Khớp nối động cơ –trục vít
Mặt bích 1
Hình 2. 14 Mặt bích
Mặt bích 2
Trục gá
Hình 2. 16 Trục gá
Mũi chống tâm 1
Vịng bi 25
Hình 2. 18 Vịng bi d( ) 25
Thơng sốkỹthuật
Vật liệu vịng trong/ngồi SUVJ2 Equiv
d (mm) 25 D (mm) 37 B (mm) 7 R (mm) 0,3 Ds (mm) Min 27 Max 28 Dh max (mm) 35 R max (mm) 0,3 Bảng 2. 5 Thông sốvịng bi Ụ động Hình 2. 19Ụ động
Vỏhộp giảm tốc
Hình 2. 20 Vỏhộp giảm tốc
Nắp hộp 1
Nắp hộp 2
Hình 2. 22 Nắp hộp 2
Tính chọn đơng cơ dẫn đơng cho trục A a) Yêu cầu thiết kế
+ Đảm bảo công suất cắt gọt, tốc độcắt gọt.
+ Độchính xác truyền động cao (độchính xác dịch chuyển 0,005mm) + Làm việc êm, giá thành thấp.
+ Góc quay : 0° -∞
+ Vận tốc lớn nhất khi không gia công: 1000vg/ph + Vận tốc lớn nhất khi gia công : 30vg/ph
+ Khối lượng lớn nhất của chi tiết : 5kg.
+ Thời gian hoạt động: Lt= 17520h (khoảng 5-7 năm) + Độchính xác vịtrí: ± , °= 1′18′′
Chọn loại động cơ:
Ta có bảng so sánh giữa động cơ bước và động cơ Servo: Động cơ bước Động cơ Servo Mạch driver Đơn giản, người
dùng có thể chế tạo chúng
Mạch phức tạp. Thông thường người sử dụng phải mua mạch driver từcác nhà sản xuất.
Nhiễu và rung động Ít Rất ít Tốc độ Chậm (tối đa 1000 –
2000 vòng/ph)
Nhanh hơn (tối đa 3000 – 5000 vịng/ph)
Hiện tượng trượt bước
Có thể xảy ra nếu tải quá lớn
Khó xảy ra (động cơ vẫn chạy trơn tru nếu tải tăng)
Phương pháp điều khiển
Vịng hở (khơng có encoder)
Vịng kín (có encoder) Cơng suất động cơ Nhỏ(tối đa là 2 kW) Lớn
Giá thành(động cơ + driver) Thấp Cao Độphân giải 2 pha PM: 7,5º (48 ppr) 2 pha HB: 1,8º (200 ppr) hoặc 0,9º (400 ppr) 5 pha HB : 0,72º (500 ppr) hoặc 0,36º (1000 ppr) Phụ thuộc độ phân giải của encoder
Thông thường vào khoảng 0,36º (1000 ppr) –0,036º (10000 ppr)
(ppr : xung/vòng)
Bảng 2. 6 So sánh 2 loại động cơ
Do yêu cầu về tốc độvà tải trọng không cao, cũng như để đáp ứng việc tối ưu vềgiá thành nên ta chọn động cơ bước cho máy.
Hình 2. 23Động cơ bước
b) Thơng sốkỹthuật
- Thời gian cho q trình có gia tốc là rất ngắn,do đó ở đây ta chỉ tính cho q trình chạy đều ( chiếm phần lớn thời gian gia công ).
- Thời gian hoạt động: Lt= 25000h (khoảng 8,6 năm).
- Chọn động cơ bước để điều khiển quỹ đạo chuyển động theo trục.
