Do kinh phí chế tạo máy nhỏ nên nhóm không thể dùng vít me bi để đảm bảo độ chính xác cao mà lựa chọn giải pháp dùng vit me đai ốc thường. Ưu điểm của loại vít me này là giá thành rẻ, sai số ở mức cho phép, đảm bảo được độ bền và ổn định.
Thông số bộ truyền vít me - đai ốc được chọn như sau: – Đường kính trục vít me: d = 16 mm.
– Chiều dài trục vít me cho 3 trục: X: L1 = 400 mm. Y: L2 = 500 mm. Z: L3 = 200 mm.
Hình 2.6 Vít me đai ốc thường 2.2.3 Chọn cơ cấu dẫn hướng cho chuyển động
- Ray trượt bi tròn - Ray trượt bi vuông - Sóng trượt
Hai loại ray trượt bi thì có cấu tạo chung là gồm 1 thanh trượt dạng tròn hoặc dẹt, trên thanh trên thanh trượt dẹt có thêm các rãnh cho bi lăn, và block trượt. Trên block trượt có các rãnh bi có khả năng hồi vòng.
Sóng trượt thì được dùng phổ biến trong công nghiệp, dùng cho các loại máy lớn (máy phay, máy bào gường, máy tiện), gồm có sóng trượt thẳng, sóng trượt V, sóng trượt đuôi én).
Ưu điểm của 3 loại trên là độ chính xác cao, ma sát thấp, tuy nhiên nhược điểm là giá thành khá cao.
Trong mô hình máy phay CNC, sau khi cân nhắc tác giả quyết định chọn giải pháp dùng vòng bi kết hợp với ống trụ tròn để làm bộ phận dẫn hướng cho chuyển động chạy dao theo 3 trục Z của máy vì:
+ Giá thành rẻ (so với các loại ray trượt có sẵn dùng cho máy CNC). + Thông dụng, dễ kiếm.
+ Dễ tháo lắp, kết cấu đơn giản. + Ma sát nhỏ.
Hình 2.7 Bi trượt và thanh trượt 2.2.4 Chọn các bộ phận khác của máy
a. Tác dụng, yêu cầu của thân máy
- Thân máy là một bộ phận cấu thành nên máy hoàn chỉnh. Chính vì thế thân máy có kết cấu rất phức tạp với nhiều gân, gờ, lỗ được bố trí trong không gian.
- Mặt khác thân máy còn là một chi tiết quan trọng của máy, độ chính xác, cứng vững của nó còn ảnh hưởng rất lớn đến quá trình làm việc và độ chính xác gia công. Do đó thân máy phải thỏa những yêu cầu sau: Đảm bảo đầy đủ độ cứng vững khi máy chạy và độ giảm chấn.
b. Vật liệu dùng làm thân máy
Do loại đầu làm máy với kiến thức về gia công cơ khí còn hạn chế nên nhóm tác giả quyết định chọn vật liệu làm máy bằng gỗ và phíp thủy tinh với các lý do sau:
- Vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm. - Dễ gia công, chế tạo. - Dễ gá lắp, chỉnh sửa.
2.3 Các loại động cơ đƣợc sử dụng trong máy CNC
2.3.1 Yêu cầu kỹ thuật của động cơ chấp hành (ĐCCH) trong máy CNC mini
a. Vai trò của động cơ chấp hành trong máy CNC
Trong hệ thống máy CNC, ĐCCH đóng một vai trò cực kì quan trọng, đây là nguồn năng lượng thiết yếu cho sự hoạt động của máy.
Mặc khác trong động cơ máy CNC, bất cứ mỗi chuyển động của máy như trục chính, bàn xe dao, tay máy thay, bôi trơn, làm nguội đều được điều khiển bởi một ĐCCH. Nhờ đó mà kết cấu cơ khí gọn nhẹ, đơn giản.
b. Yêu cầu kỹ thuật của động cơ chấp hành trong máy CNC
Trong máy CNC, ĐCCH thường làm việc ở dạng khởi động, dừng máy hoặc đảo chiều quay, đây là điều kiện làm việc “khắc nghiệt” của động cơ. Vì vậy động cơ cần có những yêu cầu sau:
– Không có hiện tượng tự quay, tự hãm khi ngắt tín hiệu điều khiển. – Đặc tính cơ và đặc tính điều khiển là phi tuyến.
– Làm việc ổn định trong dãy tốc độ làm việc. – Tác động nhanh.
