4.3.1. Thiết kế khung máy
Với độ dày để đánh Terminal 5-7 mm theo trục Z và chiều rộng, chiều dài tương ứng là 76 mm và 118 mm và đánh mạch điện trên tờ A4 thì ta chỉ cần dùng nhôm định hình tiêu chuẩn (20x40x50)x2 và (20x40x46)x2 để tạo ra không gian làm việc là (350, 350).
Khung máy là bộ phận quan trọng, chịu lực lớn nhất và đảm bảo độ chính xác của máy nên yêu cầu độ chính xác khi gia công cao. Yêu cầu phải đảm bảo về kích thước của các thanh nhôm, độ vuông góc khi lắp ghép. Các thanh nhôm định hình được cắt bằng máy cưa tay với dung sai 2 – 3mm, sau đó được đưa lên máy phay CNC để phay phẳng 2 đầu nhằm đảm bảo kích thước và độ phẳng. Các thanh nhôm được lắp ghép với nhau bằng bát ke góc nhôm và bu lông lục giác.
38
Hình 4.1: Bulong, ke góc, con trượt
Chân máy được lắp thêm 4 chân đế cao su nhằm làm giảm rung động khi máy hoạt động.
Hình 4.2: Nhôm profile
4.3.2. Thiết kế cụm trục Z
Lựa chọn kiểu lắp:
Có 3 kiểu lắp trục vít thường được sử dụng : fixed – fixed, fixed – support,fixed – free. 1. Kiểu fixed – fixed hai đầu vitme được cố định, với kiểu lắp này đạt độ cứng vững cao,
chịu được tải trọng cao giảm sự rung động của trục Z, tuy nhiên kết cấu phức tạp, khó lắp đặt.
39
Hình 4.3: Kiểu lắp vít me fixed – fixed
2. Kiểu fixed – support một đầu vít me được gắn ổ bi, kiểu lắp này có độ cứng vững thấp hơn so với kiểu fixed – fixed, khả năng chịu tải trung bình.
Hình 4.4: Kiểu lắp vít me fixed – support
3. Kiểu fixed – free một đầu vitme để tự do, kiểu lắp này có kết cấu đơn giản nhất, dễ lắp đặt, chịu tải trọng thấp tương đương với kiểu fixed – support, độ cứng vững thấp hơn kiểu fixed – fixed.
40
Hình 4.5: Kiểu lắp vít me fixed – free
Kết luận: Đối với kết cấu bàn in của máy do khoảng dịch chuyển nhỏ, tải trọng đặt trên
bàn máy nhỏ nên ta lựa chọn kiểu fixed – free để dễ lắp đặt.
41
4.3.3. Tính toán bộ truyền trục Z
Hình 4.7: Cụm trục Z 2D
1-Bút in nhãn 2-Đồ gá đầu bút 3-Trục vít 4-ổ lăn 5-Động cơ
Thông số đầu vào:
- Khối lượng bút in: 10 g.
- Tốc độ vòng trên trục: 𝑁𝑚𝑎𝑥 = 700 𝑣/𝑝ℎ. - Moment xoắn: 0.43 N.m
- Hệ số ma sát trơn bề mặt: 𝜇 = 0,1. - Khối lượng đồ gá đầu bút: 𝑀 = 300g.
1. Một số đặc điểm của bộ truyền
Ta thấy trong quá trình nâng bút, lực dọc trục Fa tác dụng lên bộ truyền này là tổng khối lượng của (1) + (2).
42
Đặc điểm của bộ truyền:
Hình 4.8: Bộ truyền vít me- đai ốc
➢ Ưu điểm:
- Cấu tạo đơn giản, chịu lực lớn, dịch chuyển chậm. - Kích thước nhỏ, gọn.
- Thực hiện được các dịch chuyển cần độ chính xác cao. - Điều khiển một cách dễ dàng.
➢ Nhược điểm:
- Hiệu suất thấp do ma sát trên ren. - Chóng mòn.
2. Chọn vật liệu trục vít và đai ốc
Ngoài yêu cầu về độ bền, vật liệu làm vít cần có độ bền mòn cao và dễ gia công.
− Vật liệu vít: Thép 45.
− Vật liệu đai ốc: Đồng. Ta có khối lượng các chi tiết là:
− Khối lượng trục vít - đai ốc: 280(g).
