CHƯƠNG II : TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ
2.3 Thiết kế máy phay CNC trên phần mềm Autodesk Inventor
2.3.5 Thiết kế chân bàn máy phay CNC
Hình 2.41 Chân bàn cho máy
Để dễ dàng thao tác máy trong quá trình sử dụng ta thiết kế chân bàn cho máy với kích thước 670mmx1000mmx590mm.
Phân tích lực chân bàn máy:
Bên cạnh việc thiết kế ta vẫn phải đảm bảo tải trọng cho chân máy nên việc tính tốn là vơ cùng cần thiết. Vì vậy, em sử dụng môi trường Frame Analysis của Inventor để phân tích độ chịu tải của khung.
Đặt lực và tính tốn:
Với g = 9.8 𝑚/𝑠2 (Gia tốc trọng trường)
Lực phân bố đều thanh ngang:
700 . 1,373 / 510 F F q L q N mm L (2.242) Lực phân bố đều tháng dọc: 700 . 0, 7 / 1000 F F q L q N mm L (2.243) Trong đó: F: là lực tập trung.
SVTH: Đặng Hoài Bảo 68 L: là chiều dài thanh.
q: là lực phân bố đều.
Hình 2.42 Đặt lực lên thanh ngang
SVTH: Đặng Hồi Bảo 69
Kết quả chuyển vị:
Hình 2.44 Kết quả phân tích chuyển vị
Kết quả ứng suất:
SVTH: Đặng Hoài Bảo 70 Bảng 2.4 Tính chất vật lý khung thép Mass 23,999 kg Area 35795,983mm2 Volume 6190,646 3 mm Center of Gravity X = -3,556 mm Y = -66,656 mm Z = 90,971 mm Bảng 2.5 Thông số thép 40x80
Name Steel, Mild
General
Mass Density 7,850 g cm/ 3 Yield Strength 207,000 MPa Ultimate Tensile Strength 345,000 MPa
Stress Young's Modulus 220,000 GPa
Poisson's Ratio 0,275 ul
Kết luận: Dựa vào kết quả chuyển vị ở (hình 2.44) ta thấy chuyển vị ở nơi lớn nhất
là 0,25mm. Ứng suất tính tốn lớn nhất ở (hình 2.45) là 15,81Mpa nhỏ hơn ứng suất cho phép ở (bảng 2.5) là 207 Mpa, từ đó suy ra kết cấu đảm bảo điều kiện tải trọng.
2.3.6 Thiết kế mơ hình hồn chỉnh cho máy
Mơ hình 3D hồn chỉnh của máy được thiết kế như (hình 2.46 và hình 2.47):
SVTH: Đặng Hồi Bảo 71
Hình 2.47 Tổng thể mơ hình máy phay CNC 3 trục
2.4 Thiết kế điện điều khiển
2.4.1 Giới thiệu về phần mềm Mach3
Mach3 là phần mềm của hãng ArtSoft, ban đầu được thiết kế dành cho những người chế tạo máy cnc tại nhà theo sở thích nhưng đã nhanh chóng trở thành phần mềm điều khiển linh hoạt trong công nghiệp [12].
Dưới đây là một vài các chức năng và đặc điểm cơ bản được cung cấp bởi Mach3: Biến một máy tính cá nhân thành một bộ điều khiển máy CNC với đầy đủ các
tính năng.
Hiển thị G-code trực quan.
Giao diện có thể tùy biến hồn tồn theo ý thích người sử dụng. Điều khiển được tốc độ trục chính (Spindle).
Điều khiển được nhiều rơle đóng-cắt.
Có khả năng tạo ra xung điều khiển tốc độ động cơ bằng tay. Hiển thị video khi máy chạy.
SVTH: Đặng Hồi Bảo 72
Hình 2.48 Phần mềm Mach3
Mach3 đã thành công trong việc sử dụng để điều khiển các loại thiết bị sau: Máy tiện
Máy phay Máy laser Máy cắt plasma
Hình 2.49 Giao diện phần mềm Mach3
Giới thiệu mạch Mach3 USB V2
Mạch MACH3 USB V2 sử dụng được với phần mềm Mach3 trên máy tính thơng qua giao tiếp USB với chỉ một vài bước thiết lập đơn giản.
SVTH: Đặng Hồi Bảo 73
Hình 2.50 Mạch Mach3 USB V2
Mạch MACH3 USB V2 có khả năng điều khiển 5 động cơ bước cùng lúc qua các ngõ cấp xung-chiều X, Y, Z, A, B, mạch cịn có khả năng nhận các ngõ vào tín hiệu IN1, IN2, IN3, IN4, IN5 và xuất tín hiệu qua các ngõ ra OUT1, OUT2, OUT3, OUT4, các ngõ tín hiệu vào ra này điều được cách ly qua Opto và IC đệm nên rất an toàn cho board mạch, ngoài ra mạch cịn có ngõ ra xuất xung PWM để điều khiển tốc độ Spindle.