– Công suất điều khiển nhỏ. – Dễ điều khiển vô cấp. – Dãy điều khiển tốc độ rộng. – Điện áp khởi động nhỏ. – Độ tin cậy cao.
– Kích thước, trọng lượng nhỏ.
2.3.2 Động cơ chấp hành một chiều
So với động cơ điện xoay chiều, động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như sau: Dễ điều chỉnh vô cấp vì số vòng quay của động cơ được tính theo công thức sau:
dc 1 E U I r n C (vòng/phút)
Từ biểu thức trên ta nhận thấy, muốn điều chỉnh tốc độ động cơ ta có thể: -Thay đổi điện trở phần ứng.
-Thay đổi điện áp (bằng mạch chiết áp).
Phương pháp này được sử dụng rộng rãi vì tiết kiệm năng lượng, không gây tổn hao công suất.
Làm việc ổn định ở mọi cấp tốc độ (trong phạm vi điều khiển). Không có hiện tượng tự quay.
Mặt khác động cơ một chiều có nhược điểm lớn đó là: do có chổi than nên thường xuất hiện tia lửa điện ở vùng tiếp xúc. Chính vì vậy động cơ điện một chiều không làm việc ở những nơi dễ cháy nổ. Ngoài ra tia lửa điện là tác nhân gây ra tín hiệu nhiễu, cần phải có bộ lọc nhiễu và lưới chặn.
- Phân loại động cơ điện một chiều
Theo cấu trúc động cơ điện một chiều dùng trong hệ thống CNC có thể phân thành:
Động cơ điện một chiều có kích thích độc lập hoặc bằng nam châm vĩnh cửu.
Động cơ điện một chiều có phần ứng nhẵn.
Động cơ điện một chiều có quán tính nhỏ.
Trong các loại động cơ một chiều trên, hiện nay trên các máy công cụ CNC phổ biến vẫn dùng loại động cơ điện một chiều kích từ dùng vòng mạch từ phụ với nam châm vĩnh cửu. Sở dĩ loại động cơ này được dụng rộng rãi vì:
- Tổn hao công suất điện năng nhỏ hơn loại động cơ kích từ bằng mạch ngoại lai. - Lượng nhiệt tỏa ra thường nhỏ đến mức có thể qua vỏ động cơ mà truyền ra môi trường xung quanh.
2.3.3 Động cơ bước
Động cơ bước (stepping motor) là một cơ cấu chấp hành cơ – điện dùng để biến đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học.
Động cơ bước là thiết bị sinh chuyển động quay qua các góc bằng nhau (gọi là các bước - step) khi mỗi xung số (digital pulse) được cấp cho đầu vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định thông qua bộ chuyển mạch điện tử và thực chất là một động cơ đồng bộ. Vì lí do này động cơ bước rất phù hợp cho sử dụng với các hệ thống điều khiển trên cơ sở số (digital).
Đặc tính chuyển động của động cơ bước là rời rạc (trái ngược với đặc tính chuyển động quay liên tục và trơn như các loại động cơ khác).
Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) thì rôto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định gọi là bước góc.
So với động cơ servo, động cơ bước có những ưu điểm sau: - Điều khiển định vị chính xác, không yêu cầu sự điều chỉnh - Giá thành rẻ
- Có thể làm việc trong vòng mở
- Có khả năng điều khiển trực tiếp bằng mạch số nên trong mạch điều khiển không cần mạch biến đổi số – tương tự (DAC)
- Cấp mômen cao tại tốc độ thấp và mômen thấp tại tốc độ cao
- Chi phí bảo dưỡng thấp (do không có chổi than), rất khỏe trong mọi môi trường.
Tuy nhiên nhược điểm của chúng là ồn, tiêu thụ dòng bất kể có hay không có tải, kích thước bị giới hạn và có thể bị cản trở hoặc mất định vị vị trí (mất bước) khi không có vòng điều khiển.
Lựa chọn động cơ bước, cần xem xét các tham số sau: - Tốc độ hoạt động (bước/giây).
- Mômen xoắn. - Mômen quán tính. - Góc bước yêu cầu.
- Thời gian để tăng tốc (ms). - Thời gian để giảm tốc (ms). - Kiểu truyền động được sử dụng. - Kích thước và trọng lượng.
Vậy bước động cơ càng nhỏ thì độ chính xác trong điều khiển càng cao.
- Phân loại động cơ bước:
Động cơ bước có 3 loại cơ bản:
Nam châm vĩnh cửu (Permanent Motor).
