Chương 3 : PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
3.2. Chọn phần điện
3.2.2. xuất phương án mạch điện tủ điện
Trong máy CNC một bộ phận quan trọng khác cần được thiết kế, chế tạo một cách cẩn thận đó là các mạch điện. Đầu tiên phải nói đến mạch nguồn, nó có nhiệm vụ chuyển điện lưới xoay chiều 220V thành điện một chiều với điện áp thấp để cung cấp năng lượng cho các mạch điện và thiết bị điện khác hoạt động.
Tiếp theo là lựa chọn các driver để điều khiển động cơ bước, sau đó lựa chọn loại bo mạch điện sử dụng cho máy CNC 3 trục tích hợp giao tiếp máy tính thơng qua cổng LPT
Các Fan tản nhiệt lắp trong tủ điện để giúp cho quá trình tản nhiệt các thiết bị điện được hoạt động mượt mà, hạn chế quá nóng dẫn đến hư hỏng cháy nổ
Các nút chức năng Estop, ON/OFF, START, CB tổng …
Hình 3.14 Vị trí bố trí thiết bị điện
Bố trí các thiết bị điện bên trong tủ điện :
Hình 3.15 Các thiết bị trong tủ điện
3.2.3. Lựa chọn cơng tắc hành trình và cảm biến Home cho máy
Cơng tắc hành trình
Đối với cơng tắc hành trình thì nó được ứng dụng nhiều trong việc giới hạn chuyển động và giới hạn hành trình xy lanh, cơng tắc của cửa máy giặt,….
Ưu điểm của nó sẽ là khả năng chịu đựng dịng lớn, giá cả hợp lý
Nhược điểm của nó sẽ là thời gian đáp ứng của nó chậm, cần có sự tác động
của vật đối với cơng tắc hành trình. Cảm biến quang
Đối với cảm biến quang nó được ứng dụng nhiều trong cơng nghiệp trong việc xác định vật thể nằm trong lọ trong suốt, đếm số lượng lon khi nó đang nằm trên băng chuyền, điều khiển cổng của bãi đậu xe,….
Ưu điển của cảm biến quang
Nhận biết được hầu hết các loại vật liệu
Khả năng nhận biết được những vật ở xa tới 100m Thời gian đáp ứng nhanh và tuổi thọ của nó cao Độ chính xác cao
Nhược điểm của nó chính là
Cảm biến sẽ hoạt động khơng tốt nếu như bề mặt của nó bị bẩn
Khoảng cách nhận biết vật phụ thuộc nhiều về yếu tố màu sắc và hệ số phản xạ của vật đó.
Do trong phần mêm Mach 3 có hỗ trợ Soft Limits ( giới hạn hành trình các trục) nên khơng cần dùng cơng tắt hành trình mà khơng lo máy chạy q hành trình khả dụng
Cảm biến home yêu cầu độ chính xác rất cao, vì các tọa độ khi thay dao đều dựa vào tọa độ của máy để thiết lặp, nếu sai số quá lớn sẽ khơng thay dao đươc, Vì vậy nhóm chọn cảm biến quang làm cảm biến home cho máy
Kết luận
Sau khi tham khảo giá các driver điều khiển động cơ bước và các mạch điều khiển Mach 3, nhóm chọn:
Driver điều khiển TB6600 là Driver rất phổ biến dùng cho máy CNC, máy tự động hóa
Phần mạch điện dùng 2 BOB Mach3 5 Trục 1 relay để nhận và cấp tín hiệu điều khiển cho máy
3.3. Lựa chọn phương án kẹp dao khi thay dao tự đông
Các kiểu kẹp dao của ATC spindle
Trên thị trường có nhiều loại động cơ ATC, xét về cấu tạo thì có 2 loại chính là: Spindle cartridge: kẹp dao gián tiếp, có phần kẹp,nhả dao tách rời với động cơ, được động cơ kéo thơng qua bộ truyền dai, có kích thước lớn, cồng kềnh, thường chế tạo theo chuẩn BT: BT30,BT40,...
Hình 3.14: Bt30 atc spindle cartridge
Spindle built in: kẹp dao trực tiếp có phần kẹp, nhả dao tích hợp với động cơ, , kẹp trực tiếp vào cán dao, do đó chỉ sử dụng dao có đường kính cố định, kích thước nhỏ gọn phù hợp với máy CNC mini
Hình 3.15: Bt30 atc spindle built in motor spindle
Sau khi cân nhắc, nhóm đã chọn phương án kẹp dao trực tiếp là phù hợp bởi sự nhỏ gọn của spindle built in, tiết kiệm không gian, cụ thể nhóm đã chọn Spindle NSK Nakanishi Nr40-5100 ATC.
