đồ án tốt nghiệp về máy laser mini với công suất nhỏ. bao gồm file cad,3d,mô phỏng. các bạn có thể liên hệ trưc tiếp với mình. giúp cho những bạn sinh viên năm cuối hay những bạn cần tìm hiều về để tài máy cắt khắc laser bao gồm phần thuyết minh,điều khiển
Trang 1Mục lục
Lời nói đầu 6
Chương 1 Tổng quan về công nghệ máy cắt bằng Laser 7
1.1 Một vài vấn đề về máy cắt bằng Laser 7
1.1.1 Đặc điểm quá trình cắt bằng Laser 7
1.1.2 Máy cắt bằng Laser 10
1.1.3 Phân loại máy cắt bằng Laser 36
1.1.4 Đặc điểm của Laser 37
1.1.5 Khả năng ứng dụng của Laser 37
1.1.6 Cơ chế gia công cắt gọt bằng chùm tia Laser 37
1.2 Cơ tính của Laser dùng để loại bỏ các vật liệu 38
1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cắt bằng Laser 38
1.3.1 Ảnh hưởng thông số của các thiết bị cắt 39
1.3.2 Ảnh hưởng của công nghệ cắt 41
1.4 Ứng dụng gia công CNC Laser 44
1.4.1 Máy cắt CNC Laser 44
1.4.2 Ứng dụng của Laser trong ngành điêu khắc 45
1.4.3 Một số loại máy Laser thông dụng 46
Kết luận Chương 1 47
Chương 2 Thiết kế chế tạo máy khắc Laser 48
Đặt vấn đề 48
2.1 Phân tích và chọn kết cấu khung máy 49
2.1.1 Các phương án thiết kế 49
2.1.2 Thiết kế khung máy 50
2.1.3 Nguyên lý hoạt động của máy gia công máy khắc Laser thiết kế 55
2.2 Hệ thống điều khiển 57
2.2.1 Hệ thống điều khiển bằng cơ khí 57
2.2.2 Hệ thống điều khiển điện tử 65
2.3 Tính toán thiết kế một số cơ cấu 72
2.3.1 Chọn ổ lăn 72
2.3.2 Thiết kế gối đỡ trục 74
Chương 3 Thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết điển hình 76
3.1 Phân tích chức năng làm việc của chi tiết 77
3.2 Phân tích tính công nghệ của chi tiết 77
Trang 23.3 Xác định dạng sản xuất 78
3.4 Tính toán chế độ cắt 80
3.4.1 Nguyên công 1: Cắt phôi 80
3.4.2 Nguyên công 2: Khỏa mặt đầu và khoan tâm 81
3.4.3 Nguyên công 3:Tiện bậc trục Ø12, Ø8, tiện rãnh 85
3.4.4 Nguyên công 4:Tiện bậc trục Ø10, Ø8, tiện rãnh, tiện ren (đầu còn lại) 89
3.4.5 Nguyên công 5: Gia công rãnh vít me bi 94
3.4.6 Nguyên công 6: Nhiệt luyện 97
3.4.9 Nguyên công 9: Mài cổ trục Ø8 103
3.4.10 Nguyên công 10: Kiểm tra 105
3.5 Xác định thời gian nguyên công 106
3.5.1 Nguyên công 2: Khỏa mặt đầu và khoan tâm 106
3.5.2 Nguyên công 3 : Tiện bậc trục Ø12, Ø8 và tiện rãnh 107
3.5.3 Nguyên công 4 : Tiện bậc trục Ø10, Ø8 và tiện rãnh (đầu còn lại) 108
3.5.4 Nguyên công 5 : Gia công rãnh vít me bi 109
3.5.5 Nguyên công 7 : Mài rãnh vít me bi 109
3.5.6 Nguyên công 8 : Mài cổ trục Ø10 và Ø8 109
3.5.7 Nguyên công 9 : Mài cổ trục Ø8 (đầu còn lại) 110
3.6 Tính toán thiết kế đồ gá điển hình 111
3.6.1 Định vị và kẹp chặt 111
3.6.2 Tính toán lực kẹp 111
3.6.3 Chọn cơ cấu kẹp 113
3.6.4 Tính sai số chế tạo đồ gá 114
Kết luận chung 116
Tài liệu tham khảo 120
Phụ lục 121
Trang 3Danh sách hình vẽ
Hình 1.1: Nguyên lý hình thành Laser 7
Hình 1.2: Phương pháp đột biến về nhiệt 8
Hình 1.3: Phương pháp cắt bằng “khoan” 8
Hình 1.4: Phương pháp nóng chảy, đốt cháy và thổi 8
Hình 1.5: Phương pháp nóng chảy và thổi 9
Hình 1.6: Phương pháp bay hơi 9
Hình 1.7: Phương pháp “cắt nguội” 9
Hình 1.8: Sơ đồ khối máy cắt Laser 10
Hình 1.9: Kết cấu thanh trượt tròn và bạc trượt bi 11
Hình 1.10: Kết cấu ray trượt bi 12
Hình 1.11: Bộ truyền đai răng 12
Hình 1.12: Mô tả ăn khớp của đai răng 13
Hình 1.13: Mô hình ứng suất trong chân răng 13
Hình 1.14: Các loại biên dạng đai răng 14
Hình 1.15: Cách bố trí các sợi cốt và hướng xoắn của sợi 15
Hình 1.16: Vitme đai ốc thường 16
Hình 1.18: Kết cấu bộ truyền vit me - đai ốc bi 17
Hình 1.19: Cấu trúc bộ truyền vít me bi 18
Hình 1.20: Hệ thống đai ốc tải kép 19
Hình 1.21: Động cơ servo 21
Hình 1.22: Mặt cắt servo motor 22
Hình 1.23: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển động cơ bước 25
Hình 1.24: Sơ đồ nối dây trong động cơ 27
Hình 1.25: Sơ đồ mạch động cơ bước 28
Hình 1.26: Bộ điều khiển servo 30
Hình 1.27: Mạch vòng điều khiển 31
Hình 1.28: Đầu phát Laser bằng khí CO2 33
Hình 1.29: Cấu tạo Laser Rubi 34
Hình 1.30: Ảnh hưởng của công suất máy phát đến chiều sâu lỗ cắt 40
Hình 1.31: Quan hệ giưa chiều sâu lỗ với số xung 40
Hình 1.32: Sự phụ thuộc đường kính đầu mỏ cắt và vận tốc cắt 41
Hình 1.33: Quan hệ của tốc độ cắt và chiều dày vật cắt 41
Hình 1.34: Phụ thuộc tiết diện rãnh cắt vào tốc độ cắt 42
Hình 1.35: Phụ thuộc hình dạng của lỗ gia công và chiều sâu của lỗ vào vị trí đặt tiêu điểm của chùm Laser 42
Hình 1.36 a,b: Hình dạng của lỗ gia công và chiều sâu của lỗ phụ thuộc vào vị trí đặt tiêu điểm của chùm Laser 43
Hình 1.37: Một số dạng mép cắt khi có sử dụng khí thổi 43
Hình 1.38: Sự phụ thuộc vào thành phần lớp sơn phủ trên bề mặt thép 45 đánh bóng 44
Hình 1.39: Sự phụ thuộc bán kính lỗ vào áp lực phản lực của hơi 44
Hình 1.40: Máy CNC Laser 45
Hình 1.41: Một số sản phẩm gia công bằng máy Laser 45
Hình 1.42: Một số sản phẩm gia công bằng máy Laser 46
Trang 4Hình 2.1 Một số sản phẩm máy khắc laser 48
Hình 2.2: Mô hình máy cắt Laser 50
Hình 2.3(a, b, c): Hình chiếu 2 chiều và hình không gian 3 chiều 52
Hình 2.4: Khung máy và mô hình phân tích phần tử hữu hạn khung máy 53
Hình 2.5 Khung máy đỡ trục Y 54
Hình 2.6: Bàn máy mô phỏng trên Solidworks 2014 55
Hình 2.7: Sơ đồ khối máy khắc Laser 56
Hình 2.8: Sơ đồ lực tác lên trục trượt 58
Hình 2.9: Sử dụng phần mềm Solidworks để kiểm nghiệm độ bền trục 59
Hình 2.10: Biểu đồ quan hệ mô men và tốc độ động cơ 60
Hình 2.11: Động cơ bước 61
Hình 2.12: Hình ảnh khớp nối mềm 63
Hình 2.13 : Sơ đồ lực tác dung lên trục vít me bi 64
Hình 2.14: Bo mạch Microstep Driver P441 66
Hình 2.15 a: Hình vẽ đấu dây Microstep Driver P441 67
Hình2.15 b: Hình vẽ đấu nối mạch đệm driver P441 68
Hình 2.15 c: Hình vẽ đấu nối đầu vào mạch đệm 68
Hình 2.16: Giao diện của phần mềm Inkscape 72
Hình 2.17: Thông số cơ bản của ổ lăn trục X 72
Hình 2.18: Kích thước ổ lăn trục X 73
Hình 2.19: Kích thước ổ lăn trục Y và Z 73
Hình 2.20: Kích thước gối đỡ trục vít me X 74
Hình 2.21: Kích thước gối đỡ trục vít me Y và Z 75
Hình 2.22: Kích thước gối đỡ trục trơn X 75
Hình 2.23: Kích thước gối đỡ trục trơn Y và Z 76
Hình 2.24: Kích thước gối đai ốc vít me bi trục X 76
Hình 3.1 Nguyên công 1: Cắt phôi 80
Hình 3.2 Nguyên công 2: Khỏa mặt đầu và khoan tâm 81
Hình 3.4 : Nguyên công 4:Tiện bậc trục Ø10, Ø8, tiện rãnh, tiện ren (đầu còn lại) 89
Hình 3.5 Nguyên công 5: Gia công rãnh vít me bi 94
Hình 3.6 Nguyên công 6: Nhiệt luyện 97
Hình 3.7 Nguyên công 7: Mài rãnh vít me bi 99
Hình 3.8 Nguyên công 8: Mài cổ trục Ø10 và Ø8 100
Hình 3.9 Nguyên công 9: Mài cổ trục Ø8 103
Hình 3.10 Nguyên công 10: Kiểm tra 105
Hình 3.11 Dưỡng kiểm tra vít me 106
Hình 4.2: Hình ảnh một số sản phẩm gia công bằng máy sau khi hoàn thiện 117
Trang 5Danh sách bảng
Bảng 1.1: Tiêu chuẩn về Bước Góc của động cơ bước 26
Bảng 1.2: Cơ tính của các loại vật liệu điển hình cắt bẳng Laser………38
Bảng 1.3: Năng lượng riêng khi cắt của một số vật liệu phi kim 39
Bảng 2.1: Thông số một số động cơ bước 61
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật điện ( thông số kỹ thuật ) 61
Bảng 2.3: Thông số khớp nối 63
Bảng 2.4: Thông số hoạt động (nhiệt độ môi trường 25oC) 67
Bảng 2.5: Thiết lập dòng điện 67
Bảng 3.1: Thành phần hóa học thép C45 77
Bảng 4.1 Bảng thông số kỹ thuật của máy khắc laser 117
Bảng 4.2 Chế độ cắt bằng máy khắc Laser đối với một số vât liệu 118
Trang 6Lời nói đầu
Ngày nay, nghành công nghiệp trang trí, điêu khắc trên các vật liệu khác nhau được hình thành và phát triển mạnh mẽ và cũng vì thế đòi hỏi những công cụ máy móc gia công chính xác
và gia tăng năng xuất Nắm được tầm quan trọng đó, nhóm em
đã làm đề tài “ Thiết kế và chế tạo máy cắt khắc Laser “
nhằm điều khiển máy giúp vẽ, khắc logo,… ngày càng trở nên đơn giản.
