3.3.1. Phương án dùng vít me đai ốc thường
Vít me được gắn đồng trục với động cơ, khi động cơ quay, vít me quay, động cơ và vit me gắn cố định, làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vít me. Đai ốc thì được gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động( trục X, Y, Z). Từ đó làm cho bộ phận đó chuyển động so với hệ thống thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động.
Tốc độ di chuyển được phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vít, thường thì bước ren rất nhỏ cỡ 1 đến 2 mm, một vòng quay của trục động cơ sẽ làm đai ốc di chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít, vì vậy tốc độ di chuyển của bộ phận trượt ở phương pháp này là chậm nhưng lại có độ chính xác khi chuyển động khá cao. Dùng động cơ bước có bước góc càng nhỏ và trục ren có bước ren nhỏ thì độ chính xác di chuyển càng cao.
41 Một ưu điểm khác của phương án này là tạo ra lực đẩy lớn khi gia công mẫu vật. Phương án này thường được dùng trong các máy CNC công nghiệp, gia cơng các loại vật liệu cứng, kính thước lớn…
Hình 3.6 - Cơ cấu dung vít me
42
3.3.2. Phương án dùng vít me đai ốc bi
Trong máy công cụ điều khiển số công nghiệp, người ta thường sử dụng 2 dạng vít me – đai ốc đó là vít me – đai ốc với mặt tiếp xúc cịn được gọi là vít me đai ốc thường (như đã giới thiệu ở trên) và một dạng nữa đó là vít me – đai ốc bi. Đây là dạng vit me – đai ốc thay vì ma sát trượt thơng thường, tiếp xúc giữa vít me và đai ốc thông qua các viên bi được chuyển thành mà sát lăn. Điều này đem đến một ưu điểm: chỉ cần một lực quay rất nhỏ vào trục vít me đã có thể làm cho đai ốc chuyển động.
Hình 3.8 - Vít me đai ốc bi
Trên đây là kết cấu bộ truyền vít me – đai ốc bi. Tuy có kết cấu đa dạng nhưng các thành phần chủ yếu của bộ truyền bao gồm: vít me, đai ốc, các viên bi và rãnh hồi bi.
Vấn đề quan tâm trong bộ truyền vít me – đai ốc bi đó là dạng profin răng vít me và đai ốc. Profin răng vít me dạng chữ nhật và hình thang là chế tạo dễ dàng hơn cả xong khả năng chịu tải kém. Để tăng khả năng chịu tải, người ta tăng bề mặt làm việc của bộ truyền bằng cách chế tạo profin dạng tròn.
Một vấn đề cũng rất quan trọng trong kết cấu của bộ truyền đó là kết cấu của rãnh hồi bi. Rãnh hồi bi có thể là dạng ống, hoặc dạng theo lỗ khoan trong đai ốc hoặc là dạng rãnh hồi bi gữa hai vòng ren kế tiếp.
43 Đặc điểm:
- Rãnh hồi bi dạng ống có nhược điểm là tăng kích thước bộ truyền, độ bền mịn của đầu ống thấp, kẹp chặt ống có độ tin cậy khơng cao.
- Rãnh hồi bi theo lỗ khoan trên đai ốc có ưu điểm là kết cấu gọn và tính cơng nghệ tốt song khả năng tách thành nhiều nhóm, hồi bị khó khăn.
- Rãnh hồi bi giữa hai vịng ren kế tiếp: là dạng hồi bi được dùng nhiều hơn cả do có kích thước gọn nhất, không bị mòn nhanh, độ tin cậy cao và chiều dài rãnh hồi bi lớn.
Hình 3.9: Các kiểu hồi bi trong vít me đai ốc bi 3.3.3. Phương án dùng đai răng 3.3.3. Phương án dùng đai răng
Phương án dùng đai răng sử dụng một vịng đai cao su khép kín với các răng cưa ở mặt trong. Hai đầu của đai được đặt vừa vào 2 lơ có cùng kính thước răng cưa của đai. Một lô bắt chặt vào trục động cơ, cịn lơ kia được gắn vào một trục quay ở phía bên kia của khu vực chuyển động sao cho lơ có thể quay tự do tại chỗ. Một đoạn của đai được gắn với bộ phận cần trượt, khi động cơ quay, toàn bộ đai dịch chuyển và kéo bộ phận cần trượt di chuyển theo. Tốc độ di chuyển của bộ phận cần trượt phụ thuộc vào tốc độ động cơ và đường kính của lỗ. Một vòng của trục động cơ sẽ làm bộ phận trượt di chuyển một đoạn bằng với chu vi của lô (thường là cỡ 20-30 mm).