Từ trở thay đổi (Variable Reluctance).
Động cơ lai (Hybrid) – kết hợp hai loại trên.
a. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Permanent Motor)
- Cấu tạo:
Rôto sử dụng trong động cơ bước loại này gồm một nam châm vĩnh cửu hình tròn, lắp vào một trục thép có độ cách từ cao. Rôto thường không có răng, được từ hóa vĩnh cửu vuông góc với trục (ngang trục). Stato có dạng hình móng được từ hóa với các cực N & S xen kẽ nhau và trên các cực có quấn các cuộn dây pha. Động cơ bước PM cho góc bước rộng, từ 450 ÷ 1.200, tốc độ chậm nhưng mômen khá lớn.
Hình 2.8 Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu
- Nguyên lý làm việc:
Hình bên dưới trình bày động cơ bước có hai cặp cuộn pha. Cuộn L1, L3 hình thành một cặp cuộn pha và L2, L4 là cặp cuộn pha thứ hai.
Hình 2.9 Nguyên lý hoạt động của động cơ nam châm vĩnh cửu
Ta giả thiết vị trí ban đầu của động cơ như hình 2.9
Ban đầu 4 chuyển mạch S1, S2, S3, S4 đều hở nên không có dòng qua các cuộn dây (hình 2.9A).
Đóng chuyển mạch S1 và S3, dòng điện đi qua các cuộn dây pha L1 và L3, trường điện từ xuất hiện và rôto quay đến vị trí như trong hình 2.9B. Nếu ta cứ giữ nguyên như vậy thì rôto cũng sẽ đứng yên.
Ngắt chuyển mạch S1 và S3, rôto ở nguyên vị trí như hình 2.9C.
Đóng chuyển mạch S2 và S4 thì dòng điện, điện trường và vị trí của rôto như hình 2.9D
Cứ luân phiên đóng và ngắt các cặp chuyển mạch S1, S3 và S2, S4 thì rôto sẽ quay tròn theo một hướng.
b. Động cơ bước có từ trở thay đổi
- Cấu tạo:
Rôto làm bằng thép non có độ dẫn từ cao và có từ trở thay đổi theo góc quay. Mỗi răng của stato và rôto gọi là một cực. Mỗi pha trên stato được quấn thành hai cuộn nối tiếp nhau ở vị trí xuyên tâm đối trên stato. Kết cấu stato trên từng pha của động cơ bước biến từ trở giống với động cơ bước PM. Loại động cơ này cấp góc bước nhỏ đến trung bình và có khả năng hoạt động với tốc độ chạy bước cao.
Hình 2.10 Động cơ bước có từ trở thay đổi
- Nguyên lí hoạt động:
Khi cấp điện cho pha A, các cuộn A1 và A2 có cùng cực tính là cực bắc (N), từ thông của hai cực này tăng dần và khép kín với rôto. Cực A3 và A4 mang cực tính nam (S), từ thông của hai cực này cũng tăng dần và khép kín với roto. Đường sức từ rời khỏi cực bắc A1 vào răng 1 trên rôto, sau đó tách thành 2 nhánh, nhánh thứ nhất phát triển đến răng 3 trên rôto, qua cực nam A3 vào stato và khép kín mạch từ tại cực bắc A1. Nhánh thứ hai phát triển đến răng 4 trên roto, sau đó qua cực A4 vào stato và cũng khép kín mạch từ ở A1.
Tương tự cho đường sức từ xuất phát từ A2.
Bây giờ ta ngắt điện trên cuộn pha A và cấp điện cho cuộn pha B thì ngay lúc này từ trở trong động cơ lớn nên trục roto sẽ quay theo chiều giảm từ trở (cùng chiều kim đồng hồ) cho đến khi từ trở nhỏ nhất thì động cơ lại đứng yên ở vị trí mới.
Cứ luân phiên cấp điện cho các cuộn dây A, B, C, A thì động cơ sẽ quay theo chiều kim đồng hồ. Muốn động cơ quay theo chiều ngược lại thì ta đảo ngược thứ tự cấp điện cho các cuộn dây thành C, B, A, C.
Một điểm cần lưu ý là rôto của động cơ bước biến từ trở làm bằng thép non nên khi không có dòng điện qua các cuộn dây thì trên rôto cũng không tồn tại từ dư do đó nó không bị hãm và quay tự do dưới tác dụng của tải. Đây cũng chính là khuyết điểm của loại động cơ này.
c. Động cơ bước hỗn hợp
Về cấu tạo, nó kết hợp cả hai loại động cơ trên. Thường stato có một số cực, được cấp năng lượng bởi cuộn 2 pha. Rôto gồm một nam châm hình trụ, được cấp năng lượng quanh trục.
