2.2.2.1. Phân loại theo dạng điều khiển
a. Điều khiển theo vị trí
Hệ điều khiển theo vị trí hay cịn gọi là hệ điểu khiển điểm – điểm (point to point). Chức năng chính của hệ điều khiển theo vị trí là chuyển động nhanh dụng cụ từ điểm này đến điểm khác đã được định trước để gia cơng với độ chính xác vị trí cao. Quá trình gia cơng khơng xảy ra khi máy thực hiện việc dịch chuyển từ điểm này đến điểm khác. Hệ điều khiển kiểu này thường dùng trong các máy khoan, doa, đục lỗ… Để thực hiện chuyển động dụng cụ từ điểm này đến điểm khác tiếp theo, ta cĩ thể cĩ các cách như sau:
–Chuyển động dụng cụ song song với trục của hệ tọa độ
Y YA O X B A YB XA XB Đường chuyển động dụng cụ Đường chuyển động dụng cụ XB XA YB A B X O YA Y
Hình 2.5. Hai phương án chuyển động dụng cụ song song trục của hệ tọa độ
– Chuyển động dụng cụ nghiêng gĩc 45° Y YA O X B A YB, XA XB Đường chuyển động dụng cụ K 45° XK YK
– Chuyển động dụng cụ theo đường thẳng Đường chuyển động dụng cụ XB XA YB A B X O YA Y
Hình 2.7. Phương án chuyển động dụng cụ theo đường thẳng
Để cĩ thể điều khiển cho bàn máy dịch chuyển đưa dụng cụ đi theo phương một đường thẳng bất kỳ ta sẽ phải cần dùng đến thuật tốn nội suy thẳng.
Thuật tốn nội suy bao gồm nội suy thẳng và nội suy trịn; cĩ nhiều phương pháp để thực hiện được thuật tốn này như phương pháp hàm đánh giá hay phương pháp tích phân số…và mỗi phương pháp ta cĩ thể thực hiện bằng cả 2 cách là bằng phần cứng và bằng phần mềm. Ta sẽ bàn về vấn đề nội suy ở những chương sau kỹ hơn.
b. Đường dẫn dụng cụ liên tục
Kiểu dẫn dụng cụ liên tục là kiểu mà quá trình chuyển động dụng cụ từ điểm này đến điểm tiếp theo đồng thời với quá trình gia cơng. Hệ điều khiển dẫn dụng cụ liên tục cịn được gọi là hệ contour.
Với cách điều khiển đường dẫn dụng cụ liên tục, tất cả các trục đồng thời chuyển động nhưng tốc độ khác nhau.
2.2.2.2. Phân loại theo cấu trúc điều khiển
Theo cấu trúc điều khiển ta cĩ thể chia thành hai hệ: hệ NC và hệ CNC.
Hệ NC thực hiện các hàm chức năng cơ bản bằng các mạch điện tử, muốn thay đổi cấu trúc điều khiển thì phải thiết kế lại mạch khác do đĩ hệ NC cịn được gọi là hệ điều khiển cứng. Tín hiệu điều khiển dùng trong hệ NC là xung điện áp.
Hệ CNC sử dụng một máy tính (cĩ đầy đủ bộ nhớ ROM, RAM, thiết bị giao tiếp, thiết bị lưu trữ…) để điều khiển máy, các hàm chức năng của máy cĩ thể được lập trình lại bằng những phần mềm chuyên dụng, khi cần thay đổi cấu trúc điều khiển thì ta chỉ cần thay đổi chương trình do đĩ hệ CNC mang tính linh hoạt rất cao và nĩ là
một tế bào khơng thể thiếu trong FMS (Flexible Manufacturing System – Hệ thống sản xuất tự động linh hoạt).
2.2.2.3. Phân loại theo kiểu điều khiển a. Hệ điều khiển hở a. Hệ điều khiển hở
Hệ điều khiển hở là hệ khơng cĩ mạch phản hồi và kết quả hoạt động của hệ khơng được kiểm sốt.
Ví dụ về sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển hở sử dụng động cơ bước:
Hình 2.8. Sơ đồ khối hệ điều khiển hở dùng động cơ bước
Nhược điểm cơ bản của hệ điều khiển hở là nĩ rất nhạy với sự biến đổi của tải trọng, bởi vì hàm điều khiển khơng phụ thuộc vào thời gian thực. Khi tải thay đổi, tốc độ chuyển động cũng thay đổi theo, hệ điều khiển khơng cĩ khả năng tự điều chỉnh để phù hợp với tải trọng mới.
Ngồi ra hệ điều khiển hở cịn chịu ảnh hưởng do thay đổi nhiệt độ, bơi trơn và các yếu tố bên ngồi khác.