− Khối lượng đầu bút: 10 (g).
− Khối lượng đồ gá đầu bút: 300(g).
𝑚 = 280 + 10 + 300 = 590 (𝑔)
Lấy khối lượng trục vít và các chi tiết khác là 𝑚 = 600(𝑔).
Ta có lực dọc trục 𝐹𝑎 tác dụng lên bộ truyền trục vít là tổng khối lượng của đồ gá đầu bút và đầu bút in.
43
𝐹𝑎 = 𝑁 = 𝑚1. 𝑔 = 0,31.9,81 = 3,0411(𝑁)
Đường kính trung bình của ren trục vít
Theo điều kiện bền ta có :
𝑑2 ≥ √𝜋.𝜓𝐹𝑎
𝐻.𝜓ℎ[𝑞] (1) [20] Trong đó :
Fa - lực dọc trục , N;
𝜓𝐻 = 𝐻/𝑑2- hệ số chiều cao đai ốc với 𝐻 - chiều cao đai ốc. Đai ốc nguyên, chọn 𝜓𝐻 = 2,0.
𝜓ℎ = ℎ/𝑝- hệ số chiều cao ren, với h- chiều cao làm việc của ren, p- bước ren; ren hình thang, chọn 𝜓ℎ = 0,5.
[𝑞]- áp suất cho phép, phụ thuộc vật liệu vít và đai ốc. Ta có vật liệu vít-đai ốc là thép- đồng thanh, chọn [𝑞] = 10(𝑀𝑃𝑎). Theo (1):
𝑑2 ≥ √ 3,0411
𝜋. 2,0.0,5.10 = 0,311
Chọn đường kính trung bình 𝑑2 = 7(𝑚𝑚) đường kính ngoài 𝑑 = 8(𝑚𝑚), đường kính trong 𝑑1 = 6(𝑚𝑚), bước ren 𝑝 = 2(𝑚𝑚).
3. Chọn các thông số của vít và đai ốc
− Theo công dụng của bộ truyền và yêu cầu về tự hãm, chọn số đầu mối ren 𝑧ℎ: Trường hợp cần đảm bảo tính tự hãm, chọn số mối ren 𝑧ℎ = 1, trái lại nếu yêu cầu vít thực hiện hành trình lớn hơn sau một vòng quay thì chọn ren nhiều đầu mối (𝑧ℎ > 1).
Chọn 𝑧ℎ = 4. Ta có bước vít: 𝑝ℎ = 𝑧ℎ. 𝑝 = 4.2 = 8(𝑚𝑚).
và góc vít: 𝛾 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 [ 𝑝ℎ
(𝜋𝑑2)] = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 [ 8
(𝜋.7)] = 200 (2) [20].
Sau khi xác định được góc vít ta kiểm tra điều kiện tự hãm: 𝜌 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔( 𝑓
𝑐𝑜𝑠𝛿) (3) [20]. Trong đó 𝛿- góc nghiêng của cạnh ren làm việc; ren hình thang, chọn 𝛿 = 150 .
𝑓- hệ số ma sát, phụ thuộc vào cặp vật liệu của vít và đai ốc, với thép – đồng thanh không thiếc, f= 0,4.
44 Theo (3): 𝜌 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 ( 0,4
𝑐𝑜𝑠150) = 22,50
𝛾 < 𝜌
− Xác định chiều cao đai ốc và số vòng ren
Từ 𝑑2 và hệ số chiều cao 𝜓𝐻 tính được chiều cao đai ốc: 𝐻 = 𝜓𝐻. 𝑑2 = 2.7 = 14(𝑚𝑚)
(4)
Chọn 𝐻 = 15(𝑚𝑚).
Số vòng ren của đai ốc: 𝑧 = 𝐻
𝑝 =15
2 = 7 ≤ 𝑧𝑚𝑎𝑥 = 10 … 12 (5)
Để tránh làm tăng sự phân bố không đều tải trọng dọc trục cho các vòng ren.
