● 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
21
Vì vậy,
● Lực lớn nhất khi không gia công:
● Lực lớn nhất khi gia công:
Famax = max (Fa3, Fa7) = 2.078N
● Lực trung bình:
● Tải trọng tĩnh:
= 6.478N ( lực lớn nhất khi không gia công)
● Tải trọng động
=√60× ×
Trong đó:
➢ là lực dọc trục
➢ tốc độ quay thực: = 1 × 0.7 + 2 × 0.3
➢ Tốc độ quay của động cơ khi gia công:
2 80
= = = 10 /
2 8
22
➢ Tốc độ quay của động cơ khi không gia công:
➢ hệ số bền tĩnh,= 1.5 ÷ 3 , select = 2.5
➢ hệ số bền động, được tính theo bảng sau:
Bảng 2. 3. Hệ số bền động fw
Select =1,2
tuổi thọ (Tổng thời gian hoạt động)
- Tốc độ quay thực: = 1 × 0.7 + 2 × 0.3 = 200 × 0.7 + 10 × 0.3 = 143 / - Vận tốc thực: V= n× = 143 × 8 = 1144 / - Tuổi thọ: Từ đó ta có kết quả: Lực tải trọng động phải 23 download by : skknchat@gmail.com
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 ≥ Chúng ta chọn trục có đường kính là 8mm. ● Đánh giá - Tuổi thọ = ( 50ℎ ≈ 15 > 10 ● Tốc độ quay cho phép = ×
Vậy thỏa mãn yêu cầu đề ra.
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
➢ Bước 2. Tính số xung
25
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 :
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
➢ 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
: Tỉ số truyền
26
: 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
● Kiểm tra chu kì công suất:
27
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:
Hệ số quán tính=
28
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:
- Tốc độ hoạt động của đông cơ:
29
- 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:
- = [ +T ]*S = (0.002 + 0.007 + 58.9 0) ∗ 5 = 0.045 + 294.5 0
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
30
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:
31
• 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=360
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=360
Với trục vít me, F = 8mm
• Số bước/mm lý thuyết đối với bộ đùn nhựa:
Lý thuyết bước/mm: 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:
32
✓ 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=
✓ 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
STT Chi tiết cơ khí
1 Gá động cơ step loại thẳng
2 Gá động cơ size 42/57
3 Ống Teflon
4 Gá nhôm tản nhiệt hai đầu
5 Lõi nối teflon nhôm M7
6 Đầu nối ống Teflon
7 dây gia nhiệt
8 Vít M3,M4,M5, Tnut M4, long den
9 Vòng bi PK8UU
10 Kẹp trục M12
11 Bạc đạn đỡ trục KFL 08
33
12 Gối đỡ trục KL08
13 Bộ đầu phun E3D V5 có sẵn đầu đốt và cảm biến
14 Trục vitme đường kính 8mm bước ren 4 mm
15 Trục vitme đường kính 8mm bước ren 4 mm
16 Ke góc
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.
• Ghép nối với nhau bằng ke góc.
34
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
Sử dụng hệ thống đai ròng rọc để di chuyển bộ bàn in
35
• 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 .
Hình 2.6 : Hệ thống trục Y
36
Hình 2. 7. Mô hình trục Y
Sử dụng hệ thống đai ròng rọc để di chuyển bộ đầu in.
37
• 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
Sử dụng 2 trục vít me với đai ốc để di chuyển toàn bộ cơ cấu trục Y
38
Mô hình máy in 3D hoàn chỉnh :
Hình 2. 9. Mô hình thiết kế máy in 3D
39
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
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)
• Tính năng ngăn chặn sự cố nhiệt độ (quá nhiệt) thông minh
40
• 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…
3.1.2. Phần mềm cắt lớp
Như đã thảo luận ở trên, Phần mềm sẽ chuẩn bị một mô hình 3D đã thiết kế bằng cách chia nó thành các lớp lát mỏng. Trong quá trình này, nó tạo ra mã G (gcode) cho phép máy in biết chi tiết về cách sao chép mô hình.
Lựa chọn Ultimaker Cura - Được hàng triệu người dùng tin cậy, Ultimaker Cura là phần mềm in 3D phổ biến nhất thế giới. Chuẩn bị bản in với một vài cú nhấp chuột, tích hợp với phần mềm CAD để có quy trình làm việc dễ dàng hơn hoặc đi sâu vào cài đặt tùy chỉnh để kiểm soát chuyên sâu.
Do đó, nhóm đã chọn Ultimaker Cura là phần mềm cắt lớp.
41
Hình 3.1 Giao diện của phần mềm cắt lớp Cura
42
3.2.Hệ thống điều khiển 3.2.1. Sơ đồ điều khiển
Hình 3.2. Sơ đồ điều khiển
Hoạt động của Máy in 3D có thể được tóm tắt như trong biểu đồ khối dưới đây:
Hình 3.3. Biểu đồ khối điều khiển
43
Chọn các thành phần cho hệ thống điều khiển:
• Bộ vi điều khiển: Arduino Mega 2560 & RAMPS 1.4
• Hệ thống chuyển động : Driver A4988
• Gia nhiệt: Bàn gia nhiệt MK2 Aluminum và E3D V5 for Nozzle heating
• Nhiệt độ: Cảm biến nhiệt 100K thermistor – ATC Semitec 104GT-2
Hình 3.4. Arduino Mega 2560
44
Vi điều khiển
Điện áp hoạt động Điện áp nguồn Điện áp nguồn Số chân In/Out Đầu vào analog
Cường độ chân In/Out Cường độ chân 3.3 V Bộ nhớ Flash
SRAM EEPROM Tốc độ
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560
Hình 3.5. Giao diện của Arduino IDE
Ưu điểm của kit này là nhỏ gọn, nhiều cổng GPIO với nhiều chức năng khác nhau. Ngoài ra, ngôn ngữ lập trình của Arduino cũng rất thân thiện với người dung. Đa số người dung Arduino đều lập trình qua Arduino IDE.
45
Hình 3.6. Atmega2560 arduino pin mapping
46
3.2.2. Board Ramps 1.4
Hình 3.7. Ramps 1.4
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.
Ramps 1.4 sẽ điều khiển hoạt động của các máy in 3D, bao gồm:
• Điều khiển động cơ bước qua các driver (thường là A4988 hoặc DRV8825).
• Điều khiển gia nhiệt bàn nhiệt và đầu đùn. Dữ liệu sẽ được điều khiển qua các cảm