44 Tuy nhiên, do độ chính xác di chuyển thấp vì tính co giãn của vật liệu làm đai có thể dẫn đến những sai lệch khi gia cơng. Bên cạnh đó do lực đẩy sinh ra nhỏ nên khi cơ cấu truyền động gặp phải tải lớn sẽ bị trượt bước (khi dùng với động cơ bước).
Phương án này thường được sử dụng trong các loại máy cần tốc độ di chuyển nhanh mà không cần công suất lớn, như máy in, máy photocopy, máy cắt đề can…
45
3.3.4. Phương án dùng xích
Hình 3.11 - Truyền động bằng xích
Tương tự như phương án dùng đai, chỉ khác là bánh đai được thay bằng bánh xích, và dây đai được thay bằng dây xích ăn khớp với bánh xích. Phương án này có ưu điểm là khơng tồn tại lực căng đai, tải lớn, độ chính xác cao vì ít giãn và khơng trượt. Tuy nhiên phương án này lại cần bơi trơn và bảo trì thường xun,
So sánh 4 phương án:
- Với việc chế tạo mơ hình một máy CNC u cầu về độ chính xác khơng q cao, tốc độ khắc nhanh giá cả phù hợp với túi tiền sinh viên, bền, dễ dàng sữa chữa và thay thế khi hư hỏng xảy ra, nên chúng em quyết định chọn Phương án truyền động bằng đai thang cho máy CNC này.
46
3.4. CHỌN ĐỘNG CƠ CHO CƠ CẤU DẪN ĐỘNG CÁC TRỤC 3.4.1. Động cơ một chiều (DC motor)
Ưu điểm:
Momen xoắn lớn, giá thành rẻ.
Nhược điểm:
Đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp.
Phải có mạch phản hồi thì mới nâng cao độ chính xác.
3.4.2. Động cơ Servo
Ưu điểm:
Momen xoắn lớn, có cả 2 loại AC và DC.
Tốc độ đáp ứng nhanh, độ chính xác cao.
Nhược điểm:
Driver phức tạp, giá thành cao.
3.4.3. Động cơ bước (Stepper)
Ưu điểm :
Khi dùng động cơ bước không cần mạch phản hồi cho cả vi điều khiển vị trí và
vận tốc .
Thích hợp với các thiết bị điều khiển số. Với khả năng điều khiển số trực tiếp,
động cơ bước trở thành thông dụng trong các thiết bị cơ điện tử hiện đại.
Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC.
Nhược điểm :
Phạm vi ứng dụng là ở vùng cơng suất nhỏ và trung bình. Việc nghiên cứu nâng
47 Kết luận
Mục tiêu của đề tài là với chi phí đầu tư thấp nhất và cho ra sản phẩm tốt nhất nên ở đề tài này nhóm quyết định chọn động cơ bước làm động cơ dẫn động
Trên thị trường hiện nay có bán khá nhiều loại động cơ bước của nhiều hãng khác nhau, kể cả hàng cũ và hàng mới. Phổ biến ở thị trường hiện nay là loại động cơ bước có cơng suất khoảng 50W, do vậy chúng em chọn động cơ loại này để dẫn động 2 trục. . Ngồi ra thơng số này cịn có thể điều chỉnh khi lắp ráp ngồi thực tế.
Động cơ bước sử dụng trong mơ hình với các thơng số như sau:
THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC 43SHD0207-16
Góc bước 1.80
Số pha 2
Điện áp định mức 12V
Dòng điện định mức 0.4A
Điện trở mỗi pha 30Ω ± 10%
Momen xoắn 350 mN.m
48
3.5. LỰA CHỌN CÁC THƠNG SỐ CỦA KHUNG MÁY
Các kích thước chính của máy quy định kích cỡ của máy. Kích thước của máy lớn hay nhỏ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, bao gồm độ dài của thanh trượt dẫn hướng, khả năng tải của động cơ dẫn động, khả năng tải của bộ truyền…Ở đây, do việc thiết kế mang tính chất mơ hình, tải nhỏ, cơng suất các động cơ dẫn động thấp, đồng thời đảm bảo tính gọn nhẹ cơ động cho mơ hình nên các thơng số kích thước được chọn là khá nhỏ, tuy nhiên vẫn đảm bảo việc mơ phỏng hoạt động của mơ hình.
