Tính toán đai:
18 - (1)
Trong đó:
(2)
Sina =0
- Tính công suất bộ truyền: - Xác định mô đun theo công thức:
(3)
(4)
Trong đó: : Công suất bánh đai chủ động [kw]
:Số vòng quay bánh chủ động [rpm/min]
: Mô đun [mm].
Thay số liệu ban đầu vào biểu thức (1) (2) (3) và (4) ta được
Tham khảo catolog của hãng SDP/SI chọn p=2mm - Bề rộng đai:
- 𝒃 = 𝝍𝒅. 𝒎 = 𝝍𝒅.𝒑
𝝅 = 𝟗. 𝟐
19 Chọn b = 6mm
Thông số đầu vào i = 1 và Chọn D sau khi ta chọn puley
- Bước pulley = bước đai p=2mm
- Đường kính vòng chia:
Theo như sơ bộ: Ta chọn D=12mm Bước puley p=2mm nên ta tính được số răng sơ bộ z=18 răng
Suy ra ta chọn z=20 theo tiêu chuẩn mà hãng SPD/SI đã thiết kế - Tính lại đường kính vòng chia:
20 Từ đây, ta tính được chiều dài đai
2 2 t
l = e zt+ = e+D
= 640mm => Chọn dây đai code 320
( e là khoảng cách của hai trục)
Chọn pulley A 6A51M021DF0904 : Đường kính vòng chia 12.9, chiều dài 19.1 2.2. Tính chọn vít me trục Z
Máy in 3D có tốc độ quay của vitme không lớn hay tốc độ dịch chuyển của bàn máy là không lớn nhưng để đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng sản phẩm cao khi gia công trên máy thì hệ thống dẫn hướng yêu cầu độ chính xác cao. Do đó lựa chọn kiểu lắp ổ đỡ chung cho vitme dẫn động 2 bàn là kiểu lắp 1 đầu lắp đỡ chặn và 1 đầu đỡ (fix- support):
21 Với loại trên, 2 hệ số f và λ có giá trị:
f = 15.1 and λ = 3.92 a. Điều kiện làm việc:
● Tốc độ quay cao nhất của động cơ: n = 2000 (rpm)
● Theo PMI thì l=8mm hoặc l=10m là hợp lí Vậy chọn l=8mm. b. Tính toán lực dọc trục: Với μ: hệ số ma sát : μ = 0.1 a: gia tốc, a= Vmax/Δt = 4 m/s2 f : lực không tải f= fx= 0.1kG = 1N Khối lượng động cơ và gá đỡ là 1.1Kg
22 Vì vậy,
● Lực lớn nhất khi không gia công:
Famax = max (Fa1, Fa2, Fa4, Fa5, Fa6, Fa8) = 6.478N
● Lực lớn nhất khi gia công:
Famax = max (Fa3, Fa7) = 2.078N
● Lực trung bình:
● Tải trọng tĩnh:
𝐹𝑎𝑚𝑎𝑥 = 6.478N ( lực lớn nhất khi không gia công)
● Tải trọng động
𝐶𝑎 = √60 × 𝑛 × 𝐿3 𝑡× 𝐹𝑎𝑚 × 𝑓𝑤 × 10−2
Trong đó:
➢ 𝐹𝑎𝑚 là lực dọc trục
➢ 𝑛 tốc độ quay thực: 𝑛 = 𝑛1× 0.7𝑡 + 𝑛2× 0.3𝑡
➢ Tốc độ quay của động cơ khi gia công:
𝑛2 = 𝑉2
𝑙 =
80
23
➢ Tốc độ quay của động cơ khi không gia công:
𝑛1 = 𝑉1
𝑙 =
1600
8 = 200 𝑣/𝑝
➢ 𝑓𝑠 hệ số bền tĩnh, 𝑓𝑠 = 1.5 ÷ 3 , select 𝑓𝑠 = 2.5
➢ 𝑓𝑤 hệ số bền động, được tính theo bảng sau:
Bảng 2. 3. Hệ số bền động fw
Select 𝑓𝑤 = 1,2
𝐿𝑡 tuổi thọ (Tổng thời gian hoạt động) - Tốc độ quay thực: 𝑛 = 𝑛1× 0.7𝑡 + 𝑛2× 0.3𝑡 = 200 × 0.7 + 10 × 0.3 = 143 𝑚𝑚/𝑝 - Vận tốc thực: V= n× 𝑙 = 143 × 8 = 1144𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛 - Tuổi thọ: 𝐿𝑡 =𝑆 𝑣= 50 × 106 1144 =43706 minutes = 728h Từ đó ta có kết quả: Fam(kG) n(rpm) C0(kG) Ca(kG) 6.25 143 15.63 5.65 Bảng 2. 4. Bảng kết quả lực tải trọng động Lực tải trọng động phải Ca ≥ 5.65kG
