Sơ đồ khối
3.1.1 Sơ đồ phần kết cấu cơ khớ
Sơ đồ phần kết cấu cơ khớ của mụ hỡnh được thiết kế như hỡnh 3.1 bờn dưới.
Hỡnh 3.1: Sơ đồ kết cấu cơ khớ của mụ hỡnh mỏy CNC loại nhỏ
3.1.2. Sơ đồ khối phần mạch điện tử
Cú thể tạm hiểu về hoạt động của phần mạch điện tử như sau: Mạch cú nhiệm vụ nhận dữ liệu được gửi xuống từ mỏy tớnh qua cổng COM. Dữ liệu này được đẩy vào EEPROM, khi vi điều khiển hoạt đụng, nú sẽ lấy tồn bộ dữ liệu này để đưa ra cỏc điều khiển cho cỏc động cơ. Do đú mạch cần phải cú cỏc khối chức năng để thực hiện được yờu cầu này.
Sơ đồ khối của mụ hỡnh mỏy CNC loại nhỏ được thiết kế như hỡnh 3.2 bờn dưới.
Hỡnh 3.2: sơ đồ khối mụ hỡnh mỏy CNC loại nhỏ
Về cơ bản sơ đồ khối của mụ hỡnh mỏy CNC loại nhỏ ở chương này cũng gần giống với mụ hỡnh thiết kế cho mỏy Micro Lathe. Nhỡn trờn mụ hỡnh ta cú thể thấy được cơ bản về chức năng của cỏc khối cú trong mụ hỡnh.
- Do mụ hỡnh sử dụng 4 động cơ vận hành cho nờn cũng cần 4 mạch cụng suất điều khiển cho mụ hỡnh. Tuy nhiờn trong 4 động cơ thỡ cú 3 động cơ một chiều và 1 động cơ bước, do đú cỏc mạch điều khiển cho cỏc loại động cơ khỏc nhau cũng phải khỏc nhau.
- Cỏc động cơ sử dụng là cỏc động cơ loại nhỏ, dũng chảy qua nhỏ khi hoạt động bỡnh thường do đú cú thể sử dụng cỏc mạch cụng suất nhỏ để cú thể điều khiển được cỏc động cơ này
- Khối truyền thụng cú nhiệm vụ chuyển đổi mức tớn hiệu từ mỏy tớnh xuống vi điều khiển để cho hai khối này cú thể gửi dữ liệu cho nhau một cỏch bỡnh thường.
- Khối vi điều khiển cú nhiệm vụ giải mĩ tồn bộ chương trỡnh và đưa ra cỏc hành động điều khiển động cơ tịnh tiến cỏc trục cũng như động cơ khoan theo yờu cầu.
- Mạch hiển thị cho biết trạng thỏi của hệ thống.
3.1.3. Làm việc với mụ hỡnh mỏy
Do tầm quan trọng và những ứng dụng thực tế của chiếc mỏy CNC đĩ được trỡnh bày ở trờn. Ở phần này, tụi xin được trỡnh bày về một mụ hỡnh thực tế đĩ được thiết kế và chạy thử nghiệm cho kết quả tốt. Mụ hỡnh ở đõy được chế tạo hồn tồn trờn những nguyờn liệu rời rạc chứ khụng cải tiến từ một chiếc mỏy nào đú. Nú được bắt đầu từ những thanh nhụm, những tấm phớp nhựa và từ những chiếc đinh ốc…Nú được thiết kế hồn tồn dựa trờn tất cả những kiến thức đĩ thu nhận được trong quỏ trỡnh học tập và nghiờn cứu tại trường đại học giao thụng vận tải. Mụ hỡnh hồn tồn cú thể trở thành tài liệu học tập vỡ nú cũng bao gồm đầy đủ cỏc chức năng cơ bản của một mụ hỡnh. Tụi xin được phộp trỡnh bày nú ngắn gọn để cỏc bạn cú thể hiểu sơ qua về hoạt động và phạm vi ứng dụng của nú.
