết kế phần động cơ truyền động
Bảng 4.2: Bảng so sánh giữa động cơ bước và động cơ Servo Động cơ bước Động cơ servo
Mạch driver Đơn giản (người dùng có thể chế tạo chúng)
Phức tạp (người sử dụng phải mua mạch driver từ các nhà sản xuất)
Nhiễu,rung động Đáng kể Rất ít
Tốc độ Chậm(tối đa 1000-2000 vòng/p)
Có thể xảy ra Khó xảy ra (Động cơ vẫn chạy trơn tru nếu tải đặt vào tăng)
Vòng hở( không có encoder) Vòng kín( có encoder) Độ phân giải Phổ biến là loại 1.8 0 (200 bước/v), còn có bước góc nhỏ hơn như 0.72 0 , 0.36 0
Phụ thuộc độ phân giải của encoder Thông thường vào hoảng 0.36÷0.036° (1000÷10000 xung/v)
Động cơ truyền động cho ba trục của máy CNC thường là động cơ bước hoặc động cơ servo Việc so sánh các đặc điểm của hai loại động cơ này là rất quan trọng để lựa chọn phù hợp.
4.3.3 Phương hướng thiết kế chương trình điều khiển
Phương hướng 1: Mach 3 Ưu điểm:
Giao diện người dùng dễ sử dụng và thân thiện
Hỗ trợ nhiều ngôn ngữ, thuận tiện cho người tiêu dùng trên toàn thế giới
Tích hợp nhiều chức năng gia công đa dạng
Phổ biến trong các máy CNC DIY (tự chế tạo) do tính đơn giản và tiện lợi
Hạn chế trong việc điều khiển các máy CNC công nghiệp có hiệu suất cao và phức tạp
Khả năng xử lý và tính toán hạn chế so với các hệ thống CNC chuyên nghiệp
Cần phải sử dụng bộ điều khiển phụ trợ để thêm chức năng đầy đủ
Siemens là một trong những nhà sản xuất hàng đầu trong lĩnh vực công nghệ điều khiển và PLC, nổi bật với độ tin cậy và hiệu suất cao Các sản phẩm của Siemens được đánh giá cao trong ngành công nghiệp, mang lại lợi ích vượt trội cho người sử dụng.
PLC Siemens có khả năng xử lý tín hiệu và lệnh một cách nhanh chóng và chính xác, từ đó nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong gia công CNC.
Sản phẩm này sở hữu nhiều chức năng đa dạng, mang lại khả năng điều khiển mạnh mẽ và linh hoạt, giúp người dùng dễ dàng tùy chỉnh và điều chỉnh quá trình gia công một cách chính xác.
Hệ thống CNC có khả năng tích hợp dễ dàng với các thành phần như bộ điều khiển số, cảm biến và thiết bị khác Điều này không chỉ hỗ trợ trong việc kết nối mà còn đảm bảo tính năng an toàn và bảo vệ trong quá trình vận hành, giúp bảo vệ người vận hành và ngăn ngừa tai nạn.
- Đòi hỏi kiến thức chuyên sâu và đào tạo đặc biệt để sử dụng hiệu quả
- Chi phí cao hơn so với các phần mềm điều khiển CNC khác.
Lựa chọn phương hướng thiết kế cụm trục Z máy Plasma
Sau khi xem xét và so sánh giữa các phương án thiết kế với nhau thì nhóm lựa chọn các phương hướng thiết kế cụm trục Z máy plasma
- Phần thiết kế hệ thống truyền động của máy thì nhóm quyết định thực hiện phương án vít me bi cho trục Z
- Phần động cơ truyền động nhóm quyết định chọn động cơ Servo để có thể mang lại sự ổn định nhất có thể cho máy
Mạch điều khiển nhóm sử dụng Mach 3 tích hợp tính năng Soft Limit, giúp giới hạn hành trình các trục một cách hiệu quả Điều này cho phép điều khiển độc lập việc nâng hạ mỏ cắt mà không cần sử dụng công tắc hành trình, đảm bảo máy không chạy vượt quá hành trình khả dụng.