24
c. Chọn và đánh giá
● Chọn loại đai ốc:
Ta chọn loại đai ốc vít me thường với đường kính 8mm (dễ mua và dễ gia công) ● Chọn đường kính trục: - Tổng chiều dài trục L = 350mm - Đường kính trục Chọn loại fixed-support: f = 15.1 𝑑𝑟 ≥ 𝑛 × 𝐿 2 𝑓 × 105 = 143 × 850 2 15.1 × 105 = 7𝑚𝑚 Chúng ta chọn trục có đường kính là 8mm. ● Đánh giá - Tuổi thọ 𝐿𝑡𝑑 =( 𝐶𝑎 𝐹𝑎𝑚 × 𝑓𝑤) 3 × 106× 1 60𝑛= ( 5.65 6.25 × 1.2) 3 × 106× 1 60 × 143 = 50ℎ ≈ 15𝑘𝑚 > 10𝑘𝑚 ● Tốc độ quay cho phép Chọn loại fixed-support: f = 15.1 𝑛 = 𝑓 ×𝑑𝑟 𝐿2 × 107 = 15.1 × 8 3502 × 107 = 9861 𝑟𝑝𝑚 > 2000
25
2.3. Lựa chọn động cơ
a. Các bước tính toán chọn động cơ
Chọn sơ bộ thông số
Trục X và trục Y ( kết cấu hai trục là như nhau ) : - Chọn sơ bộ thông số:
Khối lượng tải sơ bộ:m=3kg Hệ số ma sát cụm trục: µ=0.05
Chọn sơ bộ bước góc động cơ Đường kính ngoài pulley: D=12.7mm Chiều cao pulley: L=19.1mm
Quãng đường dịch chuyển: Sv=250mm
Thời gian làm việc hết một chu trình: t0=0.067s Hệ số công suất
Tỉ số truyền: i=1
Khối lượng riêng của vật liệu làm pulley ρ=8.0×103 [kg/m3] Hệ số an toàn
Các bước tính toán chọn động cơ
➢ Bước 1. Vẽ sơ đồ hoạt động của máy
26 l: Quãng đường chuyển động [m]
lrev: Quãng đường dịch chuyển trên 1 vòng động cơ : Bước góc
➢ Bước 3. Tính tần số hoạt động f2
Thời gian tăng tốc : t1=t0.0.125
Tần số hoạt động: Tốc độ tăng tốc, giảm tốc :
➢ Bước 4. Tính tốc độ hoạt động của động cơ Nm(r/min)
➢ Bước 5. Tính Mômen tải
TL tùy thuộc vào từng dạng kết cấu cơ khí
➢ Bước 6. Tính Mômen tăng tốc Ta [N.m]
Công thức tính cho tất cả các loại động cơ :
: Mômen quán tính quay
: Mômen quán tính tải
27 : Thời gian tăng giảm tốc
: Tốc độ hoạt động
➢ Bước 7. Tính Mômen yêu cầu
Sf: Hệ số an toàn
➢ Bước 8. Kiểm tra
● Kiểm tra tải trọng yêu cầu:
● Kiểm tra tốc độ tải trọng yêu cầu được chỉ ra bởi tốc độ hoạt động và mômen yêu cầu
Lấy đối với động cơ bước
28
Bảng 2. 5 . Kiểm tra tỉ lệ tăng giảm tốc
: Tỉ lệ tăng giảm tốc (ms/kHz)
: Bước góc động cơ vi bước
: Hệ số tra bảng
Bảng 2. 6. Hệ số
: Tỉ số truyền
● Kiểm tra hệ số quán tính:
29
Bảng 2. 7. Hệ số quán tính
Kết quả tính toán
- Kết quả tính toán thông số chọn động cơ trục X:
Hình 2. 3. Biểu đồ hoạt động
- Vị trí tương đối của chuyển động của kết cấu khi động cơ đi được bước:
- Số xung:
- Tần số hoạt động:
30 - Tính mô men yêu cầu:
Momen tải: TL
Mômen tăng tốc Ta
- Tính mô men quán tính của: Đai (bỏ qua)
Pulley:
Tải:
- Tổng momen quán tính:
- Mô men tăng tốc:
- Mô men yêu cầu TM:
- 𝑇𝑀 = [𝑇𝐿+T𝐴]*S𝑓 = (0.002 + 0.007 + 58.9𝐽0) ∗ 5 = 0.045 + 294.5𝐽0
Đối với động cơ Nema17, momen quán tính bằng 0.001kg.m2 Thay số ta tính được momen yêu cầu xấp xỉ 0.3395
Chọn động cơ có momen xoắn lớn hơn momen yêu cầu
Với kết quả tính toán trên tra datasheet của hãng PBC cũng như kết quả khảo sát động cơ trên thị trường Việt Nam ta chọn động cơ bước Nema 17 cho 2 trục X, Y và động cơ
31
Nema 16 cho trục Z không những phù hợp với kết quả tính trọn mà còn dễ dàng tìm kiếm
được chúng trên thị trường.
b. Chọn động cơ trục X,Y theo hãng
Dựa vào kết quả tính toán, ta chọn thông số theo catalog
Hiệu chỉnh số bước/mm động cơ
Khác với động cơ thường, động cơ bước quay từng góc rất nhỏ (1.8; 0.9; ... độ) ứng với mỗi tín hiệu điều khiển từ môđun A4988 hoặc DRV8825. Mỗi tín hiệu này ứng với 1 bước. Số bước/mm là số tín hiệu từ môđun (A4988 hoặc DRV8825 ở trên) cần phải cấp cho động cơ bước để động cơ bước di chuyển cụm kết cấu (bộ đùn nhựa, spindle, sợi nhựa in..) đi một quãng đường 1mm theo trục tương ứng. Như vậy có thể thấy số bước/mm phụ thuộc vào các yếu tố:
32 • Góc quay mỗi bước của động cơ: A (thường là 1.8 hoặc 0.9 độ)
• Chế độ điều khiển của môđun điều khiển: B (thường B = 1/16 với A4988 hoặc 1/32 với DRV8825)
• Tỉ số truyền của hệ truyền động tính từ trục của động cơ bước tới cơ cấu di chuyển (đơn vị tính độ/mm), bao gồm: khoảng cách đỉnh răng (C - mm) của đai răng; số răng của puli dẫn động (D), tí số truyền cặp bánh răng dẫn động (E), bước ren của vít me/trục ren F; đường kính puli/bulông tời nhựa G...
Đối với mỗi loại truyền động, dựa vào công thức lý thuyết ta có thể tính được số bước/mm lý thuyết cần thiết để đưa vào chương trình điều khiển (GRBL, Marlin hoặc Repetier Firmware). Tuy nhiên để đạt được kết quả chính xác nhất, sau khi nạp chương trình điều khiển với số bước/mm lý thuyết, cần phải hiệu chỉnh thực tế trên máy in 3D. Các bước làm như sau:
• Số bước/mm lý thuyết đối với truyền động đai răng:
Lý thuyết bước/mm: LT= 360𝐵
𝐴𝐶𝐷
Với dây đai GT2, C = 2mm Với GT2 pulley, D = 16 răng • Số bước/mm lý thuyết đối với trục vít me:
Lý thuyết bước/mm: LT= 360𝐵
𝐴𝐹
Với trục vít me, F = 8mm • Số bước/mm lý thuyết đối với bộ đùn nhựa:
Lý thuyết bước/mm: LT= 360𝐵𝐸
𝐴𝐺𝜋
Với E = 1
G: đường kính puli/bulông tời nhựa. • Hiệu chỉnh số bước/mm:
Sau khi nhập số bước/mm vào chương trình điều khiển ở trên và nạp vào mạch điều khiển, cho máy chạy theo các trục X, Y, Z hoặc tời nhựa in và hiệu chỉnh lại số bước/mm như sau:
33
✓ Điều khiển máy di chuyển theo trục (sợi nhựa) cần hiệu chỉnh một đoạn H (khoảng 40mm trở lên, càng dài càng tốt).
