Nghiên cứu chế tạo máy gia công CNC mini cấp chính xác cao

Trang 1

BO GIAO DUC VA DAO TAO

TRUONG DAI HOC CONG NGHE TP HCM

—————— (019 0†

HUTECH

University

TRUONG NGUYEN THINH CUONG

“NGHIEN CUU CHE TAO MAY GIA CONG CNC MINI CAP CHINH XAC CAO”

LUAN VAN THAC SI

Trang 2

CONG TRINH DUGC HOAN THANH TAI TRUONG DAI HOC CONG NGHE TP HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS NGUYÊN TÁN TIỀN (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) / c_ ? k Ma (Na, Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 28 tháng 03 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 TS Nguyén Thanh Phuong Chủ tịch

2_ |PGS.TS Lê Hữu Sơn Phản biện 1 3 | PGS.TS Nguyễn Quốc Hưng Phản biện 2

4 | TS Nguyễn Duy Anh Ủy viên

Trang 3

TRUONG DH CONG NGHE TP.HCM CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET NAM

PHONG QLKH - ĐTSĐH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TP HCM, ngày 19 tháng 07 năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Trương Nguyễn Thịnh Cương Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 19 — 02 ~ 1977 Nơi sinh: Vĩnh Long Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử MSHV:1341840002

I- Tên đề tài:

“Nghiên cứu chế tạo máy gia công cnc mini cấp chính xác cao” HI- Nhiệm vụ và nội dung:

- Nghiên cứu các máy gia công CNC loại nhỏ hiện có

- Thiết kế máy gia công CNC sử dụng Mach 3 đạt độ chính xác 1% - Thực nghiệm kiểm chứng và đánh giá

HI- Ngày giao nhiệm vụ: 19 -07 - 2014

TV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20 -01 - 2015

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Tấn Tiến

CAN BO HUONG DAN KHOA QUAN LY CHUYEN NGANH

đ

`

Trang 4

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Trang 5

il

LOI CAM ON

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc đến PGS.TS Nguyén Tan

Tiền, người đã tận tình hướng dẫn, định hướng, và cung cấp những góp ý cần thiết để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin gửi lời cám ơn đến KS Nguyễn Đoan Hải, anh Nguyễn Ngọc Sơn và

Cao Minh Sang đã hỗ trợ, giúp đỡ, đóng góp cho tôi nhiều ý kiến hay để hồn thành

mơ hình luận văn

Tôi cũng không thể không nhắc đến sự hỗ trợ to lớn của các kỹ sư, sinh viên

đang nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến, nơi tôi đã tiến

hành các thí nghiệm kiêm chứng

Tôi cũng xin gửi lời tri ân đến tập thể khoa điện tử - tin học của trường trung

cấp nghề Vĩnh Long, đã giúp đỡ tơi hồn thành nhiệm vụ tại cơ quan đơn vị, trong thời

gian đài nghiên cứu học tập

Trang 6

11

TÓM TẮT

Luận văn trình bày thiết kế máy CNC ba trục, có chức năng phay hoặc khắc họa tiết, hoa văn, hình ảnh 3D trên vật liệu gỗ, mica Các bước thực hiện bao gồm: tìm hiểu tổng quan để đưa ra phương án khả thi cho may CNC mini Dya trên

phương án đó để đưa ra thiết kế cơ khí, điện và giải thuật điều khiển cho máy Cuối

Trang 7

iv

ABSTRACT

Trang 8

MUC LUC

Chương 1: TÔNG QUAN tt H221 re 1 1.1 Giới thiệu chung cá St St 1 1111211111211 11 ng re 1

1.2 Nhu cau thure té c cc iccccscsccssccscssecessrecussssseavesustesssssessssseaneavssteaeneesee 2

1.3 Đặc trưng chính của máy ỞNC mini - cv che cey 2 1.4 Tổng quan về máy CNC miini - ¿©2222 +tectt2Ext2ExEErrrkrrrrerres 2

1.4.1 Sơ đồ cấu trúc của một máy CNC mini ccs te ererterveee 2

1.4.2 Nghiên cứu trong nước và ngoài nước về máy CNC mini 4

1.5 Mục tiêu và phạm vi ứng dụng của đề tài - sec 5

1.6 Tổ chức luận văn St nn n2 2121111211115 5

Chương 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ c5: 7

2.1 Phương pháp dẫn động . 52-5 22t 3221221217111 112111 rtee 7 2.2 Động cơ truyền động - - n1 021111111111 tee 9 2.3 Lựa chọn đầu phay - cá các nT22212111 122111 erryek 11 2.4 Sơ đề phương án máy phay . 25c ST E121 xrye 13 2.5 Thiết kế kết cầu chung của máy 2s sec re 13

Chương 3: THIẾT KÉ CƠ KHÍ -2 "Mà 15

3.1 Yêu cầu thiết kẾ -tttnhHư ng re 15 3.2 Xác định thông số bộ truyễn -2- 55-5222 1212711112112 ce, 15 3.3 Kết cầu thiết kế các cụm máy -+sckcre tr tkertyrruy 16

3.3.1 Ban may -alaạạaAana 16

3.3.2 Kết cầu trục ÄÄ -cccs ns nh 11171 1x5 TT 111111110115 eske 17 3.3.3 Kết cấu ¡50 2 alñJA äă 18

3.3.4 KẾt cấu trục Z càng re 18

3.3.5 Kết cầu cụm đầu phay - s2 2210210122121 xe 19 3.4 Sơ đồ nguyên lý của máy phay CNC c2 ccccccccsrrsrsrrerrvee 20

Trang 9

vi

3.5.1 Tính tốc độ quay động cơ và lượng chạy dao sec 21 3.5.2 Tính toán thông số cho động cơ bước -. -¿-c+cccscxccxxercee 21