Phương án thiết kế cụm bám theo biên dạng
Để đạt được mục tiêu của đề bài, chúng ta lựa chọn thiết kế lò xo đàn hồi cho mỏ cắt, nhằm đảm bảo mỏ cắt có thể di chuyển lên xuống theo biên dạng của tấm cong có kích thước dưới 100 Sau khi xác định khoảng cách giữa mỏ cắt và bề mặt tấm, phương án thiết kế này được thể hiện trong hình 4.10 dưới đây.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị dựa trên ma sát giữa cửa thanh cử và mỏ cắt Sau khi thiết lập khoảng cách chuẩn giữa mỏ cắt và bề mặt tấm, lò xo sẽ tự động điều chỉnh mỏ cắt theo biên dạng cong của tấm phôi trong quá trình hoạt động.
36 Hình 4.10: Mô hình thiết kế 3d trên phần mềm
Bảng 4.3: Bảng trình tự công việc tiến hành
Tuần Nội dung thực hiện Xác nhận GVHD
Nhận đề tài sau đó tiến hành nghiên cứu và tìm hiểu về phương pháp cắt trên thị trường trong và ngoài nước
Tìm hiểu về công nghệ cắt plasma
3-4 Lựa chọn và lên phương án tính toán thiết kế Hoàn thành 5-7 Trình ý tưởng và chỉnh sửa theo góp ý của
8-10 Lên 3D cho từng chi tiết máy trên phần mềm
Inventor và chỉnh sửa theo góp ý của GVHD
11 Xuất bản vẽ, tính toán vật liệu, số lượng chi tiết để gia công
12-14 Gia công các chi tiết cho máy Hoàn thành
15-18 Lắp ráp hoàn chỉnh Hoàn thành
19 Chạy thử nghiệm Hoàn thành
20 Hoàn thiện video, poster Hoàn thành
21 Hoàn thiện thuyết minh Hoàn thành
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN CỦA MÁY
Tính toán cụm dẫn động trục Z
5.2.1 Tính toán vít me đai ốc
Vít me trong cụm giữ đầu cắt có vai trò quan trọng trong việc nâng hạ đầu cắt Vì vậy, việc lựa chọn vít me cần dựa vào tải trọng cần nâng và hành trình nâng phù hợp.
Ta chọn vật liệu của vít me là thép gang để giảm ma sát
Khối lượng tấm liên kết: 1,5 kg Khối lượng đầu cắt: 1 Kg
Thông số vít me trục Z
-Gia tốc lớn nhất của hệ thống: a= 𝑔
2 = 5 𝑚/𝑠 2 -Tốc độ vòng của động cơ: 𝑁 = 2500 𝑚𝑖𝑛 −1
-Độ chính xác vị trí không tải: ±0,1/100𝑚𝑚
-Độ chính xác vị trí lặp: ±0,05 𝑚𝑚
Chọn loại vít me Để đạt được độ chính xác vị trí ±0,1/100𝑚𝑚 thì độ chính xác góc dẫn phải đạt được ±0,3/300𝑚𝑚 hoặc thấp hơn ±0,1
Hình 5.1: Độ chính xác góc dẫn [17]
Vì vậy, cấp chính xác của vít me cần có là C7 (chọn dựa trên Hình 5.9) với sai lệch khoảng cách hành trình là ±0,21/300𝑚𝑚
Vậy nên vít me loại “Precision Ball Screw” được chọn
Giả sử chiều dài trục vít me
Giả sử chiều dài đai ốc là 100 mm và chiều dài đầu trục vít là 100 mm
Vì vậy, chiều dài trục vít me giả sử:
Chọn đường kính trục vít me
Trục vít me phải đáp ứng các điều kiện:
