Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu hiện tượng ảnh hưởng về nhiệt trong mạch điều khiển Mach3 cho máy CNC (cụ thể là mạch CNC BOB MACH3 LPT) bằng phương pháp mô phỏng sẽ mở ra một tương lai gần cho những máy CNC được thiết kế và sản xuất tại Việt Nam sẽ có chất lượng tốt hơn và ngày càng phổ biến hơn, từ đó góp một phần nhỏ công sức vào việc phát triển của nền khoa học công nghệ trong nước.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Mơ ảnh hưởng nhiệt mạch điều khiển MACH3 cho máy CNC Simulations of heat effects in MACH3 control circuits for CNC machines Võ Đinh Minh Trí, Nguyễn Quang Vũ, Nguyễn Quốc Hưng, Nguyễn Quang Thành*, Ngô Kiều Nhi PTN Cơ học Ứng dụng, Trường Đại học Bách khoa TPHCM * Email: nqthanh@hcmut.edu.vn Tel: +84-838637868 ; Mobile: 0973 184 199 Tóm tắt Từ khóa: Bộ điều khiển CNC, Mạch MACH3, Truyền nhiệt, Máy CNC Hiện máy CNC khơng cịn khái niệm xa lạ Việt Nam Máy CNC xuất hầu hết lĩnh vực sản xuất, đặc biệt cơng nghiệp Bên cạnh MACH3 điều khiển cho máy CNC có giá thành tương đối rẻ, nhỏ gọn phù hợp với nhu cầu thị hiếu thị trường Trung Quốc, Việt Nam Tuy nhiên trình vận hành, việc tỏa nhiệt mạch điều tránh khỏi Điều gây ảnh hưởng đến tính ổn định, đồ bền phần tử mạch mà việc sửa chữa, thay làm chậm tiến độ cơng việc, chi phí sửa chữa Nghiên cứu tượng ảnh hưởng nhiệt mạch điều khiển Mach3 cho máy CNC (cụ thể mạch CNC BOB MACH3 LPT) phương pháp mô mở tương lai gần cho máy CNC thiết kế sản xuất Việt Nam có chất lượng tốt ngày phổ biến hơn, từ góp phần nhỏ công sức vào việc phát triển khoa học công nghệ nước Abstract Keywords: CNC controller set, MACH3 circuit, heat transfer, CNC machines Ngày nhận bài: 03/07/2018 Ngày nhận sửa: 07/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 Nowadays CNC machines are no longer an unfamiliar term in Vietnam They have already appeared in most of the fields of manufacturing, especially in the industry sector In addition, MACH3 is a controller set for CNC machines which is known for being relatively cheap, small, and highly suitable for demands and preferences for both Vietnamese and Chinese markets However, during the operating process, heat generation is certainly unavoidable This may have some certain effects on the stability and durability of circuit elements, and therefore repairs or replacements may slow down the work progress as well as increasing repair costs Research on the phenomenon of heat effects in MACH3control circuits for CNC machines (namely circuit CNC BOB MACH3 LPT) using emulation methods will open a very near future where CNC machines designed and manufactured in Vietnam will have better quality and be gradually more popular Accordingly, it will insignificantly contribute to the development of national science and technology HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 GIỚI THIỆU Máy công cụ CNC bước phát triển cao từ máy NC Các máy CNC có máy tính để thiết lập phần mềm dùng để điều khiển chức dịch chuyển máy Các chương trình gia cơng đọc lúc lưu trữ vào nhớ Khi gia cơng, máy tính đưa lệnh điều khiển máy Máy cơng cụ CNC có khả thực chức như: nội suy