Ta tiến hành nhập các thơng số vào cơng cụ tính tốn (hình 2.29):
Sau khi ta nhập đầy đủ các thông số ta chọn Calculate trên công cụ ta được kết quả như sau (hình 2.30):
Chúng ta cần quan tâm hai thông số là tốc độ quay và moment động cơ để chọn động cơ (hình 2.30):
Ta cần chọn động cơ tạo ra moment lớn hơn 0.28N.m tại 1048 vịng/phút (hình 2.30).
Từ biểu đồ moment (hình 2.26) em chọn động cơ của Leadshine với mã số 57CM23.
Chúng ta cần kiểm tra tính hợp lệ của động cơ bằng cách kiểm tra giá trị quán tính, bằng cách tính moment xoắn cần thiết với quán tính của động cơ như sau:
SVTH: Đặng Hồi Bảo 57
Hình 2.30 Kết quả tính tốn động cơ trục X
Nhập: J0 480gcm3 0, 48kgcm3 với J0: là qn tính rotor của động cơ (hình 2.31).
Hình 2.31 Kiểm tra giá trị qn tính trục X
Từ (hình 2.31) ta phải chọn động cơ có moment xoắn lớn hơn 0,33N.m tại 1048 vịng/phút. Vì động cơ 57CM23 tạo ra moment xoắn 0,9N.m tại 1048 vòng/phút nên động cơ đảm bảo điều kiện làm việc.
SVTH: Đặng Hồi Bảo 58
2.2.6.3 Tính tốn, lựa chọn động cơ bước trục Y.
Với các thông số đầu vào của trục Y như sau:
Tổng khối lượng của bàn và bàn làm việc: w = 23 kgf Đường kính vít me bi: D = 25mm = 2.5cm
Tổng chiều dài vít me: L = 771mm = 77,1cm Bước vít me: P = 10mm = 1cm
Chiều dài di chuyển: l= 689mm = 68,9cm Thời gian định vị: t0 3s
Thời gian tăng giảm tốc: t1 0.2s Ngoại lực 𝐹𝑒 = 0 kgf
Độ phân giải bộ mã hóa: 6400 ppr
Hình 2.32 Tính tốn động cơ trục Y
Góc lắp đặt: α= 0° Tỉ số truyền: R=1
SVTH: Đặng Hoài Bảo 59 Hệ số an toàn: S = 2
Ta tiến hành nhập các thông số vào cơng cụ tính tốn (hình 2.32):
Sau khi ta nhập đầy đủ các thông số ta chọn Calculate trên cơng cụ ta được kết quả như sau (hình 2.33):
Chúng ta cần quan tâm hai thông số là tốc độ quay và moment động cơ để chọn động cơ (hình 2.33):
Ta cần chọn động cơ tạo ra moment lớn hơn 0.6N.m tại 1476 vịng/phút (hình 2.33).
Từ biểu đồ moment (hình 2.26) em chọn động cơ của Leadshine với mã số 57CM23.
Hình 2.33 Kết quả tính tốn trục Y
Chúng ta cần kiểm tra tính hợp lệ của động cơ bằng cách kiểm tra giá trị quán tính, bằng cách tính mơ men xoắn cần thiết với qn tính của động cơ như sau: Nhập: J0 480gcm3 0, 48kgcm3 với J0: là qn tính rotor của động cơ (hình 2.33).
Từ (hình 2.34) ta phải chọn động cơ có moment xoắn lớn hơn 0,67N.m tại 1476 vịng/phút. Vì động cơ 57CM23 tạo ra moment xoắn 0,7N.m tại 1480 vòng/phút nên động cơ đảm bảo điều kiện làm việc.
SVTH: Đặng Hoài Bảo 60
Hình 2.34 Kiểm tra giá trị qn tính trục Y
2.3 Thiết kế máy phay CNC trên phần mềm Autodesk Inventor 2.3.1 Giới thiệu phần mềm Autodesk Inventor 2.3.1 Giới thiệu phần mềm Autodesk Inventor
Autodesk Inventor được phát triển bởi công ty Autodesk USA. Inventor được sử dụng để thiết kế mơ hình 3D, thiết kế các sản phẩm cơ khí.
Phần mềm có giao diện trực quan, thuận tiện cho người dùng trong quá trình sử dụng.
Hình 2.35 Phần mềm Autodesk Inventor
Những tính năng nổi bật của phần mềm Inventor:
SVTH: Đặng Hồi Bảo 61 Cho phép chuyển từ vẽ 2D sang mơ hình 3D.
Mô phỏng một cách trực quan và sinh động các quá trình tháo lắp các chi tiết từ bản vẽ hoàn chỉnh.
