QUY TRÌNH THIẾT KẾ
4.1 Chọn kết cấu mơ hình
Ngun lí hoạt động của máy in 3D:
Về cơ bản, mơ hình máy in 3D của chúng em thể hiện nguyên lí hoạt động của một máy in 3D được điều khiển bằng phần mềm chuyên dụng được dùng trong thực tế. Gồm 3 trục X, Y và Z. Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian và kinh tế, mơ hình máy của chúng em vẫn còn một số điều bị hạn chế.
Nguyên lí hoạt động:
Động cơ ở các trục X, Y và Z được kết nối với mạch điều khiển, phần mạch điều khiển này được kết nối với máy tính. Phần mềm điều khiển thơng tính toán điều khiển và cấp xung cho động cơ, làm động cơ quay. Máy sử dụng truyền động vít me, Truyền mômen từ động cơ tới các trục làm cụm dẫn động ba trục chuyển động tịnh tiến trên các trục dẫn hướng. Chuyển động của các cụm điều khiển ba trục phụ thuộc vào phần mềm điều khiển nội suy biên dạng chi tiết cần in. Ta chỉ cần thiết kế mơ hình chi tiết, và xuất file từ máy tính nạp vào phần mềm điều khiển.
4.2. Tính tốn, thiết kế, lựa chọn các chi tiết trên mơ hình
4.2.1 Các loại cơ cấu truyền động
Yêu cầu của cơ cấu truyền động trong máy in 3D là phải biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của đầu Laser. Việc lựa chọn cơ cấu truyền động dựa vào điều kiện làm việc của máy và yêu cầu điều khiển, trên thực tế có nhiều cơ cấu truyền động để biến chuyển động quay thành tịnh tiến như bánh răng-thanh răng, vít me- đai ốc, và truyền động đai ( chi tiết gắn trên đai)….. vì các yêu cầu kỹ thuật như gọn nhẹ, giá thành hợp lý, dễ dàng lựa chọn và cần độ chính xác cao nên nhóm cho chuyền động vít me -đai ốc làm cơ cấu truyền động cho các trục
+ Truyền động vít me: trục X, Y + Truyền động xylanh: trục Z
Truyền động Vít me
Vít me là một hệ thống truyền động ,được gia cơng chính xác để biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến theo cơ chế con vít - bulon (đai vít , hay đai ốc). Để chuyền động một cách trơn tru và chính xác , hoạt động liên tục bền bỉ trong thời gian dài ta phải có biện pháp bơi trơn hợp lý.
Khi trục vít xoay làm cho đai ốc chuyển động tịnh tiến, trục vít quay được một vịng thì đai ốc sẽ chuyển động tịnh tiến được một đoạn bằng bước vít.
Hình 4. 3 Truyền động vít me đai ốc (Nguồn Internet)
Ưu điểm:
+ Độ chính xác cao, cơ cấu gọn nhẹ. Thường được dùng trong cac máy cnc có độ chính xác cao.
Nhược điểm:
+ Hiệu suất truyền lực thấp, giá thành cao. - Có hai loại vitme:
+ Vít me thường: là vitme và đai ốc tiếp xúc trực tiếp với nhau và trượt trên nhau qua các mặt ren.
Loại này có nhược điểm là ma sat cao do tiếp xúc mặt sinh ra ma sat trượt, và có sai số do khe hở giữa vitme và đai ốc khi đảo chiều chuyển động.
Để khử sai số của khe hở giữa trục vít và đai ốc người ta gắn một cơ cấu lò xo vào đai ốc giữ cho đai ốc luôn tiếp xúc với một mặt ren của trục vít.
+ Vitme bi (ballscrew )
Là một hệ thống chuyền động ,được gia cơng chính xác để biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến theo cơ chế con vít – bu lơng (đai vít , hay đai ốc).
Mà tiếp xúc giữa thanh vít và đai vít là một lớp bi thép để giảm tối đa lực ma sát . Giúp chuyền động một cách trơn tru và chính xác , hoạt động liên tục bền bỉ trong thời gian dài.
Hoạt động : Tiếp xúc giữa vít me bi và đai ốc có 1 đường rãnh (rãnh me ) được lắp đầy bởi những viên bi thép. Khi trục vít xoay, những viên bi lăn trịn trong mối ren của trục vít và đai óc. Điều này nhằm giảm ma sát của chúng. Bởi vì các viên bi cuối cùng sẻ rơi ra ngồi, nên đai ốc có 1 đường ống dẫn về (đường hồi) để hứng những viên bi khỏi rãnh của trục vít và đưa chúng trở lại phần đầu của đường bi ở phía cuối của đai óc.Lực đẩy của đai ốc nhẹ nhàng nhờ chuyển động lăn của những viên bi cuộn trịn, hơn là trượt.