Cú thể núi một cỏch dễ hiểu hơn mụ hỡnh chớnh là một chiếc mỏy khoan tự động, chạy theo một chương trỡnh được lập trỡnh sẵn trờn mỏy tớnh… Để bắt đầu gia cụng, việc đầu tiờn là viết chương trỡnh cần gia cụng trờn mỏy tớnh, việc viết chương trỡnh này tũn theo một vài qui tắc do tụi tự lập ra thể hiện cỏc hành động của mụ hỡnh. Vớ dụ như nếu viết X20;Z-30; chẳng hạn, thỡ khi đú mỏy sẽ thực hiện dịch chuyển bàn khoan một khoảng theo trục X là 20mm, tiếp sau đú là nõng mũi khoan lờn cao một khoảng là 30mm. Và cứ như thế, tồn bộ quỏ trỡnh làm việc của mụ hỡnh sẽ được mụ tả qua ngụn ngữ. Chương trỡnh soạn thảo cú thể được viết trờn một phần mềm soạn thảo bất kỡ nào, hoặc cú thể sử dụng ngay trỡnh soạn thảo notepad của window XP được tớch hợp sẵn. Khi chương trỡnh soạn thảo viết xong cần lưu nú dưới dạng file_name.txt.
Bước tiếp theo ta sẽ tiến hành dịch file vừa viết xong. Tất cả cỏc lỗi về cỳ phỏp cũng như cỏc lỗi về dịch chuyển khụng hợp lý sẽ bị phỏt hiện và bỏo lỗi buộc người sử dụng phải sửa lỗi ngay trước khi cho phộp nạp xuống mụ hỡnh. Quỏ trỡnh dịch và phỏt hiện lỗi sẽ được thực hiện do một phần mềm viết trờn nền visual basic cú nhiệm vụ liờn kết đến file chương trỡnh, kiểm tra cỏc lỗi phỏt sinh và đưa ra thụng bỏo. Khi khụng cú một lỗi nào được tỡm thấy trong quỏ trỡnh dịch, chương trỡnh sẽ thụng bỏo dịch thành cụng và cho phộp người dựng gửi tồn bộ chương chỡnh xuống mụ hỡnh thụng qua giao tiếp cổng COM. Và tất nhiờn cổng COM chỉ được sử dụng trong quỏ trỡnh thay đổi hoặc nạp chương trỡnh mới cho mụ hỡnh. Cũn lại trong quỏ trỡnh nú hoạt động hồn tồn ta cú thể rỳt bỏ mà khụng cú một sự ảnh hưởng nào đến quỏ trỡnh làm việc của nú.
Ở tại vi điều khiển, tất cả cỏc dữ liệu nhận được sẽ được đẩy vào nội dung của bộ nhớ EEPROM, đề phũng trường hợp khi mất điện hoặc hệ thống bị treo thỡ dữ liệu vẫn cũn và mụ hỡnh vẫn cú thể làm việc được một cỏch bỡnh thường. EEPROM cú độ rộng 64kb và được ghộp nối ngồi với vi điều khiển. và vị bộ nhớ giới hạn như vậy cho nờn giới hạn file lập trỡnh khụng được quỏ 64kb. Khi tồn bộ dữ liệu đĩ được đưa vào nội dụng EEPROM thỡ quỏ trỡnh giải mĩ bắt đầu được tiến hành, dữ liệu sẽ được giải mĩ và biến thành cỏc hành động của cỏc trục để thực hiện quỏ trỡnh gia cụng. Cỏc hành động của mụ hỡnh bao gồm dịch chuyển trục X theo hai hướng, dịch chuyển trục Y theo hai hướng, dịch chuyển trục Z theo hai hướng (nõng hạ mũi khoan), điều khiển cấp tốc độ cho động cơ khoan và đảo chiều quay cho động cơ khoan. Khi gia cụng hết chương trỡnh, vi điều khiển kiểm tra mĩ lệnh xem cú cần lặp lại quỏ trỡnh gia cụng hay khụng, nếu cú thỡ lặp lại cũn nếu khụng thỡ kết thỳc và chuyển qua chế độ chờ.
