Quan sát thấy được ở biểu đồ trên rằng vít me bi, ở thời điểm khởi đầu để chạy trục vít dạng bi cần một khoảng thời gian nhỏ hơn nhiều so với vít me thường. Vì vậy, vít dạng bi là sự lựa chọn thích hợp nhất.
3.1.3. Lựa chọn cơ cấu dẫn hướng
Thanh trượt vuông
Thanh trượt vng
Ưu điểm: Bởi vì q trình dẫn hướng tuyến tính chịu ảnh hưởng của ma sát lăn của ổ đỡ nên dễ trượt hơn; độ cứng cao; chịu tải tốt; tuổi thọ cao; hiếm khi bị mài mịn; chống rung tốt, dễ bảo trì và sửa chữa.
Nhược điểm: Chi phí cao.
Bên cạnh đó, để dễ dàng gia cơng và lắp đặt, có thể sử dụng các bộ phận có sẵn của cấu trúc dẫn hướng, bao gồm ổ trượt, thanh ray.
Thanh trượt trịn
Hình 3.8: Thanh trượt trịn
Ưu điểm: Thanh trượt, con trượt trịn có độ chính xác cao mà lại có giá thành
phải chăng
3.1.4. Cơ cấu truyền động tích hợp vitme bi-đai ốc và ray trượt.
Hình 3.9: Cấu tạo của LM Guide Actuator Model KR
Tăng độ cứng vững chống moment xoắn.
Có sẳn trên thị trường với nhiều loại kích cỡ khác nhau (Giảm thời gian thiết kế và lắp)
Dễ bảo trì, bảo dưỡng.
Có thể được sử dụng trong mọi hướng lắp đặt.
Giảm dao động tải cho phép hoạt động với độ chính xác cao. Tiết kiệm khơng gian.
Kết luận :
Để tiết kiệm không gian và thời gian khi thiết kế máy CNC mini thay dao tự động đồng thời đảm bảo độ cứng vững và hoạt động êm ái thì nhóm đã chọn cụm cơ cấu truyền động tích hợp vitme và thanh ray trượt. Sử dụng bộ vít me thanh ray trượt của hãng THK, Model Kr cho cả 3 trục X, Y, Z. Riêng trục Y phải chịu tải lớn nên phải thêm 2 thanh trượt ray vuông để tăng độ cứng vững.
3.2. Chọn phần điện
3.2.1. Lựa chọn động cơ
Động cơ trục chính
Bearing (fixed side)
Double-row ball circuit Housing A
Bearing (supported side) Grease nipple Outer rail Stopper Inner block Stopper Housing B
LM Guide + Ball Screw = Integral-structure Actuator
Ball screw
KR
Động cơ trục chính là 1 trong những bộ phận quan trọng góp phần làm nên chất lượng sản phẩm khi gia cơng. Đặc biệt với mục đích chế tạo máy CNC 3 trục thay dao tự động thì động cơ trục chính cịn phải có khả năng kẹp và nhả dao trong quá trình gia cơng chi tiết. Động cơ trục chính có 2 loại:
Động cơ một chiều (DC)
Đối với máy CNC loại nhỏ có thể cân nhắc sử dụng động cơ một chiều (DC), động cơ DC có moment khởi động lớn, dễ điều khiển chiều và tốc độ tuy nhiên dải tốc độ điều khiển hẹp và cần phải có mạch nguồn riêng nên chỉ áp dụng cho các loại máy CNC nhỏ hoặc mơ hình, gồm có 2 loại.
Hình 3.10: Động cơ khơng chổi than và động cơ một chiều có chổi than 775
Động cơ một chiều có chổi than
Ưu điểm: giá thành rẻ, dễ điều khiển
Nhược điểm: ồn, nóng khi hoạt động, tuổi thọ động cơ không cao
Động cơ một chiều không chổi than
Ưu điểm: cho phép điều khiển tốc độ và mômen động cơ dễ dàng, chính xác
hơn, hoạt động êm ái
Nhược điểm: giá thành khá đắt
Động cơ xoay chiều (AC)
Nếu dùng động cơ xoay chiều do sử dụng nguồn trực tiếp từ điện lưới 220V, chúng đa dạng, phong phú về chủng loại, và mạch điều khiển nhiều mức tốc độ phức tạp, có thể sử dụng biến tần để điều khiển.
Hình 3.11: Động cơ servo xoay chiều không chổi than BTD4 0860
Động cơ xoay chiều chiều gồm 2 loại:
- Động cơ một xoay chiều lồng lồng sốc không đồng bộ, dùng biến biến tần để điều khiển, có kích thước lớn,
- Động cơ Servo tốc độ cao có hồi tiếp, giúp điều khiển chính xác tốc độ động cơ nhưng giá thành rất đắt, kích thước rất lớn
Kết luận:
Nhóm lựa chọn Spindle NSK Nakanishi Nr40-5000 ATC sử dụng CHB collet là loại spindle dạng tích hợp (Lý do được nêu ở phần 3.2.4)
Hình 3.12: Spindle NSK Nakanishi Nr40-5100 ATC.
Trục xoay NSK này được thiết kế đặc biệt để thay thế công cụ dễ dàng. Cơng cụ cắt có thể được trao đổi tự động bằng cách cung cấp khơng khí cho trục chính. Trục xoay NSK có độ chính xác cao này sử dụng vịng bi có độ chính xác cao. Collet Chuck được bán riêng.
Tốc độ động cơ cho phép: 50.000 vòng / phút. Khơng khí để mở Collet: 6 đến 8 Kg/cm2. Trọng lượng: 1.3 Kilogram.
Sử dụng nguồn DC 24v 20A
Hình 3.13: Động cơ trục chính
Động cơ dùng cho trục X, Y, Z:
Động cơ truyền động cho 3 trục của máy CNC thường được chọn là động cơ bước hoặc động cơ servo. Trước hết, nên so sánh những đặc điểm của 2 loại động cơ này.
Động cơ bước Động cơ servo
Mạch driver
Đơn giản (người dùng có thể chế tạo chúng) Phức tạp (người sử dụng phải mua mạch driver từ các nhà sản xuất) Nhiễu, rung động Đáng kể Rất ít Tốc độ Chậm (tối đa 1000-2000
vòng/p) Nhanh (tối đa 3000-5000
vòng/p) Hiện tượng
trượt bước Có thể xảy ra
Khó xảy ra (Động cơ vẫn chạy trơn tru nếu tải đặt vào tăng)
Phương pháp điều khiển Vịng hở (khơng có encoder) Vịng kín (có encoder) Giá thành (Động cơ + driver)
100 nghìn – 2 triệu đồng Trên 1,5 triệu đồng
Độ phân giải
Phổ biến là loại 1.8o(200 bước/v), cịn có bước góc nhỏ hơn như 0.72 o, 0.36 o
Phụ thuộc độ phân giải của encoder.
Thông thường vào hoảng 0.36÷0.036° (1000÷10000 xung/v)
Bảng 3.1. So sánh 2 động cơ
Kết luận:
Khi xem xét đến số lượng động cơ sử dụng (3 cái) để xét đến giá thành và mục đích sử dụng, nhóm quyết định dùng động cơ bước.
3.2.2. Đề 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 dòng 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 không 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 q 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 ngoài tiết kiệm không 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 công 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 không 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 khơng 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 công, 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
Ngồi 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 thông 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 còn lại và tiến hành lắp ráp mô 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