Do đó có thể nói kích thước sườn máy quy định rất nhiều kích thước khác cịn lại của máy CNC. Như trên hình, có thể thấy sườn máy được thiết kế theo hình hộp chữ nhật, với các thơng số chính. - Vật liệu chính: Nhơm - Chiều dài : 460 mm - Chiều rộng : 398 mm - Chiều cao : 130mm - Cân nặng: 10 kg
49
50
Chương 4
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN - ĐIỀU KHIỂN
4.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG
MÁY TÍNH-PHẦN MỀM
MẠCH ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM
ĐỘNG CƠ BƯỚC TRỤC X ĐỘNG CƠ BƯỚC TRỤC Y BỘ PHÁT TIA LASER Xu ất xung Xu ất xung Xuất xung MẠCH DRIVER LASER
51 Nhiệm vụ của từng khối :
Máy tính-phần mềm: là trung tâm điều khiển, thiết kế của máy. sau khi
thiết kế các sản phẩm, thông qua cổng máy in LPT máy tính gửi tín hiệu điều khiển đến mạch trung tâm
Mạch điều khiển trung tâm: nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính, gửi các
tín hiệu điều khiển tương ứng đến từng mạch drive.
Động cơ bước và hệ truyền động: nhận tín hiệu từ mạch driver thực hiện
chuyển động mang đầu cắt laser dịch chuyển tạo hình như mong muốn.
Bộ phát tia Laser: nhận tín hiệu điều khiển thực hiện bật tắt, tạo năng lượng
để đốt cháy, cắt sản phẩm.
4.2. THIẾT KẾ, TÍNH TỐN VÀ LẮP RÁP PHẦN ĐIỆN 4.2.1. Các thông số quan trọng của động cơ bước 4.2.1. Các thông số quan trọng của động cơ bước
Góc bước
Góc bước β là góc quay mà trục ĐC quay được khi nhận 1 xung lệnh.
Góc bước bé hơn, số lượng bước trên mỗi vòng quay cao hơn và độ phân giải cao hơn hay đạt được độ chính xác trong việc điều chỉnh vị trí
Giá trị của góc bước được thể hiện qua thông số lượng răng tương ứng của rotor (Nr) và stator (Ns) hay số pha của stator (m) và số răng của rotor
𝜷 =(𝑵𝒔−𝑵𝒓)
𝑵𝒔 × 𝑵𝒓 × 𝟑𝟔𝟎° [7]
Hay 𝜷 = 𝟑𝟔𝟎
𝒎.𝑵𝒓 = 𝟑𝟔𝟎
52 Độ phân giải:
- Độ phân giải được định nghĩa là bước cần để hồn thành một vịng quay của trục rotor.
- Độ phân giải càng cao, độ chính xác trogng việc xác định vị trí của đối tượng bằng động cơ sẽ cao hơn.
Độ phân giải = Số lượng bước/vòng quay [9] 4. Tốc độ quay:
Nếu f là tần số bước (hay tần số xung) trong 1 giây (ppspulses per second) và β là góc bước, thì tốc độ ĐC được xác định như sau
n = β x f/ 360 [9] 4.2.2. Bộ phát tia Laser
- Công suất: 2500mW - Màu: Xanh dương - Bước sóng: 445nm
53
4.3. CÁC LOẠI IC, MODULE
4.3.1. Chọn mạch điều khiển trung tâm
Arduino Uno Mach3
Ưu điểm - Chi phí giá thành rẻ, dễ thay thế. - Sử dụng mã nguồn mở GRBL, tương thích được với nhiều phần mềm điều khiển CNC (3dpBurner Sender, Universal Gcode Sender, Grbl Controller,...).
- Hỗ trợ giao tiếp với máy tính qua cổng USB dễ dàng
- Tương thích với phần mềm Mach3.
- Sử dụng được trong các máy lớn công suất cao.
- Hỗ trợ giao tiếp với máy tính qua cổng LPT - Điện áp hoạt động 12-24V. - Hỗ trợ điều khiển 5 trục Nhược điểm - Điện áp hoạt động chỉ từ 6- 20V. - Công suất nhỏ chỉ phù hợp với mơ hình, thí nghiệm.
- Chi phí đầu tư quá cao.