- Những Thơng số hoạt động:
Chiều dài thanh vít , chiều dài hành trình đạt được, đường kính thanh vít, hành trình bước ren khi thanh vit quay đúng 1 vòng.
Hình 4. 4 Cấu tạo vít me bi (Nguồn Internet)
Từ ưu nhược điểm của cơ cấu truyền động cùng với điều kiện gia cơng và những bộ truyền có trong thị trường hiện nay ta chọn truyền động bằng vít me cho trục X, Y
4.2.2. Tính tốn và chọn động cơ cho máy in
Các loại động cơ
Có 3 loại động cơ điện được đưa ra để lựa chọn đó là: động cơ bước, động cơ servo, động cơ một chiều.
Động cơ bước
Hình 4. 6 Động cơ bước (Nguồn Internet)
Ưu điểm
+ Không chổi than: Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm tổn hao năng lượng, tại một số mơi trường đặc biệt (hầm lị...) có thể gây nguy hiểm.
+ Tạo được mơmen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển động cơ ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn. Động cơ bước là thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ. Nó có thể giữ được mơmen thậm chí cả vị trí nhừ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor.
+ Điều khiển vị trí theo vịng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta có thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí như các động cơ khác, khơng phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác với servo).
+ Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển. Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được). Khi momen tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, do đó khơng thể kiểm sốt được góc quay.
Động cơ servo
Động cơ servo là thiết bị được điều khiển bằng chu trình kín. Từ tín hiệu hồi tiếp vận tốc/vị trí, hệ thống điều khiển số sẽ điều khiển họat động của một động cơ servo.
Với lý do nêu trên nên sensor đo vị trí hoặc tốc độ là các bộ phận cần thiết phải tích hợp cho một động cơ servo. Đặc tính vận hành của một động cơ servo phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính từ và phương pháp điều khiển động cơ servo. Có 3 loại động cơ servo được sử dụng hiện nay đó là động cơ servo AC dựa trên nền tảng động cơ AC lồng sóc; Động cơ servo DC dựa trên nền tảng động cơ DC; và động cơ servo AC không chổi than dựa trên nền tảng động cơ không đồng
bộ.
Hình 4. 7 Sơ đồ nguyên lý động cơ servo DC hồi tiếp (Nguồn Internet) Động cơ xoay chiều: Động cơ xoay chiều:
Ưu điểm:
+ Đa dạng và phong phú về chủng loại, giá thành rẻ. Nhược điểm:
+ Phải có mạch cách ly giữa phần điều khiển và phần chấp hành để đảm bảo an toàn
Hình 4. 8. Động cơ xoay chiều (Nguồn Internet)
Với yêu cầu các cơ cấu điều khiển đươc điều khiển, cần thực hiện chính xác các lệnh đưa ra dưới dạng số. Qua tìm hiểu, nhóm chúng tơi nhận thấy rằng trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện chính xác các lệnh đưa ra dưới dạng số. Ngoài ra, động cơ bước là thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ. Nó có thể giữ được mơmen thậm chí cả vị trí nhừ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor. Một lợi thế nữa của động cơ bước là ta có thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà khơng cần đến phản hồi vị trí như các động cơ khác, khơng phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác với servo).
Tính tốn chọn động cơ: Chọn động cơ cho trục XY:
- Hệ số ma sát trượt giữa thép và gang: ta chọn µ = 0,12. - Gia tốc trọng trường g= 10 m/s2 .
- Khối lượng của phần dịch chuyển là m =Wy = 5 kg. - Góc nghiêng của trục α = 00 .
- Tỉ số truyền giảm tốc i=1.( do chọn phương án động cơ truyền động tới Vít-me khơng qua hộp giảm tốc)
- Lực cản do ma sát lớn nhất Fm = 0,7 N
*Tính momen cản do ma sát trên khớp nối động cơ: Mc = ììàìì
2ììì
= 5×10×0.12×0.005×𝑐𝑜𝑠0
2×𝜋×1×0.9 = 0.005 N.m
*Tính momen phát sinh do truyền động không đồng trục: Mwz = 𝑚×𝑔×𝜇×ℎ×𝑐𝑜𝑠𝛼
2×𝜋×𝑖×ƞ
Vì cơ cấu chấp hành đặt nằm ngang, α=00 nên Mwz = o. *Tính vận tốc dài:
Với đường kính trục vít được chọn là 12 mm, ta có : vmax= 𝜋×𝐷×𝑛
60×1000 = 𝜋×12×2000
60×1000 = 1,25 m/s *Tính momen cản do ma sát tĩnh của phần dịch chuyển: Mmạch = 𝜇×𝐹𝑏
2×𝜋×𝑖× ƞ×Vmax = 0.12×3.3
2×𝜋×1×0.9×1.25 = 0,06 N.m (do Fm=0) Momen cần thiết để mở máy:
Mstat = Mfric+Mwz+Mmạch
= 0.005 + 0 + 0.06 = 0.065 Nm Chọn động cơ cho trục Z
- Hệ số ma sát trượt giữa thép và gang: ta chọn µ = 0,12. - Gia tốc trọng trường g= 10 m/s2 .