Những kiến thức học được và năng lực đạt được trong quá trình học tập của chúng em tại trường được áp dụng vào việc thực hiện Đồ án tốt nghiệp lần này Xin được gửi lời cảm ơn
chân thành đến TS Nguyễn Hữu Phấn đã định hướng, hỗ trợ
và giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thưc hiện đề tài Kết quả là những sản phẩm đạt được trong ngày hôm nay tuy không lớn lao nhưng nó là thành quả của 4 năm học tại trường là thành công đầu tiên của chúng em trước khi ra trường.
Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện đề tài không thể tránh khỏi những sai sót và sơ suất rất mong thầy cô thông cảm Cuối cùng, chúng em rất mong được tiếp nhận những ý kiến đóng góp chuyên sâu của quý thầy cô và các bạn.
Nhóm sinh viên
Trang 7Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MÁY CẮT BẰNG LASER 1.1 Một vài vấn đề về máy cắt bằng Laser
1.1.1 Đặc điểm quá trình cắt bằng Laser
a Nguyên lý quá trình cắt
Laser (Light Amplifications by Stimulated Emission of Radiation) là năng lượngcủa chùm tia Laser tập trung vào phần nhỏ của phôi nhờ hệ thống thấu kính làm chophần vật liệu phôi bị nóng chảy cục bộ (d5mm) Phần vật liệu nóng chảy bị đẩy rakhỏi vùng gia công bởi một dòng khí có áp lực cao, đồng trục với chùm tia Laser Đốivới một số loại vật liệu thì dòng khí này làm tăng tốc quá trình cắt bởi tác động hóahọc và lý học Vùng vật liệu bị nóng chảy cục bộ được di chuyển dọc bề mặt chi tiếttheo một quỹ đạo và sinh ra vết cắt Chuyển động được thực hiện bằng cách di chuyểnchùm tia Laser hội tụ nhờ hệ thống gương CNC hoặc chuyển động cơ khí tấm vật liệutheo hai phương X-Y trên bàn máy CNC Các hệ thống tự động hóa hoàn toàn chophép cắt được các hình dáng 3D
Hình 1.1: Nguyên lý hình thành Laser [3]
Trên hình 1.1 có thể thấy, trong hộp cộng hưởng quang học (4) ở hai phía là haithấu kính phản chiếu (6 và 8) và giữa hai gương đó là môi trường hoạt tính 1 (haythanh Laser), những nguyên tử trong môi trường này bị kích thích bởi nguồn sáng cótrạng thái ổn định 2 Các proton được phóng ra và hướng vào trục quang học của thanhLaser Các proton này va chạm với nhau và tiếp tục tạo ra các proton khác, các protonnày kết nối nhau cả về pha cũng như về hướng Quá trình này tiếp diễn ra cho đến khicác proton chuyển động dọc theo trục quang học và sau nhiều lần phản xạ các protonnày có đủ năng lượng để rời khỏi thanh Laser qua kính số 6, phần còn lại bị phản xạtrở lại và tiếp tục quá trình hình thành các proton Khi tia sáng đã chiếu xuyên qua
Trang 8kính phản chiếu 5 thì đầu ra sẽ hình thành một chùm tia nối tiếp nhau Chùm tia này sẽ
đi qua một thấu kính hội tụ để tập trung năng lượng tại một điểm, nếu đặt vật cần giacông tại tiêu điểm này thì nhiệt độ cục bộ tại đó có thể lên tới 8000ºC trong 1 ms
b Các phương pháp cắt bằng Laser
Để tiến hành cắt có thể tiến hành theo 6 phương pháp cắt sau đây [2]:
- Phương pháp đột biến về nhiệt (Năng lượng tương đương (NLTĐ) - 1 lần): Đây
là phương pháp lợi dụng sự tập trung nhiệt đột ngột tại một điểm rất nhỏ trên bề mặtvật cắt và liên tục phát triển với tốc độ cao (cm/s), gây nên sự gẫy đột biến và tạo nên
rãnh cắt Phương pháp này thường dùng khi cắt vật liệu dòn
Hình 1.2: Phương pháp đột biến về nhiệt [2]
- Phương pháp cắt bằng “khoan” ( NLTĐ là 1 lần): Cơ sở của phương pháp này
là dùng tia Laser khoan các lỗ sâu hoặc không sâu, sau đó bẻ gẫy bằng cơ học Phươngpháp này thường dùng khi cắt vật liệu dòn
Hình 1.3: Phương pháp cắt bằng “khoan” [2]
- Phương pháp nóng chảy, đốt cháy và thổi (NLTĐ gấp 10 lần): Làm cho vật liệu
nóng chảy, cháy sau đó thổi các sản phẩm cháy đi,tạo nên rãnh cắt Trong quá trìnhnóng chảy đồng thời xảy ra phản ứng cháy cung cấp nhiệt bổ sung nên năng lượngtương đương tăng lên rất nhiều (10 lần) so với khoan cắt
Hình 1.4: Phương pháp nóng chảy, đốt cháy và thổi [2]
- Phương pháp nóng chảy và thổi (NLTĐ gấp 20 lần): Nung nóng chảy vùng bị
cắt và dùng khí áp suất cao thổi chúng ra khỏi vùng cắt và tạo nên rãnh cắt
Trang 9Hình 1.5: Phương pháp nóng chảy và thổi [2]
- Phương pháp bay hơi (NLTĐ gấp 40 lần): Sử dụng nguồn nhiệt cao, tập trung
làm cho vật liệu bay hơi tạo nên rãnh cắt
Hình 1.6: Phương pháp bay hơi [2]
- Phương pháp “cắt nguội” (NLTĐ gấp 100 lần): Dùng Laser có dải tần số vùng
cực tím có năng lượng siêu cao để cắt Phương pháp này dùng để cắt vật liệu platic, viphẩu thuật Chất lượng mép cắt rất cao
Hình 1.7: Phương pháp “cắt nguội” [2]
c Đặc điểm quá trình cắt
Cắt bằng Laser có nhiều ưu điểm đối với vật liệu có chiều dày nhỏ với vật liệu
phi kim loại và kim loại
Ưu điểm:
- Chùm tia Laser có nguồn nhiệt tập trung với mật độ nhiệt cao Vì thế nó có thểcắt tất cả các loại vật liệu và hợp kim của nó
- Rãnh cắt hẹp; sắc cạnh; độ chính xác cao
- Có thể cắt theo đường thẳng hay đường cong bất kỳ
- Mép cắt sạch đẹp, không cần các bước gia công phụ thêm
- Quá trình cắt xảy ra nhanh chóng
- Đây là quá trình cắt không tiếp xúc; nó có thể cắt theo các hướng khác nhau
- Có thể cắt vật liệu có từ tính và không từ tính
- Khi cắt, không có các tác dụng cơ học nên tồn tại rất ít ảnh hưởng của biếndạng trong quá trình cắt và sau khi cắt Vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, biến dạng nhiệt ít
Trang 10- Có năng suất cao; có thể tăng năng suất khi sử dụng các máy có điều khiểnbằng chương trình NC, CNC
- Có thể cơ khí hoá và tự động hoá điều khiển quá trình cắt; Cắt vật liệu phi kimloại chiếm tỷ lệ khoảng 70 % (ví dụ: như cắt vật liệu ceramíc, kính, vật liệu compôzitđặc biệt là vải và các loại giấy); phần còn lại khoảng 30% là cắt kim loại Thời giangia công bằng chùm tia Laser khi tự động hoá có thể giảm từ 8 giờ xuống còn 4 phút
