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:
– 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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
– 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.
2.3.3.2. Thiết kế, chế tạo máy phay CNC a. Các khung chính của máy phay CNC a. Các khung chính của máy phay CNC
Phần đế cố định :
Hình 2.27. Khung dưới của máy
Khung trục X:
Trục Z:
Hình 2.29. Trục Z
b. Trục dẫn hướng
Hình 2.30. Trục dẫn hướng
c. Cơ cấu trượt
d. Cơ cấu giữ trục dẫn hướng
Hình 2.32. Cơ cấu giữ
e. Cơ cấu cố định động cơ
Hình 2.33. Cơ cấu cố định động cơ
f. Cơ cấu khớp nối
Cơng dụng
– Liên kết các trục với nhau.
– Truyền chuyển động giữa hai trục (trục động cơ và trục quay). – Truyền được tỉ số truyền lớn.
Phân loại
– Khớp nối chặt, chỉ cĩ thể nối hoạt tách 2 trục khi dừng máy. Vị trí đối của hai trục phải chính xác theo thiết kế. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
– Khớp nối bù, là khớp nối cho phép hai trục cĩ sai lệch vị trí tương quan. – Khớp nối đàn hồi, cĩ khả năng biến dạng đàn hồi lớn.
g. Cơ cấu dẫn động động cơ phay
Cơ cấu này là cơ cấu trượt ma sát. Dùng trục vít – đai ốc để tịnh tiến cơ cấu dữ động cơ phay theo phương Z.
Hình 2.35. Cơ cấu dẫn động động cơ phay tịnh tiến theo trục Z
2.3.3. Giới thiệu về bộ truyền trục vít me – bi. a. Giới thiệu chung a. Giới thiệu chung
Trong máy cơng cụ điều khiển số người ta sử dụng hai dạng vit me cơ bản đĩ là: vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi.
• Vít me đai ốc thường: là loại mà vít me và đai ốc cĩ dạng tiếp xúc mặt
Ta xét mối quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi:
Đường cong trên là đường cong biểu thị mối quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me đai ốc thường. Đường cong này chia l àm hai phần:
+ Phần từ a đến b là vùng ma sát nửa ướt. Vùng này cĩ sự tiếp xúc trực tiếp giữa vít me và đai ốc. Khi vận tốc bằng khơng, lực ma sát ướt lớn nhất, khi vận tốc tăng lên dầu dần dần hình thành làm lực ma sát giảm dần tới b.
+ Giai đoạn tiếp theo là quá trình bơi trơn giữa hai bề mặt thủy động và hư đồ thị thì lực ma sát tăng theo tốc độ.
Khi điều khiển máy CNC hai hoặc nhiều trục địi hỏi thời gian khởi động bàn máy nhanh và momen nhỏ. Nhìn vào đường cong trên ta thấy vít me đai ốc thường khơng đảm bảo được yêu cầu trên của máy CNC.
Thay vì trạng thái tiếp xúc mặt như vít me đai ốc thường thì vít me đai ốc bi cĩ dạng tiếp xúc lăn bằng cách đưa vào các rãnh ren số lượng lớn bi hoặc bi trụ. Do tiếp xúc giữa vít me và đai ốc là ma sát lăn nên ma sát cĩ thể là coi là khơng đáng kể. Từ đồ thị trên ta thấy vít me đai ốc bi đã xĩa bỏ được vùng ma sát khơ và ma sát nửa khơ của ma sát thường.
Ưu điểm của Vít me bi:
• Mất mát do ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền lớn gần bằng 0.9
• Đảm bảo chuyển động ổn định vì lực ma sát hầu như khơng phụ thuộc vào tốc độ.
• Cĩ thể loại trừ khe hở và tạo sức căng ban đầu đảm bảo độ cứng vững dọc trục cao.
Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài.
b. Kết cấu bộ truyền vít me bi
Vít me bi cĩ kết cấu đa dạng nhưng chúng đều cĩ cấu tạo chung như sau:
Hình 2.36: quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me đai ốc thường và vít me
1: Vít me
2: Đai ốc
3: Vịng bi
4: Ống hồi tiếp
c. Dạng profil răng vít và răng đai ốc
Vấn đề quan trọng nhất trong kết cấu của bộ truyền vít me đai ốc đĩ là dạng profil răng vít me và răng đai ốc. Profil răng vít me dạng chữ nhật và dạng hình thang là dễ chế tạo nhất. Tuy nhiên do độ cong của hai bề mặt khác nhau quá lớn nên dẫn đến ứng suất tiếp xúc tăng và khả năng tải của bộ truyền thấp. Vì vậy hai dạng profil này ít được sử dụng.
