đồ án tốt nghiệp nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy CNC laser
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.13 MB, 59 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA – VŨNG TÀU
KHOA CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT
NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO
-------
-------
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
MÁY CNC LASER
Giảng viên hướng dẫn : ThS. Lê Quốc Đạt
Lớp
Sinh viên thực hiện
Bà Rịa – Vũng Tàu, tháng 1, năm 2021
Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc
----------------o0o----------------BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA - VŨNG TÀU
NHIỆM VỤ
ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Sinh viên :
Lớp :
Tên đề tài
CÁC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI
TỐT NGHIỆP
Người hướng dẫn:
Họ và tên
Học hàm, học vị
Cơ quan công tác
Nội dung hướng dẫn :
Đề tài tốt nghiệp được giao ngày:
Yêu cầu phải hoàn thành: xong trước ngày 20 tháng 1 năm 2021
Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N
Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N
Cán bộ hướng dẫn
Sinh viên
Th.S Lê Quốc Đạt
Bùi Minh Cường
Phạm Văn Thắng
Vũng Tàu, ngày 20 tháng 1 năm 2021
HIỆU TRƯỞNG
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ...........................................................
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ............................................................................................
1.1. Giới thiệu sơ lược về ý tưởng – lý do chọn đề tài : .............................................
1.2Khái niệm máy CNC và giới thiệu về máy CNC khắc La
1.2.1Tổng quan về máy CNC
1.2.2 Khái niệm máy CNC .....................................................................................
1.3Tổng quan về máy CNC trong và ngoài nước .................
1.3.1Tình hình nghiên cứu tro
1.3.2Các máy móc và sản ph
1.3.3Mục đích nghiên cứu ...
1.3.4Mơ tả đề tài: Thiết kế m
1.3.5Phân loại mơ hình máy
1.3.6Các đặc trưng của máy
1.3.7Ứng dụng .....................
1.3.8Hướng giải quyết .........
1.3.9 Những u cầu chung của mơ hình máy CNC .............................................
PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH MÁY THIẾT KẾ MÁY .....................................................
2.1. Yêu cầu thiết kế hệ thống ..................................................................................
2.1Tổng quan về kỹ thuật điều khiển số ..............................
2.1.1Các định nghĩa cơ bản v
2.1.2Phương pháp truyền thô
2.1.3 Ưu nhược điểm của máy điều khiển số ...........................................................
2.2.4Phân loại theo cấu trúc đ
2.2.5Phân loại kiểu điều khiể
2.2Nhiệm vụ của máy thiết kế .............................................
2.3Nguyên lý hoạt động của máy .........................................
2.4Các thành phần chính của máy .......................................
2.4.1Phần điều khiển ...........
2.4.2Phần chấp hành ............
TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH CỦA MÁY .......................................................
3.1Phân tích, chọn phương án, kích thước và quy mô của m
1
3.1.1
Phân tích chọn phương
3.1.2.Kích thước và quy mơ của mơ hình .............................................................
3.2
3.2.1
Tính tốn thiết kế các thành phần của máy .....................
Cơ cấu dẫn hướng ........
3.2.2
Cơ cấu truyền động ......
3.2.3
Các loại động cơ sử dụn
3.2.3. Tính tốn động cơ cho cơ cấu xoay phôi .....................................................
3.2.4
Một số linh kiện khác c
3.3
Bản vẽ tổng thể và mơ hình thực tế ................................
THIẾT KẾ PHẦN ĐIỀU KHIỂN ................................................................................
4.1
Yêu cầu hoạt động tự động của máy ...............................
4.2
Các thành phần của hệ thống ..........................................
4.3
Phân tích chọn lựa phương án điều khiển .......................
4.4
Thiết kế điều khiển và kết nối máy tính ..........................
4.5
4.5.1
Giới thiệu về phần điều khiển .........................................
Giới thiệu về Arduino ..
4.5.2 Module điều khiển CNC Shield V3 .............................................................
4.5.3
Driver điều khiển động
4.6
4.7
4.7.1
Xác định, sơ đồ nối dây ..................................................
Các phần mềm cần dùng .................................................
Phần mềm tạo file khắc
4.7.2 Phần mềm tạo G-code ..................................................................................
4.7.3
Phần mềm điều khiển m
4.8
Chương trình điều khiển: ................................................
4.8.1. Đoạn chương trình điều khiển giao tiếp giữa máy vi tính và máy CNC .....
4.8.2. Chương trình điều khiển chuyển động bàn xoay phôi ................................
SẢN PHẨM ĐÃ KHẮC ...............................................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................
2
NHẬN XÉT C ỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
...............................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
- Cho điểm của cán bộ chấm phản biện
( Điểm ghi bằng số và chữ)
Ngày……tháng…….năm 2021
Người phụ trách
(Ký và ghi rõ họ tên)
3
LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay khoa học kỹ thuật nói chung cung nhƣ nghành kỹ thuật cơ điên tử nói
riêng đã phát triển và có đóng góp rất nhiều trong đời sống. Nắm được tầm quan trọng
đó, em đã nghiên cứu và làm đề tài : “ Khảo sát và thiết kế máy CNC 3 trục laser”
do thầy Lê Quốc Đạt hướng dẫn. Nhằm giúp việc giá công các họa tiết điêu khắc cung
nhƣ các chi tiết gia cơ khí đƣợc nhanh và chính xác hơn.