c) Tính mơ men ma sát
= . . = 0,99.0,4. 0,98 . 1 = 0,38 = . . . . os 2 . . = 5.9,81.0,1.5.10− . os0 2. . 1.0,38 = 0.01 . (2.4) Trong đó: Bước vít l = 5 (mm ) Hệsốma sát : µ = 0.1 Gia tốc trọng trường : g = 9.81 (m/ )
Khối lượng phần đầu dịch chuyển : m = 5 (kg)
Hiệu suất bộtruyền: = 0.38
Tính mơ men thắng trọng lực của kết cấu:
= . . .2. . . =5.9,81.5.102. . 1.0,38− . 0 = 0 . (2.5) Tính vận tốc dài: với đường kích trục vít được chọn là 10mm
ax =60000. . = . 10.100060000 = 0,31 / (2.6) Tính mơ men máy:
Hệsố ma sát trượt giữa thép và gang ta chọn μ = 0,12 ach=2. . . .. ax
ax =2. . 1.0,38.0,310,12.10,6 = 1,72 . (2.7) Tính mơ men tĩnh:
= + + = 0,01 + 0 + 1,7 = 1,8 . (2.9) Chọn động cơ bước Step 86BYGH450B có momen xoắn tối đa là 8N.m
Hình 2. 24Động cơ bước
Thơng sốkỹthuật:
Step Angle: 1.8 degree (+-5%) Dòng tối đa:5A/phase Momen xoắn: 8 Nm Khối lượng: 3.5 Kg Tổng chiều dài: 115 mm Đường kính trục: 14 mm Chiều dài trục: 37 mm Sốcuộn dây: 2
Bảng 2. 7 Thông sô kỹthuật động cơ bước
Kết luận vềhệthống cơ khí
Từmục tiêu và yêu cầu đã đềra, ta phân tích, tính tốn, lựa chọn được: - Phương án thiết kếhợp lý
- Sơ đồ động cho máy
- Kết cấu dẫn động trục A: trục vít – bánh vít, bánh răng- bánh răng, bánh răng-bánh răng
- Tính tốn thiết kế được động cơ dẫn động cho trục A với Góc quay 0° -∞
CHƯƠNG 3.THIẾT KẾHỆ THÔNG ĐIỀU KHIỂN CHO CỤM TRỤC THỨ4
3.1 Thiết kếhệthống điều khiển trục A trên máy mài CNC 3 trục có trước
Sơ đồ điều khiển tổng quan máy
Hình 3. 1Sơ đồkhối điều khiển máy
Hệthống điều khiển gồm nhiều thành phần giao tiếp với nhau qua khối điều khiển trung tâm. Tất cả các thiết bị trong hệ thống đều được cấp nguồn từ khối nguồn. Bo mạch điều khiển chịu trách nhiệm làm trung tâm xửlý tín hiệu đến các thành phần của hệthống. Tín hiệu điều khiển được gửi từmáy tính tới mạch điều khiển, sau đó mạch điều khiển sẽxửlý các tín hiệu và cấp tín hiệu điều khiển phù hợp đến các thành phần khác của hệthống như driver chuyển tín hiệu động cơ các trục, biến tần điều khiển trục chính… Hoặc nhận tín hiệu từcác cơng tắc hành trình hay nút dừng khẩn cấp để đưa ra tín hiệu dừng máy khi máy vượt quá giới hạn làm việc.
Nguyên lý mạch điều khiển
Phần lớn các máy cơng cụ CNC có độ chính xác cao được trang bị bộ điều khiển chu trình kín và nó kiểm sốt vịtrí dịch chuyển dụng cụ chính xác hơn, do đó chất lượng gia cơng chi tiết tốt hơn.
Tuy nhiên, điều khiển theo chu trình hởvẫn cịn sửdụng ởcác máy CNC có độchính xác vịtrí thấp hoặc các máy có momen cản sinh ra trên động cơ dẫn động bàn máy nhỏvà giá trị ổn định đểgiảm giá thành chếtạo.
Như đã phân tích ởtrên, các máy CNC hiện nay có 4 phương án điều khiển điển hình là:
-Điều khiển chu trình hở. -Điều khiển chu trình nửa kín. -Điều khiển chu trình kín. -Điều khiển chu trình hỗn hợp.
a) Điều khiển chu trình hở
Là bộ điều khiển khơng phản hồi, khơng sửdụng hồi tiếp để xác định sốliệu đầu ra của nó có đạt được mục đích mong muốn của đầu vào hay khơng.
Điều khiển vịng hở được sử dụng cho các hệ thống được xác định rõ ràng, nơi mà mối quan hệgiữa đầu vào và trạng thái kết quảcó thể được mơ tảbởi một cơng thức tốn học.
Một đặc tính của bộ điều khiển vịng hởlà nó khơng sửdụng hồi tiếpđểxác định liệu đầu ra của nó có đạt được mục đích mong muốn của đầu vào hay khơng. Điều này có nghĩa là hệthống này khơng giám sát đầu ra của q trình mà nó điều khiển.
Do đó, một hệ thống vịng hở thực sử khơng thể được sử dụng trong máy họcvà cũng khơng thểhiệu chỉnh bất kỳsai sốcó thểmắc phải nào. Nó cũng khơng thểbù nhiễu trong hệthống.
- Không thể áp dụng cho các máy CNC có độchính xác cao hoặc có lực cắt gia công lớn.
- Thường sửdụng động cơ bước, động cơ một chiều. Độchính xác gia cơng chủyếu phụthuộc vào truyền động của động cơ bước, vitme và hệthống truyền động.
- Khi momen quay nhỏ và ít thay đổi thì độchính xác dịch chuyển khá cao. Do vậy, nhiều máy CNC khơng địi hỏi độ chính xác cao hiện nay vẫn sửdụng chu trình điều khiển hở.