Do đĩ để giảm được ứng suất tiếp xúc, tăng khả năng tải, tăng độ cứng vững của bộ truyền và giảm momen ma sát thì ta phải tăng bề mặt làm việc. Để đảm bảo được điều này thì ta phải thiết kế profil dạng trịn.
Nếu bán kính của bi là ri, bán kính của profil ren là r2 nên chọn r1/r2 = 0.95 ^ 0.97.
Với profil là nửa cung trịn thì gĩc tiếp xúc của bộ truyền cĩ thể là a = 600 . Tuy nhiên bộ truyền với gĩc tiếp xúc a = 450 sẽ cĩ khe hở nhỏ nhất và cho khả năng chế tao với độ chính xác cao. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
d. Kết cấu hồi bi
Cĩ nhiều dạng kết cấu hồi bi nhưng chúng ta cĩ thể chia thành các dạng cơ bản sau: Rãnh hồi bi kiểu ống cong: được dùng khá phổ biến trong các bộ truyền
Trên đai ốc người ta khoan lỗ tiếp tuyến với đường ren. Việc dẫn hướng cho bi vào ống hồi bi cĩ thể dùng hai cách:
(a): miệng ống hồi bi tỳ lên mặt ren của vít me
(b): dùng tấm dẫn hướng để đưa bi vào ống hồi bi
Hình 2.38: Rãnh hồi bi kiểu ống
Trên đai ốc người ta cĩ thể bố trí hai hoặc ba ống dẫn phân bố thành hai hoặc ba vịng tuần hồn kín. Kết cấu hồi bi dạng này cĩ nhược điểm là tăng kích thước bộ truyền, độ bền mịn của đầu ống thấp, sự kẹp chặt ống cĩ độ tin cậy khơng cao.
Rãnh hồi bi là lỗ khoan trên thân đai ốc và song song với đường tâm đai ốc. Đường dẫn bi đến đường hồi bi được bố trí trên nắp của đai ốc được thể hiện trên hình 2.36.
Hình 2.39. Rãnh hồi bi theo lỗ khoan trong đai ốc Rãnh hồi bi nối giữa hai vịng ren kê tiếp nhau được bơ trí trên máng lĩt đặc biệt.
Kết cấu hồi bi dạng này cĩ ưu điểm: gọn nhẹ và tính cơng nghệ tốt. Nhược điểm là khả năng tách thành nhiều nhĩm hồi bi khĩ khăn
Để đặt máng lĩt rãnh hồi bi người ta phay trên đai ốc các hốc như trên hình 2.3.7. Kết cấu này khác hẳn với các kết cấu khác đĩ là khơng sử dụng các đường dẫn tiếp xúc với bề mặt vít me mà đường dẫn nối giữa hai rãnh kế tiếp nhau.
Phần lớn các bộ truyền người ta dùng ba hốc, các hốc cách nhau 1200.
Kết cấu này cĩ ưu điểm: kích thước đường kính bộ truyền nhỏ bằng với kích thước của bộ truyền vít me thường cĩ cùng đường kính, khơng bị mịn nhanh, cĩ độ tin cậy cao và chiều dài rãnh hồi bi nhỏ.
Hình 2.40. Rãnh hồi bi theo lỗ khoan trong đai ốc.
e. Khử khe hở và tạo sức căng
Kết cấu của bộ truyền vít me bi phải cĩ khả năng khử khe hở dọc trục và điều chỉnh sức căng ban đầu. Khử khe hở và tạo sức căng nhờ việc điều chỉnh vị trí tương quan giữa hai phần của đai ốc. Khử khe hở và tạo sức căng cĩ thể thực hiện bằng các phương pháp sau:
+ Trên mỗi phần đai ốc thiết kế dạng mặt bích để liên kết hai phần đai với nhau thơng qua mối ghép ren. Để khử khe hở và tạo sức căng ban đầu cho bộ truyền bằng cách giữa hai mặt bích người ta đặt các tấm đệm
Với chiều dày các tấm đệm khác nhau cho phép thay đổi sức căng và vị trí vùng tiếp xúc giữa bi với đai ốc và vít me. Thực hiện điều chỉnh theo phương pháp này cĩ kết cấu đơn giản nhưng việc điều chỉnh khĩ khăn.