- Khối lượng của phần dịch chuyển là m =Wy = 7 kg. - Góc nghiêng của trục α = 00 .
- Tỉ số truyền giảm tốc i=1.( do chọn phương án động cơ truyền động tới Vít-me khơng qua hộp giảm tốc)
- Hiệu suất của động cơ: chọn ƞ= 0,9. - Lực cản do ma sát lớn nhất Fm = 0,7 N
*Tính momen cản do ma sát trên khớp nối động cơ: Mc = ììàìì
= 7×10×0.12×0.005×𝑐𝑜𝑠0
2×𝜋×1×0.9 = 0.007 N.m
*Tính momen phát sinh do truyền động khơng đồng trục: Mwz = 𝑚×𝑔×𝜇×ℎ×𝑐𝑜𝑠𝛼
2×𝜋×𝑖×ƞ
Vì cơ cấu chấp hành đặt nằm ngang, α=00 nên Mwz = o. *Tính vận tốc dài:
Với đường kính trục vít được chọn là 12 mm, ta có : vmax= 𝜋×𝐷×𝑛
60×1000 = 𝜋×12×2000
60×1000 = 1,25 m/s *Tính momen cản do ma sát tĩnh của phần dịch chuyển: Mmạch = 𝜇×𝐹𝑏
2×𝜋×𝑖× ƞ×Vmax = 0.12×3.3
2×𝜋×1×0.9×1.25 = 0,06 N.m (do Fm=0) Momen cần thiết để mở máy:
Mstat = Mfric+Mwz+Mmạch
= 0.007 + 0 + 0.06 = 0.067 Nm
Dựa vào momen khởi động của động cơ và tốc độ tối đa, nhóm đã chọn động cơ bước là động cơ bước 42 (Step motor) để điều khiển bàn XY di chuyển, và dùng động cơ bước 57 cho trục Z để điểu khiển Xi lanh.
4.2.3 Động cơ bước 42 (Step motor): Mô tả về động cơ: Mô tả về động cơ:
Động cơ bước 42 (Step) chuyên được sử dụng trong các trục chuyển động của máy in 3D, máy khắc laser hay một số sản phẩm khác. Sử dụng trong sản xuất sẽ đảm bảo máy móc được vận hành êm, mượt, giảm tiếng ổn trong quá trình hoạt động. Động cơ cần có driver để diều khiển, có thể sử dụng các loại Driver như: A4988, TB6600, TB6500, DM542,… (Chỉ cần đảm bảo dịng của động cơ khơng vượt quá dòng Driver). Chiều dài L=48mm là loại được lựa chọn sử dụng phổ biến nhất, với momen xoắn phù hợp để sử dụng cho nhiều loại máy móc.
Hình 4. 9 Động cơ bước 42 (Nguồn Internet)
Thông số cơ bản của động cơ
Nguồn điện : DC
Chức năng: Động cơ điều khiển
Góc bước: 1.8 độ
Momen xoắn lớn
Tiếng ổn thấp
Góc bước : 1.8° ± 0.09°
Điện áp: DC – 1.5A
Tần số khi động cơ chạy không tải: >1500PPS
Tần số bắt đầu không tải: 1900 PPS
Khối lượng động cơ: 255g
Độ tự cảm: 3.7 x (1 ± 20%) mH
Điện trở cuộn dây: 2.4 x (1 ± 15%) Ω
Hình 4. 10 Động cơ 42 (Nguồn Internet) Thơng số kích thước động cơ: Thơng số kích thước động cơ:
Hình 4. 11 Thơng số kích thước của động cơ 42 (Nguồn Internet)
4.2.4 Động cơ bước 57 (Step motor) – 2 pha, 4 dây Mô tả về động cơ: Mô tả về động cơ:
Động cơ bước (Step motor 57) sử sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau: Giáo dục, máy khắc laser, máy in 3D, máy cnc mini và nhiều loại máy móc cơng nghiệp
khác. Quá trình thiết kế máy sẽ tính tốn để chọn ra loại động cơ phù hợp nhất, cùng là step 57 nhưng loại dài hơn sẽ có momen xoắn lớn hơn.