Những kiến thức và năng lực đạt được trong quá trình học tập tại trường sẽ
được đánh giá qua đợt bảo vệ đồ án tốn nghiệp. Em cố gắng tận dụng tất cả những kiến
thức học tại trường cùng với sự tìm tịi nghiên cứu, để có thể hồn thành tốt đồ án tốt
nghiệp này. Kết quả là những sản phẩm đạt được trong ngày hôm nay tuy khơng lớn
lao nhƣng nó là thành quả của những năm học tại trường là thành công đầu tiên của e
trước khi ra trường.
4
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Giới thiệu sơ lược về ý tưởng – lý do chọn đề tài :
Với thời đại phát triển ngày nay , đứng trước thời kì cơng nghiệp hóa , hiện đại
hóa đang diễn ra khắp mọi nơi trên thế giới , từ châu lục nay sang chậu lục kia , từ nước
kém phát triển cho đến nước phát triển , hiện đại .
Với sự phát triển tốc độ đó , thì máy móc ngày càng được sử dụng nhiều trong sản
xuất , đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa , đang diễn ra với tốc độ mạnh mẽ , cùng với đó là
sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất cơng nghiệp.
Với máy CNC thì các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các
cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác do con
người thực hiện được giảm thiểu.
Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát
triển đáng kể về chính xác và chất lượng. Kỹ thuật tự động của CNC giảm thiểu các sai
sót và giúp người thao tác có thời gian cho các cơng việc khác. Ngồi ra cịn cho phép
linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản
xuất các linh kiện khác.
Trong môi trường sản xuất, một loạt các máy CNC kết hợp thành một tổ hợp, gọi
là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận. Máy CNC ngày nay được điều
khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM, vì thế một bộ phận hay lắp ráp có thể
trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần các bản vẽ in của từng chi tiết. Có thể
nói CNC là các phân đoạn của các hệ thống robot công nghiệp, tức là chúng được thiết
kế để thực hiện nhiều thao tác sản xuất (trong tầm giới hạn).
Dựa trên các ưu điểm của máy CNC cùng với sự phát trển của ngành công
nghiệp chế tạo, chúng em quyết định nguyên cứu thiết kế và chế tạo mơ hình máy phay
CNC loại nhỏ với các chức năng cơ bản của một máy CNC dựa trên những kiến thức đã
được học và nghiên cứu tại trường.
1.2 Khái niệm máy CNC và giới thiệu về máy CNC laser
1.2.1 Tổng quan về máy CNC, đặt vấn đề
Tự động hóa quá trình sản xuất là một trong những yêu cầu bức xúc hiện nay đối
với các doanh nghiệp sản xuất trong và ngoài nước ở hầu hết các lĩnh vực.
Đối với lĩnh vực sản xuất cơ khí thì đây cũng là một trong những yêu cầu cấp
thiết nhằm tiến đến “tăng năng suất, nâng cao chất lượng, hạ giá thành sản
phẩm”.
Nhiều doanh nghiệp đã và đang đầu tư để đổi mới công nghệ, ứng dụng công nghệ cao,
công nghệ tiên tiến trong sản xuất. Tuy nhiên, do hạn chế về khả năng tự nghiên
5
cứu công nghệ mới, năng lực vốn đầu tư gặp có nhiều khó khăn… dẫn đến chậm đổi
mới cơng nghệ.
Hiện nay nhu cầu về máy CNC phục vụ công nghiệp và các ngành sản xuất khác
là rất lớn, doanh nghiệp thiết kế máy trong nước chỉ đáp ứng một phần nhỏ. Chủ yếu là
nhập khẩu máy CNC mới từ nước ngoài về hay nhập máy cũ (seconhand) về.
Đối với quá trình khắc CNC thì việc tiếp xúc trực tiếp tại chỗ làm việc là cực kỳ
tốn thời gian mất an tồn và ảnh hưởng tới sức khỏe: mơi trường bị ô nhiễm nặng (bột gỗ,
…) nguy hiểm cho mắt, da, phổi…Tai nạn lao động nhiều, tốn thời gian rất nhiều để hoàn
thành xong một sản phẩm …Nên điều khiển gián tiếp là biện pháp hiệu quả nhất. Máy sẽ
được đặt trong mơi trường kín sẽ đảm bảo an tồn lao động cho cơng nhân.
Trong tình hình hội nhập với nền kinh tế thế giới cùng với sự cạnh tranh gắt gao từ
các nhà sản xuất nước ngồi. Điều này địi hỏi các nhà sản xuất trong nước cần phải nâng
cao năng lực cạnh tranh của sản phẩm hơn nữa bằng cách cải tiến và đầu tư máy móc,
trang thiết bị an tồn, bảo vệ sức khỏe cơng nhân để phục vụ sản xuất. Đặc biệt là trong
tình hình lao động hiện nay, nguồn lao động có tay nghề trong ngành cơ khí đang thiếu
hụt trầm trọng. Chính vì điều này mà hiện nay vấn đề đặt ra là: để phát triển ngành sản
suất cơ khí trong nước thì việc trang bị các máy móc tự động phục vụ một phần cho cơng
việc trong q trình sản xuất là vơ cùng quan trọng.
Ngồi các lý do như trên thì việc thiết kế, chế tạo và sử dụng thiết bị CNC còn là
tiền đề cho việc phát triển lĩnh vức cơ khí tự động hóa trong sản xuất. Hưởng ứng phong
trào thiết kế máy CNC phục vụ trong nước của nước ta.