Chương 4: THIẾT KÉ PHẢN ĐIỆN 5-55 5S tEeEEEeErkerrkerreeei 27

4.1 Mạch đệm tín hiệu (Breakout board) chia 28 4.1.1 Đặt vấn đề cv như Hư ướn 28 4.1.2 Yêu cầu thiết kế tt re 29

4.1.3 Sơ đồ nguyên lý ¿ ct t n2 1212221212712 11 ni 29

4.2 Driver động cơ bƯỚC ng ng KH TH ky 31 4.2.1 Vấn đề về động cơ bước . ¿ -:©x+22x22x22222xerrrkrrrrerrrrrre 32 4.2.2 Thông số driver động cơ bước . -:-:-5:ccscscrtcxsrrrrrskrrrrree 33

Chương 5: GIẢI THUẬT ĐIÊU KHIẾN 2-5-5252 2ccS2zczsererersree 34

5.1 Đặt vấn đề cung HH ha 34

5.2 Lựa chọn phương án điều khiên 2-5: 52222 z22exererrrrerrsrrree 34

5.2.1 Sử dụng vi điều khiển - 2-5622 21222221221221221.221E11 tt 34 5.2.2 Sử dụng máy tính làm bộ điều khiễn - 525cc ccsccsrvee 36 5.3 Phần mềm Mach3 - - L1 c2 122121211151211311111 2111211181111 XeE 37

h1 cu na 37

5.3.2 Tính năng cơ bản và chức năng cung cấp bởi Mach3 37

5.3.3 Thiết lập các thông số cho Mach3 ¿2c Sc22xvvsrcrrrsrrsrve 38

5.4 Chương trình xử lý ảnh đầu vào tạo G - Code ccccscee 38

5.4.1 Yêu cầu chương trình Photo Code .- -:+s+2ccsxssccrvsrrerre 38

5.4.2 Sơ đồ khối của chương trình Photo Code . : :-ccc-ce: 38

5.4.3 Các sơ dé giải thuật máy CNC mini 5 22tr 41 5.4.4 Sơ đồ giải thuật máy phay cccccccccccsecsssesseeeesectecseetesteeneeteeneseens 42 5.5 Quy trình hoạt động của máy CNC mimI cà seecsseeseres 43

Chương 6: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 55c 2ccsrsce2 44 6.1 Mục đích thực nghiệm ò- ¬ 44

Trang 10

Vil

6.2.1 Kiém tra tig trac X,Y, Zeccccccceccssecssssssessesssessessessecssessecsesseaveeseeaes 44 6.2.2 Kiém tra d6 chinh xac cd ba truc X,Y, Zecccccccsccccseccssrsssssscsvssseesens 44

6.3 Bảng số liệu chay thy nghi@M .c cccccsscescesstestesessessessseaseesecssesseenee 45

6.4 Một số hình ảnh thực nghiệm .- ¿22-55 5c 2 2cxerrerrrzrrerree 47

6.5 Đánh Biá HH TH TH HH HH nh 49

6.6 Hướng phát triển đề tài - 5 5c t2122211117121221 21111111111 xrk, 49

Trang 11

Hinh 1.1 Hinh 1.2 Hinh 1.3 Hinh 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 4.1 Hình 4.2 Hình 4.3 Hình 4.4 Hình 4.5 Hình 4.6 Hình 4.7 Hình 5.1 Hình 5.2 Hình 5.3 Hình 5.4 Vili

DANH MUC HINH

Ung dung may CNC khắc quả tặng cu Ha 1 Ứng dụng máy CNC khắc đồ rANE TÍ Ăn seixee 1 Cấu trúc chung của máy CỞNC minl ác su svvessrre 2

Cấu tạo đầu khắc laser -s- snn t2 1211 EEsrerrsee 11

So dé phuong 4n may CNC mini w cecccesccesssesesessesseeesereenee 13

Phuong an chuyén d6ng 1 cccccccccsscsscssessessessessesssseseseeeenens 14

Phuong an chuyén dong 2 c.ccccccccsscssessecsesssesessesstseessessesssene 14

Kết cầu của bàn MAY “1a 17

Kết cầu ¡3 9 55 18

Kết cấu trục Y tt H22 ca 18

Kết cấu 0 21 19

Sơ đồ nguyên lý của máy phai 3 trục . -: 20

Lực ma sát giữa bàn máy và ray hướng dẫn 23

Trọng lực của bản máy - ác tàn HH2 1 Hee 24 Lực do dao cắt gây ra -:-72 2 5t tt net 24 Lực cắt khi phay .- 2-5252 1222221112117 EkEkerkrrei 25

Sơ đồ thiết kế phần điện cho máy CNC mini 27

Sơ đồ kết nói phần điện -. ¿56 25t tren 28

Sơ đồ khối mạch đệm tín hiệu -cccccccrree 29

Sơ đồ bên trong của IC 74HC245 . -©5: 555cc: 30 Sơ đồ mạch cách ly quang -:.¿-5:©c+ccxvcxvssxsrrerex 30

Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển đóng/mở trục chính 31 Sơ đồ đấu dây động cơ bước 6 dây -ccccccccccreee 32

Điều khiển vòng hở 2c tt 22122 ererke 35

Điều khiển vòng kín -¿-52 St tt tre errerrrrrrrex 35

Trang 12

Hinh 5.5 Hinh 5.6 Hình 5.7 Hình 5.8 Hình 6.1 Hình 6.2 Hình 6.3 Hình 6.4 Hình 6.5 ix

Sơ đồ khối giải thuật tạo G — code từ ảnh nhị phân 40

Giải thuật máy ƠNC HH HH HH dư, 41

Chương trình con Mach3 nh ee 41

Giải thuật máy CNC mm: Chương trình con Mach3 42

Gia cong chi tiết hình chữ nhật 22225ccccc>cczsssx 47

Gia công chỉ tiết hình tròn 2 5ccccsxcrczxerrxerxerrzes 47

Sản phẩm sau khi gia công -.:-55- s5 Sccccsrrrrrsrve 47

Trang 13

DANH MUC BANG

Bang 3.1 Bang tinh khối lượng của bàn máy .- - : 22 Bang 4.1 Bang trạng thái hoạt động của driver động cơ bước 33 Bảng 6.1 Bảng số liệu thực nghiệm trục X -.ccccccscccee 45