- Vít me thuộc loại: “ Percision Ball Screw”
- Được sử dụng phổ biến và giá thành vừa phải
Hình 5.2: Kết hợp giữa đường kính và bước của trục vít me [17]
Do đó từ Hình 5.2, ta chọn ra được vít me có kích thước ∅16 và 𝑃 ℎ = 5 𝑚𝑚 là đáp ứng được các điều kiện
Khi chọn thông số cho trục vít và đai ốc, độ chính xác là yếu tố cần được ưu tiên hàng đầu Do đó, việc lựa chọn loại vít me có tải trước là cần thiết để loại bỏ khe hở dọc trục, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Vì vậy ta chọn được vít me có mã: “SBN 1605V-5”của hãng TBI là phù hợp
Hình 5.3: Bảng thông số kỹ thuật trục vít và đai ốc SBN [21]
Tính toán lực dọc trục
Lực dọc trục trong quá trình tăng tốc đi lên:
Lực dọc trục trong quá trình chạy đều đi lên:
Lực dọc trục trong quá trình giảm tốc đi lên:
Lực dọc trục trong quá trình tăng tốc đi xuống:
Lực dọc trục trong quá trình chạy đều đi xuống:
Lực dọc trục trong quá trình giảm tốc đi xuống:
Lực dọc trục lớn nhất: 𝐹 𝑎𝑚𝑎𝑥 = 𝐹 𝑎1 = 27,75 𝑁
Tải trọng uốn dọc trục:
- 𝑑 1 = 13,2 : Đường kính nhỏ ren trục vít (tra trong Hình 5.11)
- 𝜂 2 = 10 : Hệ số dựa theo phương pháp lắp Fixed – Support [9]
- 𝑙 𝑎 2 = 200 𝑚𝑚: Khoảng cách giữa 2 bề mặt lắp (ước tính)
Tải trọng kéo – nén cho phép:
=> Thoả mãn điều kiện đặt ra
Tải trọng dọc trục cho phép:
- 𝐶 0 𝑎 : Tải trọng tĩnh (tra trong Hình 5.11)
- 𝑓 𝑠 = 2 :Máy công nghiệp với điều kiện không rung động hoặc tác động [17]
=> Thoả mãn điều kiện đã đặt ra
Tốc độ quay tối đa:
Tốc độ quay cho phép được xác định bởi tốc độ nguy hiểm của trục vít:
- 𝜆 2 = 15,1 : Hệ số dựa vào phương pháp lắp Fixed – Support
- 𝑑 1 = 13,2 : Đường kính nhỏ ren trục vít (tra trong Hình 5.11)
Tốc độ quay cho phép:
- 𝑑 𝑝 = 16,75 : đường kính từ tâm đến tâm bi (tra từ Hình 5.11)
=> Vít me bi có ∅16 và 𝑃 ℎ = 5 𝑚𝑚 phù hợp và đảm bảo an toàn
Tính khoảng cách di chuyển của mỗi quá trình
Khoảng cách di chuyển trong quá trình tăng tốc:
2 10 3 = 10 𝑚𝑚 Khoảng cách di chuyển trong quá trình chạy đều:
𝑙 1,4 = 𝑙 𝑠 − 𝑙 1,4 − 𝑙 3,6 = 100 − 10 − 10 = 80 𝑚𝑚 Khoảng cách di chuyển trong quá trình giảm tốc:
Bảng 5.1: Lực dọc trục của các quá trình
Quá trình chuyển động Lực dọc trục
Lực dọc trục trung bình:
Tính moment xoắn của các quá trình chuyển động
Moment xoắn ma sát quay cần thiết do tải trọng bên ngoài:
Với quá trình chuyển động đều đi lên:
- 𝐹 𝑎2 (𝑁) : Lực tăng tốc chạy đều đi lên
- 𝑃 ℎ (𝑚𝑚): Bước của vít me bi
- 𝜂: Hiệu suất của vít me bi (0,9 – 0,95)
Với quá trình chuyển động đều đi xuống:
- 𝐹 𝑎5 (𝑁) : Lực giảm tốc chạy đều đi lên
Moment xoắn cần thiết để tăng tốc:
- 𝐴: Hệ số giảm tốc (Vì sử dụng khớp nối mềm nên A = 1)
- 𝐽 𝑠 (𝐾𝑔 𝑚 2 ): Moment quán tính của trục vít me
Moment quán tính của mỗi chiều dài đơn vị là 5,05 10 −8 𝑘𝑔 𝑚 3 /𝑚𝑚 (tra trong Hình 5.11).Vậy trên 100mm trục vít thì có giá trị là:
- 𝐽 (𝑘𝑔 𝑚 2 ): Moment quán tính của hệ
2𝜋) 2 1 2 10 −6 + 5,05 10 −6 1 2 = 4,5 10 −6 𝐾𝑔 𝑚 2 Moment xoắn trong các quá trình chuyển động:
Trong quá trình chuyển động tăng tốc đi lên:
Trong quá trình chuyển động đều đi lên:
Trong quá trình chuyển động giảm tốc đi lên:
Trong quá trình chuyển động tăng tốc đi lên:
Trong quá trình chuyển động đều giảm tốc đi xuống:
Trong quá trình chuyển động giảm tốc đi lên:
5.2.2 Lựa chọn động cơ trục Z
Tốc độ quay của động cơ:
Moment xoắn của động cơ:
Moment quán tính của động cơ:
=> Từ những điều kiện trên ta chọn được mẫu động cơ có mã: “57CME23” và có các thông số nhưng dưới đây
Bảng 5.2: Thông số kỹ thuật của động cơ 57CME23
5.2.3 Chọn gối đỡ cho trục vít me
Trục vít me bi được chọn có đường kính ∅16 và chiều dài 𝑙 = 5 𝑚𝑚 từ hãng TBI Theo tiêu chuẩn của hãng này, gối đỡ phù hợp với trục vít me là loại BK12 BF12.
Hình 5.4: Thông số kỹ thuật gối đỡ vít me BK12 [22]
Hình 5.5: Thông số kỹ thuật gối đỡ vít me BF12 [22]
Ta chọn khớp nối mềm SRJ-20C cho cụm Z có đường kính 2 trục lần lượt là ∅8 𝑚𝑚 và
∅10 𝑚𝑚 Vì có các ưu điểm như sau:
- Độ cứng, độ chính xác cao
- Cấu trúc đơn giản, dễ lắp đặt, dễ bảo trì, tra dầu và chống ăn mòn
- Có quán tính thấp, đàn hồi tốt
- Chịu được moment xoắn lớn
Hình 5.6: Thông số của khớp nối mềm [18]
Tính toán con trượt
Trên thị trường hiện nay, có đa dạng loại thanh trượt, và việc lựa chọn loại phù hợp cho hệ thống máy cần trải qua nhiều bước để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu thiết kế, độ chính xác, khả năng chịu tải, thời gian làm việc và khả năng chống mài mòn.
Khi lựa chọn thanh trượt phù hợp, cần xem xét các yếu tố như khối lượng tải trọng mà thanh trượt phải chịu Quá trình tính toán để xác định tuổi thọ của thanh trượt khá phức tạp, bao gồm nhiều bước liên kết với nhau, và kết quả cuối cùng phụ thuộc vào sự tính toán chính xác của từng bước.
Hình 5.7: Tra cứu catalouge hãng NSK [23]
Chọn thanh trượt cho trục Z:
Trục Z sử dụng thanh trượt để dẫn hướng đầu cắt di chuyển lên xuống, vì vậy cần chọn theo hành trình nâng Chiều dài sơ bộ của con chạy là 90 mm, do đó để đảm bảo ℎ ≥ 100 mm, thanh trượt cần có chiều dài 𝑙 ≥ 190 mm.