Về tính chất, nó phát huy được các ưu điểm của cả động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ có từ trở thay đổi: có mômen hãm (khi ngắt điện), có mômen giữ và mômen quay lớn, hoạt động với tốc độ cao và có số bước lớn. Góc bước phụ thuộc vào kết cấu, thường từ 0,450
÷ 50.
Phương pháp bố trí và nối các cuộn pha trong động cơ bước biến từ trở và động cơ lai cũng khác nhau. Ở động cơ bước biến từ trở thì các cuộn pha được lắp riêng biệt trên từng đoạn stato còn ở động cơ lai thì các cuộn pha được quấn nối tiếp từ đoạn stato này sang đoạn stato kia.
Hai đoạn roto của động cơ được chế tạo từ thép non và lắp chặt trên trục nam châm vĩnh cửu nên các đoạn roto này được từ hóa tương ứng với các cực của nam châm.
Hình 2.12 Cấu trúc trong động cơ lai
Trong thực tế, trên các cực ngời ta lắp 2 cuộn dây có chiều quấn ngược nhau để có thể dễ dàng thay đổi cực tính trường điện từ.
Hình 2.13 Kết cấu thực tế của động cơ lai
d. Hệ điều khiển động cơ bước
* Hệ điều khiển động cơ bước cần phải có hai chức năng:
– Cấp nguồn cho các cuộn dây theo trình tự tín hiệu vào. Chức năng này được thực hiện nhờ mạch logic, mạch trình tự và phần mềm điều khiển.
– Xung điện cấp cho cuộn dây phải đủ rộng. Đây là yếu tố rất quan trọng đối với momen động cơ. Vì vậy hệ số thời gian điện (Lm/Rm) phải lớn hơn đáng kể so với chiều rộng xung vào.
* Các cách điều khiển: có 3 cách: – Điều khiển cả bước (Full Step). – Điều khiển nửa bước (Half Step).
2.3.4 Động cơ Servo
Động cơ Servo là loại động cơ mà trong cấu tạo có mạch phản hồi để xác định suất điện động được tạo ra và dựa vào đó để thay đổi thời gian đóng ngắt của trigger. Chính vì vậy động cơ này thường được dùng để truyền động trong máy CNC hệ kín.
Động cơ Servo ngày càng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống máy CNC vì nó có nhiều ưu điểm sau:
- Cho phép đạt được tốc độ tùy ý (trong phạm vi điều khiển). - Việc điều khiển tốc độ dễ dàng.
- Kích thước và trọng lượng nhỏ so với động cơ cùng công suất.
- Không cần quạt gió làm mát vì lượng nhiệt tỏa ra rất nhỏ, có thể truyền qua vỏ.
- Phân loại động cơ Servo:
Theo chức năng thì động cơ Servo được phân thành 2 loại chính:
Động cơ dùng cho trục chính: loại động cơ này có công suất lớn từ vài trăm đến hàng ngàn KW.
Động cơ dùng cho điều khiển bàn máy: loại động cơ này có công suất nhỏ, độ nhạy cao.
Theo nguồn cung cấp thì động cơ Servo chia làm 2 loại:
AC Servo motor: dùng nguồn xoay chiều.
DC Servo motor: dùng nguồn một chiều.
* Cấu tạo
a. DC Servo motor
Đây là mặt cắt ngang của động cơ DC Servo có dòng kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
Chú thích
1.Vỏ động cơ.
2.Cuộn dây của stator. 3.Rotor.
4.Thanh dẫn.
Rotor là 1 ống trụ, làm bằng vật liệu không từ tính, trên bề mặt có đặt các thanh dẫn. Các thanh dẫn này được cấp điện bằng nguồn một chiều thông qua 4 chổi than. Với cấu tạo như vậy rotor của động cơ sẽ có khối lượng nhỏ, momen quán tính nhỏ do đó động cơ có thể dễ dàng tăng tốc, trì hoãn trong khoảng thời gian tương đối ngắn.
Stator của động cơ Servo có 2 dạng như sau:
Dạng 1: phần ứng không có rãnh để đặt cuộn dây, mà cuộn dây stator được bố trí lên bề mặt của rotor. Do cách bố trí như vậy sẽ làm cho khe hở không khí