+ Một dạng khác của kết cấu khử khe hở và tạo sức căng là giữ cố định một phần của đai ốc, khử khe hở và tạo sức căng bàn đầu bằng lực của lị xo.
+ Trên mỗi phần của đai ốc, vành ngồi của nĩ cĩ vành răng bước nhỏ và trong cũng cĩ bố trí vành răng trong.
Chú ý rằng số răng trên vành răng của hai đai ốc khác nhau một răng. Nhờ cĩ sự khác nhau như thế mà khi quay đai ốc đi một gĩc, phần đai ốc kia quay một gĩc nhỏ hơn. Nhờ vậy kết cấu cĩ khả năng khử khe hở và điều chỉnh sức căng ban đầu.
2.3.4. Thiết kế, chế tạo phần điều khiển 2.3.4.1. Động cơ bước (stepping motor) 2.3.4.1. Động cơ bước (stepping motor) a. Khái niệm, đặc điểm và phân loại
Động cơ bước (stepping motor) là một thiết bị cơ – điện dùng để biến đổi xung điện một chiều thành chuyển động quay cơ học rời rạc. Gĩc quay và tốc độ quay tương ứng với số xung và tần số xung điện cấp cho động cơ. Mỗi một vịng quay của trục
động cơ được thiết lập bởi một số lượng hữu hạn các gĩc bước, là gĩc quay của roto mỗi khi cuộn dây stato đảo cực tính.
Cĩ nhiều loại động cơ bước với các độ phân giải gĩc quay (gĩc bước) khác nhau. Những động cơ “thơ” thường cĩ gĩc 900, 300, 150 hoặc 5,50. Những động cơ “mịn” thường cĩ gĩc bước 1.80 hoặc 0.720. Ngồi ra, bằng việc điều khiển các tính hiệu xung điện một chiều với những tuần tự và giá trị thích hợp cĩ thể điều khiển động cơ quay được nữa bước hoặc thậm chí là vi bước.
Động cơ bước thường được sử dụng trong điều khiển vịng hở bởi những ưu điểm: - Gĩc quay tương ứng với số xung tín hiệu điều khiển.
- Momen động cơ ở mức danh định.
- Vị trí gĩc quay chính xác vì khơng cĩ sai số tích luỹ ở mỗi gĩc bước. - Dễ dàng điều khiển khởi động, dừng và đảo chiều quay.
- Khơng cĩ chổi than nên làm việc tin cậy. - Chi phí thấp.
- Cĩ một dải rộng về độ phân giải gĩc quay. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ngồi ra động cơ bước cịn cĩ một số nhược điểm cần chú ý khi sử dụng: - Cộng hưởng sẽ xảy ra khi điều khiển khơng đúng cách.
- Tốc độ quay khơng cao.
b. Kết cấu và nguyên lý làm việc
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet)
Nguyên tắc điện của động cơ bước nam châm vĩnh cửu cũng giống như động cơ đồng bộ ba pha. Hình 2.46 trình bày động cơ bước cĩ hai cặp cuộn pha. Hai cặp cuộn pha được bố trí đối xứng nhau qua roto. Roto của động cơ bước nam châm vĩnh cửu là nam châm vĩnh cửu. Cuộn L1, L3 hình thành một cặp cuộn pha và L2, L4 là cặp cuộn pha thứ hai. Để hiểu nguyên lý làm việc của động cơ bước nam châm vĩnh cửu, ta giả thiết vị trí ban đầu của động cơ như hình 2.46a.
Ban đầu 4 chuyển mạch S1, S2, S3, S4 đều hở nên khơng cĩ dịng qua các cuộn dây. (hình 2.46a)
V+ V+ S1 S2 S3 S4 S N L1 L2 L3 L4 N S S N A C B D V+ V+ V+ V+ V+ S1 S2 S3 S4 S N L1 L2 L3 L4 S N N S L4 L3 L2 L1 N S S4 S3 S2 S1 V+ V+ L4 L3 L2 L1 N S S4 S3 S2 S1 V+ V+
Hình 2.41. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Đĩng chuyển mạch S1 và S3 (hình 2.46b), dịng điện đi qua các cuộn dây pha L1 và L3, trường điện từ xuất hiện và roto quay đến vị trí như trong hình. Nếu ta cứ giữ nguyên như vậy thì roto cũng sẽ đứng yên.
Ngắt chuyển mạch S1 và S3, roto ở nguyên vị trí (hình 2.46c). Đĩng chuyển