đường thẳng, nội su cung trịn, mặt xoắn, mặt parabol mặt bậc ba Máy CNC có khả bù chiều dài đường kính dụng cụ Tất chức thực nhờ phần mềm máy tính Và để đưa lệnh từ máy tính đến để gia cơng máy CNC, cần phải có phận để tương tác máy tính máy CNC, ta gọi Mạch giao tiếp Mạch giao tiếp dung để kết nối máy tính PC mạch điều khiển động cơ, cơng tắc hành trình, nút dừng khẩn cấp Phạm vi ứng dụng: nên dùng mạch với driver hãng, driver tự làm nguy gặp cố với máy tính cao nên cẩn thận trước dùng Các driver tự làm nên dùng mạch Giao tiếp có cách ly Hình Breakout Board (Mạch giao tiếp) Hệ thống hình bao gồm máy tính với phần mềm NC điều khiển động ổ đĩa Hộp điều khiển bao gồm nguồn điện( khơng hiển thị), mạch giao tiếp trình điều khiển động Trên thực tế máy tính hồn tồn có khả kết nối trực tiếp đến trình điều khiển, làm nguy rủi ro, hỏng hóc cao Bởi nên sử dụng đến mạch giao tiếp để đảm bảo an tồn cho máy làm việc Mạch MACH3 mạch kết nối phần mềm điều khiển ( phần mềm Mach3) máy tính phần tử điều khiển driver điều khiển động bước Servo, ngồi cịn có nhiệm vụ nhận tín hiệu phản hồi từ cảm biến cơng tắc hành trình đưa phần mềm xử lý Trong trình thiết bị điện tử mạch điện hoạt động sản sinh nhiệt lượng dòng điện chạy qua, làm cho nhiệt độ thiết bị tăng cao Lúc xuất chênh lệch nhiệt độ, nhiệt độ thiết bị điện cao nhiệt độ khơng khí xung quanh Chính chênh lệch nhiệt độ dẫn đến trình truyền nhiệt Nhiệt lượng từ thiết bị điện truyền sang môi trường thông qua phần tử chất khí bao bọc xung quanh lớp vỏ thiết bị điện điều làm ảnh hưởng lớn đến trình điều khiển hư hỏng mạch điện tử dùng Bài báo tiến hành mơ q trình nhiệt trao đổi nhiệt qua lại linh kiện điện tử hoạt động Bằng phương pháp mô truyền nhiệt, kết luận tập trung nhiệt độ lớn mạch MACH3 để tiến hành gia cố khắc phục kịp thời Những nghiên cứu sâu trình bày nghiên cứu nhóm tác giả HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Mạch kết nối Breakout board Hình Sơ đồ hệ thống điều kiển mơ hình máy phay CNC TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU 2.1 Trình tự phân tích tốn theo FEM FEM phương pháp số gần để giải toán mơ tả phương trình vi phân đạo hàm riêng miền xác định có hình dạng điều kiện biên mà nghiệm xác khơng thể tìm phương pháp giải tích Trình tự giải toán phương pháp FEM bao gồm: Bước 1: Rời rạc hóa miền khảo sát Miền khảo sát V chia thành nhiều miền Ve hay thành phần tử có dạng hình học thích hợp Với tốn cụ thể số phần tử, hình dạng hình học phần tử kích HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 thước phần tử phải xác định rỏ Số điểm nút phần tử không lấy cách tùy tiện mà tùy thuộc vào hàm xấp xỉ định chọn Bảng Dạng hình học đơn giản phần tử Phần tử bậc Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba Phần tử chiều Phần tử hai chiều Phần tử ba chiều Bước 2: Chọn hàm xấp xỉ thích hợp Vì đại lượng cần tìm chưa biết, nên ta giải thuyết dạng xấp xỉ cho đơn giản tính tốn máy tính phải thỏa mãn tiêu chuẩn hội tụ Và thường chọn dạng đa thức Rồi biểu diễn hàm xấp xỉ theo tập hợp giá trị có đạo hàm nút phần tử {qe} Bước 3: Xây dựng phương trình phần tử, hay thiết lập ma trận độ cứng phần