Cho phép tạo nguyên mẫu kỹ thuật số, các mẫu được tạo ra từ bản vẽ 2D. AutoCAD được tích hợp và các dữ liệu 3D, hình thành nên sản phẩm ảo. Thiết kế nhanh và chuẩn xác các sản phẩm từ chi tiết kim loại đến các loại đường
ống phức tạp.
Lập trình cho máy phay, tiện cũng như cắt biên dạng 2D.
Ứng dụng của phần mềm Inventor:
Autodesk Inventor có nhiều tính năng nổi bật nên được ứng dụng rộng rãi trong thi công thiết kế các chi tiết sản phẩm cơ khí, mơ hình 3D, phân tích các chuyển động máy.
Hình 2.36 Giới thiệu phần mềm Autodesk Inventor
Phần mềm Inventor tạo ra các nguyên mẫu và thử nghiệm ảo, hạn chế lỗi và lao động thủ cơng giúp cắt giảm chi phí sản xuất.
Nhằm tăng cao chu kỳ sản xuất, nhanh chóng đưa sản phẩm thật đến với thị trường. Khoảng cách giữa các thiết kế, phân tích kỹ thuật, sản xuất được rút ngắn khi ứng dụng Inventor.
Autodesk Inventor được sử dụng chủ yếu trong:
Xây dựng chi tiết, mơ hình 3D. Thiết kế chi tiết kim loại tấm.
SVTH: Đặng Hồi Bảo 62 Tính tốn, thiết kế chi tiết máy.
Xây dựng hệ thống đường ống từ đơn giản đến phức tạp. Mô phỏng động và động lực học cơ cấu.
Phân tích ứng suất và tối ưu hóa sản phẩm. Thiết kế và làm khuôn sản phẩm.
Thiết kế khung giàn.
Xây dựng mơ hình thiết kế điện, điện tử. Lập trình gia cơng cơ khí.
Các thao tác cơ bản trên Inventor:
Phần mềm Autodesk Inventor cung cấp môi trường sketch để thực các thao tác tạo và chỉnh sửa. Trên thanh panel chứa các cơng cụ sketch, người dùng có thể điều khiển các ơ và cơng cụ để tạo nên một bản vẽ.
Các công cụ vẽ cơ bản trong phần mềm Inventor:
Spline: dùng để vẽ đường thẳng, đường cong. Circle: dùng để vẽ đường tròn.
Elip (ellipse): dùng để vẽ hình elip. Arc: vẽ đường cung.
Rectangle: dùng để vẽ các hình vng hoặc các hình chữ nhật. Polygon: dùng để tạo nên những hình đa giác hay các điểm.
Fillet: dùng để tạo nên các đường bo trịn góc. Cơng cụ này cịn được dùng mở rộng hay cắt cung.
Tính năng liên kết của Inventor đến các phần mềm CAD/CAM khác:
Phần mềm Inventor sử dụng các định dạng tập tin cụ thể cho các chi tiết (IPT), cụm (IAM), và bản vẽ (IDW hoặc DWG).
Hỗ trợ tập tin được nhập hoặc xuất trong định dạng DWG. Định dạng bản vẽ trên Web (DWF) được ưa thích của Autodesk 2D/3D có thể dùng kết nối và trao đổi dữ liệu với các phần mềm khác.
Inventor có thể trao đổi dữ liệu với hầu hết các phần mềm được phát triển bởi Autodesk.
SVTH: Đặng Hoài Bảo 63 Ngoài ra phần mềm Inventor có thể trao đổi dữ liệu với các ứng dụng như CATIA V5, UGS, SolidWorks, và ENGINEER / Pro. Inventor hỗ trợ nhập và xuất trực tiếp của CATIA V5, Parasolid, Granite, UG-NX, SolidWorks, Pro / E, với các tập tin SAT, STEP, IGS.
Inventor cung cấp rất nhiều cơng cụ để đơn giản hố, nhận biết và chuyển đổi sang thiết kế 3D cho những người dùng AutoCAD.
Tất cả các gói phần mềm của Inventor đều hỗ trợ phiên bản mới nhất của AutoCAD Mechanical trong những trường hợp người dùng cần sử dụng công cụ thiết kế bản vẽ kỹ thuật với năng suất cao.
Giới thiệu tính năng Inventor CAM [14]:
Inventor CAM là công cụ giúp đơn giản hóa quy trình gia cơng với các khả năng phay, tiện, phay từ 2,5 cho đến 5 trục được tích hợp trực tiếp trong mơi trường CAD của Inventor Professional.
Các chức năng tiêu biểu của Inventor CAM:
Adaptive clearing: Tiết kiệm thời gian gia công thô đến 4 lần so với thông thường và tăng tuổi thọ của công cụ.