Vì vậy ta chọn thanh trượt LH15AN của hãng NSK
Tải trọng tối đa của trượt dẫn hướng:
10 = 2070𝑁 → Thanh trượt của hãng NSK loại LH15AN thỏa điều kiện
Lựa chọn nguồn cắt Plasma
Bài toán yêu cầu cắt thép tấm với độ dày tối đa 10mm, trong khi hiệu suất cắt ổn định đạt 8mm Các thông số ban đầu được cung cấp là [19].
❖ Khối lượng riêng của thép (ρ\rhoρ): Khoảng 7850 kg/m³
❖ Nhiệt dung riờng của thộp (ccc): Khoảng 500 J/kgã°C
❖ Nhiệt độ ban đầu (TiT_iTi): Giả sử là 25°C (nhiệt độ phòng)
❖ Nhiệt độ nóng chảy của thép (TmT_mTm): Khoảng 1500°C
❖ Nhiệt ẩn nóng chảy của thép (LLL): Khoảng 270,000 J/kg
Khối lượng của thép cần cắt:
Giả sử ta cắt thép có kích thước 1000x10x10 (mm)
Nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của thép từ ban đầu lên nóng chảy:
Nhiệt lượng cần thiết để thép nóng chảy:
Tổng nhiệt lượng cần thiết: Qtổng = Q1 + Q2 = 579937,5 + 211950 = 790887,5 J [19]
Công suất cắt cần thiết trong thời gian 10 giây:
Nguồn cắt hỗ trợ cụm nâng hạ mỏ Plasma hoạt động dựa trên cơ chế Arc Pilot, giúp duy trì ổn định dòng Plasma Để đáp ứng nhu cầu của máy, chúng tôi đã lựa chọn nguồn cắt của hãng Protech Dưới đây là thông số và đặc tính kỹ thuật của nguồn cắt này.
Bảng 5.3: Thông số kỹ thuật của nguồn cắt Plasma 60MAX
Chiều dày cắt 25mm (max) – 15mm (linh hoạt)
CHẾ TẠO – THỰC NGHIỆM
Chế tạo
Sau khi tính toán các cơ cấu của cụm trục Z dựa trên tài liệu tham khảo, nhóm đã thiết kế mô hình bằng phần mềm Solidworks, như thể hiện trong hình 6.1 dưới đây.
Hình 6.1: Mô hình 3D cụm trục Z máy CNC plasma
6.1.1 Chế tạo và gia công một số chi tiết điển hình
Sau khi hoàn tất quá trình thiết kế 3D, nhóm đã tiến hành xuất bản các bản vẽ gia công chi tiết Bảng 6.1 trình bày một số hình ảnh minh họa từ mô hình 3D đến sản phẩm thực tế, đồng thời liệt kê các loại vật liệu và một số phương pháp gia công được sử dụng.
Bảng 6.1: Hình ảnh 3D và thực tế của một số chi tiết điển hình
Tên chi tiết: Tấm gá mỏ cắt Plasma
Phương pháp gia công: Phay, khoan, taro
Tên chi tiết: Tấm gá động cơ trục Z
Phương pháp gia công: Phay, khoan, taro
Tên chi tiết: Tấm đỡ gối đỡ BK12
Phương pháp gia công: Phay, khoan
Tên chi tiết: Tấm canh con trượt Z
Phương pháp gia công: Phay, khoan
Sau khi hoàn tất gia công chi tiết, quá trình lắp ráp được thực hiện Hình ảnh lắp ráp cụm trục Z của máy CNC Plasma được minh họa trong hình 6.2 và 6.3 dưới đây.