Hình 3.16: Spindle NSK Nakanishi Nr40-5100 ATC.
3.3.1. Lựa chọn dạng ổ dao
Phương án 1: Ổ dao dạng trống xoay 90° đặt trên trục Z
Hình 3.17: Ổ dao dạng trống
Ưu điểm: Thay dao với tốc độ nhanh tiết kiệm thời gian, ổ dao linh động dễ
di chuyển. Khi không cần thay dao, ổ dao sẽ di chuyển ra ngồi tiết kiệm khơng gian.
Nhược điểm: Thiết kế dang ổ dao này khá phức tạp, chi phí chế tạo cao.
Chiếm nhiều diện tích của máy mini khó di chuyển khí máy đang gia cơng. Phương án 2: Ổ dao dạng tĩnh đặt ngang trên trục Y
Ưu điểm: Không chiếm qua nhiều không gian làm việc của máy. Kết cấu
đơn giản, dễ chế tạo khơng chiếm nhiều diện tích trên trục máy mini
Nhược điểm: Chiếm một khoảng hành trình gia khi gia cơng của trục Y.
Giới hạn chiều dài dao với cụm trục Z.
Phương án 3: Ổ dao dạng tĩnh đặt cố định trên trục X dung xilanh để di chuyển ổ dao
Ưu điểm: Không ảnh hưởng để không gian khi gia công của máy.
Nhược điểm: Rung động của spindle ảnh hương để sai số gia công chi tiết Kết luận
Sau khi xem xét kỹ lưỡng cả 3 phương án, nhóm đã quyết định chọn phương án 2 (Ổ dao dạng tĩnh đặt ngang trên trục Y) vì đây là phương án phù hợp nhất cho việc tiết kiệm khơng gian. Thuận lợi cho việc bố trí ổ dao cho việc thay dao tự động của máy mini.
3.4. Lựa chọn phương án đo dao trên máy CNC mini thay dao tự động
Đối với các máy gia công sử dụng điều khiển CNC, việc ứng dụng tính năng tự động thay đổi dao cụ để thay chuyển nguyên công cắt gọt đã trở thành phổ biến và mang lại hiệu quả to lớn. Quá trình thay đổi dao từ nguyên công này sang nguyên công khác làm phát sinh sai số gia cơng bởi nhiều yếu tố trong đó yếu tố quan trọng phải kể đến là việc xác định và thiết lập tham số bù kích thước hình học giữa các dao ln có sai số nhất định, đặc biệt khi quá trình cài đặt tham số bù dao được tiến hành một cách thủ cơng và phụ thuộc chủ yếu vào sự chính xác trong thao tác của người vận hành. Bên cạnh đó độ mịn dao trong phạm vi cho phép không được bù kịp thời cũng làm gia tăng sai số gia cơng. Ngồi yếu tố về sai số kích thước gia cơng, q trình xác định lượng bù dao cũng mất nhiều thời gian do đó làm giảm năng suất máy.
3.4.1. Đo dao tiếp xúc thủ công
Ưu điểm: Giá thành thấp, dùng trong sản xuất đơn chiếc. Nhược điểm:
Kết quả đo thiếu chính xác
3.4.2. Đo chiều dài dao tiếp xúc tự động
Khi máy ở trạng thái hoạt động gia cơng, tay đo được kéo thu về vị trí an tồn và đầu đo được bảo vệ trong vỏ che kín đảm bảo tránh nước, phoi và bụi bẩn.
Bàn máy di chuyển mang mũi dao cụ cần đo tới vị trí liền kề đầu tiếp xúc và thực hiện tiếp xúc dao theo hướng các trục tọa độ của máy. Tại mỗi vị trí tiếp xúc, đầu đo chuyển tín hiệu về bộ điều khiển để tính tốn các giá trị cần thiết và cài đặt vào hệ thống
Kết thúc quá trình đo dao, bàn máy và tay đo được đưa về vị trí an tồn. Q trình nâng hạ tay đo có thể thực hiện bằng tay hoặc tự động.
Hình 3.18: Hệ thống đo chiều dài dao tiếp xúc và đầu đo dao thực tế
Ưu điểm:
Tiết kiệm được thời gian dừng máy để thay dao mới. Kết quả đo chính xác.
Nhược điểm: Giá thành đầu tư ban đầu tương đối lớn.
Kết luận: Sau khi tham khảo các phương án đo chiều dài dao, kết hợp với
việc thiết kế bố trí ổ dao phương án thay dao, đồng thời xem xét tới khả năng làm việc và mục tiêu ứng dụng. Nhóm đã quyết định lựa chọn phương án do dao thủ công kết hợp Offset chiều dài dao trực tiếp trên phần mêm thông qua việc khai báo trong cửa sổ Offset tool. Tương tự như việc bù chiều dài dao trực tiếp trên phơi.