Mạch MACH3 USB V2 có giao tiếp USB rất dễ sử dụng với các máy tính hiện nay vì hầu hết khơng có cổng LPT, mạch kết nối với máy tính qua cổng USB, khơng cần cài Driver (Driver viết lớp HID).
Thông số kỹ thuật:
Giao tiếp với máy tính qua cổng USB. Nguồn sử dụng: 5VDC USB.
Tần số xung tối đa: 100Khz.
Điều khiển 5 động cơ bước qua các trục X, Y, Z, A, B. Số ngõ vào: 5 ngõ IN1, IN2 IN3, IN4, IN5 cách ly Opto. Số ngõ ra: 4 ngõ OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 cách ly IC đệm. Có ngõ ra xuất xung PWM điều khiển tốc độ Spindle.
SVTH: Đặng Hồi Bảo 74
Hình 2.51 Sơ đồ kết nối chân mạch Mach3 USB V2
2.4.2 Giới thiệu biến tần
Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được [13].
Hình 2.52 Một số loại biến tần
Nói cách khác: Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ và thơng qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vơ
SVTH: Đặng Hồi Bảo 75 cấp, khơng cần dùng đến các hộp số cơ khí. Biến tần sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự dòng điện đặt vào các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay động cơ.
Có nhiều loại biến tần như: Biến tần AC, biến tần DC; biến tần 1 pha 220V, biến tần 3 pha 220V, biến tần 3 pha 380V, biến tần 3 pha 660V, biến tần trung thế... Bên cạnh các dòng biến tần đa năng, các hãng cũng sản xuất các dòng biến tần chuyên dụng: biến tần chuyên dùng cho bơm, quạt; biến tần chuyên dùng cho nâng hạ, cẩu trục; biến tần chuyên dùng cho thang máy; biến tần chuyên dùng cho hệ thống HVAC;...
Tại sao phải sử dụng Biến tần?
Hình 2.53 Cơng thức về tốc độ động cơ xoay chiều
Từ công thức trên chúng ta thấy để thay đổi được tốc độ động cơ có 3 phương pháp: 1. Thay đổi số cực động cơ P.
2. Thay đổi hệ số trượt s.
3. Thay đổi tần số f của điện áp đầu vào.
Trong đó 2 phương pháp đầu khó thực hiện và khơng mang lại hiệu quả cao. Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số là phương pháp hiệu quả nhất. Biến tần là thiết bị dùng để thay đổi tần số của nguồn cung cấp đặt lên động cơ qua đó thay đổi tốc độ động cơ.
Biến tần có thể thay đổi tần số từ 0Hz đến 400Hz (một số dòng biến tần điều chỉnh tới 590Hz hoặc cao hơn). Chính vì vậy có thể làm cho động cơ chạy nhanh hơn bình thường so với chạy tần số 50Hz. Đối với các động cơ phổ thông thường cài đặt biến tần cho phép điều chỉnh tần số từ 0Hz - 60Hz.
Cấu tạo biến tần
Bên trong biến tần là các bộ phận có chức năng nhận điện áp đầu vào có tần số cố định để biến đổi thành điện áp có tần số thay đổi để điều khiển tốc độ động cơ.
SVTH: Đặng Hoài Bảo 76 Các bộ phận chính của biến tần bao gồm bộ chỉnh lưu, bộ lọc, bộ nghịch lưu IGBT, mạch điều khiển. Ngoài ra biến tần được tích hợp thêm một số bộ phận khác như: bộ điện kháng xoay chiều, bộ điện kháng 1 chiều, điện trở hãm (điện trở xả), bàn phím, màn hình hiển thị, module truyền thơng,...
Hình 2.54 Sơ đồ mạch điện của biến tần
Nguyên lý hoạt động của Biến tần
Đầu tiên, nguồn điện 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Điện đầu vào có thể là một pha hoặc 3 pha, nhưng nó sẽ ở mức điện áp và tần số cố định (ví dụ 380V 50Hz)
Điện áp 1 chiều ở trên sẽ được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Mới đầu, điện áp một chiều được tạo ra sẽ được lưu trữ trong giàn tụ điện. Tiếp theo, thơng qua q trình tự kích hoạt thích hợp, bộ biến đổi IGBT (viết tắt của tranzito lưỡng cực có cổng cách điện hoạt động giống như một công tắc bật và tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của biến tần) sẽ tạo ra một điện áp xoay chiều 3 pha bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.