1.2.2 Khái niệm máy CNC
CNC (Computer Numerical Control) xuất hiện vào khoảng đầu thập niên 1970 khi
máy tính bắt đầu được dùng ở các hệ điều khiển máy công cụ thay cho NC, Numerical
Control (Điều khiển số ). CNC đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc
với mục đích sản xuất( có tính lặp lại) các bộ phận kim khí( hay các vật liệu khác) phức
tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn
EIA-274-D, thường gọi mã G. CNC được phát triển cuối thập niên 1940 đầu thập niên
1950 ở trong phịng thí nghiệm Servomechanism của trường MIT. Trước khoảng thời
gian này, các chương trình NC thường phải được mã hoá và xử lý trên các băng đục lỗ, hệ
điều khiển các trục máy chuyển động. Cách này đã cho thâý nhiều bất tiện, chẳng hạn khi
sửa chữa, hiệu chỉnh chương trình, băng chóng mịn, khó lưu trữ, truyền tải, dung lượng
bé...Hệ điều khiển CNC khắc phục các nhược điểm trên nhờ khả năng điều khiển máy
bằng cách đọc hàng loạt ngàn bit thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ, cho phép giao tiếp,
truyền tải và xử lý, điều khiển các q trình một cách nhanh chóng, chính xác.
6
Hình 1.1 Máy CNC dùng trong cơng nghiệp
Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công
nghiệp. Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp
3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác do con người thực hiện
được giảm thiểu. Việc gia tăng tự động hóa trong q trình sản xuất với máy CNC tạo nên
sự phát triển đáng kể về chính xác và chất lượng. Kĩ thuật tự động của CNC giảm thiểu
các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các cơng việc khác. Ngồi ra còn cho
phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc
để sản xuất các linh kiện khác. Trong môi trường sản xuất, với nhiều loại máy CNC được
ra đời nhầm đáp ứng nhu cầu của thị trường và trong đó có máy khắc gỗ CNC, nhầm đáp
ứng về việc gia công gỗ một cách hiệu quả và chính xác.
1.3 Tổng quan về máy CNC trong và ngồi nước
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
Có thể phân loại các máy CNC như sau:
- Các máy CNC dùng để cắt gọt kim loại bằng dụng cụ cắt (theo công nghệ truyền
thống): máy vẽ CNC, máy tiện CNC, các trung tâm tiện và vẽ CNC, máy mài CNC.
- Các máy CNC dùng để gia công theo công nghệ phi truyền thống: máy xung tia lửa
điện, máy cắt dây tia lửa điện, máy cắt bằng Plasma, cắt bằng Laser, máy tạo mẫu nhanh
RP. - Các máy CNC dùng để gia công biến dạng bằng áp lực: máy đột tự động theo
chương trình, máy cán, máy ép, máy dập điều khiển số.
- Các máy CNC chuyên dụng phục vụ cho các ngành công nghiệp sản xuất hàng loạt
hoặc đặc biệt: sản xuất phụ tùng ơ tơ, đồ tiêu dùng, sản xuất vũ khí, hố chất độc hại,…
7
- Các máy CNC chuyên dụng phục vụ cho các ngành công nghiệp sản xuất hàng loạt
hoặc đặc biệt: sản xuất phụ tùng ô tô, đồ tiêu dùng, sản xuất vũ khí, hố chất độc hại,…
- Các lĩnh vực ứng dụng của máy CNC và các sản phẩm do máy CNC tạo ra: - Máy CNC
dùng để chế tạo ra các máy móc, thiết bị và dây chuyền sản xuất phục vụ tồn bộ các
ngành kinh tế khác như: cơng nghiệp nặng (đóng tàu, khai thác mỏ, điện, dầu khí, thiết bị
vận chuyển như ô tô, tàu hoả,…), công nghiệp nhẹ (dệt may, đóng giày, thực phẩm,…),
cơng nghiệp quốc phịng (dây chuyền sản xuất vũ khí, thuốc nổ,…)
1.3.2 Các máy móc và s ản phẩm tương tự
- Máy vẽ, máy tiện trong công nghiệp
-
Máy điêu khắc gỗ CNC 3 trục, 4 trục, 5 trục, máy tiện.
-
Máy khắc laser, máy in 3D.
1.3.3 Mục đích nghiên cứu
Với đề tài “Thiết kế, chế tạo mơ hình máy CNC laser” người nghiên cứu thể
hiện với các mục đích sau:
Đổi mới cơng nghệ, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong việc gia
công điêu khắc gỗ trong ngành cơ điện tử chúng ta.
Nghiên cứu tính tốn , thiết kế và chế tạo theo hướng đơn giản hóa các kết cấu, thu
nhỏ các kích thước của những máy để tạo thành một máy mới có có giá thành hạ, kết cấu
đơn giản, dễ vận hành, dễ thao tác và di chuyển từ nơi làm việc này đến nơi làm việc
khác. Loại máy laser này có kết cấu tương tự như thiết bị cắt tự hành nhưng có thể di
chuyển bút vẽ đến tọa độ bất kì trên board đồng để tạo thành các đường mạch với kích
thước khác nhau.
Hệ thống điều có giao diện đẹp mắt, hoạt động rất đơn giản và thuận tiện. Bộ nhớ
xử lý ổn định có thể tạo ra các dạng sản phẩm khắc đơn giản. Đồng thời cũng góp phần
phát triển ngành công nghệ tự động của nước nhà.