✓ Sau khi di chuyển, sử dụng thước kẹp (không được sử dụng thước dây hay thước kẻ vì không đủ chính xác) để đo quãng đường dịch chuyển thực tế I trên trục tương ứng.
✓ Tính lại số bước/mm thực tế: TT= 𝐿𝑇𝐻 𝐼
✓ Nhập lại số bước/mm TT vào chương trình điều khiển và thử lại vài lần tới khi đạt yêu cầu.
2.4. Thiết kế chi tiết cơ khí 2.4.1. Các chi tiết cơ khí lắp ghép 2.4.1. Các chi tiết cơ khí lắp ghép
STT Chi tiết cơ khí Số lượng
1 Gá động cơ step loại thẳng 2 chiếc
2 Gá động cơ size 42/57 1 chiếc
3 Ống Teflon 2 chiếc
4 Gá nhôm tản nhiệt hai đầu 1 chiếc
5 Lõi nối teflon nhôm M7 2 chiếc
6 Đầu nối ống Teflon 3 chiếc
7 dây gia nhiệt 2 chiếc
8 Vít M3,M4,M5, Tnut M4, long den 18 chiếc
9 Vòng bi PK8UU 2 chiếc
10 Kẹp trục M12 8 chiếc
34
12 Gối đỡ trục KL08 2 chiếc
13 Bộ đầu phun E3D V5 có sẵn đầu đốt và cảm biến 1 bộ 14 Trục vitme đường kính 8mm bước ren 4 mm 2x300mm 15 Trục vitme đường kính 8mm bước ren 4 mm 1x400mm
16 Ke góc 12 chiếc
Bảng 2. 8. Chi tiết cơ khí
2.4.2. Các chi tiết nhựa in 3D
Các chi tiết dùng để cố định các chi tiết cơ khí - linh kiện được thiết kế trên phần mềm 3D Solidworks. Sau đó sẽ được lưu dưới dạng file “.STL”, các chi tiết sẽ được hoàn thiện từ một máy in 3D khác.
2.4.3. Khung máy
Mục tiêu thiết kế:
• Thiết kế máy in 3D với khung nhôm định hình 20x20. 360x360x450(mm).
• Không gian in tối đa 180x180x200(mm) với bộ truyền động sử dụng là vitme đai ốc kết hợp với đai.
35
Hình 2.4. Mô hình khung máy
Khung máy sẽ được gia công bằng nhôm thanh định hình 20x20 và 40x20
2.3.4.Mô hình thiết kế hệ thống các trục.
• Hệ thống trục X:
Sử dụng động cơ quay pulley và kéo dây đai chuyển động bộ đùn nhựa như cơ cấu bên dưới .
Hình 2. 5: Mô hình trục X
36 • Hệ thống trục Y:
Sử dụng động cơ kéo dây đai . làm quay pulley gắn chặt với thanh chuyền động bằng vít me tăng ma sát tránh xê dịch , truyền chuyển động sang 2 bên bằng đai kéo cả cụm trục X như hình bên dưới .
37
Hình 2. 7. Mô hình trục Y
38 • Hệ thống trục Z:
Động cơ trục Z quay kéo dây đai quay pulley gắn vào trục vít me quay và chuyền chuyển động theo hướng lên xuống của cụm bàn gia nhiệt như hình dưới .