- Không gây ồn; điều kiện lao động tốt Ngoài ra điều kiện làm việc của côngnhân được cải thiện rất nhiều do lượng bụi ít hơn so với các phương pháp gia công cơkhí
- Chiều dày cắt hạn chế trong khoảng 10 - 20mm (phụ thuộc vào công suất củanguồn Laser)
Nhược điểm :
- Giá thành thiết bị cao
- Khó gia công các lỗ sâu không thông
- Không gia công được các lỗ sâu quá 50 mm
- Để lại các kim loại trên miệng hố gia công nên cần phải làm sạch chúng
1.1.2 Máy cắt bằng Laser
Cấu tạo:
Hình 1.8: Sơ đồ khối máy cắt Laser [3]
Các thiết bị cắt Laser hiện nay thường có cấu tạo gồm các thành phần chính như sau:
1.1.2.1: Cơ khí:
Hệ thống cơ khí của máy là một hệ kết cấu khung máy, băng máy, các cơ cấutruyền động - dịch chuyển tọa độ chính xác, hệ điều khiển CNC Nhiệm vụ của hệthống cơ khí này là tạo lên một hệ truyền động cơ khí chính xác và di chuyển nội suy
Trang 11Thực tế, thường gặp các máy có chức năng kết hợp như máy Đột dập + Laser, CắtLaser + Hàn Laser, ở các máy này, hệ thống cơ khí có kết cấu phức tạp hơn, đượctrang bị đầy đủ các bộ phận cần thiết để máy có thể thực hiện nhiều chức năng giacông khác nhau trên cùng một sản phẩm Sự khác biệt và đáng lưu ý nhất trên hệ máychính là hệ thống dẫn chùm tia Laser đi từ nguồn phát tới đầu cắt Đó là thường là mộtđường ống kín có các điểm chuyển hướng theo đường đi của chùm tia Laser Tại mỗiđiểm chuyển hướng được lắp đặt một gương phản xạ có tác dụng đổi hướng chùm tiaLaser Tới gần vị trí đầu cắt, một thấu kính hội tụ được lắp đặt vuông góc với trục củachùm tia Laser, có tác dụng hội tụ chùm tia Laser tới một điểm, đó chính là điểm sẽđược cắt trên bề mặt của vật liệu Toàn bộ các gương phản xạ và thấu kính hội tụ đượcđược gá đặt sao cho có thể điều chỉnh góc độ để trong quá trình lắp đặt căn chỉnh,chúng ta có thể điều chỉnh hướng đi của chùm tia theo một góc độ nhất định.
a Hệ dẫn hướng:
Hệ thống dẫn hướng sử dụng thanh trượt tròn bằng thép đặc kết hợp với bạc bitrượt (hình 1.9) Kết cấu này có độ cứng vững và độ chính xác thấp hơn do thanh trượttròn được đặt trên hai gối đỡ ở hai đầu Với các máy có chiều kích thước lớn thì phải
sử dụng hệ thống bạc bi trượt dạng chữ C, loại bạc này cho phép bổ xung các điểm đỡthanh trượt nhằm tránh biến dạng khi chịu tải
Hình 1.9: Kết cấu thanh trượt tròn và bạc trượt bi [10]
Thanh trượt có thể dạng thanh tròn hoặc thanh ray trượt, trong đó: Dạng thanhtròn làm bằng thép chịu lực cao, bề mặt mạ Crôm, tốc độ di chuyển con trượt cao(10m/s), hoạt động trơn (êm, tiếng ồn thấp), dễ dàng tháo lắp Tuy nhiên độ cứngvững không cao; Thực tế các máy CNC sử dụng hế thống dẫn hướng bằng các raytrượt bi (hình 1.10) Hệ thống dẫn hướng này có độ cững vững cao hơn do được đặttrên mặt phẳng và liên kết bulông với thân máy tuy nhiên giá thành cao nên chủ yếu sửdụng trong các máy công nghiệp
Trang 12Hình 1.10: Kết cấu ray trượt bi [10]
b Hệ thống truyền động
Trang 13Hình 1.11: Bộ truyền đai răng [4]
Đai răng tương tự như đai dẹt nhưng bề mặt trong có các gờ hình thang, trònhoặc cong Trên các bánh đai cũng có các rãnh tương ứng Bộ truyền làm việc được lànhờ vào sự ăn khớp giữa đai và các răng của bánh đai Bộ truyền đai răng được dùngđến công suất 100KW, cá biệt có thể đến 500KW và tốc độ thường 5 ÷ 50 (m/s), cókhi lên đến 80(m/s) với đai loại nhẹ Bề rộng của đai có thể đến 380(mm), tỷ số truyềnđạt đến 12, đôi lúc đến 30, hiệu suất tối đa 98%
Hình 1.12: Mô tả ăn khớp của đai răng [4]
Theo nghiên cứu ở tài liệu [4] đối với đai răng làm việc theo nguyên lý ăn khớp,qua phương pháp phân tích bằng quang đàn hồi người ta thấy rằng ứng suất phân bốtrong chân răng đai răng khác nhau tuỳ vào hình dạng của răng ở răng hình thang có
sự tập trung ứng suất ở chân răng (thể hiện bằng các đường gần tròn tại chân răng bêntrái), các nơi khác ngoài vị trí chân răng thì ứng suất rất thấp Trong khi đó đối với đairăng cong, ứng suất phân bố đồng đều hơn và gần như hằng số trên răng, tải tập trunglớn nhất vào phần tử chịu căng (lớp sợi cốt)
Hình 1.13: Mô hình ứng suất trong chân răng [4]
Trang 14Đường ứng suất chính trong đai răng hình thang nằm ở chân răng Trong quátrình đai làm việc, ứng suất này hạn chế rất lớn tuổi thọ của đai, đai răng cong khắcphục được hiện tượng này, bảo vệ được răng đai không bị cắt trượt ở chân dưới tácdụng của momen tải Răng đai hình cong tiếp xúc với rãnh răng trên bánh đai trên toàn
bộ diện tích răng, cải thiện điều kiện ăn khớp, hạn chế rung động và độ biến dạng củarăng đai, khả năng tải tăng lên 40% Như vậy đai răng cong có ưu điểm hơn đai thang(tuổi thọ đai cao hơn) tuy nhiên với biên dạng cong việc chế tạo dây đai và bánh đaiđều khó hơn, đấy là lý do tại sao đai răng biên dạng hình thang vẫn tồn tại và được sửdụng khá phổ biến
Hình 1.14: Các loại biên dạng đai răng [4]
a) Răng hình thang, b) Răng hình thang có xẽ rãnh ở chân răng, c) Răng hình thang
chân răng tạo góc, d) Răng cung tròn, e) Răng cong
Kết cấu:
Kết cấu của dây đai bao gồm phần lõi và phần nền Phần lõi nằm ở lớp trung hoà
và là phần tử chịu lực vòng chính của dây đai Vật liệu chế tạo lõi là polyester, Kevlar,Fiberglass, thép Phần lõi chịu lực được nhúng vào Cao su thiên nhiên, neoprene hoặcpolyurethane Răng dây đai là vật liệu nền (neoprene) được bảo vệ bằng một lớp nylonbao phủ ở mặt ngoài với mục đích chống mòn Chức năng của từng lớp đai có tác dụngđối với toàn bộ kết cấu đai như sau:
- Lớp cốt sợi chịu kéo: tạo ra sức bền kéo cho đai, giúp đai mềm dẻo và chống lại
sự dãn dài
Trang 15- Lớp neoprene ở mặt lưng đai được liên kết với lớp cốt sợi nhằm mục đíchchống lại chất bẩn, dầu mỡ và các chất ăn mòn Nó cũng bảo vệ đai khỏi mòn nếudùng bánh căng đai ở mặt lưng đai.