3.2. Phõn tớch và đưa ra giải phỏp gia cụng phần cơ khớ cho mụ hỡnh.
3.2.1. Kết cấu cơ khớ trục Z.
Như phõn tớch phần cơ khớ ở trờn, mụ hỡnh sẽ bao gồm 3 trục đú là trục X, Y và trục Z. Khi hoạt động cỏc trục được tịnh tiến qua lại bằng cỏc động cơ điều khiển nhờ cỏc cơ cấu trục vớt bỏnh vớt. Cũng cú thể nhỡn thấy luụn, khi hoạt động mũi khoan tiến theo trục Z và chỉ được phộp di chuyển lờn xuống (nõng, hạ). Do
Hỡnh 3.3: Động cơ và trục bulong sau khi đĩ ghộp với nhau.
khi khoan, tốc độ tiến mũi khoan chậm và yờu cầu cần di chuyển cỏc khoảng nhỏ cho nờn ở đõy tụi đưa ra phương ỏn chọn động cơ bước. Động cơ bước tụi sử dụng là loại động cơ 2 cuộn dõy và cú gúc bước là 1.8 độ. Cú nghĩa là nếu bước đủ vũng thỡ cần phải đi 200 bước. Bờn cạnh đú, cơ cấu trục vớt bỏnh vớt cú tỏc dụng hạn chế chuyển động tối đa vũng quay của động cơ và đồng thời tạo lực ộp mũi khoan lớn. Cơ cấu trục vớt bỏnh vớt sử dụng loại bulong đai ốc cú bước ren là 1mm. Với kết cấu như vậy thỡ động cơ bước khi bước 200 bước sẽ chỉ làm cho mũi khoan tiến dọc trục được một khoảng là 1mm. Như vậy khoảng dịch chuyển nhỏ nhất của mũi khoan là 1mm/200=0.005mm. Với khoảng cỏch này đảm bảo cho tốc độ tiến mũi khoan.
Để cú thể thực hiện ghộp trục bulong vào với trục động cơ, tụi khoan một lỗ nhỏ ở đầu trục cú đường kớnh vừa khớt với đường kớnh của trục động cơ và thực hiện đúng cốt để ghộp chặt hai chi tiết này với nhau. Bằng cỏch này trục động cơ và bulong được ghộp chết với nhau. Hỡnh vẽ 3.3 bờn dưới là hỡnh chụp của động cơ và trục sau khi đĩ tiến hành đúng cốt với nhau.
- 2: Đầu bulong sau khi đĩ ghộp với động cơ - 1: Động cơ bước gắn với bulong.
Yờu cầu đặt ra ở đõy là làm sao khi động cơ bước quay thỡ mũi khoan của ta cần phải di chuyển lờn xuống dọc trục tựy theo chiều quay của động cơ. Để thực hiện được điều này một cỏch ờm ỏi và trơn tru thỡ tụi sử dụng một loại đệm trượt dựng bi để gắn giữa hai thanh nhụm. Thanh nhụm làm khung và thanh nhụm chứa động cơ khoan. Khi gắn xong, hai thanh cú thể trượt nhẹ nhàng trờn nhau. Phần đai ốc của bulong sẽ phải được gắn cố định lờn một thanh nhụm cú chứa động cơ khoan để sao cho khi động cơ quay làm cho bulong quay, đai ốc sẽ tiến dọc trục động cơ khoan kộo theo sự chuyển động lờn xuống của động cơ khoan. Tiến hành gia cụng và lắp ghộp ý tưởng tụi được một kết cấu di chuyển như hỡnh vẽ 3.4 dưới đõy.
Hỡnh 3.3: hệ thống trượt được nối với trục động cơ.
Hỡnh 3.3: Ghộp động cơ khoan vào với thanh trượt.
Như chỉ số ở trờn hỡnh, bulong số 3 được ghộp chặt với thanh trượt số 4 là thanh trượt cú mang động cơ khoan trờn đầu. Bulong được sẻ rĩnh và ộp chặt bằng hai bulong nhỏ ở hai đầu, nhỡn trờn mụ hỡnh chỳng ta cú thể thấy được điều này. Đệm trượt dựng bi số 2 đệm giữa thanh trượt 4 và khung 5 làm cho quỏ trỡnh dịch chuyển lờn xuống được nhẹ nhàng.