- Khó sửa chữa, thay thế
Chính vì lý do đó nên nhóm quyết định chọn board Arduino Uno R3 làm
board điều khiển trung tâm . Đây là một board cơ bản và thơng dụng bởi giá thành thấp và tính năng tương đối đầy đủ, phù hơp cho việc nghiên cứu, cải tiến và tiến tới thương mại hóa [8]
54
Bảng 4.1 – Thông số kỹ thuật của Board Arduino Uno R3
4.3.2. Driver điều khiển động cơ bước A4988
5. Thơng số - đặc tính kỹ thuật
Điện áp hoạt động 3,3v - 5v
Điện áp điều khiển (VMOT) 8v - 35v
Phù hợp với bộ vi xử lý phức tạp: giao tiếp với A4988 phù hợp với các dòng vi xử lý phức tạp
Vi điều khiển ATmega328P
Điện áp hoạt động 5V
Điện áp vào khuyên dùng 7-12V
Điện áp vào giới hạn 6-20V
Digital I/O pin 14 (trong đó 6 pin có khả năng băm xung)
PWM Digital I/O Pins 6
Analog Input Pins 6
Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA
Flash Memory 32 KB (ATmega328P)
0.5 KB được sử dụng bởi bootloader
SRAM 2 KB (ATmega328P)
EEPROM 1 KB (ATmega328P)
55 Kết hợp với đó là sự linh hoạt trong việc điều khiển moto với 5 chế độ điều khiển: full step | ½ step | 1/4 step | 1/8 step | 1/16 step. [8]
Hình 4.2 – Driver A4988
6. Sơ đồ - Nguyên lý hoạt động
Hình 4.3 – Nguyên lý điều khiển động cơ bước của A4988
Module này có thể điều khiển được vi bước như 1/16 step, 1/8 step, 1/2 step và full step. nếu full step thì bạn cần 200 step để quay hết 1 vòng đối với loại 1.8 độ 1step. Còn nếu dùng chế độ vi bước 1/16 step thì một xung động cơ chỉ dịch chuyển 1,8/16 độ. [8]
Điều khiển bước của động cơ thông qua pin STEP, mỗi xung là tương ứng với 1 bước ( hoặc vi bước)
56
4.3.4. Mạch điều khiển cơng suất Mosfet IRF520
Mosfet có khả năng đóng nhanh với dịng điện và điện áp khá lớn nên nó được sử dụng nhiều trong các bộ dao động tạo ra từ trường Vì do đóng cắt nhanh làm cho dòng điện biến thiên.
Đối với máy CNC laser, khi cần điều khiển công suất cường độ của laser thì cần phải có mạch cơng suất trung gian để kết nối laser với mạch điều khiển (CNC shield,…). [8]
Hình 4.4 – Mosfet IRF520
Dưới đây là sơ đồ mạch điều khiển của Mosfet IRF520
57
4.3.5 Module CNC Shield
Board Arduino CNC shield v3 là board mở rộng của Arduino UNO R3 dùng để điều khiển các máy CNC mini.
Board có 4 khay dùng để cắm các mô đun điều khiển động cơ bước A4988, khi đó board có thể điều khiển 3 trục X, Y, Z (đối với phay CNC) và 2 trục X, Y với máy khắc laser CNC.
Hình 4.6 – CNC Shield
Dưới đây là sơ đồ các chân
58
4.4. SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN “MÁY KHẮC LASER CNC SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ARDUINO” BỘ ĐIỀU KHIỂN ARDUINO”
4.4.1. Sơ đồ khái quát
Sau khi ghép nói các phần tử điện, điều khiển ta được như sau
59
60
4.5. GIỚI THIỆU VÀ HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG MỘT SỐ PHẦN MỀM GIAO TIẾP GIAO TIẾP
4.5.1. Phần mềm xuất CAM
4.5.1.1. Phần mềm 3DP BURNER IMAGE2 GCODE – Phần mềm đặc biệt chuyên dụng để khác tranh laser [10]
3dp burner image2 gcode là một phần mềm mềm được viết bởi hang Cádiz -
Spain của Tây Ban Nha. Đây thực sự là một phần mềm “cực kì hữu ích” để biên dịch
Gcode từ hình ảnh 256-bit (ảnh màu) phục vụ cho quá trình khắc Laser CNC. Để cài đặt phần mềm 3dp burner image2 gcode chỉ cần chuẩn bị máy tính sử dụng hệ điều hành Window XP trở lên.
Đây là giao diện phần mềm 3dp burner image2 gcode sau khi đã cài đặt thành công:
61 Một số chức năng chính của phần mềm
Tab “Image”
+ Brightness: Độ sáng của hình ảnh khắc ra
(khoảng 0 – 20 tùy hình ảnh). Ảnh hưởng tiếp đến chất lượng hình ảnh khắc ra
+ Contrast: Độ tương phàn của hình ảnh. + Ganma: Ảnh hưởng đến độ đậm – mở của