- Phần răng đai chống lại ứng suất cắt và được đúc liền với lớp lưng Răng đaiphải được chế tạo chính xác về biên dạng và bước để chúng ăn khớp êm và chính xácvới răng của bánh đai
- Lớp nylông ở bề mặt răng đai có hệ số ma sát nhỏ và khả năng chống mòn caonhằm tăng độ bền mòn và thời gian làm việc cho răng đai
Điều cần chú ý về lớp sợi cốt, các sợi cần phải được se xoắn lại và bố trí các sợi
có hướng xoắn ngược nhau từng đôi một Các sợi không được quấn liên tục sát nhau vìnếu quấn như vậy sẽ làm cho hai lớp cao su ở phần lưng đai và răng đai dễ dàng tách
ra làm đai chóng hỏng
Hình 1.15: Cách bố trí các sợi cốt và hướng xoắn của sợi [4]
Lõi đai giúp tăng cường khả năng chịu được lực vòng khi truyền mômen xoắncũng như truyền lực cho dây đai Các loại vật liệu dùng làm lõi đai cần có các yêu cầusau: - Sức bền kéo cao - ít bị dãn - Chống được ăn mòn hoá học - Chịu uốn tốt (mềmdẻo) Vật liệu chế tạo cốt bao gồm: Kevlar, Polyester, Fiberglass, Thép
Truyền đông bằng V ít me - đai ốc thường
Vít me là cơ cấu trục vít gắn liền với đai ốc dùng để truyền chuyển động cho cơcấu trượt dọc theo trục vít me Trục vít me thường rất dài so với đường kính của nó(hàng chục hay cả trăm lần), có ren (thường là 2 đầu mối) hình thang để chịu lực cao.Khi truyền động, thường thì trục vít quay làm cho đai ốc (cùng cơ cấu trên nó) chuyểnđộng tịnh tiến Đôi khi cũng có cơ cấu đai ốc quay làm cho trục vít me chuyển động
Trang 16tịnh tiến Trên nguyên lý khi truyền động, Nếu trục vít đứng yên thì đai ốc chuyểnđộng tịnh tiến hoặc đai ốc đứng yên thì trục vít chuyển động tịnh tiến
Vitme đai ốc thường [10]
Truyền động bằng Vitme bi-đai ốc bi
Hình 1.17: Hình ảnh vitme-đai ốc bi được sử dụng trong máy công nghiệp [10]
Hệ thống truyền động sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc bi, truyền động vít me biđược sử dụng phổ biến trong các máy điều khiển số nhờ các ưu điểm nổi trội của nónhư: ma sát nhỏ, làm việc êm, ổn định và có độ chính xác cao Tuy nhiên nhược điểmcủa vít me bi là khả năng chịu tải kém hơn so với vít me thường (do đặc điểm cấutạo ) Ngoài ra do cần độ chính xác rất cao nên chế tạo khó khăn và giá thành đắt
Trang 17Hình 1.18: Kết cấu bộ truyền vit me - đai ốc bi [10]
- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động vitme bi: Đây là dạng vít me đai ốc thay vì ma
sát trượt thông thường thì đây là tiếp xúc giữa vít me và đai ốc thông qua các viên biđược chuyển thành ma sát lăn Điều này đem đến một ưu điểm lớn: chỉ cần một lựcquay rất nhỏ đã có thể làm cho đai ốc chuyển động Độ chính xác di chuyển cao dokhông có độ rơ giữa vít me và đai ốc Vấn đề quan tâm trong bộ truyền vít me – đai ốc
bi đó là dạng profin răng vít me và đai ốc Profin răng vít me dạng chữ nhật và hìnhthang là chế tạo dễ dàng hơn cả nhưng khả năng chịu tải kém.Để tăng khả năng chịutải , người ta tăng bề mặt làm việc của bộ truyền bằng cách chế tạo profin dạng tròn.Vít me bi cũng giống như ổ bi vít hoặc trục vít có vòng bi tuần hoàn Nó gồm một trụcvít, một đai ốc, những viên bi và cơ chế hồi bi (hình 1.19)
Hình 1.19: Cấu trúc bộ truyền vít me bi [10]
Vòng bích được gắn vào phần di chuyển của máy công cụ CNC Khi vít quay,phần đai ốc đi theo chuyển động dọc theo đường dẫn hướng Tuy nhiên, vì rãnh trongvít me bi có dạng xoắn ốc, những viên bi thép của nó cuộn theo rãnh xoắn, và sau đó,chúng có thể đi ra khỏi đai ốc bi trừ khi chúng bị chặn lại tại một điểm nhất định Vìvậy, cần phải thay đổi quĩ đạo của chúng sau khi chúng đi đến một vị trí nhất địnhbằng cách dẫn hướng chúng, một cái khác, trở lại "điểm xuất phát" của chúng (hìnhthành một đường dẫn tuần hoàn) Các bộ phận tuần hoàn đóng vai trò đó Khi trục vítquay, (như hình 1.19) một bi thép tại điểm (A) di chuyển 3 vòng rãnh vít, lăn theo cácđường rãnh trục vít và đai ốc, và cuối cùng đến điểm (B) Sau đó, viên bi bị thay đổi
Trang 18quĩ đạo ở tại đầu ống, đi xuyên qua ống, cho đến khi nó quay trở lại điểm (A) Bất cứkhi nào đai ốc quay trên trục vít, các bi sẽ lặp lại sự tuần hoàn đó bên trong ống hồi bi.Khi các mảnh vụn hoặc vật chất lạ xâm nhập vào bên trong đai ốc bi, nó có thểảnh hưởng đến sự vận hành êm ái hoặc gây ra sự mài mòn sớm, hoặc chúng có thể gâyảnh hưởng xấu đến chức năng của trục vít me bi Để ngăn chặn những điều như vậyxảy ra, vòng chặn được đưa vào để giữ cho chất gây ô nhiễm ở ngoài Có nhiều loạivòng chặn khác nhau, vòng chặn nhựa hoặc loại [vòng chổi] dùng cho các loại ổ trụcvít.
Tải trọng:
Hình 1.20: Hệ thống đai ốc tải kép [10]
Để thực hiện được chuyển động hai chiều của bộ phận quay mà không có bất kỳlỗi vị trí nào, sự đối ngược giữa đai ốc và ốc vít nên là tối thiểu Sự cân bằng có thể cóđược bằng cách lắp hai đai ốc bằng với tải trọng (kéo hoặc nén) hoặc bằng cách đặtmột tải vượt quá tải vận hành tối đa Hình 1.20 miêu tả hệ thống đai ốc tải kép Mộtmiếng đệm (tấm đệm) được lắp giữa hai đai ốc để tải trọng Tải trọng là để tạo ra cácbiến dạng đàn hồi (chệch hướng) trong các bi thép và các rãnh dẫn bi trong đai ốc vàtrước trục vít bằng cách cung cấp tải dọc trục Kết quả là các bi ở một trong các đai ốctiếp xúc với một bên của rãnh và bi trong đai ốc khác tiếp xúc với bên đối diện
- Ảnh hưởng của tải trọng:
+ Sự cân bằng: Nó loại bỏ trục hoạt động giữa trục vít me và đai ốc bi
Trang 19+ Giảm thiểu sự biến dạng đàn hồi do lực bên ngoài gây ra, do đó độ cứngtăng lên Trong trường hợp có sai sót về lắp ráp, sự không thẳng hàng giữa trụcvít và đai ốc bi có thể xảy ra, sẽ tạo ra thêm các lực biến dạng Điều này có thểdẫn đến những vấn đề như:
+ Hiệu quả và chính xác cao
+ Mômen khởi động nhỏ hơn
+ Độ ma sát thấp hơn so với các loại vít trượt và hoạt động sinh nhiệt ít hơn.+ Hiệu suất truyền tải điện rất cao và có tỷ lệ 95%
+ Có thể dễ dàng tải trước để loại bỏ phản ứng
+ Lực ma sát hầu như độc lập với tốc độ di chuyển và ma sát ở phần còn lại
là rất nhỏ; do đó hiện tượng trượt thanh trượt là gần như được loại bỏ, đảm bảotính đồng nhất của chuyển động
+ Có tuổi thọ dài hơn nên cần thay thế ít hơn
+ Các vít me bi được chuẩn bị tốt cho hiệu quả cao, dùng với các tốc độ caohoặc những chiếc có thời gian chu kỳ liên tục hoặc dài
+ Di chuyển trơn tru trên toàn bộ hành trình
- Nhược điểm:
+ Có xu hướng rung
+ Yêu cầu thường xuyên đại tu để duy trì hiệu quả
+ Bụi bẩn hoặc các hạt nước ngoài làm giảm tuổi thọ của ốc vít
+ Không cứng như các ốc vít khác, do đó độ lệch và tốc độ tới hạn có thểgây khó khăn
+ Chúng không phải là ốc vít tự khóa do đó không thể được sử dụng trongcác thiết bị giữ như là các mỏ kẹp
+ Yêu cầu mức bôi trơn cao
Trang 20Ứng dụng vít me bi:
- Vít me bi được sử dụng trong các máy cắt, chẳng hạn như trung tâm giacông và máy tiện CNC, nơi mà vị trí chính xác của bàn máy là yêu cầu quantrọng
- Được sử dụng trong các thiết bị như thiết bị in thạch bản hoặc thiết bị kiểmtra, nơi định vị chính xác là quan trọng
- Vít me bi có độ chính xác cao được sử dụng trong bộ khuyếch tán chongành sản xuất chất bán dẫn để lắp ráp chính xác các bộ phận vi mô
- Được sử dụng trong ứng dụng robot mà cần phải định vị chính xác
- Được sử dụng trong các thiết bị kiểm tra y tế vì chúng có độ chính xác cao
và cung cấp chuyển động trơn tru
c Động cơ
Động cơ bước (STEP) và động cơ SERVO được sử dụng rất nhiều trong hệ thống
di chuyển bàn máy của máy phay CNC, máy tiện CNC, máy xung, máy cắt dây EDM,
Trang 21Động cơ Servo là những hệ hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nốivới một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạchđiều khiển này Nếu có bất kì lý do nào ngăn cản chuyển động của động cơ, cơ cấu hồitiếp sẽ nhận được tín hiệu và chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếptục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác.