1.3.4 Mơ tả đề tài: Thi ết kế mơ hình máy CNC laser
Hình 1.2 Mơ hình máy CNC mini laser
8
Trước đây việc tạo ra một sản phẩm khắc phải trải qua nhiều bước mới có thể có
được một sản phẩm khắc hồn chỉnh,vừa tốn thời gian, cơng sức mà hiệu quả lại thấp.
Còn những sản phẩm khắc phức tạp thì hiệu quả đạt được lại rất thấp. Với những địi hỏi
của cơng nghệ, để đáp ứng được nhu cầu của thị trường, máy CNC laser là bước tiến mới
để giải quyết những vấn đề đó.
Với máy CNC laser khơng chỉ giải quyết được những khó khăn đó, mà nó còn là
lựa chọn tối ưu nhất trong ngành cơ điện tử chúng ta và các ngành khác. Đặc biệt là CNC
laser ln đạt được độ chính xác cao. Nên được mọi người biết đến như một cổ máy giải
quyết khó khăn trong việc tạo ra những sản phẩm khắc cả về số lượng lẫn chất lượng.
Thấy được tầm quan trọng đó, nên chúng em đã ra sức tìm hiểu và cố gắng “Thiết kế chế
tạo mơ hình máy CNC laser” được nhóm thực hiện để đáp ứng một phần nào đó của
cơng nghệ hiện nay.
Ưu điểm của máy CNC laser:
-
Khắc những sản phẩm gỗ một cách chính xác.
-
Quy hoạch thời gian sản xuất tốt hơn.
-
Tính linh hoạt cao hơn.
-
Tiết kiệm chi phí, giảm thời gian gia cơng sản phẩm khắc.
-
Nâng cao năng suất.
So với các máy công cụ điều khiển bằng tay, sản phẩm từ máy CNC không phụ
thuộc vào tay nghề của người điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung chương trình được
đưa vào máy. Người điều khiển chỉ chủ yếu là theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động
của máy
Ít phải dừng máy vì kỹ thuật, do đó chi phí do dừng máy nhỏ
Tiêu hao do kiểm tra ít, giá thành đo kiểm giảm.
Thời gian hiệu chỉnh máy nhỏ.
Nhược điểm:
-
Không thể vẽ được những sản phẩm khắc quá phức tạp
- Giá thành, chi phí bảo dưỡng sửa chữa cao; yêu cầu trình độ hiểu biết sâu để vận
hành và bảo quản máy.
1.3.5 Phân lo ại mô hình máy CNC
Các loại máy CNC được phân loại theo hai tiêu chí:
Phân loại theo mục đích:
Máy tiện CNC.
Máy phay CNC.
Máy khắc CNC.
Phân loại theo số trục :
Có các loại máy tiện/phay 3 trục, 4 trục , 6 trục, 8 trục,…
9
1.3.6 Các đặc trưng của máy CNC laser
Tính năng tự động cao: Máy CNC laser có năng suất cao và giảm được tối đa
thời gian, do mức độ tự động được nâng cao vượt bậc. Tuỳ từng mức độ tự động, máy
CNC laser có thể thực hiện cùng một lúc nhiều chuyển động khác nhau, hiệu chỉnh sai số
dao cụ, tự động kiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự động hiệu chỉnh sai lệch vị trí
tương đối giữa bút vẽ và board đồng, …
Tính năng linh hoạt cao: Chương trình có thể thay đổi dễ dàng và nhanh chóng,
thích ứng với các loại sản phẩm khắc khác nhau. Do đó rút ngắn được thời gian phụ và
thời gian chuẩn bị sản xuất, tạo điều kiện thuận lơi cho việc tự động hóa sản xuất hàng
loạt nhỏ. Bất cứ lúc nào cũng có thể sản xuất nhanh chóng những chi tiết đã có chương
trình. Vì thế, khơng cần phải sản xuất chi tiết dự trữ, mà chỉ giữ lấy chương trình của chi
tiết đó. Máy CNC laser có thể tạo những chi tiết nhỏ, vừa, phản ứng một cách linh hoạt
khi nhiệm vụ công nghệ thay đổi và điều quan trọng nhất là việc lập trình gia cơng có thể
thực hiện ngồi máy, trong các văn phịng có sự hỗ trợ của kỹ thuật tin học thông qua các
thiết bị vi tính, vi sử lý …
Tính năng chính xác, đảm bảo chất lượng cao: Giảm được hư hỏng do sai sót
của con người. Đồng thời cũng giảm được cường độ chú ý của con người khi làm việc.
Có khả năng laser chính xác hàng loạt. Độ chính xác lặp lại, đặc trưng cho mức độ ổn
định trong suốt quá trình vẽ là điểm ưu việt tuyệt đối của máy CNC laser. Máy CNC laser
với hệ thống điều khiển khép kín có khả năng vẽ được những sản phẩm khắc một cách
chính xác. Những đặc điểm này thuận tiện cho việc tạo ra những sản phẩm khắc vừa
chính xác lại đảm bảo tính thẩm mĩ,bên cạnh đó giảm khả năng tổn thất ở mức thấp nhất.
1.3.7 Ứng dụng
Được sử dụng trong các lĩnh vực của nghành cơ điện tử, điện tử, tự động hóa,...