- Độ chính xác điều khiển phụthuộc vào khả năng điều chỉnh và độ tin cậy điều chỉnh của thiết bị.
- Điều khiển vòng hở được sửdụng cho các hệthống được xác định rõ ràng, nơi mà mối quan hệ giữa đầu vào và trạng thái kết quảcó thể được mơ tảbởi một cơng thức toán học.
- Đáp ứng chậm (thời gian đáp ứng dài).
- Bộ điều khiển vòng hở thường được sửdụng trong các quá trình đơn giản bởi vì sự đơn giản và chi phí thấp của nó, đặc biệt trong các hệ thống nơi mà phản hồi là điều khơng bắt buộc.
Hình 3. 2 Hệthống điều khiển theo chu trình hở
b) Hệthống chương trình nửa kin
Ưu điểm:
- Độ chính xác điều khiển cao.
- Thiết bị kiểm tra vị trí được lắp vào trục của động cơ servo và tiến hành việc kiểm tra góc quay.
- Độ chính xác cuối cùng (chuyển động của bàn máy) phụ thuộc khá lớn vào độchính xác của trục vitme.
- Một sốhệ máy CNC còn cho phép bù trừsai sốcủa bước vitme và khe hởcủa trục vitme để tăng độchính xác.
Hình 3. 3 Bộ điều khiển chu trình nửa kín
- Bù trừ sai số bước vitme bằng cách hiệu chỉnh chỉ thị đến hệ dẫn động servo nhằm loại bỏ sai số tích lũy. Bù trừ sai số khe hở khi chiều chuyển động đổi dấu, một lượng xung tương ứng được gửi đến hệ điều khiển động cơ servo đểhiệu chỉnh.
Nhược điểm:
- Mặc dù bộ điều khiển có thể bù trừ sai số bước và khe hở vitme nhưng khó đạt được độchính xác cao khi ảnh hưởng của khe hởsẽ thay đổi theo khối lượng của chi tiết gia cơng.
- Độmịn của vitme tại các vịtrí sẽkhác nhau. - Khe hởcủa vime thay đổi theo nhiệt độ.
Do vậy, điều khiển chu trình kín sẽkhắc phục được sai sốcủa vitme.
c) Hệthống chu trình kín
Thiết bịgiám sát vị trí có độ chính xác cao được lắp đặt trên bàn máy và vị trí thực của bàn máy được hồi tiếp vềhệ điều khiển.
Nguyên lý điều chỉnh vịtrí kiểu chu trình kín trên máy CNC
Từbộnội suy, mỗi giá trịvịtrí cần đạt đến được bộ điều khiển đưa vào mạch điều chỉnh vịtrí.
Trong bộ điều chỉnh vị trí, giá trị vịtrí thực được nhận biết qua hệ thống đo vịtrí.
Lấy giá trịvịtrí thực này trừ đi giá trịvịtrí cần sẽ được một sai lệch điều chỉnh.
Sai lệch điều chỉnh là đại lượng điều chỉnh và đối tượng điều chỉnh là động cơ servo.
Bộ điều chỉnh vịtrí ln phải ra lệnh chỉdẫn cho động cơ servo dịch chuyển cho đến khi hai tín hiệu từbộ điều khiển và tín hiệu hồi tiếp vị trí được xem là bằng nhau, tức là sai số điều chỉnh bằng không. - Giảm tác động và ảnh hưởng của nhiễu.
- Tốc độ đáp ứng nhanh.
- Tăng được bềrộng dãi tần cóđáp ứng tốt.
- Có khuynh hướng tạo ra bộ dao động do quán tính của sựso sánh tín hiệu.
Hình 3. 5Sơ đồkhối điều khiển chu trình kín trên động cơ servo
d) Hệthống chu trình hỗn hợp
Trong trường hợp khó tăng được độcứng vững của máy khi khối lượng chi tiết gia cơng lớn hoặc khó loại bỏ được hiện tượng thiếu hụt chuyển động do hiện tượng dính hoặc trượt chuyển động trong các máy CNC hạng nặng, người ta sử dụng bộ điều khiển chu trình hỗn hợp nhằm bảo đảm độchính xác vịtrí mà khơng làm mất tính ổn định điều khiển.