Bảng 6.2 Bảng số liệu thực nghiệm trục X cà àehieee 45

Trang 14

Chuong 1: TONG QUAN

1.1 Giới thiệu chung

Hiện nay máy CƠNC, không chỉ dùng để phay trên những vật liệu bằng kim

loại mà máy CNC đã đi vào lĩnh vực trang trí, thủ công mỹ nghệ, máy CNC có thể

khắc hay phay trên nhiều loại vật liệu khác nhau như gỗ, mica , tao ra những món

đồ trong trang trí và những món quà lưu niệm

Đối với máy CNC 3 trục tùy thuộc vào đầu công tác của chúng mà chúng có thể thực hiện các tác vụ khác nhau Nếu như may CNC 3 truc, ta gắn đầu khắc vào

thì nó trở thành máy khắc, nếu người dùng gắn dao phay, thì nó trở thành máy phay

CNC hoặc người dùng gắn đầu cắt gió đá, thì nó sẽ trở thành máy cắt gió đá Sau

đây là ứng dụng của máy cnc khi người dùng sử dụng đầu khắc hoặc đầu phay:

Trang 15

1.2 Nhu cầu thực tế

Hiện nay, nhu cầu sử dụng máy CNC đề khắc, phay tạo ra ảnh trong trang trí nội thất, quả lưu niệm đã và đang phát triên mạnh mẽ

Khắc phay có thể được gia công bằng tay trên vật liệu gỗ, nhưng đòi hỏi

phải tốn nhiều thời gian và kinh nghiệm về tay nghề của người thợ, nhưng không đáp ứng được một lượng sản phẩm lớn và không tạo nên tính đồng nhất cho sản phẩm Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, trong luận văn này đưa ra ý tưởng “Nghiên cứu chế tạo máy gia công CNC mini cấp chính xác cao”

1.3 Đặc trưng chính của máy CNC mini

- Có khả năng khắc(phay) hình ảnh, chân dung trên những vật liệu khác nhau, như gỗ mica hoặc các vật liệu bằng kim loại

- Có khả năng khắc được các mặt trụ, phẳng với độ khắc có định

- Độ chính xác đạt được cao

- Tốc độ khắc(phay) nhanh

- Hình ảnh khắc, phay chính xác 1.4 Tống quan vé may CNC mini

Trang 16

CAM(Computer — Aided manufacturing — Máy tính hỗ trợ sản xuất: Là

phần kết nối giữa thiết kế và sản xuất, sau khi thiết kế thông qua phần mềm này,

người điều khiển máy sẽ dịch sang mã G — Code và được trình địch DNC chuyển

đến máy công cụ G — Code

G — Code là tên gọi của một ngôn ngữ lập trình ứng dụng trong điều khiển số hay còn gọi là NC hoặc Numerical Control G — Code được sử dụng trong tự động hóa, tự động với sự trợ giúp của máy tính còn gọi là CAE hay Computer Aided Engineering Đôi khi G — Code còn được gọi là ngôn ngữ lập trình G

G - Code là một ngôn ngữ lập trình thông qua các công cụ, thiết bị nó có

thể thông báo và ra lệnh cho máy CNC biết phải di chuyển thé nào với tốc độ bao

nhiêu, tắt mở thiết bị gì, quỹ đạo di chuyên thế nào Bộ điều khiến máy CNC mini

Bộ điều khiển có nhiệm vụ biên dịch mã G — Code và điều khiển các

driver để động cơ chạy đúng theo lệnh xuất từ mã G — Code Bộ điều khiển còn

có tên gọi là bo mạch BOB

Hiện nay trên thị trường tôn tại hai đạng bộ điều khiên:

+ Một dạng sử dụng phần mềm Mach3 kết nối với máy tính thông qua cổng LPT (dạng này cũng được chia ra làm hai dạng, dạng thứ nhất ba driver tích

hợp chung với bo BOB, dạng thứ 2 bo BOB riêng và ba driver riêng)

+ Một dạng khác dùng phần mềm CNC USB Controller, dạng này không dùng phần mềm Mach3 để điều khiển, chúng có ưu điểm là kết nối với máy tính thông qua cổng USB, dành cho những máy tính không có cổng LPT

Hiện nay, phần lớn các máy CNC mini sử dụng hệ thống điều khiển số bằng máy tính, bộ điều khiển cho máy CNC mang lai tính ôn định và chính xác

rat cao Bộ điều khiển máy CNC đọc chương trình viết theo ký hiệu chuyên biệt

theo tiêu chuẩn EIA -274 -D( G — Code) Do đó để sử dụng được bộ điều khiển

CNC phải có phần mềm chuyển đổi từ các fñle dữ liệu đầu vào thành file G —

Trang 17

Dung cu cat

Dụng cụ cắt là một phần cũng không kém phần quan trọng trong máy, nó quyết định đến chất lượng của sản phẩm sau này Dụng cụ có thê được chia ra làm hai loại(đối với máy cắt trên vật liệu gỗ)

+ Loại thứ nhất: Đầu cắt bằng tia laser, loại này chỉ thích hợp cho việc khắc những vật liệu mỏng, độ khắc không sâu, khi sử dụng loại này máy được thiết kế trên 2 trục X và Y, trong luận văn này ta không nghiên cứu sâu về loại này

+ Loại thứ hai: đầu cắt là động cơ, tùy theo công suất máy lớn hay nhỏ mà ta chọn loại đầu cắt này cho phù hợp, loại này cũng được chia ra làm hai loại,

một loại làm mát bằng không khí và loại làm mát bằng nước Thông thường để

đảm bảo cho đầu cắt không bị gãy, thì trong bộ phận máy thường lắp thêm biến

tần đề điều khiển tốc độ chạy của động cơ đầu cắt

1.4.2 Nghiên cứu trong nước và ngoài nước về máy CNC mini

Phương pháp điều khiển bàn máy đóng vai trò quyết định độ chính xác,

vận tốc chạy, chế độ chạy cho máy Sau đây ta lần lượt khảo sát các nghiên cứu về phương pháp điều khiển trong và ngoài nước