Ưu điểm của hệ thống điều khiển hở là việc thiết kế và chế tạo mang tính đơn giản, giá thành thấp…
b. Hệ thống điều khiển kín
Sự khác nhau cơ bản giữa hệ thống điều khiển kín và điều khiển hở là ở chỗ trong hệ thống điều khiển kín cĩ mạch phản hồi. Hệ thống phản hồi dùng để đo vị trí và tốc độ thực tế của trục và so sánh chúng với vị trí và tốc độ yêu cầu. Sự khác nhau giữa giá trị thực và giá trị yêu cầu là sai số, sai số này tác động lên hệ thống điều khiển làm cho hệ thống điều khiển tự động điều chỉnh lại tín hiệu điều khiển ở ngõ ra theo hướng sao cho sai số đĩ giảm xuống.
Sơ đồ khối của hệ điều khiển kín được trình bày như hình dưới: Tín hiệu vào Bộ nhớ + Chương trình điều khiển + Chương trình phục vụ + Chương trình gia công Chương trình điều khiển trình tự Tín hiệu lệnh điều khiển
Khuếch đại Khuếch đại Điều khiển CNC Trục Y Trục X CPU Động cơ trục X Động cơ trục Y Cảm biến tốc độ, vị trí... Cảm biến tốc độ, vị trí...
2.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.3.1. Các phương án thiết kế 2.3.1. Các phương án thiết kế 2.3.1.1. Phương án 1: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.10. Mơ hình thiết kế 1 máy CNC.
Hoạt động: Sử dụng 3 trục tọa X, Y, Z. Hoạt động theo nguyên tắc là biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của trục máy theo các hệ trục tọa độ nhờ trục vít me – bi. Tịnh tiến của máy là cơ cấu trượt ổ bi thanh trượt.
Ưu điểm: – Vật liệu là gỗ dễ tìm, giá thành rẻ. – Lắp ghép đơn giản. Nhược điểm: – Vật liệu bằng gỗ nên tính bền thấp. – Trượt bằng ổ bi độ chính xác thấp, ma sát lớn. – Tính thẩm mỹ thấp.
2.3.1.2. Phương án 2:
Hình 2.11. Mơ hình thiết kế 2 máy CNC.
Hình 2.12 Cơ cấu trượt
Hoạt động:
Sử dụng 3 trục tọa X, Y, Z. Hoạt động theo nguyên tắc là biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của trục máy theo các hệ trục tọa độ nhờ trục vít me – đai ốc bi. Tịnh tiến theo trục X, Y, Z là cơ cấu trượt bằng ổ bi lăn.
Ưu điểm:
– Khung máy bằng sắt nên độ cứng vững cao. – Vật liệu dễ tìm.
– Cĩ thể canh, chỉnh độ đồng tâm của trục vít là nhờ vào cơ cấu giữ trục dẫn hướng.
Nhược điểm:
– Trượt bằng ổ bi độ chính xác thấp, ma sát lớn. – Giá thành cao.
– Lắp ghép phức tạp. – Hiệu suất làm việc thấp.
2.3.1.3. Phương án 3:
Hình 2.13. Mơ hình thiết kế 3 máy CNC.
Hoạt động:
Sử dụng 3 trục tọa X, Y, Z. Hoạt động theo nguyên tắc là biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của trục máy theo các hệ trục tọa độ nhờ trục vít me – đai ốc bi. Tịnh tiến theo trục X, Y, Z là cơ cấu trượt bằng ổ bi trượt trên trên thanh sắt ti.
Ưu điểm:
- Khung máy bằng sắt nên độ cứng vững cao.
- Cơ cấu trượt là ổ bi trượt nên độ chính xác cao, dẫn hướng tốt, ma sát nhỏ, độ bền cao.
- Mơ hình gọn, tính thẩm mỹ cao.
- Cĩ thể canh, chỉnh độ đồng tâm của trục vít là nhờ vào cơ cấu dữ trục dẫn hướng. - Bàn máy được đặt cố định với khung dưới của máy. Dễ dàng khi kẹp chi tiết
gia cơng.
- Dễ dàng tháo lắp và bảo dưỡng. - Dễ điều khiển, linh động.
Nhược điểm:
- Giá thành cao, vật liệu khĩ tìm.
- Cơ cấu chuyển động theo trục Z chưa được hồn hảo.
2.3.1.4. Kết luận
Theo ưu và nhược điểm của các phương án trên. Phương án 3 là phương án được khắc phục từ nhược điểm của phương án 1 và 2. Phương án 3 là phương án được lựa chọn và thiết kế trong đồ án này của chúng em. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.3.2. Phân tích, lựa chọn động cơ và trục vít me.
2.3.2.1. Động cơ dẫn động hai trục chính X, Y và trục Z a. Động cơ bước (Stepping Motor) a. Động cơ bước (Stepping Motor)
Ưu điểm:
- Điều khiển vị trí, tốc độ chính xác và đơn giản. - Khơng cần mạch phản hồi.
- Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC.
Nhược điểm:
- Giá thành cao. - Momen xoắn nhỏ.
Hình 2.15 .Động cơ bước
b. Động cơ servo:
Hình 2.16. .Động cơ Servo
Ưu điểm:
- Nếu tải đặt vào động cơ tăng, bộ điều khiển sẽ tăng dịng tới cuộn dây động cơ giúp tiếp tục quay. Tránh hiện tượng trượt bước như trong động cơ bước.
- Cĩ thể hoạt động ở tốc độ cao.
Nhược điểm:
- Đơng cơ servo hoạt động khơng trùng khớp với lệnh điều khiển bằng động cơ bước. - Giá thành cao.
c. Kết luận
Trong đề tài để đơn giản về phần điều khiển nhĩm em chọn sử dụng động cơ bước.
Hai trục chính X và Y
Ta chọn động cơ bước làm động cơ dẫn động cho hai trục chính, vì hai trục chính cần điều khiển vị trí, tốc độ chính xác. Các thơng số chính của động cơ bước như sau: Nơi xuất xứ Nhật Bản Tên A5956-9412K Số pha 2 Số dây 6 Bước gĩc (độ) 1,8 Dịng điện (A) 2,9
Điện trở cuộn dây (ohms) 1,15
Chiều dài (mm) 86 Chiều rộng (mm) 86 Kích thước động cơ Độ dày (mm) 68 Đường kính trục (mm) 14 Chiều dài trục (mm) 34 Trọng lượng (gram) 1780 Trục Z
Ta chọn động cơ bước cĩ cơng suất nhỏ hơn để thuận tiện cho việc phát triển đề tài, điều khiển trục Z đơn giản hơn 2 trục cịn lại.
Các thơng số của động cơ Tên Momen xoắn(Nm) Điện trở cuộn dây(ohm) Bước gĩc(độ) Dịng/ pha (A) PK268-02A 1.35 2.25 1.8 2
2.3.2.3. Bộ truyền, biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến: Bộ truyền vít me bi Bộ truyền vít me bi
Hình 2.18. Kết cấu vít me –bi chuyên dùng cho máy CNC.
Ưu điểm:
– Ứng suất tiếp xúc nhỏ.
– Đã cĩ sẵn kết cấu khử khe hở và tạo sức căng ban đầu nhằm tăng độ cứng vững dọc trục.
– Ma sát nhỏ.
– Hiệu suất làm việc cao. – Làm việc êm, khơng ồn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhược điểm:
– Giá thành cao, vít bi khĩ chế tạo, cần cĩ đường dẫn hồi bi. – Khĩ tìm trên thị trường.
c. Kết luận:
Mơ hình cần độ chính xác cao và tốc độ đáp ứng nhanh nên,làm việc êm, khơng ồn, độ cứng vững dọc trục cao, Do đĩ đối với bộ truyền chúng em chọn bộ truyền vít me – bi.
2.3.2.2. Động cơ phay a. Động cơ xoay chiều a. Động cơ xoay chiều Ưu điểm:
– Cấp nguồn trực tiếp từ điện lưới xoay chiều. – Đa dạng và rất phong phú về chủng loại. – Giá thành rẻ.
Nhược điểm:
– Phải cĩ mạch cách ly giữa phần điều khiển và phần chấp hành để đảm bảo an tồn.
– Momen khởi động nhỏ.
– Mạch điều khiển tốc độ phức tạp (biến tần).
b. Kết luận
Đối với đề tài này, chúng em hướng về phương án phay trên gỗ nên chọn động cơ xoay chiều. Loại động cơ này cĩ tốc độ cao, momen lớn, phù hợp với việc phay gỗ.
Hình 2.19.Động cơ phay
Động cơ cĩ thơng số như sau:
Hãng sản xuất Makita
Cơng suất(W) 380
Tốc độ khơng tải(vịng trên phút) 30,000 Đường kính mũi phay(mm) 6
Trọng lượng(kg) 1.7
Tần số(Hz) 50-60
2.3.3. Thiết kế, chế tạo phần cơ khí 2.3.3.1. Vật liệu chế tạo máy phay CNC 2.3.3.1. Vật liệu chế tạo máy phay CNC
Thép
Khung máy được chế tạo bởi các thép hình hộp chữ nhật kích thước 30x60 mm và 20x20mm, được hàn cố dịnh với nhau tao thành các khung .
Trục dẫn hướng trục Y là thép đặc φ 25mm, trục dẫn hướng trục X là thép đặc
φ16mm, trục dẫn hướng trục Z là thép đặc φ10mm.