4. Tính kiểm nghiệm về độ bền
Kiểm tra độ bền theo ứng suất tương đương
𝜎𝑡đ = √𝜎2+ 3𝜏2 = √(𝜋𝑑4𝐹𝑎 12
)2+ 3( 𝑇
0,2𝑑13)2 ≤ [𝜎] (6) [20] Trong đó:
𝐹𝑎, 𝑇 – tương ứng là lực dọc trục, N và momen xoắn trên tiết diện nguy hiểm của vít; Ta có momen xoắn trên tiết diện nguy hiểm của vít bằng momen xoắn trên trục đầu ra của hộp giảm tốc.
T = Tr + Tg = 0,0095 + 0,0065 = 0,016 N.m (7) [20].
Tr =Fatg(𝛾 + 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔(𝑓))x d2/2 = 3,0411tg( 20 + arctf(0,4))x 0,007/2 = 0,0095 [20]. Tg = (f.Fa.D0)/3 = (0,4x3,0411x0,016)/3 = 0,0065 [20].
[𝜎]- ứng suất cho phép (kéo hoặc nén), MPa; với 𝜎𝑐ℎ- giới hạn chảy của vật liệu vít;
𝜎𝑐ℎ = 120(𝑀𝑃𝑎) [20].
[𝜎] = 𝜎𝑐ℎ
3 =120
3 = 40(𝑀𝑃𝑎) (8) [20].
𝑑1- đường kính trong của ren vít, mm.
𝜎𝑡đ = √(4.3,0411𝜋.62 )2+ 3(0,016
0,2.63)2 = 0,107 ≤ [𝜎] (9) [20].
45 Thông số động cơ: STT Thông số Số liệu 1 Direction CW/CCW 2 Điện áp 2.6 VDC 3 Moment xoắn 0.43 Nm 4 Dòng điện 1.7A 5 Alpha 1.8o 6 Kích thước 42x42x40 mm
7 Vật liệu Kim loại
8 Khối lượng 0.28 kg
4.3.4. Thiết kế cụm trục X,Y
Kết cấu truyền động cho 2 trục XY mà Nhóm lựa chọn cho đồ án là truyền động CoreXY. Kết cấu truyền động này thực chất là một biến thể của truyền động theo tọa độ Dercasrte, tuy nhiên sẽ phối hợp đồng thời chuyển động theo 2 phương để xác định vị trí của điểm trong tọa độ. Đây là một ưu điểm cũng là một nhược điểm của cơ cấu này.
Ưu điểm đó chính là do có 2 động cơ cùng phối hợp chuyển động cần cung cấp một moment lớn, như vậy có thể hỗ trợ cho cụm trục có khối lượng lớn hoặc cũng có thể sử dụng đồng thời 2 động cơ có momen nhỏ hơn vẫn truyền động được cho cụm trục này.
Tuy nhiên một nhược điểm có thể gây ra đó chính là khả năng gây ra sai số, và hiện tượng nhiễu khi cấp xung cho động cơ. Do cùng một lúc 2 động cơ cùng hoạt động nên sẽ dễ gây ra hiện tượng sai số tích lũy của 2 động cơ, có thể ảnh hưởng đến quá trình vận hành. Đối với dạng truyền động này ưu điểm lớn nhất chính là tốc độ. Thường đối với một số dòng máy in 3D như Prusa, Mendel động cơ là bộ phận cung cấp năng lượng truyền chuyển động thường đặt trên bộ phận di chuyển làm cho khối lượng của các bộ phận di chuyển tăng lên khiến cho quán tính lớn nên tốc độ in giảm đi.
46
Ở kết cấu này, các bộ phận di động có kết cấu nhỏ, nhẹ nên giảm được lực quán tính nên có thể in với tốc độ cao hơn.
Một ưu điểm nữa của cơ cấu CoreXY là sự đơn giản trong thiết kế cơ cấu. Cơ cấu này có thế lắp đặt khá đơn giản với chỉ các tấm đỡ và các cụm bạc đạn dùng để dẫn hướng cho đai. Chi phí lắp đặt thấp, vật liệu sử dụng để gia công các chi tiết khá linh hoạt, có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau.
Đối với cơ cấu này khi 2 động cơ quay cùng chiều với nhau sẽ tạo thành chuyển động theo trục X, khi 2 động cơ quay ngươc chiều nhau sẽ tạo thành chuyển động theo trục Y.
Hình 4.9: Cụm trục XY
Cụm trục XY đảm nhiệm hầu hết chuyển động khi in nên yêu cầu đối với cụm trục này là:
- Đảm bảo độ vuông góc giữa 2 trục X và Y.