Trong chu trình hỗn hợp, có hai vịng lặp điều khiển: vịng nửa kín giám chuyển động của động cơ, vịng kín sửdụng thước quang đểgiám sát vịtrí của bàn máy. Trong vịng lặp nửa kín, có thểdùng thuật tốn điều khiển có độ nhạy cao
bởi vì vịng lặp này khơng bị ảnh hưởng của tồn bộkhung máy. Cịn trong vịng lặp kín, độ chính xác điều khiển được tăng lên nhờ phương pháp bù trừsai sốmà vòng lặp nửa kín khơng thực hiện được. Vì vịng lặp kín chỉbù trừsai sốthuộc về vịtrí nên hoạt động tốt ởchế độnhạy thấp hơn. Sự kết hợp giữa vịng lặp kín và nửa kín cho phép đảm bảo độ chính xác điều khiển trong mọi trường hợp
Hình 3. 6 Bộ điều khiển chu trình hỗn hợp
e) Kết luận chọn nguyên lý mạch điều khiển
Với việc lựa chọn động cơ bước làm động cơ dẫn động các trục, phương án di chuyển các trục là bàn máy mang phôi cố định và với yêu cầu làm việc của máy , em quyết định chọn phương án điều khiển theo hệ thống hở, vẫn đảm bảo u cầu gia cơng với độchính xác gia cơng 0.03 -0.05 mm, đảm bảo tối ưu tính kinh tếcho sinh viên.
Nguyên cứu thiết kếhệthống điều khiển cho máy
a) Động cơ truyền động cho các trục
Từ chương II, nhóm đã lựa chon động cơ bước để truyền chuyển động cho các trục tịnh tiến.
-Động cơ bước là một thiết bị cơ-điện dùng đểbiến đổi xung điện một chiều thành chuyển động quay cơ học rời rạc
- Góc quay và tốc độ quay tương ứng với số xung và tần số xung điện cấp cho động cơ
- Mỗi vòng quay của trục động cơ được thiết lập bằng một số lượng hữu hạn các góc bước, là góc quay của roto khi cuộn dây stato bị đảo cực tính
Hình 3. 7 Cấu tạo động cơ bước
- Có nhiều loại động cơ với các độ phân giải góc quay (góc bước) khác nhau:
•Những động cơ “thơ” thường có góc bước 90 độ, 30 độ, 15 độhoặc 7.5 độ.
•Những động cơ mịn thường có góc bước 1.8 độhoặc 0.9 độ. Ngồi việc điều khiển các tín hiệu xung điện một chiều với những tuần tựvà giá trịthích hợp có thể điều khiển động cơ quay được nửa bước hay vi bước tùy thuộc vào số xung đặt trên driver (phần điều khiển của động cơ).
Ưu điểm :
• Góc bước tương ứng với số xung tín hiệu điều khiển, sẽ dễ dàng cho việc thực hiện các chuyển động phân độ, gián đoạn, cũng có thểthực hiện các chuyển động liên tục mịn với các góc vi bước.
•Vị trí góc quay chính xác vì khơng có sai số tích lũy ở mỗi góc bước.
•Thích hợp với các thiết bị điều khiển số. Với khả năng điều khiển sốtrực tiếp, động cơ bước trởthành thông dụng trong các thiết bị cơ điện tửhiện đại.
•Có một dải rộng độphân giải vềgóc quay. Nhược điểm :
•Dễxảy ra hiện tượng trượt bước khi gặp vấn đềq tải. •Tốc độquay khơng cao.
•Phạm vi ứng dụng là ởvùng cơng suất nhỏvà trung bình. Việc nghiên cứu nâng công suất động cơ bước đang là vấn đềrất được quan tâm hiện nay.
•Hiệu suất động cơ bước thấp hơn các loại động cơ khác. • Momen động cơ được tạo bởi lực hút giữa các cực roto và stato. Khi các cực càng gần nhau thì lực hút càng mạnh. Do vậy, momen động cơ phụthuộc vào vịtrí góc của roto.
Động cơ bước chia thành 3 loại:
• Động cơ bước biến từ trở (stato làm từ các lá thép kĩ thuật điện, roto làm từthép non).
• Động cơ nam châm vĩnh cửu (roto là nam châm vĩnh cửu) • Động cơ lai (là sựkết hợp của đông cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ từbiến trở).
b) Lựa chọn phần mềm điều khiển
Hiện nay trên thị trường các hệthống điều khiển cho các máy CNC do người dùng thiết kếcó hai hệthống điều khiển phổbiến là NC Studio và Mach3. Mỗi hệ điều khiển có những đặc điểm cũng như tính năng ưu việt riêng
Mach3 NC Studio
Do hãng ArtSoft (Mỹ) phát triển. Giao diện điều khiển dạng nút bấm trên màn hình rất đầy đủ và trực quan, nhưng lại khá rối với người mới sử dụng.
Hỗ trợrất nhiều modul tối ưu cho các máy phay, tiện, plasma, lazer…
Mẫu mã các loại BOB điều khiển khá phong phú và giá thành tương đối rẻ, phù hợp với sinh viên.
Do công ty khoa học và công nghệ Wiehong Thượng Hải phát triển. Giao diện đơn giản và gọn gàng.
Chỉhỗtrợcho máy phay khắc.