Ngoài nước: Hầu hết các nước trên thế giới họ đã nghiên cứu về vấn đề

điều khiển bàn máy hai trục ba trục rất lâu Nhưng hiện nay họ vẫn đang phát

triển hướng nghiên cứu để tim ra giải pháp dé làm sao đạt được độ chính xác cao,

để đối ưu hóa về bù rơ trong máy công cụ CNC và giảm được độ rung cho máy Trong nước: Có nhiều tác giả đã nghiên cứu về máy CNC mini và được

ứng dụng trong thực tế để cắt mica, cắt gỗ hay cắt plasma, nhưng các nghiên cứu của họ thường đi theo lối mòn, chưa cải tiến được chất lượng sản phẩm sau khi cắt, ví dụ như độ sai số của máy còn lớn, chưa khắc phục độ rơ của máy, về tính ổ định lâu đài của máy chưa cao, thường xảy ra hư hỏng ở bộ phận điều khiển, bộ phận cơ thường bị rơ trong quá trình sử dụng

Trang 18

- Nhóm nghiên cứu của trường đại học Điện Lực đã nghiên cứu thiết kế máy phay CNC 3 trục để bàn, để tài của nhóm nghiên cứu này chưa nêu rõ về độ chính xác của máy

- Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học

Đà Nẵng năm 2010 đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy phay CNC tạo chữ 2D - Nhóm sinh viên trường kỹ thuật Cao Thăng đã nghiên cứu về máy CNC mini có thể cắt mica, gỗ, dé tài này chưa nêu lên được độ chính xác của máy, trong dé tai

nhóm sử dụng băng bi dạng thanh tròn, gây nên độ rung cho máy khi máy vận hành, dẫn đến độ chính xác chưa cao

1.5 Mục tiêu và phạm vi ứng dụng cúa đề tài

Luận văn này đề xuất phương án thiết kế máy CNC mini với đầu khắc bằng dao khắc, trên vật liệu gỗ đầu vào đữ liệu có thể được thực hiện là các file được vẽ từ Master CAM, corel, hoặc file ảnh Yêu cầu của đề tài cần đạt được như sau:

- Kích thước bàn máy dự kiến là 400x600cm

- Độ chính xác dự kiến là: + 1,875pm

- Đầu khắc là dao khắc, làm mát bằng không khí, không sử dụng biến tần - Có thể khắc 2D và 3D trên vật liệu gỗ, mica

Phạm vi đề tài:

- Thiết kế máy CNC mini với đầu khắc là đao khắc, bao gồm thiết kế phần cơ khí, phần điện và bộ điều khiển

- Chạy thực nghiệm sản phẩm trên mô hình đã thiết kế

- Thông qua mô hình và chạy thực nghiệm, rút ra những vấn đề đạt được và chưa đạt được, từ đó đưa ra phương hướng phát triển dé tài để đưa vào ứng dụng thực tế trong sản xuất

1.6 Tổ chức luận văn

Trang 19

Chương 2: Đưa ra phương án lưa chọn thiết kế bàn máy, lựa chọn đầu khắc, phương pháp dẫn động, động cơ sử dụng và đưa ra sơ đồ máy CNC mini

Chương 3: Trình bày thiết kế phần cơ khí Trong chương này, đưa ra thiết kế

theo kế cầu và lựa chọn động cơ sử dụng

Chương 4: Trình bày thiết kế phần điện vận hành cho bàn máy bao gồm thiết kế

mạch đệm tín hiệu, các mạch điều khiển động cơ và sơ đồ điện kết nối cho toàn

bé may CNC mini

Chương 5: Trình bày phương pháp điều khiển bàn máy dựa trên bộ điều khiển

của phần mềm Mach3 CNC

Trang 20

Chuong 2: LUA CHON PHUONG AN THIET KE

Đối với máy CNC mini 2D và 3D, yêu cầu để máy hoạt động thì phải đảm

bảo đây đủ các thành phân sau:

+ Phương pháp dẫn động

+ Động cơ để máy vận hành + Lựa chọn đầu phay

+ Bộ điều khiển,

Trong chương này chủ yếu tập trung vào phương pháp dẫn động, lựa chọn đầu phay động cơ để máy vận hành, đề xuất phương án kế cấu chung của máy, riêng bộ điều khiển sẽ đề cập ở chương tiếp theo

2.1 Phương pháp dẫn động

Phương pháp dẫn động là yếu tố rất quan trọng trong máy, nó quyết định

đến độ chính xác hay không chính xác và độ rơ của máy Vì vậy nếu cơ cấu dẫn

động thiết kế tỉnh toán tối ưu thì máy sẽ vận hành tốt ít bị sai số Để chọn được phương pháp dẫn động phù hợp ta cần phải xem xét các yếu tố cơ bản sau:

- Độ chính xác trên mỗi trục yêu cầu

~- Hiệu suất hoạt động cao lớn hơn 90%

- Giá thành

Sau đây là một số phương pháp lựa chọn được đưa ra để xem xét

> VITME:

Cơ cấu vitme và đai ốc dùng chuyển đổi chuyển động quay của động co thành chuyên động tịnh tiễn của đai ốc Khi động cơ quay thi dai ốc sẽ chuyên động

tịnh tiễn dọc theo trục của vitme

Trang 21

% Vitme thường

Vitme được gắn đồng trục với động cơ Khi động cơ quay thì vitme quay

Động cơ và vitme được gắn cố định, làm cho đai ốc di chuyển đọc theo trục vitme

Đai ốc được gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động

Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vít, một

vòng quay của trục động cơ sẽ làm đai ốc di chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít Vì vậy tốc độ di chuyên nhanh nhưng lại có độ chính xác không cao