- Các chi tiết đỡ đảm bảo độ phẳng hai thanh trượt đảm bảo lắp song song với nhau. Đối với truyền động trục XY ta lựa chọn bộ truyền đai răng do kết cấu bộ truyền đơn giản, hoạt động êm, có tính giảm chấn, dễ thay thế.
Sẽ lựa chọn loại đai được thiết kế riêng cho truyền động tuyến tính là đai GT2. Đai GT2 và bulley được thiết kế và chế tạo đồng bộ dành riêng cho truyền động tuyến tính và được sử dụng hầu hết trong các máy CNC In 3D . Do đó hạn chế được hiện tượng rung lắc, đảm
47
bảo chất lượng truyền động. Ngoài đai GT2 có thể sử dụng đai GT3 tuy nhiên loại đai này khó tìm trên thị trường Việt Nam.
Chiều rộng đai: B= 5mm
Hình 4.10: Đai GT2 và bulley
Thống số bộ truyền đai răng:
Số thứ tự Thông số Số Liệu
1 Loại dây đai GT2
2 Chiều dài đai 1000 mm
3 Bước răng đai 2 mm
4 Bề rộng đai 5,8 mm
4.3.5. Tính toán và chọn động cơ cho trục Y
Tải trọng tác động lên toàn bộ trục Y là toàn bộ khối lượng cụm trục Z bao gồm khối : đồ gá trục Z, động cơ trục Z, khối lượng bộ truyền vít me-đai ốc…
- Khối lượng Trục Z: 1,5 Kg . Do đó, my = 1,5 kg - Vận tốc cần đáp ứng trục Y: vy = 0.015 m/s Đường kính bulley d = 12 mm suy ra r = 6 mm
Bỏ qua ma sát lăn giữa con lăn và bề mặt nhôm vì quá nhỏ. Trong đó:
48
- Tổng lực tác dụng gồm có lực tác dụng của đầu bút lên bề mặt vật liệu mà máy đánh lên gọi là Fms với trọng lực Py tác dụng lên trục.
- Hệ số ma sát là 0,08; lực viết của đầu bút lên bề mặt tương đương 3 (N) Fms = 0,08.3 = 0,24 (N)
- Trọng lực Py = my.g = 15.10 = 15 (N)
- Tổng lực tác dụng lên trục Fy = Py + Fms = my.g + Fms = 1,5.10 + 0,24 = 15,24 (N)
→ Moment tối thiểu mà động cơ cần cung cấp cho trục Y là:
My = Fy.r = 15,24.0,006 = 0.09144 (N.m) (10) - Công suất làm việc trên trục:
Plvy = Fy.vy=15,24.0,015= 0,2286 (W) (11) - Công suất trên động cơ trục X:
Pcty = Plvy / η = 0,2286/0,96 = 0,238 (W) (12) Với ηđ = 0,96: Hiệu suất bộ truyền đai.
→ Ta chọn động cơ step 42 17HS4401S có moment xoắn 0.43 > My = 0,09144 (N.m)
STT Thông số Số liệu 1 Direction CW/CCW 2 Điện áp 2.6 VDC 3 Moment xoắn 0.43 Nm 4 Dòng điện 1.7A 5 Alpha 1.8o 6 Kích thước 42x42x40 mm
7 Vật liệu Kim loại
49
4.3.6. Tính toán và chọn động cơ cho trục X
Tải trọng tác động lên toàn bộ trục X bao gồm khối lượng thanh nhôm định hình theo trục Y và cụm trục Z.
Ta có khối lượng thanh nhôm định hình (20,40) dài 420 mm là 1,5 kg. Khối lượng cụm trục Z là 1,5 kg
mx = 1,5 + 1,5 = 3 kg
- Vận tốc cần đáp ứng trục X: vx = 0.015 m/s Bán kính bulley r = 6 mm
Bỏ qua ma sát lăn giữa con lăn và bề mặt nhôm vì quá nhỏ.
- Tổng lực tác dụng gồm có lực tác dụng của đầu bút lên bề mặt vật liệu mà máy đánh lên gọi là Fms với trọng lực Px tác dụng lên trục.