-
Tạo ra những sản phẩm khắc đẹp, nhanh chóng, tiện lợi.
1.3.8 Hướng giải quyết
Tham khảo các tài liệu trên mạng và các mơ hình máy khắc CNC để vẽ mơ hình
máy
CNC laser.
-
Sử dụng phần mềm Proteus,Aspire , GRBL, Universal Gcode Sender
- Nghiên cứu kết cấu của các loại máy CNC trên thị trường có tính năng tương tự, cải
tiến những khuyết điểm..
- Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp và thí nghiệm các mạch điều khiển động cơ bước,
động cơ Servo, bộ điều khiển chính, cổng truyền thơng giao tiếp, gia cơng tồn bộ các
chi tiết và lắp ráp hồn chỉnh mơ hình máy CNC laser.
Sử dụng bộ điều khiển để điều khiển máy dịch chuyển theo phương X Y và Z.
-
Lập trình chạy thử.
1.3.9 Những yêu cầu chung của mơ hình máy CNC
Kích thước và trọng lượng của máy không được quá lớn.
-
Chọn bộ truyền động giúp cho máy có thể hoạt động linh hoạt
10
PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH MÁY THIẾT KẾ MÁY
2.1. Yêu cầu thiết kế hệ thống
Khi tiến hành thiết kế mơ hình máy phay CNC , nhóm chúng em đã đặt ra những u
cầu sau :
-Mơ hình phải hoạt động ổn định.
-Mơ hình phải dược điều khiển bởi các phần mềm thơng dụng.
-Chạy tự động khi kết nối với máy tính
-Có thể đổ chương trình gia cơng từ máy tính.
-Sử dụng các vật tư , thiết bị điện thông dụng để dễ dàng thay thế và sửa chữa .
-Các bộ phận truyền động kết nối phải đảm bảo đủ cứng vững đồng thời tuổi thọ mơ
hình phải cao .
-Thơng số kỹ thuật của mơ hình:
+Kích thước máy: (dài x cao x rộng)
400mm × 300mm × 290mm (không bao gồm động cơ bước)
+Đường kính bàn xoay: D = 190 mm
+Vùng làm việt của máy: 120mm × 70mm × 20mm
+Vật liệu làm khung máy là nhơm định hình 20mm x20mm, tấm nhựa PVC cơng
nghiệp và các chi tiết nhôm khác.
-Máy được sữ dụng để vẽ các sản phẩm khắc trên bo
đồng 2.1 Tổng quan về kỹ thuật điều khiển số
2.1.1 Các định nghĩa cơ bản về điều khiển số
2.1.1.1 Điều khiển số
Điều khiển số (Numerical Control) là một quá trình tự động điều khiển các hoạt
động của máy dựa trên cơ sở các dữ liệu được mã hóa đặc biệt tạo nên một chương trình
làm việc của thiết bị hay hệ thống.
Hệ thống ĐK số bao gồm 2 loại khâu cơ bản:
+Khâu có bản chất gián đoạn: Các tín hiệu vào/ra/ trạng thái đều gián đoạn
về thời gian và về mức. Khâu mô tả các thiết bị ĐK digital.
+
Khâu có bản chất liên tục: Mơ tả đối tượng điều khiển. Khi gián đoạn hóa
sẽ đưa đến mơ hình như hình bên. Việc gián đoạn hóa xuất phát từ mơ hình trạng
thái liên tục của đối tượng.
2.1.1.2 Hệ thống điều khiển số
Là hệ thống mà trong đó các hoạt động được điều khiển là dữ liệu số đưa vào trực
tiếp ở một điểm nào đó. Hệ thống đó phải tự động dịch chuyển tối thiểu một phần nào đó
của dữ liệu này.
11
Dữ liệu là thông tin cung cấp bởi mã nhị phân. Nó được biểu diễn dưới dạng mã số
hoặc ký tự. Đây là thông tin cần thiết để tạo ra một chương trình gọi là chương trình gia
cơng.
Cấu trúc từng phần của hệ thống điều khiển số:
Hình 2.3 Cấu trúc t ừng phần của hệ thống điều khiển số
Gồm 6 thành phần chính:
1.
Chương trình gia cơng (Part Programe): bao gồm các chỉ thị đã được mã hóa.
2.
Hệ điều khiển máy (Machine Control Unit - MCU) được chia làm 2 thành phần:
- Đơn vị xử lý dữ liệu (Data Processing Unit – DPU): thực hiện chức năng đọc mã lệnh
từ thiết bị nhập dữ liệu, xử lý mã lệnh (giải mã), truyền dữ liệu cho CLU.
- Mạch điều khiển (Control Loop Unit – CLU): thực hiện các chức năng nội suy chuyển
động trên cơ sở các tín hiệu nhận được từ DPU, xuất các tín hiệu điều khiển, nhận các tín
hiệu phản hồi, điều khiển các thiết bị phụ trợ.
3. Thiết bị đọc chương trình (Programe Unit).
4. Hệ thống truyền động (Drive System): dùng động cơ một chiều, xoay chiều hoặc động
cơ bước và các bộ truyền cơ khí.
5.
Máy cơng cụ.
6.
Hệ thống phản hồi (Feedback System): gồm 2 thành phần:
- Bộ so sánh: so sánh giá trị thực của biến ra để chấp hành giá trị với biến vào của hệ điều
khiển, sai lệch này có thể biến thành tín hiệu điều khiển.