Động cơ Servo có nhiều hình dáng và kích thước, được dùng trong rất nhiều máykhác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng tay cho tới các mô hình máy bay và xe hơi Ứng dụng mới nhất của động cơ Servo là trong các bộ truyền động của máy cắtcnc plasma, cnc laser, Robot …
Động cơ Servo nhờ sự phản hồi của encoder, điều khiển vòng kín có điều kiệnnên có độ chính xác cao hơn, lấy ví dụ với encoder 1000 xung thì động cơ servo có thểchính xác tới 360/1000 = 0,36 độ Với encoder 5000 xung thì 360/5000 = 0,072 độ
Do sử dụng bằng cách đếm xung để điều khiển vị trí nên gặp trường hợp bị trượt lực(moto bị trượt) sẽ vẫn có kết quả chính xác ở vị trí cần thiết khác hoàn toàn với motobước Motor bước khi bị trượt lực sẽ cho vị trí không chính xác (do bị mất bước) (VD :cấp 200 xung để quay hết 1 vòng nhưng do tải quả nặng, bị kẹt nên cấp 200 xung màvẫn chưa quay hết 1 vòng ). Một số động cơ servo được thiết kế sao cho có thể chịuđựng được các tín hiệu điều khiển ở tần số rất và có khả năng chịu được được nhữngyêu cầu tăng tốc bất ngờ từ bộ điều khiển (có thể tạo ra các xung điện hài bậc cao).Những động cơ như thế này thường được cải tiến về phần cơ để có tuổi thọ cao và cóthể chống lại được sự hao mòn do ma sát trên ổ bi bạc đạn cũng như trên chổi than(đối với động cơ DC)
Điều khiển, xử lý servo sẽ khó khăn hơn rất nhiều so với Moto Stepper, cácdriver sử dụng chổi than phải bảo dưỡng định kỳ Stepper bền theo thời gian, không cóchổi than, kích thước nhỏ gọn nhưng lại có mô men lực lớn nên ít phải bảo dưỡng hayhỏng hóc Servo đòi hỏi công suất cao hơn, có mô men yếu hơn, servo DC thì kém bền
do phải
- Đặc điểm động cơ servo:
Trang 22Động cơ servo có nhiều loại DC servo, AC servo , RC servo …
Hình 1.22: Mặt cắt servo motor [10]
+ Tự động tăng tốc độ:
Với những loại động cơ thường để chuyển từ tốc độ này sang tốc độ khác thì nhấtđịnh phải có một khoảng thời gian quá độ Tuy nhiên trong thực tế, đôi khi đòi hỏiphải có một động cơ tăng/ giảm tốc độ một cách nhanh chóng để đạt được tốc độ mongmuốn trong thời gian ngắn nhất hoặc tới một vị trí trong thời gian ngắn nhấ
+ Tăng khả năng đáp ứng:
Đáp ứng ở đây cần phải hiểu đó là sự giảm / tăng tốc cần phải ” mềm ” nghĩa làgia tốc có thể coi là một hằng số Một số động cơ như thang máy hay trong một sốbăng chuyền đòi hỏi đáp ứng tốc độ của cơ cấu phải ” Mền ” , nghĩa là quá trình thayđổi vận tốc phải diễn ra một cách tuyến tính Để có thể làm được việc này thì yêu cầucuộn dây trong động cơ phải có điện cảm nhỏ để bỏ đi khả năng chống lại sự thay đổidòng điện do mạch điều khiển yêu cầu Các động cơ Servo thuộc dòng này thường hayđược thiết kế hạn chế số cuộn dây có ở bên trong mạch & có khả năng thu hẹp cácvòng từ trong mạch từ khe hở không khí
+ Mở rộng vùng điều khiển
Một số yêu cầu trong điều khiển cần điều khiển động cơ ở một dải tốc độ lớn hơnđịnh mức rất nhiều Động cơ bình thường chỉ cho phép điện áp đặt lên nó phải bằngđiện áp chịu đựng của động cơ và thông thường không quá lớn so với điện áp điệnmức
Động cơ Servo thuộc loại này có thiết kế đặc biệt nhằm gia tăng điện áp chịuđựng hoặc tăng khả năng bão hòa mạch từ trong động cơ Như vậy động cơ Servo
Trang 23thuộc loại này phải được tăng cường cách điện và sử dụng sắt Ferrit hoặc nam châmđất hiếm ( Rate Earth ).
+ Tăng khả năng chịu đựng của động cơ
Một số động cơ Servo được thiết kế sao cho có thể chịu đựng được các tín hiệuđiều khiển ở tần số rất cao và có khả năng chịu được những yêu cầu tăng tốc bất ngờ
từ bộ điều khiển Những động cơ như thế này thường được cải tiến về phần cơ để cótuổi thọ cao và có thể chống lại được sự hao mòn do ma sát trên ổ bi bạc đạn cũng nhưtrên chổi than ( đối với DC )
- Ưu điểm:
+ Momen xoắn lớn, tốc độ đáp ứng nhanh, độ chính xác cao
+ Hiệu suất hoạt động cao
+ Không trượt bước khi tải đặt vào động cơ tăng
+ Hoạt động với tốc độ cao tốt
- Nhược điểm:
+ Driver điều khiển khá phức tạp, khó điều khiển và giá thành cao
+ Giá thành cao so với các động cơ khác
+ Khi dừng động cơ sẽ gây rung
* Động cơ bước
- Giới thiệu về động cơ bước
Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệuđiều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc
Trang 24quay hoặc các chuyển động của roto và có khả năng cố định roto vào những vị trí cầnthiết Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệuđiều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay củaroto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto,phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi Khi một xung điện áp đặt vàocuộn dây stato (phần ứng) của động cơ bước thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay
đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ Khi các xung điện áp đặtvào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục (Nhưng thực chấtchuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc)
- Các thông số của động cơ gồm có:
Bước góc, cường độ dòng điện, điệ trở pha, cảm kháng của pha, lực moomentxoắn, số đầu dây Đối với hệ điều khiển động cơ bước, ta thấy đó là một hệ thống kháđơn giản vì không hề có phần tử phản hồi Điều này có được vì động cơ bước trongquá trình hoạt động không gây ra sai số tích lũy, sai số của động cơ do sai số trong khichế tạo Việc sử dụng động cơ bước tuy đem lai độ chính xác chưa cao nhưng ngàycàng được sử dụng phổ biến Vì công suất và độ chính xác của bước góc đang ngàycàng được cải thiện
- Sơ đồ nguyên lý của một hệ thống điều khiển động cơ bước:
Một hệ thống có sử dụng động cơ bước có thể được khái quát theo sơ đồ sau:
Trang 25Hình 1.23: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển động cơ bước [6]
+ D.C.SUPPLY: Có nhiệm vụ cung cấp nguồn một chiều cho hệ thống Nguồn
một chiều này có thể lấy từ pin nếu động cơ có công suất nhỏ Với các động cơ cócông suất lớn có thể dùng nguồn điện được chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều
+ CONTROL LOGIC: Đây là khối điều khiển logic Có nhiệm vụ tạo ra tín
hiệu điều khiển động cơ Khối logic này có thể là một nguồn xung, hoặc có thể là một
hệ thống mạch điện tử Nó tạo ra các xung điều khiển Động cơ bước có thể điều khiểntheo cả bước hoặc theo nửa bước
+ POWER DRIVER: Có nhiệm vụ cấp nguồn điện đã được điều chỉnh để đưa
vào động cơ Nó lấy điện từ nguồn cung cấp và xung điều khiển từ khối điều khiển đểtạo ra dòng điện cấp cho động cơ hoạt động
+ STEPPER MOTOR: Động cơ bước Các thông số của động cơ gồm có: Bước
góc, sai số bước góc, mômen kéo, mômen hãm, mômen làm việc.Đối với hệ điềukhiển động cơ bước, ta thấy đó là một hệ thống khá đơn giản vì không hề có phần tửphản hồi Điều này có được vì động cơ bước trong quá trình hoạt động không gây rasai số tích lũy, sai số của động cơ do sai số trong khi chế tạo Việc sử dụng động cơbước tuy đem lai độ chính xác chưa cao nhưng ngày càng được sử dụng phổ biến Vìcông suất và độ chính xác của bước góc đang ngày càng được cải thiện
Bảng 1.1: Tiêu chuẩn về Bước Góc của động cơ bước [6]
- Ưu điểm:
+ Không chổi than: Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm tổn haonăng lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hầm lò ) có thể gây nguy hiểm
+ Tạo được mômen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển động cơ
ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn Động cơ bước là thiết bị làm việc tốt
Trang 26trong vùng tốc độ nhỏ Nó có thể giữ được mômen thậm chí cả vị trí nhờ vào tác dụnghãm lại của từ trường rotor.
+ Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta cóthể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí nhưcác động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác với servo).+ Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tớichất lượng điều khiển Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vàotải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được) Khi momen tải quá lớn gây rahiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay
- Nhược điểm:
+ Phạm vi ứng dụng là ở lĩnh vực công suất nhỏ và trung bình, hiệu suất thấp hơncác loại động cơ khác
+ Gây rung động nhỏ
+ Gây ra hiện tượng trượt bước nếu hoat động với tốc độ cao
+ Không có phản hồi nên có thể xảy ra sai số
- Phân loại: Động cơ bước cơ bản được chia làm 4 loại như sau:
+ Động cơ nam châm vĩnh cửu:
+ Động cơ bước lưỡng cực
+ Động cơ bước đơn cực
+ Động cơ bước nhiều pha: Động cơ bước lai và Động cơ bước biến trở từ
Các loại trên có thể giao nhau tùy mục đích sử dụng
Hình 1.24: Sơ đồ nối dây trong động cơ
Trang 27Ứng dụng :
Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấphành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạngsố
Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong nghành Tự động hóa , chúng được ứngdụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác Ví dụ: Điều khiển rôbot, điều khiểncác trục của máy CNC , điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học,điều khiển các cơcấu lái phương và chiều trong máy bay…
1.1.2.2: Hệ thống điện tử:
Hệ điều khiển CNC có chức năng điều khiển, kiểm soát và duy trì hoạt động củatoàn bộ các bộ phận khác trong hệ thống như điều khiển nguồn phát Laser, hệ thốngcấp phôi và lấy sản phẩm tự động, hệ thống làm mát, hệ thống hút khí bụi, hệ thốngcảnh báo an toàn… Lắp đặt một hệ thống nhận biết và phát tín hiệu điều chỉnh tự độngchiều cao đầu cắt ở gần vị trí đầu cắt Chức năng chính là duy trì ổn định khoảng cách
từ đầu cắt tới bề mặt vật liệu cắt giúp cho quá trình cắt được ổn định, chính xác
a Phần cứng
Mạch điều khiển động cơ bước
Mạch điều khiển động cơ bước bao gồm một số chức năng sau đây:
- Tạo các xung với những tần số khác nhau
- Chuyển đổi các phần cho phù hợp với thứ tự kích từ
- Làm giảm các dao động cơ học
Đầu vào của mạch điều khiển là các xung Thành phần của mạch là các bán dẫn,
vi mạch Kích thích các phần của động cơ bước theo thứ tự 1-2-3-4 do các transistorcông suất T1 đến T4 thực hiện.Với việc thay đổi vị trí bộ chuyển mạch, động cơ có thểquay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại
Trang 28Hình 1.25: Sơ đồ mạch động cơ bước
Điện áp được cấp qua các khoá chuyển để nuôi các cuộn dây, tạo ra từ trườnglàm quay rotor Các khoá ở đây không cụ thể, có thể là bất cứ thiết bị đóng cắt nàođiều khiển được như rơle, transitor công suất… Tín hiệu điều khiển có thể được đưa ra
từ bộ điều khiển như vi mạch chuyên dụng, máy tính
Để điều khiển động cơ bước ta có thể dùng các mạch:
- Mạch sử dụng vi điều khiển: Ta có thể dùng các mạch đóng ngắt sử dụng chip
như 8051, pic 16F877A… để điều khiển động cơ bước
Ưu điểm:
+ Đa năng, điều khiển được nhiều loại động cơ bước khác nhau
+ Đơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ
Nhược điểm :
+ Vì điều khiển gián tiếp qua vi điều khiển nên đáp ứng chậm
+ Cần phải lập trình cho vi điều khiển, tương đối phức tạp
+ Tự chế tạo thủ công nên mạch có độ ổn định thấp
- Mạch sử dụng các IC Logic:
Ưu điểm:
+ Đơn giản hóa việc điều khiển, chỉ cần 2 tín hiệu điều khiển là chiều quay DIR
và xung cấp cho động cơ bước – STEP
+ Điều khiển trực tiếp nên đáp ứng nhanh
Nhược điểm:
+ Mạch tương đối phức tạp, giá thành cao
Trang 29+ Không đa năng, mỗi loại động cơ bước khác nhau thì mạch IC logic cũng khácnhau.
- Sử dụng các driver điều khiển động cơ bước bán sẵn trên thị trường:
Ưu điểm:
+ Làm việc ổn định trong môi trường khắc nghiệt, kích thước gọn nhẹ
+ Đáp ứng nhanh, điều khiển trực tiếp qua máy tính dễ dàng
Nhược điểm:
+ Khó tìm, giá thành cao
+ Phải có phần mềm để điều khiển các driver thông qua giao tiếp cổng COM hayLPT của máy tính
Mạch điều khiển động cơ servo
Để hoạt động chuẩn xác, động cơ servo phải kết hợp với:
- Bộ điều khiển – Thông thường là PLC hoặc bộ điều khiển chuyển động chuyêndụng sẽ chạy chương trình điều khiển để thực hiện đúng theo yêu cầu kỹ thuật của ứngdụng
- Bộ điều khiển động cơ – Thiết bị điện tử có chức năng cung cấp đủ năng lượngcho động cơ theo đúng cách, đúng thời điểm
- Bộ mã hóa xung vòng quay – tạo phản hồi cho hoạt động của động cơ
Cấu trúc động cơ servo:
Trong công nghiệp, hầu hết các dạng động cơ servo sử dụng động cơ một chiềukhông chổi than Rotor của động cơ là một nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh.Stator của động cơ được cuốn các cuộn dây riêng biệt, được cấp nguồn theo một trình
tự thích hợp để quay rotor Nếu thời điểm và dòng điện cấp tới các cuộn dây là chuẩnxác, chuyển động quay của rotor phụ thuộc vào tần số, pha, phân cực và dòng điệnchạy trong cuộn dây stator
Cần có nguồn điện cấp tương thích với thiết kế của động cơ servo Bộ điều khiểnđộng cơ servo thực hiện chức năng này Bộ điều khiển cung cấp nguồn cho động cơservo đúng lượng, đúng thời điểm để điều khiển vị trí, tốc độ và mô men tương ứngvới các đầu vào từ bộ điều khiển chuyển động, phản hồi từ bộ mã hóa xung vòng quay
và từ bản thân động cơ servo
Trang 30Hình 1.26: Bộ điều khiển servo [6]
Các chức năng của bộ điều khiển bao gồm:
- Đọc phản hồi từ bộ mã hóa xung vòng quay và điều chỉnh thời gian thực chomạch vòng điều khiển kín
- Xử lý các tín hiệu vào/ra ví dụ như các thiết bị an toàn, chế độ đầu vào và cáctín hiệu đầu ra về trạng thái hoạt động
- Điều khiển năng lượng cho động cơ servo
Bộ điều khiển điện động cơ servo sử dụng một hàng các transistor công suấtđược gọi là Transistor có cực điều khiển cách ly (IGBT) để kiểm soát năng lượng đưavào động cơ servo.IGBT có khả năng chuyển mạch nhanh với dòng lớn nên là lựachọn lý tưởng cho ứng dụng này.IGBT được điều khiển bằng các thiết bị điện tử nhằmsản sinh ra các dạng điện áp, dòng điện, tần số, phân cực và pha đặc thù cung cấp chođộng cơ servo.Vì lý do này, mỗi bộ điều khiển thường kết hợp với một dòng động cơservo cụ thể Trong khi tín hiệu đầu vào cho bộ điều khiển động cơ servo là dòng mộtchiều (DC), đầu ra bộ điều khiển gần như là dạng sóng điện xoay chiều để điều khiểntrơn tốc độ, gia tốc và mô men của động cơ servo
Tín hiệu điều khiển động cơ servo
Dựa vào dữ liệu lưu trong chương trình điều khiển chuyển động, bộ điều khiểnnhận tín hiệu để thực hiện một dạng chuyển động nhất định Tín hiệu từ bộ điều khiểnchuyển động gửi tới bộ điều khiển động cơ servo có thể có nhiều dạng:
- Điện áp một chiều dạng tương tự (ví dụ như từ -12VDC đến +12VDC)
Trang 31- Dãy xung
- Gói dữ liệu truyền qua mạng
- Phản hồi trong hệ thống động cơ servo
- Bộ điều khiển và động cơ servo cùng hoạt động để vận hành trong chế độ mạchvòng kín
Khi sử dụng mạch phản hồi, vị trí thực tế, vận tốc hay mô men của động cơ servođược so sánh với lệnh chuyển động và bất kỳ sai số nào giữa các cặp giá trị trên đềuđược xác định Sau đó, bộ điều khiển động cơ servo sẽ sử dụng các thông tin sai số này
để điều chỉnh hoạt động của động cơ theo thời gian thực, sao cho quá trình hoạt độngcủa động cơ đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng
Chu trình phản hồi – xác định sai số – triệt tiêu sai số được gọi là mạch vòng điềukhiển kín
Mạch vòng điều khiển Mạch vòng điều khiển được xử lý bởi bộ điều khiển động
cơ servo, bộ điều khiển chuyển động hoặc cả hai tùy thuộc vào yêu cầu điều khiển Để đạt được chuyển động như mong muốn cho ứng dụng của mình, chúng ta có thể tách riêng các mạch vòng điều khiển cho vị trí, vận tốc và mô men
Hình 1.27: Mạch vòng điều khiển
Không phải tất cả các ứng dụng điều khiển đều bao gồm cả ba dạng mạch vòngđiều khiển vừa nêu Nhiều ứng dụng chỉ gồm có mạch vòng dòng điện và mạch vòngtốc độ dùng cho điều khiển tốc độ Nhiều ứng dụng lại cần có cả ba mạch vòng điềukhiển để điều khiển vị trí
b Phần mềm
Một số phần mềm dùng để điều khiển như :Mach 3, Adruino, …
Điều Khiển Động Cơ Servo với Adruino
Trang 32Arduino cung cấp đến môi trường lập trình tích hợp mã nguồn mở hỗ trợ ngườidùng viết code và tải nó lên bo mạch Arduino Đây là môi trường đa nền tảng, hỗ trợmột loạt các bo mạch Arduino cùng rất nhiều tính năng độc đáo.