Hình 6.2: Lắp ráp gối đỡ BF12 Hình 6.3: Lắp ráp áo đỡ vitme
Hình 6.4: Lắp ráp cụm trục Z lên máy CNC plasma
Hình 6.5: Cụm Z lúc trước Hình 6.6: Cụm Z sau khi đã cải tiến Đai ốc
Sự khác nhau giữa lúc trước khi cải thiện trục Z của máy CNC plasma được thể hiện ở hình 6.4
Điều khiển máy Plasma
Lắp ráp mạch điện và cấu hình máy
Tủ điện điều khiển là thành phần thiết yếu của máy CNC plasma, giúp nâng cao hiệu suất hoạt động Để cải tiến bộ điều khiển độc lập đơn trục ban đầu, nhóm đã lựa chọn hệ điều hành Mach3 cho máy CNC.
Bảng 6.2: Thiết bị trong tủ điện máy Plasma
STT TÊN GỌI HÌNH MINH HỌA
4 Relay 24V điện tử để kích ngõ ra cho bộ nguồn cắt
Lưu đồ của hệ thống điều khiển máy Plasma được thể hiện như sau:
Hình 6.7: Lưu đồ giải thuật máy CNC Plasma
Hình 6.8: Mạch điện máy Plasma
Mạch điện hoạt động với nguồn tổ ong 24V, kết nối trung tâm Mach3 với máy tính qua cổng USB Thông qua chương trình G-code, Mach3 nhận và phát tín hiệu cho cơ cấu chấp hành Driver điều khiển động cơ, nhận tín hiệu từ Mach3 và truyền xuống motor qua các tiếp điểm Pul (xung) và Dir (chiều) G-code cũng cung cấp dữ liệu cho tủ điện, giúp các động cơ hoạt động theo tín hiệu xung và chiều mà driver nhận được.
Hình 6.9: Bên ngoài tủ điện Hình 6.10: Bên trong tủ điện
Cấu hình máy Plasma vào phần mềm Mach3 trên máy tính điển khiển
Sau khi hoàn tất việc đấu nối tủ điện điều khiển, bước tiếp theo là cấu hình kết nối máy với bộ điều khiển trên máy tính Các bước cấu hình này được mô tả chi tiết như sau:
Hình 6.11: Khai báo ngõ vào trên Mach3
Hình 6.12: Khai báo các chân ngõ vào của công tắc hành trình và THC
Hình 6.13: Khai báo các chân ngõ ra
Chương trình con (Macro) hỗ trợ nâng hạ - tinh chỉnh chiều cao của trục Z
Gia công CNC Plasma là một quy trình phổ biến trong việc xử lý bề mặt phôi, thường gặp phải tình trạng không đồng đều và độ cong vênh dưới 10 độ Để cải thiện quy trình này, nhóm nghiên cứu đã chế tạo cụm trục Z với cơ cấu đàn hồi tự động, kết hợp với chương trình con để tinh chỉnh trục Z thông qua đầu mồi Plasma tại khu vực mỏ cắt.
Nguyên lý hoạt động của chương trình con
Bằng cách áp dụng nguyên tắc khởi động Pilot Arc trong nguồn cắt Plasma, chúng ta có thể tận dụng dòng phóng hồ quang và cảm biến điện áp có sẵn Khi khoảng cách giữa hai điện cực thay đổi, điện áp cũng sẽ biến thiên Sự biến thiên này được quy đổi thành trị số để điều khiển trục Z, giúp tinh chỉnh và duy trì điện thế ổn định trong quá trình hoạt động.
Message "Z at Perice Hight" & ZprobePos
Gia công thực nghiệm – bài tập mẫu
Sau khi hoàn thành máy CNC Plasma, chúng ta sẽ tiến hành gia công trên các bài tập mẫu Để chọn thông số cắt phù hợp cho máy Plasma, cần tham khảo các thông số khuyên dùng từ nguồn cắt, bao gồm tốc độ di chuyển mỏ cắt, thời gian cắt cho từng loại vật liệu và chiều cao mỏ cắt Ngoài ra, cũng nên xem xét thông số của các máy tương tự trên thị trường Dưới đây là một số thông số mẫu mà nhóm sẽ sử dụng để thực hiện gia công bài tập.