Hình 3.19: Giao diện Offset chiều dài dao
Ngoài ra khi thiết kế tới q trình kẹp dao của Spindle nhóm đã lựa chọn phương án thiết lập cữ kẹp dao của Spindle lên dao bằng phương pháp thủ công. Dựa trên thông số đầu kẹp dao của Spindle NKS nhóm đã lựa chọn thơng số kẹp của Spindle là : 18mm tính từ đầu dao. Nhóm đã sử dụng vịng đệm cố định vị trí chiều dài kẹp trên than dao để đảm bảo độ chính xác cũng như tiết kiệm chi phí.
Chương 4: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MÁY CNC 3 TRỤC
Thiết kế là công đoạn rất quan trọng trong chế tạo máy, nó định hình ý tưởng, vị trí tổng quan các chi tiết, đồng thời thơng qua bản thiết kế có thể đánh giá được tính hợp lí và khả thi của tồn bộ dự án.
Quy trình thiết kế mơ hình máy phay CNC được tiến hành như sau: Lên ý tưởng thiết kế ban đầu.
Tìm nơi mua vật tư.
Vẽ 3d lại các chi tiết đã mua trên phần mềm Inventor 2019 Thiết kế các chi tiết máy cịn lại và tiến hành lắp ráp mơ phỏng.
Lắp ráp mô phỏng và phân rã bộ phận máy trên phần mềm Inventor 2019. Tiếp tục chuẩn bị vật tư cho quá trình chế tạo.
Tiến hành chế tạo, lắp ráp máy như thiết kế.
Canh chỉnh độ song song và vng góc giữa các trục. Sơn phủ thân máy.
Lắp spindle và các hệ thống dây nguồn, dây dẫn khí. Lắp ráp hệ thống điện, và tủ điện.
Chạy thử nghiệm.
Kiểm tra và điều chỉnh lại độ song song, vng góc giữa các trục cũng như độ chính xác khi điều khiển bằng Mach 3.
Máy CNC có phần cụm trục Z được bố trí lên thân trục X. Sau khi đã có những hình dung ban đầu về mơ hình, tiến hành vẽ phác các ý tưởng đó trên giấy, đặt ra những yêu cầu ban đầu của máy từ đó tiến hành ước lượng kích thước cơ bản của các trục, kích thước này chưa cần chính xác nhưng nó làm tiền đề để chuẩn bị vật tư.
Bước tiếp theo là tìm các cửa hàng bán linh kiện máy CNC, vì nhìn chung thị trường trong nước không được đa dạng về các linh kiện máy CNC nên cần chuẩn bị đầy đủ thông tin các chi tiết, như thế sẽ dễ dàng cho q trình tính tốn và thiết kế sau này.
4.1. Thiết kế và lắp đặt các chi tiết:
4.1.1. Lựa chọn thanh trượt vuông:
Lựa chọn thanh trượt cho thệ thống của máy địi hỏi qua rất nhiều cơng đoạn để đảm bảo chọn được loại thanh trượt phù hợp yêu cầu độ chính xác, khả năng chịu tải, thời gian làm việc…
Tùy thuộc vào khối lượng mà thanh trượt chịu tải mà chọn thanh trượt cho phù hợp. Có nhiều kích thước thanh trượt, tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng mà chọn kích thước cho phù hợp.
Hình 4.1: Các loại thanh trượt vng
Q trình tính tốn của thanh trượt khá phức tạp, trải qua rất nhiều bước, kết quả của các bước liên kết với nhau, bước trước là đầu vào cho bước tính tiếp theo và kết quả cuối cùng là tính được tuổi đời của thanh trượt
Hình 4.2: Quy trình tính tốn
Tính tải trọng ngồi tác dụng lên khối trượt theo các hướng Tính tải tương đương Tính tốn tải trung bình Tính hành trình phục vụ của thanh trượt Kiểm tra hệ số an toàn
Khi đặt tải ngoài lên thanh trượt, tương ứng xuất hiện các giá trị MA, MB, MC, ta có thể tính được lực tác dụng lên khối trượt theo các hướng P = K*M, với K là các hệ số tra bảng tùy theo từng loại thanh trượt. Đối với bài tốn cụ thể cần tính lực tác dụng khi tải chuyển động đều, tăng tốc và giảm tốc. Sau đó, cần tính tải tương đương tác dụng lên khối trượt: PE = PR+PT, tiếp theo tính tải trọng trung bình (xét cả 3 quá trình chuyển động đều, khi tăng tốc và giảm tốc).