Ở đầu thanh trượt 4, ta cần lắp ghộp động cơ khoan với thanh trượt đảm bảo chắc chắn, khi khoan khụng bị rung hay bị tuột ra khỏi thanh trượt. Tụi sử dụng đai để cố định hai chi tiết này với nhau. Hỡnh vẽ 3.4 thể hiện điều này. Động cơ khoan yờu cầu phải là loại động cơ cú mụmen đủ để thực hiện gia cụng trờn một vài phụi nào đú. Ngồi ra nú phải thay đổi được tốc độ khoan, đảo chiều khi cần thiết. Tụi chọn loại động cơ 1 chiều cụng suất nhỏ cú gắn mũi khoan ở đầu. Ở hỡnh vẽ bờn dưới, động cơ khoan 1 được ghộp vào với thanh trượt 2 thụng qua đai số 3.
Đối với hai trục cũn lại, trục X và trục Y cú nhiệm vụ dịch chuyển bàn khoan theo hai phương vuụng gúc với nhau. Cũng giống như trục Z, yờu cầu đặt ra là cỏc di chuyển bàn khoan theo cỏc phương phải nhỏ và khi di chuyển lực di chuyển phải lớn. Do đú tụi vẫn chọn phương ỏn trục vớt bỏnh vớt. Ở đõy tụi vẫn sử dụng bulong đai ốc cú sẵn với bước ren 1mm. Bàn khoan được thiết kế sử dụng nhựa cứng phớp chuyển dựng để gia cụng với nhụm và nhụm thanh. Bàn khoan sau khi thiết kế cần phải trượt nhẹ nhàng dọc theo trục X hoặc trục Y. Sau đõy tụi đưa ra phương ỏn thiết kế kết cấu cho hai trục
3.2.2. Kết cấu cơ khớ trục X.
Núi ra thỡ khú tưởng tượng, sau quỏ trỡnh phõn tớch tụi quyết định đưa ra kết cấu như hỡnh vẽ 3.4 dưới đõy cú thể giỳp cho bàn khoan cú thể trượt một cỏch tự do nhẹ nhàng theo yờu cầu. Tấm nhựa bàn khoan 1 được gỏ lờn thanh nhụm hỡnh chữ L như hỡnh vẽ. Trờn thanh nhụm hỡnh chữ L cú khoan cỏc lỗ để cú thể đưa qua đú hai thanh trượt cũng được làm bằng nhụm và được gỏ cố định ở hai đầu. Như vậy khi đú thỡ bàn khoan bõy giờ đĩ cú thể trượt tự do trờn hai thanh nhụm trũn.
Cũng giống như trục Z, thanh dài bulong được khoan một lỗ nhỏ ở đầu cú đường kớnh đỳng bằng đường kớnh đỳng bằng đường kớnh của của trục động cơ, sau đú tiến hành đúng cốt để ghộp chặt trục bulong và động cơ. Bõy giờ khi động cơ quay sẽ làm cho thanh bulong quay theo. Để cho quỏ trỡnh hoạt động được trơn chu hơn, trục bulong của động cơ trục X được đỡ bằng hai gối đỡ cú vũng bi 3. Khi động cơ và trục bulong quay sẽ làm cho vũng bi quay và trượt nhẹ nhàng theo cơ cấu của vũng bi.
Cuối cựng là việc gỏ đai ốc vào với bàn trượt. Đai ốc được sẻ một rĩnh nhỏ để bàn khoan cú thể gỏ lờn trờn đú mà khụng bị trượt ra ngồi. Việc ghộp bàn khoan và đai ốc là một mối ghộp động nhưng vẫn đảm bảo hoạt động tốt khi khoan. Do sử dụng mỗi ghộp động cho nờn khi hoạt động kết cấu hệ thống sẽ khụng bị bú cứng.