Hình 6.14: Thông số chế độ cắt Plasma cho vật liệu thép được hãng Protech khuyên dùng
Hình 6.15: Thông số chế độ cắt Plasma cho vật liệu inox được hãng Protech khuyên dùng
Hình 6.16: Bản vẽ bài tập 1
Hình 6.17: Chèn bản vẽ và hiệu chỉnh đường cắt bài tập 1
Chèn vào phần mềm xuất G-code MyPlasmCNC:
Chọn các thông số cắt và góc tọa độ:
Hình 6.18: Chỉnh thông số cắt và góc tọa độ
Hình 6.19: G-code bài tập 1 sau khi xuất
Nạp code vào Mach3: sau khi xuất G-code từ phần mềm MyPlasmCNC thì ta Load
G-code vào phần mềm Mach3 sau đó ta nhấn Cycle Start [ALT+R] để gia công
Hình 6.20: Nạp G-code vào Mach3 để gia công
Phiếu công nghệ: Tham khảo thông số ở bảng 6.1 với chế độ cắt cho vật liệu Sắt
Bảng 6.3: Thông số gia công cho bài 1
Kích thước phôi Vật liệu
Hình 6.21: 10 mẫu bài tập 1 sau khi cắt
Sau khi hoàn tất việc cắt 10 mẫu từ bài tập 1, tiến hành đo các kích thước của mẫu bao gồm kích thước bao và đường kính của đường tròn Dữ liệu đo đạc được trình bày trong bảng 6.4 dưới đây.
Bảng 6.4: Số liệu đo đạc BT1
Mẫu Kích thước ngoài L Đường kính D
Hình 6.22: Bản vẽ bài tập 2
Open và Import vào MyPlasmCNC:
Chọn tốc độ gia công và góc tọa độ cho bài:
Hình 6.23: Import bản vẽ bài tập 2
Hình 6.24: Chọn tốc độ và góc tọa độ cho bài 2
Tương tự như bài 1 ta xuất G-code cho bài 2:
Hình 6.25: bài 2 sau khi xuất G-code
Nạp G-code vào Mach3 và bắt đầu gia công:
Bảng 6.5: Thông số gia công cho bài 2
Kích thước phôi Vật liệu
Hình 6.26: Bài 2 sau khi nạp code vào Mach3
Hình 6.27: Mẫu bài tập 2 sau khi cắt
Hình 6.28: Bản vễ mẫu bài tập 3
Bảng 6.6: Thông số gia công cho bài 3
Kích thước phôi Vật liệu
Hình 6.29: Import bài tập 3 vào MyPlasma CNC
Hình 6.30: Mô phỏng đường cắt bài tập 3 bằng phần mềm MyPlasmaCNC
Hình 6.31: Bài tập 3 thực tế sau khi đã cắt xong
Hình 6.32: Bản vễ mẫu bài tập 4
Bảng 6.7: Thông số gia công cho bài 4
Kích thước phôi Vật liệu
Hình 6.33: Import bài tập 4 vào MyPlasma CNC
Hình 6.34: Mô phỏng đường cắt bài tập 4 bằng phần mềm MyPlasmaCNC
Hình 6.35: Bài tập 4 thực tế sau khi đã cắt xong
Hình 6.36: Cắt với biên dạng tấm bị cong
Giá trị trung bình của các mẫu cắt trong Bảng 6.4 là 75,084 và 49,255, nằm trong khoảng dung sai ± 0,5, cho thấy sự phù hợp hoàn hảo với các sản phẩm gia công bằng công nghệ cắt Plasma.
Hơn thế nữa, với tấm có biên dạng cong được thể hiện ở hình 6.34 biên dạng cắt vẫn có thể được điều chỉnh phù hợp