Các tính năng chính của Arduino:
- Viết code cho bo mạch Arduino
- Hỗ trợ nhiều loại bo mạch Arduino
- Giao diện được sắp xếp hợp lý
- Bộ sưu tập các ví dụ mẫu
- Mảng thư viện hỗ trợ phong phú
Điều khiển bằng phần mềm Mach 3
Tính năng cơ bản và chức năng cung cấp bởi Mach3:
- Chuyển đổi một PC tiêu chuẩn để một đầy đủ tính năng, 6 trục điều khiển CNCcho phép trực tiếp nhập khẩu DXF, BMP, JPG, và các file HPGL qua LazyCam
- Visual Gcode hiển thị
- Tạo ra Gcode qua LazyCam hoặc Wizards
- Hoàn toàn tùy chỉnh giao diện
- Tùy biến M-code v Macros bằng cch sử dụng VBScript
Vấn đề cần giải quyết khi áp dụng vào thực tế:
- I/O hạn chế ( Nếu dng cng lc 2 cổng LTP thì giải quyết được phần nào) =>dùng cho một hệ thống lớn cần nhiều tín hiệu I/O thì phải dùng kỹ thuật ModBus ( Ởnước ngoài thì có bán những Card này)
- Dùng tín hiệu Step/Dir chỉ thích hợp với hệ thống dùng Step Motor, còn những
hệ thống dùng servo thì phải qua card chuyễn đổi Step/Dir sang tín hiệu Analog 0-10vhoặc -10V, +10V nhằm tương thích với các driver servo
- Mach3 điều khiển theo dạng vòng hở nên khi ứng dụng trong các hệ thống đòihỏi độ chính xác cao thì lại phải thiết kế theo dạng vịng kín
Ưu điểm của Mach3 là chức năng của nó đa dạng, giao diện đẹp và dễ sửdụng.Mô phỏng quá trình làm việc rất rõ ràng Khai báo các thông số của hệ thống dễdàng.Lập trình theo hướng mở rộng liên kết với các Script VB Tùy quan niệm từngngười, riêng nhóm thấy Mach3 có lợi thế tiết kiệm được chi phí đáng kể (Nếu giảiquyết được 3 vấn đề trên thì Mach3 l lựa chọn tốt cho các dạng CNC tự chế, lên đờimáy CNC)
Trang 33Phần mềm nkscape là công cụ xử lý đồ họa vector dựa trên chuẩn XML, SVG và
CSS với hỗ trợ đầy đủ các hiệu ứng lọc, hoạt hình và phông chữ để giúp người dùng thiết kế nên những tác phẩm độc đáo
Trang 34lớn, tốc độ rất cao dưới dạng nhiệt nên có thể sử dụng để nung nóng hoặc thậm chí đốtcháy vật liệu tại những vị trí tác động; tính chất vật lý của ánh sáng như phản xạ (khigặp gương phản xạ), khúc xạ khi đi qua các môi trường trong suốt có hệ số khúc xạ(chiết suất) khác nhau Nên các dụng cụ quang học được sử dụng để chuyển hướngđường đi của chùm tia, sử dụng thấu kính để hội tụ chùm tia làm tăng lên nhiều lầnmật độ năng lượng của chùm tia Trên cơ sở đó chúng ta có được 2 yếu tố then chốt làkhuếch đại năng lượng tới ngưỡng cần thiết và dẫn nguồn năng lượng đó tới vị trí cầngia công Việc di chuyển đầu cắt trong quá trình gia công (do Hệ máy chính, hệ điềukhiển CNC) luôn luôn đảm bảo đường đi của chùm tia Laser khi tới trước thấu kínhhội tụ không bị suy giảm, giữ được hướng và điểm hội tụ do đó luôn là điểm tập trungmật độ năng lượng cao nhất dù ở các vị trí khác nhau trong quá trình di chuyển cắt.
b Laser rubi
Laze rubi là một khối hình trụ bằng đá hồng ngọc (màu đỏ hồng)đặt bên trong một đèn xê-nôn có dạng xoắn như hình vẽ
Hình 1.29: Cấu tạo Laser Rubi [10]
Hoạt động:Ánh sáng phát ra từ đèn xê-nôn kích thích cho cáciôn crôm trong thanh rubi chuyển lên mức năng lượng cao Sau đó,nếu có một phôtôn do một iôn crôm phát ra bay dọc theo trục củathanh thì chính nó sẽ gây ra sự phát xạ cảm ứng ở các iôn crômkhác Kết quả là có một lượng lớn các phôtôn phát ra bay cùnghướng với phôtôn ban đầu Do chùm phôtôn này bị phản xạ nhiều lần
Trang 35trong thanh rubi (nhờ hệ hai gương ở hai đầu thanh rubi) mà cường
độ chùm phôtôn sẽ tăng lên rất nhiều
1.1.2.4: Hệ thống làm mát tuần hoàn:
Là hệ thống bơm và làm mát cưỡng bức bằng nước sạch Vì quá trình tạo LaserCO2 và dẫn tới vị trí cắt là quá trình phát sinh nhiệt lượng lớn nên để thiết bị có thểvận hành ổn định, sử dụng phương pháp làm mát bằng trao đổi nhiệt đối lưu thôngthường sẽ không đảm bảo Để việc trao đổi nhiệt diễn ra nhanh, sử dụng các đườngdẫn nước tuần hoàn, qua hệ thống làm lạnh nước và bơm tuần hoàn Các bộ phận nhấtthiết phải làm mát bao gồm: buồng cộng hưởng, khối công suất của hệ thống điện cao
áp RF, bơm nhồi, bơm xả, cảm biến công suất Laser, các gương phản xạ và thấu kínhhội tụ Ngoài ra đối với các linh kiện điện tử công suất khác có thể làm mát bằng quạttản nhiệt Do làm mát là yếu tố rất quan trọng đối với sự vận hành ổn định và tuổi thọcủa thiết bị, đặc biệt là nguồn phát Laser CO2 nên quá trình làm mát thường được kếtnối điều khiển và kiểm soát tiến trình bởi hệ điều khiển CNC qua các cảm biến nhưcảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất dòng nước, cảm biến áp suất hệ thống nén trao đổinhiệt Khi một trong các điều kiện vận hành không đảm bảo, hệ thống sẽ báo lỗi vàdừng lại không cho hoạt động
1.1.2.5: Hệ thống bơm hút khói bụi:
Giống như một số thiết bị gia công trong cùng nhóm ứng dụng như Cắt Plasma,Cắt Gas,…quá trình cắt bằng Laser CO2 cũng tạo ra khói bụi, tùy vào loại vật liệu cắt
mà khí thải của quá trình có thể là khí độc, ảnh hưởng tới sức khỏe Vì vậy, các thiết
bị cắt Laser CO2 thường được lắp đặt thêm bộ phận hút và xử lý khí thải của quá trìnhcắt Mặc dù không ảnh hưởng tới quá trình hoạt động của thiết bị nhưng là điều kiện
an toàn lao động, rất cần thiết với sức khỏe người vận hành Một số hãng sản xuất đãgắn điều khiển và giám sát tiến trình của bộ phận này bởi CNC để đảm bảo thiết bịluôn luôn được vận hành đúng
1.1.3 Phân loại máy cắt bằng Laser
Phân loại Laser dựa theo vật liệu cấu tạo nên môi trường hoạt tính hoặc theo khảnăng công nghệ gia công
- Theo môi trường hoạt tính tạo Laser:
Laser rắn: Laser rắn là loại Laser mà môi trường hoạt tính là chất rắn, hoạt chất
gồm có tinh thể rắn và vô định hình Có khoảng 200 loại chất rắn có thể dùng làm
Trang 36Laser này, một số loại Laser rắn thông dụng: Nd – YAG, hồng ngọc (Rubi) (Cr:
Al2O3), bán dẫn: Diot gradium arsen có bước sóng 890nm thuộc phổ hồng ngoại gần,
Laser thủy tinh,… Đặc điểm của Laser rắn: Nồng độ hạt bức xạ lớn thường từ 1017
-1023/ cm3, hệ số khuếch đại lớn hơn nhiều lần so với Laser khí; Chất rắn có độ đồngnhất quang học kém nên góc mở do nhiễu xạ lớn, tiêu hao do tán xạ lớn và hệ số Cáchạt tương tác với nhau do đó các mức năng lượng thường có độ rộng lớn; Hoạt chấtcủa Laser rắn: Gồm hai thành phần là chất nền và chất kích hoạt; Sự nghịch đảo nồng