Xét riêng loại step 57 đã có rất nhiều loại khác nhau, được phân nhóm dựa trên chiều dài động cơ (động cơ càng dài sẽ càng mạnh). Dài 56mm, dài 76mm, dài 112mm. Loại có chiều dài 76 là được sử dụng phổ biến nhất và cũng là động cơ nhóm em chọn để điều khiển trục Z.
Hình 4. 12 Động cơ bước 57 (Nguồn Internet)
Điểm mạnh của động cơ này: Momen xoắn lớn, chạy êm – không gây nhiều tiếng ồn, động cơ tùy chỉnh. Sử dụng Driver để điều khiển (DM542), loại driver này cịn tương thích với động cơ Step 42.
Thông số của động cơ:
Đường kính trục động cơ 6.35mm Góc bước động cơ 1.8 độ Số pha 2 pha Số dây 4 dây Dòng điện 3.0A Điện áp động cơ 24-50VDC Momen xoắn lớn nhất 1.8Nm
Khối lượng động cơ 0.95kg
Nhiệt độ môi trường -20°C - 50°C
Nhiệt độ động cơ 80ºC MAX
Sơ đồ đấu nối động cơ, driver và nguồn điện
4.3. Tính tốn, thiết kế cơ khí 4.3.1 Thiết kế cụm cơ khí trục xy: 4.3.1 Thiết kế cụm cơ khí trục xy:
Kết cấu truyền động cho 2 trục XY mà nhóm lựa chọn cho đồ án là truyền động vitme. Lí do mà bọn em thiết kế như vậy là do khi bọn em đến xưởng chọn vật liêu thi cơng thì có 1 bàn cnc đang làm dỡ mà không dùng tới nên chúng em đã chọn là tận dụng làm trục XY bằng bàn trượt vitme để giảm chi phí thức hiện. Cũng vì địi hỏi của đồ án là cần độ chính xác cao mà bàn vitme đã đáp ứng các yêu cầu trên. Bàn trượt XY cho phép chuyển động ngang của các máy tự động hóa thích hợp cho các ngành dược, chế tạo và bán dẫn và cung cấp những chuyển động tự động hóa được điều khiển chính xác.
Bàn trượt vít me XY được sản xuất nhằm sử dụng cho các mục đích chịu tải lớn, thời gian làm việc liên tục và tuổi thọ cao. Sản phẩm này được ứng dụng rất nhiều cho trục XY máy CNC, máy khoan - taro, hoặc các cơ cấu cấp phôi tự động, bàn trượt cho máy phay,....
Bàn trượt XY được thiết kế theo dạng module, giúp tối ưu việc thiết kế máy và giảm thời gian cho công việc này. Bộ cơ cấu trượt phù hợp với nhiều chế độ thiết kế, khả năng ứng dụng rất rộng và tương thích với rất nhiều cơ cấu máy khác. Việc sử dụng vít bi truyền động và động cơ bước (hoặc servo) giúp phù hơp cho các nhu cầu chuyển động tịnh tiến theo bước (chính xác vị trí và khoảng cách) bàn trượt vít me.
Vật liệu Thép
Xử lý bề mặt Anode bề mặt
Gia cơng CNC
Hành trình 150 mm
Thanh trượt Đường kính 10mm
Vít me bi SFU16
Trục vít me (nối động cơ) 8 mm
Size motor 42 (Step motor, servo motor)
Hình 4. 14 Thông số bàn trượt X
- Khối lượng truc Y: m = 5 kg. - Khối lượng trục X: m = 5 kg.
- Hành trình làm việc: Sx = 150 mm; Sy = 150 mm. - Thời gian hoạt động: Tl=21900 h (5 năm, 12h mỗi ngày)
Kết cấu cụm XY gồm:
- 1 tấm nhôm làm mặt bản in dày 5 li
- 1 tấm trượt được bắt dính với tấm nhơm và 2 bàn trượt XY bằng bu lông - 2 bàn trượt về 2 hướng X và Y
Hình 4. 16 Tấm nhôm bản in
Hình 4. 18 Cụm bàn trượt XY
Ứng suất của trục X tác dụng lên mặt đế máy in
σ =
A
F = 4,4e = 0,4511 N/mm2
Ta cho lực tác dụng lên mặt đế là F = 100 N = m của trục XY Hệ số an toàn (FOS) của phần đế máy là 1,6e = 0,156 N/mm2