Hình 2.55 Biến đổi điện áp tần số qua biến tần
Lợi ích của việc sử dụng Biến tần
SVTH: Đặng Hồi Bảo 77 Giảm dịng khởi động so với phương pháp khởi động trực tiếp, khởi động sao-
tam giác nên không gây ra sụt áp hoặc khó khởi động.
Q trình khởi động thơng qua biến tần từ tốc độ thấp giúp cho động cơ mang tải lớn không phải khởi động đột ngột, tránh hư hỏng phần cơ khí, ổ trục, tăng tuổi thọ động cơ.
Sử dụng biến tần giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể so với phương pháp chạy động cơ trực tiếp.
Biến tần thường có hệ thống điện tử bảo vệ q dịng, bảo vệ quá áp và thấp áp, tạo ra một hệ thống an toàn khi vận hành.
Nhờ nguyên lý làm việc chuyển đổi nghịch lưu qua diode và tụ điện nên công suất phản kháng từ động cơ rất thấp, do đó giảm được dịng đáng kể trong q trình hoạt động, giảm chi phí trong lắp đặt tụ bù, giảm thiểu hao hụt điện năng trên đường dây.
Biến tần được tích hợp các module truyền thông giúp cho việc điều khiển và giám sát từ trung tâm rất dễ dàng.
Ứng dụng Biến tần
Hình 2.56 Ứng dụng biến tần
Do ưu điểm vượt trội nên biến tần được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp và dân dụng, đặc biệt là trong công nghiệp. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến không thể thiếu biến tần: Bơm nước, quạt hút/đẩy, máy nén khí, băng tải, thiết bị nâng
SVTH: Đặng Hoài Bảo 78 hạ, máy cán kéo, máy ép phun, máy cuốn/nhả, thang máy, hệ thống HVAC, máy trộn, máy quay ly tâm và đặc biệt được ứng dụng nhiều trong điều khiển động cơ trục chính của các máy CNC giúp cải thiện khả năng điều khiển của các hộp số, thay thế cho việc sử dụng cơ cấu điều khiển vô cấp truyền thống trong máy công tác,...
Hướng dẫn chọn Biến tần
Lựa chọn biến tần đúng theo yêu cầu sử dụng là rất quan trọng vì nếu chọn sai biến tần sẽ báo lỗi thậm chí cháy biến tần. Nếu chọn biến tần cao sẽ gây lãng phí.
Chọn biến tần cần phải căn cứ vào các yếu tố sau:
Thông số động cơ
Động cơ 3 pha thường có các loại 127/220V, 220/380V, 380/660V. Trong đó thơng dụng nhất là động cơ 3 pha 220/380V.
Động cơ 3 pha 127/220V đấu sao để sử dụng nguồn 3 pha 220V có thể dùng 2 loại biến tần. Nếu có nguồn vào 3 pha 220V thì chọn biến tần vào 3 pha 220V ra 3 pha 220V. Nếu chỉ có nguồn 1 pha thì chọn biến tần vào 1 pha 220V ra 3 pha 220V (biến tần loại này chỉ có cơng suất nhỏ tới vài kW).
Động cơ 3 pha 220/380V đấu tam giác để sử dụng nguồn 3 pha 220V có thể dùng 2 loại biến tần như trên.
Động cơ 3 pha 220/380V đấu sao để sử dụng nguồn 3 pha 380V dùng biến tần vào 3 pha 380V ra 3 pha 380V.
Động cơ 3 pha 380/660V đấu tam giác để sử dụng nguồn 3 pha 380V dùng biến tần vào 3 pha 380V ra 3 pha 380V.
Loại tải
Căn cứ vào đặc tính momen của mỗi loại ứng dụng (loại máy) người ta chia ra 3 loại tải của biến tần là tải nhẹ, tải trung bình và tải nặng.
Tải nhẹ: các ứng dụng như bơm, quạt chọn dịng biến tần tải nhẹ. Ví dụ biến tần LS là dòng IP5A, H100, biến tần Fuji là dịng eHVAC.
Tải trung bình: các ứng dụng như máy cơng cụ, máy ly tâm, băng tải, bơm áp lực,... chọn dịng biến tần tải trung bình. Ví dụ biến tần Fuji là dịng Ace, biến tần INVT là dịng GD20.
SVTH: Đặng Hồi Bảo 79 Tải nặng: các ứng dụng như cẩu trục, nâng hạ, máy nén, máy ép,... chọn dòng biến tần tải nặng. Ví dụ biến tần Fuji là dòng Mega, biến tần Mitsubishi là dòng A800.