tử [K]e vector tải phần tử {P}e Có nhiều cách thiết lập: trực tiếp, sử dụng nguyên lý biến phân, phương pháp biến phân, …Kết nhận biểu diễn cách hình thức phương trình phần tử K e qe Pe (1) Bước 4: Ghép nối phần tử sở mô hình tương thức mà kết hệ thống phương trình [K] {q} {P} (2) Trong đó: [K] ma trận độ cứng tổng thể, {q} vector chuyển vị nút tổng thể, {P} Vector tải tổng thể Sử dụng điều kiện biên toán, ta nhận hệ phương trình sau: [K*]{q*} {P*} (3) Đây phương trình hệ thống Bước 5: Giải hệ phương trình đại số [K*]{q*} {P*} (4) Với tốn tuyến tính việc giải phương trình đại số khơng khó khăn Kết tìm chuyển vị nút Nhưng toán phi tuyến nghiệm đạt sau HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 chuỗi bước lặp mà sau bước ma trận cứng [K] thay đổi (trong toán phi tuyến vật lý) hay vector lực nút {P} thay đổi Bước 6: Hoàn thiện Từ kết trên, tiếp tục tìm ứng suất, chuyển vị hay biến dạng tất phần tử 2.2 Tính tốn nhiệt IC Cơng thức tính nhiệt độ tiếp xúc IC với môi trường : Tcs Pd RJC Tamb (5) Trong đó:Tcs: Nhiêt độ bề mặt IC, Pd: Công suất tiêu thụ, Tamb: Nhiệt độ môi trường, RJC: Nhiệt trở từ Die tỏa nhiệt tới lớp vỏ Tính tốn lý thuyết: Tính nhiệt độ bề mặt IC ( Nhiệt độ lớp vỏ đóng gói, đơn vị °C với Pd ,RJC, nhập theo datasheet, Tamb = 28°C ) : - 74HC245D ( SO20 ) : Tcs Pd RJC Tamb 0,5 40 28 48C - LM 358 ( SO8 ) : Tcs Pd RJC Tamb 0,53 35 28 46, 5C - EL 817 ( DIP ) : Tcs Pd RJC Tamb 0, 70 28 44C - LM 317M ( DPAK,IC Ổn áp ) : Tcs Pd RJC Tamb 28 68C MƠ HÌNH HĨA VÀ KẾT QUẢ TÍNH TỐN 3.1 Mơ hình hóa phần mềm SolidWork Sư mô dựa thiết kế điện tử thực truyền nhiệt mơ dịng chảy chất lỏng ta tạo mơ hình hình học nhập liệu mơ hình từ gói CAD CAE khác Sau tạo lưới cho hình học mơ hình vượt qua lưới mơ hình định nghĩa để giải tính tốn động lực học mơ tính tốn Hình Mơ hình mạch điều khiển MACH3 vẽ SolidWork mơ hình mạch điều khiển MACH3 phần mềm DesignModeler HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Liên kết vật thể hình học Hình Nhập thơng số IC Hình Tính tốn suất kết The Mechanical application 3.2 Kết tính tốn nhiệt FEM Tiến hành chia lưới với mức hội tụ lưới thể Hình Hình Hình Kết sau Mesh Hình Kiểm tra mức lưới hội tụ mơ hình HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nhận thấy với mơ hình chia lưới cho mạch MACH3 nghiên cứu sử dụng mức lưới mịn có kích thước 0,1mm giá trị nhiệt độ Max, Min tương ứng 63,43oC 32,35oC Các kết cho thấy: Hình 10 Trường nhiệt độ mạch Hình 11 Trường chuyển vị mạch Hình 12 Trường ứng suất mạch Nhiệt độ linh kiện mạch thể quan bảng Bảng Nhiệt độ linh kiện mạch Nhiệt độ (°C) Tên IC 74HC245D_1 74HC245D_2 LM 358 EL 817_1 EL 817_2 EL 817_3 EL 817_4 EL 817_5 EL 817_6 LM 317M Trên tính tốn Trên Ansys 48 48 46.5 44 44 44 44 44 44 68 44 44 42 41 41 42,7 43,2 42,2 44 63,88 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Kết so sánh nhiệt độ tính tốn mơ Ansys-Icepak, với kết sau mô ta thấy có chênh lệch nhiệt độ IC Ta lý giải tượng xạ điện từ, tỏa nhiệt vốn có từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp mạch sai số trình chia lưới q trình tính tốn lý thuyết có kết cao so với mơ ĐỀ XUẤT BIỆN PHÁP GIẢM NHIỆT