Loại vitme này có ưu và nhược điểm sau:

Ưu điểm:

- Momen lớn - Có thể tự hãm

- Giá thành thấp hơn so với vitme bi

- Khả năng chịu tải cao hơn vitme bị

Nhược 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 được 0.015zmm/300mm

- Rơ trong quá trình sử dụng

- Ma sat cao do tiếp xúc mặt trực tiếp sVitme bỉ

Day 1a dang vitme dai ốc thay vì ma sát trượt thông thường tiếp xúc giữa vitme và đai ốc thông qua các viên bi, được chuyển thành ma sát lăn Điều này đem đến một ưu điểm chỉ cần một lực quay rất nhỏ đã có thể làm cho đai ốc chuyên động Ưu điểm

- Bi lăn theo biên dạng của bi nên năng lượng tiêu tốn rất thấp

- Hiệu suất của vitme bi rất cao đạt được lớn hơn 96%

Trang 22

Nhược điểm:

- Cần phải bôi trơn

- Ngoài ra, để tránh các vấn để cộng hưởng, tốc độ vitme thường được giới

hạn nhỏ hơn 80% tốc độ giới hạn của nó

*% Sử dụng đai răng:

Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ động cơ và đường kính của puli Một

vòng của trục động cơ sẽ làm bộ phận trượt di chuyên một đoạn bằng với chu kỳ của puli(thường là 20 — 30mm) Phương án này có tốc độ di chuyên nhanh hơn rất

nhiều nhưng độ chính xác thấp và lực đây nhỏ, khi gặp tải lớn có thể bị trượt bước

hoặc giãn đai

Vẻ ưu nhược điểm, có một số ưu nhược điểm sau:

Ưu điểm:

- Vận tốc truyền nhanh

- Hiệu suất tương đối cao có thê đạt được 92% Nhược điểm:

- BỊ giãn đai theo thời gian sử dụng - Dễ bị trượt đai khi mang tải lớn

Kết luận: Trong luận văn này phương án lựa chọn vitme bị được lựa chọn vì các

yếu tố sau:

- Độ chính xác phù hợp với độ chính xác yêu cầu của máy - Dam bao độ ồn định chính xác khi làm việc lâu dài

- Giá thành phù hợp

2.2 Động cơ truyền động

Động cơ có vai trò quan trọng trong chuyên đối điện thành cơ Có ba yếu tố

quyết định liên quan đến động co bao gém: vận tốc, gia tốc, momen Dựa trên động

cơ được chọn mà ảnh hướng đến việc lựa chọn các thành phần khác của máy như:

bộ điều khiển, nguồn điện, bộ chuyên đổi điện

Trang 23

10

Trước tiên ta phân tích ưu và nhược điểm của động cơ bước:

Ưu điểm:

— Momen xoắn cao ở tốc độ thấp

— Không tốn chỉ phí bảo dưỡng chỗi quét

— Giá thành phù hợp

— Dé tìm kiếm những động cơ dùng trong bàn máy nhỏ và vừa

Nhược điểm:

— Dòng điện từ driver tới cuộn dây không thể tăng hoặc giảm trong lúc hoạt

động Do đó, nếu quá tải động cơ sẽ bị trượt bước gây sai lệch trong điều khiến

Không có cơ chế để bù vòng kín Bên cạnh đó, hiện tượng trượt bước cũng có thể xảy ra khi tăng gia tốc hoặc giảm tốc động cơ

Tiếp theo ta phân tích các ưu và nhược điểm của động cơ DC servo:

Ưu điểm:

— Nếu tải đặt vào động cơ tăng, bộ điều khiển sẽ tăng, dẫn tới cuộn dây động

cơ tiếp tục quay Tránh hiện tượng trượt gây sai lệch điều khiển — Có thể hoạt động ở tốc độ cao — Độ chính xác phụ thuộc vào encoder hỏi tiếp Nhược điểm: — Bảo trì chi than — Giá thành cao

Với động cơ AC servo có tất ca các ưu điểm của động cơ DC servo, thêm vào đó động cơ AC servo có thêm một ưu điểm là ít tốn chỉ phí bảo trì, như giá thành cao Tuy nhiên, động cơ AC servo cũng có nhược điểm sử dụng nguồn AC điện áp lớn hơn 100V

Kết luận: Dộng cơ bước được sử dụng trong đề tài luận văn này, với lý do sau: - Không tốn chỉ phí bảo dưỡng

- Momen xoắn phù hợp với mô hình

Trang 24

1]

2.3 Lựa chon dau phay

Đối với máy cnc mini bộ phận đầu khắc(phay) thường được sử dụng ba dạng như

sau:

- Đầu khắc bằng laser

- Đầu khắc(phay) bằng động cơ (Spindle) giải nhiệt bằng nước

- Đầu khắc(phay) bằng động cơ(Spindle) giải nhiệt bằng không khí

Đầu khắc bằng laser

Sử dụng đầu khắc laser để lẫy bỏ vật liệu bằng cách đốt cháy vật liệu Mức độ

khác đữ liệu phụ thuộc vào công suất khắc của đầu khắc Điện áp Buẳn cộng L⁄ hưởng ⁄ Chùm tia laser hội tụ Phôi

Hình 2.1 Cấu tạo đầu khắc laser

Trang 25

12 - Khắc được các chỉ tiết phức tạp Nhược điểm: - Tỏa nhiệt nhiều trong quá trình khắc - Độ khắc không sâu - Chỉ khắc được tranh ảnh

- Không thể phay một số chỉ tiết sản phẩm cần thiết

Tóm lại: Trong luận văn nảy yêu cầu đặt ra là khắc trên vật liệu gỗ, ngoài khả năng khắc thì còn có chức năng phay, vì thế đầu khắc laser không được chọn trong

dé tai nay

* Pau cat spindle giải nhiệt bằng nước Loại này có ưu nhược điểm như sau:

Ưu điểm:

- Có thể khắc hoặc phay trên mọi vật liệu ví dụ như gỗ, nhôm, thép, mica

- Có thể khắc hoặc phay với độ sâu tùy vào việc khai báo trên phần mềm

- Tuổi thọ làm việc bền hơn đầu cắt laser

- Công suất lớn

- Thích hợp cho những máy CNC chuyên dụng cở trung bình và lớn Nhược điểm:

- Cần phải giải nhiệt bằng nước, nếu không sẽ bị cháy động cơ

- Khi phay những chỉ tiết phức tạp cần phải có bộ biến tần, để điều khiển tốc

độ động cơ nhằm mục đích tránh gay mii dao

- Cần phải thay dao sau một thời gian sử dụng

-_ Giá thành cao, tùy thuộc vào công suất của chúng

- Khi khắc những hình ảnh phức tạp độ phân giải rất hạng chế, cho ra hình

ảnh không trung thực so với thiết kế

Tóm lại: Do phạm vi sử dụng làm mô hình và xét về mặc giá thành sản phẩm, thì đầu khắc spindle giải nhiệt bằng nước là giải pháp chưa tối ưu về mặt kinh tế cho

mô hình nên ta không chọn loại này

% Đầu khắc spidle giải nhiệt bằng không khí Loại này có ưu và nhược điểm

Trang 26

13

cho công suất trung bình, thường thích hợp cho những máy cnc cở nhỏ, giá

thành của sản phâm cũng phù hợp với phạm vi mô hình Nên loại này được

chọn để làm đầu khắc — phay trong luận văn nay

Kết luận: Qua những phân tích ở trên, ta chọn đầu cắt spidle giải nhiệt bằng không

khí là giải pháp tối ưu cho luận văn này 2.4 Sơ đồ phương án máy phay

Các phương án được chọn cho máy phay:

- Phương pháp dẫn động bàn máy được chọn là vitme bị

- Động cơ để máy vận hành là động cơ bước - Đầu phay(spindle) giải nhiệt bằng không khí Động cơ bước Động cơ bước Động cơ bước IVitme bị trục XƑ Vitme bi truc Y Ban may Vitme bi trục Z Spindle Phôi Sản phẩm

Hình 2.2 Sơ đồ phương án máy CNC mini

Sơ dé hình 2.2 là phương án để thiết kế máy CNC mini cho phần cơ khi, phần điện và điều khiển trình bày ở các chương tiếp theo

2.5 Thiết kế kết cấu chung của máy

Đề máy CNC mini có thể gia công được các chỉ tiết 3D, đòi hỏi máy phải có ba trục

chuyén động theo ba phương X, Y, Z được điều khiến độc lập trong hệ tọa độ dé

các Sau đây tác giả để xuất ra hai phương án chuyên động của máy CNC trong dé

Trang 27

Phương án 1: Phuong án thứ nhất được mô tả qua hình 2.3 Trong phương án này, trục Y chuyên động mang theo bàn máy, trục X chuyển động mang theo trục Z và LI x oi - = | J La Hình 2.3 Phương án chuyển động I đầu đao

Phương án 2: Phương án thứ hai được mô tả qua hình 2.4 Trong phương án này trục X, Y chuyển động phối hợp với nhau, trục Z chuyển động độc lập Lý xr Hình 2.4 Phương án chuyển động 2

Trang 28

15

Chương 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Trong chương này tập trung vào các vẫn để như sau: + Tính toán độ chính xác của máy

+ Yêu cầu thiết kế

+ Kết cấu thiết kế các cụm máy

+ Tính toán lựa chọn động cơ sử dụng 3.1 Yêu cầu thiết kế

- Bàn máy thiết kế với kích thước 520x500mm

- Vận tốc khắc (phay) của đầu cắt thay đổi được, nhưng có thể khắc(phay) với vận tốc tối đa 12000 vòng/phút, không sử dụng biến tần

- Thời gian làm việc của máy có thé dat 43.200 giờ(Š năm, ngày làm việc 24g)

- Có thể khắc(phay) 2D và 3D

- Độ chính xác có thể đạt được dựa vào tính toán trên từng trục + 1,875ưm - Bước vitme được chọn là 3mm

3.2 Xác định thông số bộ truyền

Động cơ trong để tài này được chọn là động cơ bước 24HS43 -2004S, theo tra cứu thì động cơ này có góc quay là 1.8°, có nghĩa là cần một xung để động cơ quay được 1.8 dé

Khi lắp vào mạch điện để vận hành, trên bo mạch có chế độ vi bước 1⁄2, 1⁄4, 1/8, 1/16, nhưng ta chọn vi bước ở đây là 1/8 Điều này có nghĩa rằng ta cần 8 xung thì động cơ bước mới quay được một bước tương ứng là 1.8, như vậy theo quy tắc

tam suất ta cỏ

Trang 29

16 Ta có phương trình sau: A = “TT - = 1600 xung Do vitme và động cơ bước trong để tài này ta chọn là giống như nhau, vitme có bước vit là 3mm Do vậy ta cũng có quy tắc tam suất sau: 1600 xung ————> 3mm 1 xung Bmm B= LÖ 1600 ” _ 0001875 mm xuwwemm 0,002

Vậy độ chính xác đã được tính theo lý thuyết trên một trục là + 1,875um 3.3 Kết cấu thiết kế các cụm máy

3.3.1 Bàn máy

- Bàn máy được thiết kế với vật liệu bằng sắt, tạo thành một khối vững chắc, bàn

máy được lắp trên bốn chân đỡ, phía dưới bàn máy là tủ điện chứa các bo mạch điện tử, như nguồn điện cung cấp cho máy hoạt động, bo điều khiển các trục X, Y, Z, và

các driver điều khiển động cơ ba trục

- Kích thước bàn máy 520x 500mm, kích thước này bao gồm kích thước lắp sản phẩm khi cắt, phay