độ trong Laser rắn thường được thực hiện ở những mức năng lượng của nguyên tử,hoặc của ion tạp chất; Trong Laser rắn các hạt tương tác với nhau nên các mức nănglượng có nhiều dao động quay nên dải phổ khá rộng; Các loại Laser rắn đều sử dụngbuồng cộng hưởng quang học
Laser khí: Có các loại Laser CO2, - N2; Laser CO2, - Ne – He; Laser N2, Ar Laserthể khí có bước sóng dao động trong khoảng rộng từ tử ngoại đến hồng ngoại, cho nêncho phép ta chọn được loại Laser phù hợp với từng loại vật liệu gia công : kim loại,thủy tinh, chất bán dẫn, gốm sứ, vải, gỗ
Laser lỏng: Là một trong những hướng mới của Laser Có hai loại chất lỏng
thường dùng là các hỗn hợp hữu cơ kim loại và chất màu Loại hỗn hợp hữu cơ kimloại có chưa một số nguyên tố hiếm như Eu (en – rô – pi ) Các loại Laser lỏng cónhược điểm là môi trường hoạt tính không bền vững , chất hữu cơ bị phân hủy dướitác động của ánh sáng kích thích Vì vậy người ta sử dụng các chất vô cơ để thay thế,loại Laser lỏng vô cơ có công suất bức xạ cao ( khoảng 500W ở chế độ xung ) và cóhiệu suất cao
Laser không cần nguồn cung cấp điện: Laser khí động học hay Laser phản lực,
người ta tạo ra vùng đâỏ bằng phương pháp giãn nở khí đột ngột Laser hóa học dùngnăng lượng sinh ra do các phản ứng hóa học để tạo ra vùng đảo các mức năng lượng.Laser gamma là một loại Laser có cấu tạo phức tạp công suất lớn và bước sóng ngắn
- Theo khả năng công nghệ trong gia công: Cắt, khắc Laser; Khoan ( khoan bằng đơnxung, đa xung , khoan tế vi ); Hàn bằng Laser ( hàn, kiểm tra khuyết tật,kiểm tra cơtính ); Biến cứng lớp bề mặt;Luyện kim bột,
1.1.4 Đặc điểm của Laser
- Công suất (cường độ) của nguồn bức xạ ánh sáng rất mạnh so với nguồn nănglượng điện từ có cùng nguồn
Trang 371.1.5 Khả năng ứng dụng của Laser
- Laser trong công nghệ hóa học
- Laser trong công nghệ vật liệu bán dẫn
- Laser trong công nghệ chế tạo vật liệu kim loại
- Laser trong công nghệ năng lượng
- Laser trong lĩnh vực topography
- Laser trong các lĩnh vực khác (kiến trúc, nghệ thuật, y tế, )
Trong phạm vi đề tài này chỉ đề cập đến công nghệ Laser trong gia công vật liệu
1.1.6 Cơ chế gia công cắt gọt bằng chùm tia Laser
Quá trình bóc tách vật liệu trong gia công bằng tia Laser diễn ra tại vị trí tia Laserđập vào vật liệu gia công Quá trình này có thể chia làm các giai đoạn:
Giai đoạn 1: Vật liệu gia công hấp thụ năng lượng của tia Laser và năng lượng
này chuyển thành nhiệt năng làm nóng vật liệu Vật liệu sẽ nóng chảy bởi độ dai dòngvật liệu giảm, như thép và hợp kim, nhựa chịu nhiệt sẽ bị cắt bởi hoạt động của chùmtia Laser với mật độ năng lượng là 104Wmm-2 Nóng chảy được hỗ trợ bởi tác độngmòn do sự chảy diễn ra chậm và tác động của khí Kết quả là kênh nóng chảy đi quavật liệu tạo thành một đường cắt hay lỗ cắt
Giai đoạn 2: Vật liệu gia công bị chảy ra khi nó bị nung nóng đến nhiệt độ chảy.
Thích hợp với một số loại vật liệu không thể nóng chảy (một vài loại thủy tinh, gốm vàcomposit …) Các vật liệu có thể được cắt bởi sự bay hơi bởi mức năng lượng của cầncao hơn > 104Wmm-2
Giai đoạn 3: Giai đoạn bay hơi – vật liệu gia công bị bay hơi và bị lấy đi nhờ khí
thổi vào vùng gia công Chùm tia sẽ đưa ngang qua theo một chương trình 2D tới vậtliệu giúp cắt bỏ vật liệu qua tác dụng đa cơ học Hình dạng mẫu trên phôi là kết quảcủa sự biến đổi hóa học do tác động nhiệt sinh ra của các hạt nguyên tử Laser
Trang 381.2 Cơ tính của Laser dùng để loại bỏ các vật liệu
Bảng 1.2: Cơ tính của các loại vật liệu điển hình cắt bẳng Laser
(Cơ tính phù hợp được đánh dấu tích √) [3]
Vật liệu Nóng chảy
bằng khíhoạt tínhchậm
Nóng chảy nhờphản ứng củakhí
Bốc hơi Biến đổi
Chất dẻonhiệt rắn
1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cắt bằng Laser
Nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng gia công cắt và đột lỗ bằng Laser và chấtlượng sản phẩm bao gồm nhiều yếu tố khác nhau: Công suất laser; Tần số xung; Loại
và áp lực của khí cắt; Đường kính và loại vòi phun; Khoảng cách giữa các cắt vòi phun
và các mảnh làm việc; Độ dài tiêu cự của thấu kính hội tụ; Vị trí tiêu điểm; Cắt nhanh;nhiên có thể phân thành hai nhóm chính: ảnh hưởng của thiết bị cắt và ảnh hưởng củacông nghệ cắt
1.3.1 Ảnh hưởng thông số của các thiết bị cắt
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt do các thông số của thiết bị gây nên baogồm: ảnh hưởng loại máy phát, thiết bị điều khiển và các thiết bị hổ trợ khác, Đối
Trang 39với thiết bị, do máy phát Laser có nhiều loại (rắn, lỏng, khí , hỗn hợp ) và ứng vớimỗi loại các đặc tính của máy lại khác nhau như bước sóng, tần số, cường độ xung,dạng xung, Các yếu tố này ảnh hưởng đến chất lượng cắt cũng như độ chính xác củavật cắt Tuỳ thuộc vào công suất của máy phát các nhà công nghệ cần phải chọn chophù hợp với loại vật liêụ cần cắt Trên bảng 1.3 dẫn ra mối quan hệ giữa năng lượngriêng khi cắt với một số vật liệu phi kim.
Bảng 1.3: Năng lượng riêng khi cắt của một số vật liệu phi kim [3]
Vật liệu Năng lượng cắt riêng
(KJ/g)
Trang 40
Ngoài ra hình dạng và kích thước vật gia công phụ thuộc vào công suất máy phát.Trên hình 1.30 biểu diễn sự phụ thuộc giữa công suất máy phát và chiều sâu xuyên thấu của lỗ.
Hình 1.30: Ảnh hưởng của công suất máy phát đến chiều sâu lỗ cắt [3]
Khi công suất máy phát tăng lên khả năng cắt được vật liệu càng dày hơn Mặtkhác khi tiêu cự của thấu kính thay đổi cũng làm thay đổi chiều dày cắt được
Trong quá trình khoan lỗ, chiều sâu của lỗ chịu ảnh hưởng nhiều số lượng xungtrong những thời gian khác nhau Trên hình 1.31 hình dạng đường cong của đồ thị thểhiện chiều sâu của lỗ cắt tăng lên khi số lượng xung càng tăng, nhưng đến một sốlượng xung nào đó thì khả năng tăng đường kính lỗ không đáng kể nữa
Hình 1.31: Quan hệ giưa chiều sâu lỗ với số xung [3]
(Vật liệu phôi là ferit, chiều dày 0,8 mm, năng lượng xung: 1-0,2Jun; 2- 0,25 Jun; 3-0,35
Jun; 4-0,4 Jun; 5- 0,5 Jun)