- Hệ số ma sát là 0,08; lực viết của đầu bút lên bề mặt tương đương 3 (N) Fms = 0,08.3 = 0,24 (N)
- Trọng lực Px = mx.g = 3.10 = 30 (N)
- Tổng lực tác dụng lên trục Fx = Px + Fms = mx.g + Fms = 3.10 + 0,24 = 30,24 (N)
→ Moment tối thiểu mà động cơ cần cung cấp cho trục X là:
Mx = Fx.r = 30,24.0,006 = 0,1814 (N.m) (10) - Công suất làm việc trên trục:
Plvx = Fx.vx=30,24.0,015= 0,4536 (W) (11) - Công suất trên động cơ trục X:
Pctx = Plvx / η = 0,4536/0,96 = 0,4725 (W) (12) Với ηđ = 0,96: Hiệu suất bộ truyền đai.
→ Ta chọn động cơ step 42 17HS4401S giống trục Y có moment xoắn 0.43 > My =
0,1814 (N.m)
4.4. Thiết kế phần điện 4.4.1. Thiết kế tủ điện 4.4.1. Thiết kế tủ điện
Với thiết kế như bản vẽ, có kích thước tương xứng với khung máy giúp cho máy đạt được độ thẩm mỹ cao.
50
Để đảm bảo cho tủ điện hoạt động đạt độ bền cao và thuận tiện cho quá trình vận hành thì tủ điện được thiế kế có quạt thông gió và các nút cơ bản để thể hiện trạng thái hoạt động.
Hình 4.11: Tủ điện
4.4.2. Thiết kế mạch điều khiển
51
4.5. Các chi tiết, thiết bị khác 4.5.1. Các chi tiết gia công 4.5.1. Các chi tiết gia công
52
4.5.2 Các chi tiết có sẵn
Số thứ tự Tên chi tiết Số lượng
1 Đèn báo đang hoạt động và đèn báo sự cố khẩn cấp.
2
2 CB bảo vệ hệ thống 1
3 Nguồn tổ ong: 24V,10A 1
4 Driver DM542 3 5 Động cơ step 17HS4401S 3 6 Board mach3 1 7 Nút nhấn 3 8 Ke góc 4 9 Công tác hành trình 6 10 Nhôm định hình (20,40) 2x360mm 11 Nhôm định hình (20,40) 2x400mm 12 Dây đai GT2 2x1000mm
13 Bulley D=12mm, bước răng 2mm 4 14 Bộ trượt dẫn hướng V-slot 3 15 Trục Ti truyền động d = 8mm 1
16 ổ lăn d = 8mm, D = 16mm 2
53
CHƯƠNG 5: LẮP ĐẶT VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐÁNH NHÃN 5.1 Lắp đặt tủ điện
Để đảm bảo tính thẩm mỹ và thuận tiện khi giám sát thì tủ điện được lắp đặt một cách ngọn ngàng. Tối ưu hóa đường dây điện đấu nối và các đầu dây được kí hiệu riêng biệt, đó là quá trình quan trọng góp phần giúp cho việc bảo trì, thay thế các chi tiết sau này được chính xã và thuận tiện.
Hình 5.1: Tủ điện đã hoàn thành
5.2. Lắp đặt máy
Sau khi gia công các chi tiết theo thiết kế thì việc còn lại ta lắp đặt máy. Việc lắp đặt cần đảm bảo độ vuông khóc của khung máy, độ vuông góc ảnh hướng rất lớn độ chính xác khi máy hoạt động. Việc lắp đặt máy cần thực hiện một cách cẩn thận và đúng quy trình tránh việc lắp thiếu, lắp dư .
54
5.3. Sơ đồ khối điều khiển
Hình 5.3 : Sơ đồ khối của hệ thống
Máy tính (PC)
Tính toán dữ liệu
Mạch công suất
Điều khiển các động cơ bước
Mạch giao tiếp (board Mach3)
Nhận dữ liệu từ máy tính và điều khiển mạch công suất
55
5.4. Quy trình vận hành hệ thống
Quy trình vận hành gồm 5 bước cơ bản:
B1: Thiết kế file in bằng phần mềm Autocad hoặc trực tiếp bằng Mastercam. B2: Dùng phần mềm trung gian Mastercam lập trình cho biên dạng file Cad.