- Cảm biến: dùng để đo giá trị thực của biến ra sau đó cung cấp cho bộ so sánh dưới dạng
tín hiệu, thường là tín hiệu điện.
12
2.1.2 Phương pháp truyền thông tin đầu vào
- Những thông tin cần thiết để gia công một chi tiết nào đó được tập hợp một cách hệ
thống thành chương trình gia cơng chi tiết và có thể:
Thơng qua các vật mang tin như băng đục lỗ.
- Được soạn thảo và lưu trữ trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ hoặc đĩa CD) và được đưa
vào hệ điều khiển thông qua cửa nạp tương thích.
Được đưa vào hệ điều khiển số thông qua các nút bấm bằng tay trên bảng điều
khiển.
- Được chuyển tiếp từ bộ nhớ của máy tính điều hành chủ sang hệ điều khiển số của từng
trạm gia cơng.
2.1.3 Ưu nhược điểm của máy điều khiển số
-
Có thể bỏ qua các chi tiết mẫu để chép hình.
- Chương trình gia cơng có thể thay đổi dễ dàng và nhanh chóng nhằm giảm thời gian
chuẩn bị sản xuất, tạo điều kiện cho việc sản xuất hàng loạt nhỏ.
- Có thể sản xuất chi tiết đã có chương trình. Vì vậy khơng cần phải dự trữ chi tiết mà chỉ
cần lưu chương trình của chi tiết.
- Giảm hư hỏng do sai sót của con người, cải thiện tốc độ gia công và khả năng tận dụng
máy.
Dễ dàng điều khiển tập trung tồn bộ q trình sản xuất của phân xưởng.
- Nhược điểm của máy NC là hệ thống điều khiển phức tạp, giá thành đắt. Để khắc phục
nhược điểm này hiện nay người ta chế tạo những máy NC có mức độ tự động thấp hơn,
độ chính xác vừa phải nhưng hoàn toàn đáp ứng phần lớn các nhu cầu của ngành chế tạo
máy.
2.2.4 Phân lo ại theo cấu trúc điều khiển
Theo cấu trúc điều khiển ta có thể chia thành hai hệ: NC và 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 đó hệ điều khiển NC được gọi là hệ
điều khiển kín. Tín hiệu điều khiển trong hệ NC là xung điện áp.
- Hệ CNC sử dụng một máy tính để điều khiển máy, các hàm chức năng của máy có thể
được lập trình lại bằng những phần mềm chuyên dụng, khi cần thay đổi cấu trúc điều
khiển chỉ cần thay đổi chương trình, do đó hệ thống CNC mang tính linh hoạt rất cao và
nó là một tế bào khơng thể thiếu trong hệ thống sản xuất linh hoạt
2.2.5 Phân loại kiểu điều khiển
2.2.5.1 Hệ điều khiển hở
Hệ điều khiển hở là hệ không có mạch phản hồi và kết quả hoạt động của hệ
khơng được kiểm sốt. Ví dụ hệ thống điều khiển hở sử dụng động cơ bước:
13
Hình 2.7- Sơ đồ khối hệ điều khiển hở dùng động cơ bước.
2.2.5.2 Hệ thống điều khiển kín
Hệ thống điều khiển kín là hệ thống có mạch phản hồi. Hệ thống phản hồi dùng
để đo vị trí và tốc độ thực tế của trục và so sánh chúng với tốc độ và vị trí 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 điều chỉnh lại tín hiệu ở ngõ ra theo hướng
sao cho sai số đó giảm xuống.
Hình 2.8-Sơ đồ khối hệ điều khiển kín
14
Đề tài “Thiết kế máy CNC laser” được nghiên cứu với các mục đích sau:
- Sự ra đời của đề tài do sự ham thích tìm hiểu về máy CNC, xây đựng được mơ hình
máy CNC có thể chạy được thông qua sự điều khiển của bộ điều khiển đã thiết kế.
Máy được chế tạo có kích thước nhỏ gọn, kết cấu đơn giản, dễ vận hành thao tác, có thể
di chuyển từ nơi này đến nơi khác trong không gian làm việc, máy có khả năng vẽ định
dạng các đường sản phẩm khắc đơn giản
Xây dựng giao diện điều khiển hệ thống đẹp mắt, hoạt động đơn giản và thuận
tiện.
Đề tài được cho ra đời nhằm mục đích giúp sinh viên có điều kiện tiếp cận nhiều hơn với
máy CNC. Ngồi ra nhóm tác giả mong muốn đề tài còn tạo cơ sở cho việc chế tạo một
máy CNC hồn chỉnh, phục cho cơng tác giảng dạy của nhà trường và của khoa.
Máy thiết kế có thể gia cơng các vật liệu mềm như gỗ, mica, nhựa, phíp đồng
Vì máy thiết kế có kích thước nhỏ gọn nên chỉ có thể gia cơng được những chi tiết có
kích thước nhỏ. Kích thước tối đa của phơi khơng vượt q giới hạn dịch chuyền của dao
trên bàn máy.