Để mạch điều khiển MACH3 giảm nhiệt độ Biện pháp giảm nhiệt cho mạch hoạt động tốt đề tiến hành thêm quạt tản nhiệt cho mơ hình Tính tốn hệ thống thơng gió cho thùng máy với nhiệt độ khơng khí mơi trường 280C thùng máy với nhiệt độ 300C chọn loại quạt gió phù hợp Bảng Năng suất tỏa nhiệt linh kiện Số lượng 1 Tên IC 74HC245D LM317 LM358 EL817 Tống công suất Công suất 0,5W 5W 0,53W 0,2W 7,73W =27,828kJ/h Lưu lượng giải nhiệt thừa với nhiệt độ khơng khí vào tương ứng với tr = 300C tv = 280C Thông thường độ ẩm tương đối khơng khí khoảng Khi nước nước bão hòa theo tr = 300C ta Phbh = 0,04241bar Theo tv = 280C nội suy ta Phbh = 0,03811bar Suy ra: Thể tích thùng máy : V = x.y.z = 0,2 0,14 0,1= 0,0028 m3 Bội số tuần hồn : Chọn miệng thơng gió tốc độ gió : Tổn thất ma sát Tổn thất cục bộ: = 0,0137 = 5,4m/s HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Trong đó: hệ số trở kháng cục bộ; v vận tốc khơng khí; mật độ khơng khí; pd áp suất động Chọn áp suất động pd ta được: ; Hcb = 23,856 (mmH2O) = 224,14 (Pa) Lưu lượng quạt : Với k =1,1 hệ số an toàn Hiệu suất chung quạt : Công suất động : Các kết mơ phỏng: Hình 13 Khơng khí từ cánh quạt thổi vào, Để kiểm tra kết nhiệt độ mạch giảm ta chạy mô kết phần mềm Icepak - tích hợp AnsysWorkbench Hình 14 Trường nhiệt độ sau lắp quạt tản nhiệt Hình 15 Chuyển vị sau lắp quạt Hình 16 Ứng suất Von-Mises sau lắp quạt HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bảng So sánh nhiệt độ mạch sau lắp tản nhiệt Nhiệt độ (°C) Tên IC 74HC245D_1 74HC245D_2 LM 358 EL 817_1 EL 817_2 EL 817_3 EL 817_4 EL 817_5 EL 817_6 LM 317M Trên tính tốn Trên Ansys Sau tản nhiệt 48 48 46,5 44 44 44 44 44 44 68 44 44 42 41 41 42,7 43,2 42,2 44 63,88 34,4 34,4 38,1 32,2 32,2 32,7 33,7 34,8 32 60,27 KẾT LUẬN Mục tiêu trước tiên mà nhóm nghiên cứu đề nghiên cứu mô tác ảnh hưởng nhiệt phần tử tỏa nhiệt độ trình hoạt động mơ chúng phần mềm chuyên dụng Icepak, Fluent tích hợp phần mềm Ansys, sau đưa biện pháp giảm nhiệt Các Kết cho thấy tiến hành tải nhiệt mang lại hiệu tương đối lớn, hầu hết thành phần giảm lượng nhiệt lớn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Datasheet chip EL817L, 74HC245, LM358, LM317 - datasheet nhà sản xuất cung cấp [2] T.G Alexandru, T.A Mantea, C Pupaza, S Velicu HEAT TRANSFER SIMULATION FOR THERMAL MANAGEMENT OF ELECTRONIC COMPONENTS [3] Nguyễn Quốc Ý Hướng dẫn giải tập học thủy khí NXB ĐHQG TPHCM [4] Tạ Duy Liêm Hệ thống điều khiển số cho máy cơng cụ NXB Khoa học& Kỹ thuật [5] Hồng Đình Tín, Bùi Hải Bài tập Nhiệt động lực học truyền nhiệt ... mềm máy tính Và để đưa lệnh từ máy tính đến để gia cơng máy CNC, cần phải có phận để tương tác máy tính máy CNC, ta gọi Mạch giao tiếp Mạch giao tiếp dung để kết nối máy tính PC mạch điều khiển. .. đến trình điều khiển, làm nguy rủi ro, hỏng hóc cao Bởi nên sử dụng đến mạch giao tiếp để đảm bảo an tồn cho máy làm việc Mạch MACH3 mạch kết nối phần mềm điều khiển ( phần mềm Mach3) máy tính... có nhiệt độ thấp mạch sai số q trình chia lưới q trình tính tốn lý thuyết có kết cao so với mô ĐỀ XUẤT BIỆN PHÁP GIẢM NHIỆT Để mạch điều khiển MACH3 giảm nhiệt độ Biện pháp giảm nhiệt cho mạch