Phay 2,5 và 3 trục: Tạo các đường chạy dao với công nghệ hiện đại, tự động bù trừ thích ứng theo biên dạng, cung cấp giải pháp tạo đường chạy hoàn thiện. Phay 4 và 5 trục: Các tính năng hỗ trợ gia cơng 4 và 5 trục trên các mơ hình
phức tạp bao gồm nghiêng, đường viền đa trục và dao cầu.
Tiện và Mill-Turn: Cải thiện năng suất với các chức năng tiện, facing, tạo rãnh truyền thống. Hỗ trợ cho các máy Mill-Turn.
AnyCAD trong Inventor: Thiết kế thay đổi trên tập tin CAD gốc sẽ được tự động cập nhật vào bản vẽ và các đường chạy dao.
Cắt tia nước, plasma và laser: Tạo các đường cắt 2D nhanh chóng với khả năng tạo tất cả đường viền trong cùng mặt phẳng, thêm tab và tùy chỉnh chất lượng. Tính năng thăm dị: Tự động tránh va chạm giữa các bộ phần giữ, công cụ trong
suốt q trình tính tốn gia cơng.
Tối ưu công suất: Hỗ trợ CPU đa luồng/đa lõi giúp giảm thời gian tính tốn đường chạy dao, đặc biệt là trên các chi tiết lớn và phức tạp.
SVTH: Đặng Hoài Bảo 64 Gia cơng dốc: Kiểm sốt sự tham gia của giao cắt trong gia cơng góc dốc bằng
cách giảm thiểu độ lệch của dụng cụ và cải thiện độ hồn thiện.
Mơ phỏng đường dao: Mơ phỏng gia công phôi, kiểm tra đường dao, loại bỏ va chạm giữa trục, kẹp và đồ gá.
Chỉnh sửa đầu ra CNC: Thực hiện chỉnh sửa các lệnh đầu ra phổ biến cho tập tin CNC.
Cơng cụ phân tích: Đo khoảng cách, xem thơng tin quan trọng như tốc độ, thời gian gia cơng ước tính...
Hình 2.37 Giới thiệu tính năng Inventor CAM
Thiết kế mơ hình 3D:
Sau khi tính tốn đầy đủ các thơng số ta thiết kế mơ hình 3D dựa vào kích thước thực tế của các chi tiết, ta tiến hành lắp ráp từng cụm chi tiết. Bản vẽ chi tiết tham khảo phần phụ lục.
2.3.2 Thiết kế cụm trục Z
Cụm trục Z là phần mang động cơ trục chính để gia cơng chi tiết. Được thiết kế như (hình 3.38), (bản vẽ chi tiết xem phụ lục [3]).
Thơng số cụm trục Z:
SVTH: Đặng Hồi Bảo 65 Tổng khối lượng 10kg. Động cơ bước 57x57x76 (mm) Vít me bi TBI SFNU01605-4 Ray trượt THK HSR20R. Khớp nối mềm 8 – 8. Động cơ trục chính 1,5 KW. Gối đỡ BF 12, BK 12. Hình 2.38 Cụm chi tiết trục Z 2.3.3 Thiết kế cụm trục X
Cụm trục X là phần giúp cụm chi tiết trục Z di chuyển trái - phải. Được thiết kế như (hình 2.39), (bản vẽ chi tiết xem phụ lục [3]).
Thông số cụm trục X:
Hành trình di chuyển 350mm. Tổng khối lượng 13kg.
Động cơ bước 57x57x76 (mm). Vít me TBI SFNU02510-4. Ray trượt PMI MSA15 S.
SVTH: Đặng Hoài Bảo 66 Khớp nối mềm 8 – 8 .
Gối đỡ BK 17, BF 17.
Hình 2.39 Cụm chi tiết trục X
2.3.4 Thiết kế cụm trục Y:
Cụm trục Y là bộ phận giúp trục X và trục Z di chuyển về phía trước hoặc di chuyển ra phía sau. Được thiết kế như (hình 2.40), (bản vẽ chi tiết xem phụ lục [3]).
Hình 2.40 Cụm chi tiết trục Y Thông số cụm trục Y: Hành trình di chuyển 600mm. Tổng khối lượng 18kg. Động cơ bước 57x57x76 (mm). Vít me TBI SFNU02510-4. Ray trượt PMI MSA15 A.
SVTH: Đặng Hoài Bảo 67 Khớp nối mềm 8 – 8.
Gối đỡ BK 17, BF 17.
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 mơi 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 Hoài 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 Hoài Bảo 72
Hình 2.48 Phần mềm Mach3
Mach3 đã thành cơng 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 Hoài 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, ngồi 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, không cần dùng đến các hộp số cơ khí. Biến tần sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự dịng điện đặt vào các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