Lưu ý: biến tần tải nặng hơn dùng tốt cho tải thấp hơn cùng công suất nhưng sẽ
gây lãng phí vì giá cao hơn. Trong khi biến tần loại tải nhẹ hơn thì khơng thể dùng được cho loại tải nặng hơn cùng cơng suất. Trong một số trường hợp có thể chọn biến tần loại tải nhẹ hơn có cấp cơng suất cao hơn để dùng cho tải nặng hơn.
Đặc điểm vận hành
Chế độ vận hành cũng quyết định rất quan trọng tới việc lựa chọn biến tần. Chế độ vận hành ngắn hạn: biến tần điều khiển động cơ tăng tốc, giảm tốc, chạy, dừng, đảo chiều quay liên tục địi hỏi biến tần có khả năng chịu quá tải cao, có thể phải lắp thêm điện trở xả để bảo vệ biến tần không bị cháy.
Chế độ vận hành dài hạn: động cơ thường đạt tốc độ ổn định trong thời gian tương đối dài sau khi khởi động như quạt, bơm, băng tải,...
Dòng biến tần chuyên dụng
Nhiều hãng chế tạo các dòng biến tần chuyên dụng chỉ dùng cho 1 loại ứng dụng như quạt, máy làm nhang, thang máy,... Loại biến tần này có đặc điểm là tối ưu về tính năng và giá thành so với sử dụng biến tần đa năng.
Chọn hãng sản xuất
Yếu tố này liên quan đến chi phí đầu tư. Trên thị trường có nhiều hãng sản xuất biến tần. Hầu như các hãng đều có đủ loại biến tần đáp ứng được các yêu cầu sử dụng thực tế trong công nghiệp. Khác nhau ở yếu tố chất lượng (như độ ổn định, độ bền, hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt) do công nghệ sản xuất và khác nhau ở xuất xứ, thương hiệu làm cho giá thành cũng chênh lệch đáng kể.
Phân khúc biến tần giá thấp có thể kể đến như: INVT, Delta,... Phân khúc biến tần giá trung bình: LS, Fuji,...
Phân khúc biến tần giá cao: Mitsubishi, ABB, Schneider, Siemens,...
Dựa vào các yếu tố trên em lựa chọn loại biến tần Delta VFD-M 1.5KW dùng để điều khiển động cơ trục chính.
SVTH: Đặng Hồi Bảo 80 Biến tần Delta VFD-M là dòng biến tần điều khiển Sensorless Vector . Thiết kế nhỏ gọn rất lý tưởng cho các ứng dụng công suất vừa và nhỏ. Công nghệ tiến tiến giúp giảm tiếng ồn và giảm nhiễu cực tốt.
Thông số kỹ thuật biến tần Delta VFD-M
Tần số ngõ ra từ 0.1 – 400 Hz.
Điều chỉnh đường cong V/F và điều khiển vector. Tần số sóng mang có thể lên đến 15 khz.
Tự động tăng mô men xoắn và bù trượt. Tích hợp điều khiển vịng kín PID.
Truyền thông Modbus tốc độ lên tới 38400 Bps.
Hỗ trợ các module truyền thông ( DN-02, LN -01, PD-01 ). Tích hợp sẵn bộ hãm braking unit để lắp điện trở xả.
Hình 2.57 Biến tần Delta VFD-M 1.5KW
2.4.3 Driver điều khiển động cơ bước
Để điều khiển được động cơ bước ta cần có driver điều khiển động cơ. Do sử dụng động cơ bước size 57 (NEMA 23) của hãng Leadshine nên hãng khuyên dùng driver DM542 trở lên.
SVTH: Đặng Hoài Bảo 81
Giới thiệu driver DM542
Driver điều khiển động cơ bước Leadshine DM542 là hàng chính hãng Leadshine được sử dụng để điều khiển động cơ bước 2 phase và 4 Phase, Driver có chất lượng tốt, độ bền và độ ổn định cao, là loại thường được sử dụng nhất trong máy Cắt Laser, máy CNC cỡ trung hiện nay [15].
Hình 2.58 Driver DM542
Thơng số kỹ thuật:
Điện áp sử dụng: 20 ~ 50VDC. Dòng điện ngõ ra tối đa: Max 4.2A.
Các tùy chỉnh vi bước: 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32, 1/64, 1/128; or 1/5, 1/10, 1/20, 1/25, 1/40, 1/50, 1/100, 1/125
Các tùy chỉnh dòng điện: 1.0A, 1.46A, 1.91A, 2.37A, 2.84A, 3.31A, 3.76A, 4.20A
Giảm độ nóng motor bằng cơng nghệ implementation of 3-state current control. Xung điều khiển: PULSE/DIRECTION & CW/CCW
Tích hợp cơng nghệ tự động căn chỉnh phù hợp với động cơ.