Động cơ được lựa chọn là loại động cơ 1 chiều cụng suất nhỏ nhưng vẫn đảm bảo đủ moment trong quỏ trỡnh hoạt động. Sở dĩ tụi chọn loại động cơ một chiều để đảm bảo tớnh linh hoạt cho sự di chuyển của bàn khoan. Nếu sử dụng động cơ bước cho mụ hỡnh sẽ kộo theo sự phức tạp của mạch điều khiển. Kế theo đú sẽ làm sự di chuyển của bàn khoan sẽ trở nờn chậm chạp đi rất nhiều. Cũn một vấn đề nữa, nếu lựa chọn động cơ bước, khi đú ta sẽ thực hiện điều khiển động cơ bước và đếm bước của động cơ để xỏc định ra khoảng cỏch di chuyển. Nhưng nếu một trường hợp khụng mong muốn nào đú, bước đưa ra khụng được thực hiện bởi phần cơ khớ (trường hợp mất bước) thỡ lỳc đú vi điều khiển khụng thể nào phỏt hiện ra được và dẫn đến gia cụng sẽ bị sai. Cũn về phần tốc độ, thử làm một phộp tớnh đơn giản sẽ thấy được ngay. Giả sử tụi tớnh cho trục X chẳng hạn, Chiều dài của trục X là 10cm. Cơ cấu trục vớt bỏnh vớt sử dụng loại bulong cú bước ren là 1mm, do đú khi hoạt động, muốn di chuyển một đoạn là 1mm thỡ động cơ phải quay một vũng. Cũn di chuyển hết trục X (100mm) thỡ động cơ quay 100 vũng. Nếu sử dụng động
cơ bước để xoay trục, tốc độ tối đa của động cơ bước sẽ khoảng 200 vũng / phỳt. Khi đú để di chuyển được hết trục X ở trờn thỡ phải mất khoảng thời gian là 30s. Cũn nếu đối với động cơ 1 chiều với tốc độ khi quay khoảng 2500 vũng / phỳt. Khi đú khoảng thời gian để chạy hết trục X là 100/2500 phỳt và tớnh vào khoảng 2.4 giõy, rừ ràng là nhanh hơn đỏng kể. Động cơ sau khi ghộp với trục bulong được ghộp vào phần đế bằng một tấm nhựa nhỏ và hai chiếc bulong dài. Điều này cú thể nhỡn thấy rất rừ ở hỡnh 3.3 bờn dưới. Ở đầu động cơ cú gắn encoder, đõy là bộ phận quan trọng và khụng thể thiếu vỡ nú cho phộp ta xỏc định được vị trớ của bàn khoan. Encoder này cũng là một thiết bị được gia cụng thủ cụng và chỉ cú 4 xung cho một vũng quay của động cơ.
Đế và khung 7 được thiết kế chủ yếu bằng nhựa phớp và nhụm. Cỏc mối ghộp chủ yếu sử dụng là cỏc đinh rỳt và cỏc bulong cỡ nhỏ, cú cỏc mối ghộp sử dụng mối ghộp vĩnh cửu như mối ghộp giữa thanh gối vũng bi và đế chẳng hạn, một số chi tiết được lắp ghộp bằng mối ghộp thỏo được như mối ghộp ở động cơ.
Hỡnh vẽ bờn dưới thể hiện tồn bộ kết cấu cơ khớ của phần dịch chuyển trục X.
Hỡnh 3.3: Cơ cấu dịch chuyển bàn khoan theo trục X
3.2.3. Kết cấu cơ khớ trục Y.
Cũng hồn tồn giống với kết cấu cơ khớ ở trục X, ở đõy tụi sẽ đưa hỡnh ảnh lờn trước sau đú sẽ giải thớch cỏc bộ phận cũng như hoạt động của nú sau. Hỡnh ảnh 3.4 ở dưới đõy là hỡnh ảnh thực tế tụi chụp từ mụ hỡnh của mỡnh.
Hỡnh 3.4: Cơ cấu dịch chuyển bàn khoan theo trục X
Nhiệm vụ của kết cấu trục Y lỳc này khụng phải chỉ đẩy một bàn khoan duy nhất như trục X nữa. Lỳc này tồn bộ cơ cấu bao gồm bàn khoan, động cơ trục X, thanh trượt, đế và cỏc chi tiết liờn quan sẽ đượt đưa lờn thanh trượt của trục Y. Ở trờn hỡnh, số 1 là đế của cơ cấu trục X , trờn đú chứa tồn bộ cơ cấu trục X được