Hình 2. 8. Mô hình truc Z
39 Mô hình máy in 3D hoàn chỉnh :
40
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Trong đồ án lần này, lựa chọn công nghệ FDM cho máy in 3D là phổ biến và có giá thành rẻ nhất. Công nghệ này sử dụng bộ đùn (Nozzle) để gia nhiệt và đẩy từng lớp vật liệu nhựa dẻo chồng lên nhau, tạo thành khối sản phẩm. Nguyên liệu cho máy in FDM chủ yếu là nhựa, hoặc các vật liệu có thể nóng chảy.
• Ưu điểm
Là công nghệ in 3D giá rẻ, dễ sửa chữa và thay thế chi tiết máy móc, in với số lượng lớn, ít tốn nguyên liệu. Thường sử dụng trong các sản phẩm cần chịu lực. Tốc độ tạo hình 3D nhanh. Quá trình tạo mẫu nhanh của FDM không giống như công nghệ SLA, LOM, SLS phải sử dụng tia laser để tạo hình sản phẩm mà công nghệ tạo mẫu nhanh FDM đơn giản hơn rất nhiều, độ tin cậy cao, bảo dưỡng dễ dàng.
Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo không độc, không mùi, và do đó sẽ không gây ô nhiễm môi trường xung quanh. Thiết bị hoạt động tạo ra ít tiếng ồn.
• Nhược điểm
Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao. Khả năng chịu lực không đồng nhất .
3.1.Phần mềm điều khiển 3.1.1.Firmware Marlin 3.1.1.Firmware Marlin
Firmware Marlin là một chương trình được viết trên nền Arduino cho các mạch điều khiển máy in 3D Reprap sử dụng vi điều khiển họ AVR của hãng Atmel. Marlin còn được chỉnh sửa để sử dụng trên các máy CNC mini. Có thể nói Marlin được sử dụng rộng rãi bậc nhất trong số các máy dạng mã nguồn mở hiện nay.
Các đặc điểm nổi bật của Marlin đối với các máy in 3D Reprap gồm có:
• Hỗ trợ tự động bù thăng bằng bàn nhiệt trước khi in bằng đầu dò (thể sử dụng cả động cơ servo cho cơ cấu đầu dò)
• Hỗ trợ người dùng khi bù thăng bằng bàn nhiệt thủ công
• Có tính năng rút ngược nhựa in khi gia công (người dùng có thể chọn rút ngược nhựa in bằng firmware hay bằng slicer)
41 • Tính năng sao lưu, cập nhật eeprom của vi điều khiển
• Hỗ trợ đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt điện trở hoặc cặp nhiệt ngẫu • Điều khiển máy in hoàn toàn bằng màn hình LCD và thẻ nhớ SD
• Hỗ trợ các dạng máy in 3D Cartesian (prusa i3, ...), Delta Polar và SCARA • Giao tiếp với máy tính thông qua cổng USB (COM ảo)
• Hỗ trợ tối đa 4 bộ đùn nhựa Hoạt động của Marlin:
Marlin được sử dụng để điều khiển máy in 3D hoạt động theo công nghệ FDM. Trong quá trình in, đầu phun được nung nóng và dưới sự điều khiển của máy tính, nhựa nóng chảy sẽ được đùn ra khỏi đầu phun. Nhựa sau khi được đùn ra, chạm bàn in sẽ lập tức đông đặc. Từng lớp của vật thể sẽ được in dựa theo nguyên lý hoạt động đó và cấu thành nên hình dáng của vật thể.
• Máy in 3D có thể được điều khiển bằng phần mềm trên máy tính thong qua cáp kết nối. Ngoài ra, máy in 3D cũng có thể hoạt động độc lập bằng cách nạp file (STL) vào thẻ SD và cắm vào khe cắm thẻ nhớ của máy. Marlin sẽ thực hiện việc dịch file (STL) sang G-Code để thực hiện quy trình in.
• Để điều khiển hoạt động của máy in 3D thông qua Marlin, Arduino Mega 2560 sẽ gắn kèm theo mạch điều khiển máy in Ramps 1.4.
• Người dùng có thể sử dụng Arduino IDE để thiết lập Marlin sao cho phù hợp với máy in 3D của mình như: nhiệt độ đầu phun và bàn nhiệt khi in, tốc độ bước động cơ mỗi giây, phương chiều chuyển động của động cơ, vùng in tối đa của động cơ…