2.3 Nguyên lý hoạt động của máy
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý
- Nguyên lý hoạt động của máy như sau: Máy CNC mini 3 trục hoạt động dựa theo
chuyển động phức hợp theo 3 phương X,Y,Z. được điều khiển bằng arduino UNO R3
thông qua chương trình điều khiển là Grbl ( hoặc Mach 3).Phôi sẽ được định vị trên
15
bàn máy, File Gcode sẽ dc nạp vào phần mềm Grbl, bộ xử lý sẽ phân tích code và đưa ra
tin hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành tiến hành gia công trên phôi đã được định vị để tạo
ra sản phẩm. các thơng số trong q trình gia cơng sẽ được người điều khiển thiết lập trên
phần mềm Grbl và sẽ được hiển thị trên màn hình điều khiển (màn hình máy tính) trong
q trình gia cơng chi tiết.
2.4 Các thành phần chính của máy
2.4.1 Phần điều khiển
Phần điều khiển của máy CNC mini gồm chương trình điều khiển và thiết bị điều
khiển:
+
Chương trình điều khiển: là phần mềm trên máy tính có nhiệm vụ đọc chương
trình, thực hiện các biến đổi cần thiết để đưa tín hiệu điều khiển xuống mạch điều khiển,
nó bao gồm cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu
so sánh.
+
Cơ cấu điều khiển: mạch điều khiển và mạch cơng suất có nhiệm vụ nhận tín
hiệu từ máy tính, thực hiện các biến đổi cần thiết để điều khiển được cơ cấu chấp hành và
kiểm tra sự hoạt động của cơ cấu chấp hành thông qua các cảm biến liên hệ ngược (công
tắc hành trình). Cơ cấu điều khiển gồm: cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín
hiệu, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuếch đại, cơ cấu hành trình, cơ cấu đo vận tốc các thiết bị
xuất nhập tín hiệu.
2.4.2 Phần chấp hành
Phần chấp hành bao gồm toàn bộ khung máy, bàn máy, các động cơ và các cơ cấu
chạy dao truyền động trên máy vẽ CNC mini, nó nhận tín hiệu từ bộ driver điều khiển tạo
ra các chuyển động chạy dao đúng như bản vẽ.
+
Khung máy: Hình thành kết cấu máy, bộ phân cơ sở để ghép nối các cơ cấu quan
trọng khác
+
Bàn máy: Nơi gá đặt, định vi phơi chuẩn bị cho q trình gia cơng
+
Động cơ chấp hành: Trong hệ thống máy CNC, ĐCCH đóng một vai trị cực kì
quan trọng, đây là nguồn năng lượng thiết yếu cho sự hoạt động của máy.
Dao cắt là bộ phận trực tiếp tham gia cắt gọt chi tiết.
-
Bộ truyền động thường sử dụng bộ truyền vít me - đai ốc bi…
Hệ trục tọa độ trên máy CNC
Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công trên máy CNC phải
nằm trong hệ tọa độ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải:
+
Đặt ngửa bàn tay phải lên bàn máy với phương chiều các ngón tay như hình vẽ,
chiều ngón giữa là chiều trục Z, ngón trỏ là chiều trục Y, ngón cái là chiều trục X.
+
Trong hệ tọa độ này có 6 chuyển động: 3 chuyển động tịnh tiến theo 3 trục và 3
chuyển động quay theo 3 trục.
16
+
Trục Z: tương ứng với trục chính của máy CNC, có chiều dương là chiều mà
theo đó khoảng cách giữa bút và chi tiết tăng dần.
+
Trục X: là chuyển động tịnh tiến lớn nhất của máy CNC.
Ví dụ: Trên máy vẽ là chuyển động dọc trục, trên máy tiện là chuyển động theo
phương ngang. Cũng tương tự như trục Z, chiều cũng là chiều làm tăng khoảng cách giữa
dao và chi tiết gia công.
+ Trục Y: là trục mà tự nó cùng với hai trục trên làm thành một hệ trục toạ độ.
Ví dụ: trên máy vẽ là chuyển động chạy dao ngang. Trên máy tiện khơng có trục
này (cho dạng chi tiết là tròn xoay).
17
TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH CỦA MÁY
3.1 Phân tích, chọn phương án, kích thước và quy mơ của mơ
3.1.1 Phân tích chọn phương án
Mơ hình chế tạo cần đáp ứng các yêu cầu sau:
+
Đề tài nghiên cứu chỉ ở mức là mơ hình phục vụ cho giảng dạy, học tập.
+
Đảm bảo độ cứng vững cũng như kích thước đơn giản của máy.
+
Dễ chế tạo trên các mơ hình cũ sẵn có.
Trong phương án này, bàn máy đứng yên, đầu máy thực hiện chuyển động chạy
dao theo 3 phương X, Y, Z nhờ các động cơ riêng lẻ.
Hình 3.1 Hình ảnh thực tế
-
-
Ưu điểm:
+
Gọn nhẹ, dễ sử dụng
+
Chi phí thấp, hiệu quả cao
Nhược điểm:
+
Độ cứng vững của máy khơng cao.
+
Khó mở rộng phạm vi hoạt động của bàn máy
3.1.2.Kích thước và quy mơ của mơ hình
Theo phương án chế tạo đã đặt ra, chúng em dự kiến thiết kế máy có kích thước
như sau:
18
-
Chiều cao máy: 300mm
-
Chiều dài máy: 400mm
-
Chiều rộng máy: 290mm
3.2 Tính tốn thiết kế các thành ph ần của máy
Tác dụng, yêu cầu của khung máy
+
Khung máy là một bộ phận cấu thành nên máy hồn chỉnh. Chính vì thế khung
máy có kết cấu rất phức tạp với nhiều gân, gờ, lỗ được bố trí trong khơng gian.