Trang 30

17 po yw 2 ww 1 ~ 3 { J

Hình 3.1 Kết cầu của bàn máy

1 Hai thanh băng bị 2 Mặt bàn của bàn máy

3 Thanh băng bi 4 Hai giá đỡ 3.3.2 Kết cầu trục X

- Trục X được lắp trên mặt của bàn máy, thông qua hai thanh kim loại đặt song

song với nhau

- Cụm trục X được sử dụng bao gồm hai thanh băng bi lắp đặt song song với nhau và được lắp trên hai thanh kim loại bằng nhôm, trục vitme được lắp phía sau hai

thanh băng bi, hai đầu trục vitme được lắp vào hai 6 bi Vitme bị được lắp đồng trục

với động cơ bước Như vậy khi động cơ bước quay thì tạo thành một khối chuyên động bao gồm vitme bi chuyên động, băng bi chuyên động

Trang 31

18 Hình 3.2 Kết cấu trục X 1 Động cơ trục x 2 Băng bị 3 Đai ốc 4 Trục vitme 3.3.3 Kết cầu trục Y

- Trục Y được lắp ở phía dưới bàn máy và đặt ở vị trí giữa bàn máy, hai đầu trục Y được nỗi với hai ô bi

- Trục Y có chiều dài, thông số như trục X và được gắn đồng trục với động cơ bước - Đai ốc vitme được kết nối với bàn máy, vì vậy khi động cơ chuyển động, trục vitme chuyển động làm cho bàn máy chuyển động theo

Hình 3.3 Kết cấu trục Y

1 Động cơ trục Y 2 Hai băng bi 3 Đai ốc 4 Truc vitme 5 Ban may dat phôi

3.3.4 Kết cấu trục Z

- Trục Z được lắp trên trục X và vuông góc với trục X, về kết cấu trục Z cũng có

kết cầu giống tương tự như ở trục X và trục Y

Trang 32

19

- Vitme có thông số kỹ thuật giống như ở hai trục X và Y - Chiều dài của vitme và băng bi là 300mm

Như vậy khi trục X di chuyên thì trục Z cũng đi chuyển đồng thời với trục X, do trục Z được lắp trên trục X xz⁄‡| I7” Hình 3.4 Kết cấu trục Z, 1 Động cơ 2 Băng bị

3 Để kim loại lap spindle 4 Đầu cắt

3.3.5 Kết cầu cụm đầu phay

- Theo chương 2 ta đã chọn đầu khắc (spindle) loại giải nhiệt bằng không khí

Nguồn sử dụng cho đầu phay này 48VDC

- Đầu phay này được lắp trên một tắm kim loại và được lắp trực tiếp vào bốn con

trượt của băng bi nằm trên trục Z Khi trục Z di chuyên thì đầu cắt cũng di chuyển

theo

- Đầu phay được kết nối với bộ nguồn DC 48 voit thông qua một công tắc điều khiển được lắp trên bàn máy

- Dao khắc được lắp trực tiếp lên Spindle, tuy thuộc vào sản phẩm muốn khắc mà ta

Trang 33

20

tần để điều chỉnh tốc độ của dao, phần này đã đề cập ở chương trước Nhưng trong luận văn này mang tính chât mô hình nên ta có thê bỏ qua biên tân này

3.4 Sơ đồ nguyên lý của máy phay CNC >> ý \ ZA i N NG | AW Ls] ⁄ » " EJ— 777? Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý của máy phai 3 trục 1 Ban may 3 Bàn cắt (được gắn liền với trục vitme của trục y) 3 Động cơ ở trục x 7 Động cơ ở trục y 9 Đầu cắt gắn liền với trục vitme trên trục z X va truc z 3.5 Phân tích, tính toán - chọn động cơ 2 Vitme trục y 4 Đai ốc 6 Vitme trục x § Động cơ ở trục z

10 Đai ốc kết nối giữa trục

Trang 34

2l

3.5.1 Tính tốc độ quay động cơ và lượng chạy dao > Budc vitme Pg = 3 mm

> Luong chay dao

+ Tốc độ quay của động cơ quay dao _— 1000 n= (3.1) 1000 x 100 5308 U on = —————— = — ” 1t x6 Gr + Lượng chạy đao vòng F 900 mm S= == Ton 017C) (3.2) + Lwong chay dao rang Ss 017 —_ mm $7 = P 0,085 Cana) (3.3) 3.5.2 Tính tốn thơng số cho động cơ bước

Trong phần này trình bày về cách tính toán để chọn công suất cho động cơ truyền động Các yếu tố tác động lên công suất động cơ bao gồm: Momen cần tác

dụng và vận tốc của trục, do kế cấu thiết kế máy trục Z chạy trên trục X, trục X gắn

có định trên bàn máy, trục Y di chuyển làm cho bàn máy di chuyển theo Như vậy để tính lực chọn ra công suất cho động cơ, tác giả sẽ chọn trục nào có trọng lượng lớn nhất sẽ đem ra dé tính, như vậy trục Y trong đề tài này sẽ chịu trọng lượng lớn nhất vì phôi cần phay sẽ đặt trực tiếp lên trục Y Như vậy sau khi tính toán được momen và công suất của động cơ ở trục Y, tác giả sẽ lấy thông số này để tiến hành

lắp cho hai động cơ còn lại

Khối lượng của bàn máy được tính tốn dựa trên mơ hình 3D trong inventor

Sau đây là bảng tính khối lượng của bàn máy và một số chỉ tiết khác tác động lên

trục Y

HUTECH LIBRARY

Trang 35

22 Bảng 3.1 Bảng tính khối lượng của bàn máy STT Tên Số lượng Vật liệu Khối lượng (Kg) 1 | Thanh kim loại lắp phôi 7 Nhôm 5,831 2 | Thanh sắt kẹp thanh 2 Sắt 3,224

kim loại lắp phôi

3 Con trượt lặp trên hai 4 Thép 2.28 băng bị

4_ | Đai ốc trên trục Y 1 Thép 1.58

5 Tông khôi lượng của bàn máy 12,915

6 | Tổng khối lượng mả động cơ cân tải(phôi + bản máy) 50

*® Tính tốn momen quy đổi

Khi hệ thống hoạt động sẽ xuất hiện các thành phần lực, momen chống lại

chuyên động quay từ trục động cơ Để đơn giản cho việc tính toán, ta biến đối các

thành phần này về một thành phần duy nhất Đó là việc quy đổi momen tải về trục

động cơ

Lực cản của hệ thống bao gồm:

- Lực ma sát của con chạy với ray dẫn hướng

- Lực cắt do dao cắt

- Trọng lượng tải(bàn máy + phôi + vitme )

Điều kiện quy đổi: Đảm bảo cân bằng công suất của hệ truyền động

Trang 36

23

V, : Vận tốc của phân te thir i [m/s] a Momen ma sát quy đỗi

Fms là lực ma sát giữa con chạy(gắn vào mặt dưới

Trang 37

24

b Momen trọng lực quy đỗi

Ray dẫn hướng Bản máy

\— Con chạy —_ | | _| Con chạy ——¬ Động cơ oS > Z | Khópnổi ‘ue vitme q Trọng lực Hình 3.7 Trọng lực của bàn máy

Công suất do trọng luc tao ra Ng = P ở mà P tà ở vuông góc nhau, do bản máy đặt ngang nén Ng = 0, vay momen trong lực quy đôi Tg =0

c Momen cat quy đỗi Ray dan hudng

¬ Hướng chuyển động của bàn máy

Động cơ Khớp nối Phôi Ban may — x Vitme Mac | _ Dao = = ——] Hình 3.8 Lực do đao cắt gây ra

% Phân tích lực tác dụng khi gia công

+ Lực cắt: là lực sinh ra trong quá trình tác dụng lên dao

Trang 38

25 2⁄23 Ạ⁄⁄⁄đ4 )s Hình 3.9 Lực cắt khi phay

+ Lực P¿: Xác định tải trọng động cơ cầu hợp tốc độ và tạo nên công suất cắt, là thành phân lực cắt theo phương chiều sâu cắt † (mm)

+ Luc Py: La luc ép lén dao va chi tiét gia công

+ Lực P„ Py: Xác định tai trọng động của cơ cau chay dao © Lue cat PZ[N] 10.Cp.t*.S?.BY.Z p, = Weel SBN x, (3.6) Trong đé: Cp X y u q w Kup 82.5 0,15 0,8 1,1 1,1 0 1 u=1.1 (bang 5.5/st CNCTM_ ID Thay vào công thức (3.6) ta được 10.Cp.t*,SẺ.B1,Z DInw

e Cac le thanh phan khi phay (bang 5.42/stCNCTM_ID

- Lực chạy dao ngang: Pạ = 0,25 P„ = 0,25 x 2049,3 = 512,32 (N) - Lực chạy dao thắng dimg: Py = 0,95 Pz = 0,95 x 2049,3 = 1946,84 (N) - Lực chạy dao hướng kinh: Py = 0,35.Pz = 0,35 x 2049,3 = 717,26 (N) - Luc chay dao huéng truc: Px = 0,52 P, = 0,52 x 2049,3 = 1065,64 (N)

_ 10x 82,5 x 0,85 x 0,85%8 x 4514 x 2 ~ Glin?

Trang 39

26

Sau khi phân tích các thành phần lực tác động khi chạy dao, từ đó ta tính được momen cắt quy đổi theo công thức (3.4)

Py.pg _ 171,26 0,003

Tmy = n =——— 0,9 = 2,39(N.m) (3.7)

d Momen tái quy đỗi

Trong trường hợp có cắt gọt thì Tmy # 0, momen tai quy đôi được tính như sau:

T, = Try + Tg + Try = 0,16 + 0 + 2,39 = 2,55 (N.m) (3.8)

Vi momen tải quy đổi trong trường hợp chạy dao cắt lớn hơn nhiều so với trường

hợp chạy không tải, nên khi chọn động cơ sẽ chọn theo momen quy đổi trong trường hợp động cơ hoạt động khi có tải

e Công suất động cơ 2mnT, _ 28333.2,55

60

P= = 88,88(W) (3.9)

% Lựa chọn động cơ

+ Tiêu chí lựa chọn động cơ

- Npc > n: Tốc độ định mức động cơ phải lớn hơn hoặc bằng tốc độ lớn nhất của vitme tải yêu cầu

~ Tpc > k.T;¡: Momen định mức động cơ phải lớn hơn momen tải quy đôi, trong đó k là hệ số dữ trữ + Lựa chọn sơ bộ - Tốc độ định mức của động cơ trên trục Y Npc 2 333(rpm) - Momen xoắn định mức của động cơ Tpc > k.TL = 1.2 2,55 = 3,06(Nm)

Dựa vào kết quả trên, ta chọn động cơ cho trục Y là loại 24HS43 -2004S Các chỉ số kỹ thuật của động cơ này được mô tả ở bảng phụ lục C Tác giả cũng chọn loại động

Trang 40

27

Chuwong 4: THIET KE PHAN ĐIỆN

Trong chuong nay trinh bay vé thiét ké phan dién cho may CNC 3 truc, bao

gồm sơ đồ kết nối phần điện, thiết kế mạch đệm (breakout board) cách ly tín hiệu từ máy tính đến xung cấp cho driver, tính toán giá trị cần nạp cho stepsper

Sau đây là sơ đồ thiết kế điện cho máy CNC 3 trục — 12V0E 220VAC AY Ti MẠCH ĐỆH TÍN HIỆU MAY TINH [BREAKOUT BOARD} | oy A Nguén 12v Bién thé nguon Mach kich Mach on ap DRIVER ORIVER a an on Step Step Step Spindle Ban may

Hình 4.1 Sơ đồ thiết kế phần điện cho máy CNC mini