Với Pm: Tải trọng trung bình (N)
Pn: Tải tương đường theo các phương (N) L: Hành trình của thanh trượt (mm)
Ln: Hành trình chịu tải Pn (mm) Hệ số an toàn tĩnh:
Với Co: Là tải trọng tĩnh là thông số đặc trưng cho từng thanh trượt.
Đối với máy công cụ, nếu khơng có rung động và va đập thì Fs ≥ 1÷1.5, nếu có rung động Fs ≥ 2.5÷7.
Hai thanh trượt Y chịu tải lớn hơn, nên chỉ cần tính khả năng chịu tải cho 2 thanh trượt Y. Dựa vào thiết kế thì cả 2 thanh trượt cùng chịu tải trọng khoảng 100N (tức là mỗi thanh chịu 50N). Thanh trượt được chọn có tải trọng tĩnh Co ~ 13.5kN, ứng với hệ số an tồn tĩnh Fs =10, thì tải trọng lớn nhất cho phép là: Pmax = Co/Fs = 13500 / 10 = 1350 N.
Đối với thanh trượt bi, tuổi thọ được tính theo hành trình mà nó duy chuyển được trong suốt thời gian phục vụ.
Với L: Hành trình phục vụ (km). C: Tải trọng động (N). Pc: Tải trọng trung bình (N).
FH, fT, fC, fW: Các hệ số độ cứng, nhiệt độ, va chạm, hệ số tải.
Nếu tuổi thọ của thanh trượt tính ra khơng phù hợp với nhu cầu sử dụng thì cần thay đổi loại thanh trượt. Một thông số quan trọng khác khi chọn thanh trượt là preload- là tải trọng ban đầu đặt lên khối trượt nhằm khử khe hở và tăng độ cứng vững. Thanh trượt có hỗ trợ preload cao thì độ chính xác và cứng vững cao hơn và giá thành cũng đắt hơn.
Độ chính xác của thanh trượt được chia ra làm nhiều cấp khác nhau tùy theo từng loại, đối với ứng dụng cho máy CNC thì nên sử dụng độ chính xác P
(Precision grade) hoặc SP (Super Precision grade) Đây cũng là một thông số khá quan trọng để lựa chọn thanh trượt phù hợp.
Tùy vào điều kiện làm việc của thanh trượt có thể có thêm một số tùy chọn khác khi mua thanh trượt như chống ăn mịn-loại thanh trượt có phủ crom, thanh trượt có bố trí thêm các tấm chặn bụi xâm nhập.
4.1.2. Lựa chọn bộ truyền động tích hợp vít me-đai ốc bi và ray trượt
Máy phay CNC yêu cầu hệ thống dẫn động có độ cứng vững cao, độ hao phí ít do đó chọn bi kiểu lưu chuyển bi ngồi.
Khi chọn vít me điều đầu tiên xác định máy làm cần độ chính xác bao nhiêu, dựa vào cấp chính xác mong muốn rồi tra catalogue của hãng sản xuất để lựa chọn cấp chính xác tốt nhất.
Lựa chọn chiều dài bộ truyền động tích hợp vít me-đai ốc bi và ray trượt căn cứ vào khơng gian cần gia cơng mà chọn.
Hình 4.3: Tra cứu catalogue hãng THK
Bước ren của vitme có thể chọn theo kinh nghiệm: Đối với máy cần độ chính xác cao có thể sử dụng vitme ngắn với bước ren nhỏ, còn đối với vitme dài hơn 1200mm, dùng cho máy cần tốc độ cao thì có thể chọn bước ren lớn hơn 10mm, 20mm… Ngồi ra ta có thể tính theo cơng thức sau:
Với Vmax là tốc độ di chuyển lớn nhất (mm/s), Nmax là tốc độ quay lớn nhất(vòng/s).
Sau khi chọn bước ren ta tra trong catalogue để chọn đường kính của vít me cho phù hợp với bước ren, đồng thời đường kính ngồi của vít me có liên hệ với chiều dài vít me thơng qua cấp chính xác.
Vít me bi có 3 kiểu lắp đặt: Fixed–fixed, fixed–support, fixed-free. Fixed-free: Có kết cấu đơn giản, khơng cần độ chính cao.
Hình 4.4: Lắp ghép kiểu fixed-free
Fixed-fixed: Có kết cấu phức tạp, yêu cầu lắp đặt phải chính xác cao nếu khơng dễ gãy vít me.
Hình 4.5: Lắp ghép kiểu fixed-fixed
Fixed-support: Kết cấu đơn giản, được sử dụng nhiều trong thực tế.
Nếu xét về khả năng chịu tải trọng dọc trục, độ cứng vững và tốc độ quay tối đa cho phép thì kiểu lắp fixed-fixed là tốt nhất, kiểu lắp fixed-free là kém nhất. Nếu xét