+
Mặt khác khung máy còn là một chi tiết quan trọng của máy, độ chính xác, cứng
vững của nó cịn ảnh hưởng rất lớn đến q trình làm việc và độ chính xác gia cơng. Do
đó khung máy phải thỏa những u cầu sau: Đảm bảo đầy đủ độ cứng vững khi máy chạy
và độ giảm chấn.
Do kiến thức về gia công cơ khí cịn hạn chế và để đảm bảo chi phí chế tạo máy
phù hợp với điều kiện kinh tế của bản thân nên chúng em quyết định chọn vật liệu làm
khung máy bằng nhơm định hình với các lý do sau:
+
Vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm.
+
Dễ gia công, chế tạo.
+
Dễ gá lắp, chỉnh sửa
3.2.1 Cơ cấu dẫn hướng
Bi trượt
-
Trục trơn
19
- Trong mơ hình máy 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 của máy vì:
+ Thơng dụng, dễ kiếm.
-
+
Dễ tháo lắp, kết cấu đơn giản.
+
Ma sát nhỏ.
+
Đảm bảo được yêu cầu thiết kế
Tuy cơ cấu có độ chính xác cao, ma sát thấp nhưng giá thành lại khá cao.
3.2.2 Cơ cấu truyền động
- Do kinh phí chế tạo máy nhỏ nên nhóm khơng thể dùng vít me bi để đảm bảo độ chính
xác cao mà lựa chọn giải pháp dùng vitme đai ốc thường.
-Vít me được gắn đồng trục với động cơ, khi động cơ quay , vít me quay, động cơ và
vít me gắn cố định, làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vít me. Đai ốc thì được
gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động ( trục X, Y ,Z). Từ đó làm cho bộ phận đó
chuyển động so với hệ thống thanh trượt , động cơ và cơ cấu truyền động.
-Tốc độ di chuyển được phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vít, thường
thì bước ren rất nhỏ cỡ 1 đến 2 mm, một vòng quay của trục động cơ sẽ làm đai ốc di
chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít , vì vậy tốc độ di chuyển của bộ phận trượt
ở phương pháp này là chậm nhưng lại có độ chính xác khi chuyển động khá cao.Dùng
động cơ bước có bước góc càng nhỏ và trục ren có bước ren nhỏ thì độ chính xác di
chuyển càng cao
-Ưu điểm của loại vitme này là giá thành rẻ, sai số ở mức cho phép, đảm bảo được độ bền
và ổn định.
- Thông số bộ truyền vitme – đai ốc được chọn như sau:
+
Đường kính trục vitme: d = 8mm
+
Bước vit: p = 8mm
+ Chiều dài vitme cho 3 trục:
X:
= 360mm
Y:
Z:
= 270mm
L3 = 120mm
20
3.2.3 Các loại động cơ sử dụng
- Trong hệ thống máy CNC, động cơ chấp hành đóng một vai trị cực kì quan trọng, đây
là nguồn năng lượng thiết yếu cho sự hoạt động của máy.
- Trong máy CNC, động cơ chấp hành 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 u cầu sau:
+
Khơng có hiện tượng tự quay, tự hãm khi ngắt tín hiệu điều khiển.
+
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.
3.2.3.1 Động cơ bước:
b) Khái ni ệm
- Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số
các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến
đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển
động góc quay hoặc các chuyển động của rơto có khả năng cố định rơto vào các vị trí cần
thiết.
- Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ
một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.
- Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có
độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch
điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số
góc quay của rơto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ
quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
Lựa chọn động cơ bước, cần xem xét các tham số sau:
+
Tốc độ hoạt động (bước/giây).
+
Mơmen xoắn.
+
Mơmen qn 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.
21
b) Nguyên lý ho ạt động của động cơ bước
Hình sau mô tả hoạt động của động cơ bước đơn giản.
Trong hình 3a dịng điện đưa vào cực /C và chạy ra ở C, do đó tạo ra lực từ giữ động
cơ ở vị trí như hình 3a) . Sau đó, chúng ta tắt dịng điện này đi và chuyển sang cặp /A
và A, như vậy động cơ sẽ bị xoay về vị trí mới do lực từ thay đổi hướng.Sau đó đến
cặp B và /B. Như vậy, bằng cách tạo các dòng điện chạy qua các cuộn dây, ta đã làm
xoay roto theo chiều mong muốn mỗi lần quay một bước khoảng cách giữa hai cuộn
dây sát nhau. Như vậy nếu ta đặt các cuộn dây càng sát nhau thì ta có độ phân giải
càng cao, các động cơ trong thực tế có thể đạt tới độ phân giải góc 1.8 độ.
c) Tính tốn lựa chọn động cơ bước:
-
Thơng s ố tính tốn động cơ bước trên trục Y
+
+
Khối lượng tải:
= 2 kg
Hệ số má sát của giá dẫn hướng: μ = 0,12
+
Đường kính trục vitme:
= 8mm = 0,008m
+
Khối lượng trục vitme:
=0,5kg
+ Bước vit
=8mm=0,008m
+
Độ chính xác của bàn máy: Δl=0,03 mm/bước
+
Khoảng cách dịch chuyển: l=300mm
+
+
Hệ số an toàn: Sf=3
Độ phân giải cần thiết của động cơ bước
+
Số vòng quay của động cơ bước:
+
Momen xoắn do khối lượng tải tác dụng lên các trục động cơ
22