Thép là vật liệu điển hình thuộc nhĩm vật liệu kim loại, được sử dụng nhiều trong các cơng trình cầu, đường sắt và cơng trình xây dựng. Chúng cĩ ưu điểm là cường độ chịu lực cao, lớn nhất trong các vật liệu xây dựng, nhưng dễ bị tác dụng ăn mịn của mơi trường. Thép là hợp kim sắt - các bon, hàm lượng các bon < 2%.
Theo hàm lượng các bon chia ra:
– Thép các bon thấp : hàm lượng các bon ≤ 0,25%.
– Thép các bon trung bình : hàm lượng các bon 0,25 - 0,6%. – Thép các bon cao : hàm lượng các bon 0,6 - 2%.
– Khi tăng hàm lượng các bon, tính chất của thép cũng thay đổi: Độ dẻo giảm, cường độ chịu lực và độ giịn tăng. Để tăng cường các tính chất kỹ thuật của thép cĩ thể cho thêm những nguyên tố kim loại khác như: mangan, crơm, niken, nhơm, đồng...
Theo tổng hàm lượng các nguyên tố kim loại thêm vào chia ra: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
– Thép hợp kim thấp: Tổng hàm lượng nguyên tố kim loại khác ≤ 2,5%. – Thép hợp kim vừa: Tổng hàm lượng nguyên tố kim loại khác 2,5-10%. – Thép hợp kim cao: Tổng hàm lượng nguyên tố kim loại khác > 10%.
Vì khung máy cũng ít chịu lực, tải trọng nặng nên ta chọn thép các cacbon trung bình làm vật liệu chế tạo khung máy phay CNC.
Trục dẫn động cần cĩ độ cứng vững cao, chịu lực lớn, độ mài mịn cao trong quá trình làm việc vì thế ta chọn thép các bon cao để đảm bảo độ bền.
Hình 2.21. Thép ống
Que hàn
Que hàn nĩng chảy là loại điện cực mà lõi làm bằng kim loại (thép, gang, dồng, nhơm,...) bên ngồi cĩ một lớp thuốc bọc. Khi hàn que hàn sẽ bổ sung kim loại và tăng cường một số tính chất đặc biệt cho mối hàn. Que hàn nĩng chảy cĩ nhiều loại như que hàn thép các bon, que hàn thép inox, que hàn thép hợp kim, que hàn đồng, que hàn nhơm,...
Yêu cầu:
Đảm bảo cơ tính của mối hàn, đảm bảo thành phần hố học cần thiết của mối hàn, cĩ tính cơng nghệ tốt dễ gây hồ quang, hồ quang cháy ổn định, nĩng chảy đều, cĩ khả năng hàn ở tất cả các vị trí trong khơng gian, mối hàn khơng cĩ rổ, khơng nứt, xỉ nổi đều và dễ bong ra, khơng bắn toé nhiều. Hệ số đắp cao. Khơng sinh khí độc hại ảnh hưởng đến sức khoẻ của cơng nhân. Dễ dàng chế tạo và giá thành rẻ.
Tác dụng của lớp thuốc bọc que hàn: kích thích hồ quang và làm cho hồ quang cháy ổn định, tạo khí và tạo xỷ để bảo vệ mối hàn. Lớp xỷ cĩ tác dụng làm cho muối hàn nguội chậm tránh hiện tượng tơi của mối hàn, khử oxy hồn nguyên kim loại, tăng cơ tính và một số tính chất đặc biệt của mối hàn.
Bulơng – Đai ốc
Hình 2.23. Các loại bulơng – đai ốc
Ưu điểm:
– Dễ tháo lắp, khơng làm hỏng các chi tiết lắp ghép.
– Thuận tiện cho quá trình thay thế, sửa chữa nhanh chống, ít tốn thời gian. – Cĩ thể lắp ghép được nhiều chi tiết với nhau.
Nhược điểm:
– Lắp ghép nặng nề, nhất trong trường hợp dùng nhiều bulơng.
Ổ bi
Dùng để đỡ các trục quay, nhận tải trọng từ trục truyền đến giá đỡ. Ổ lăn được
tiêu chuẩn hĩa rất cao. Dạng ma sát trong ổ lăn là ma sát lăn.
Ưu điểm
– Hệ số ma sát nhỏ (0.0012 ÷ 0.0035) đối với ổ bi. – Ít sinh nhiệt trong quá trình làm việc.
– Mức tiêu chuẩn hĩa và tính lắp lẫn cao, do đĩ thay thế thuận tiện. – Hiệu suất làm việc cao.
Nhược điểm
– Tháo, lắp hơn phức tạp. – Khả năng giảm chấm kém. – Giá thành tương đối cao.
Hình 2.24. Kết cấu ổ lăn
Hình 2.25. Một số loại ổ lăn
Thanh trượt, Ổ trượt: Ưu điểm:
- Độ chính xác cao, làm việc êm. - Ma sát ít.
Nhược điểm:
- Khĩ tìm tên thị trường. - Giá thành cao. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});