(Đồ án hcmute) thiết kế, chế tạo mô hình máy khắc laser điều khiển số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY KHẮC LASER ĐIỀU KHIỂN SỐ GVHD : TS PHẠM HUY TUÂN SVTH : TRẦN ĐẶNG TUẤN TÚ MSSV: 12143238 LÊ ANH ĐÀN 12143412 NGUYỄN VĂN HIỂN 12143303 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2016 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY KHẮC LASER ĐIỀU KHIỂN SỐ SVTH : TRẦN ĐẶNG TUẤN TÚ MSSV: 12143238 LÊ ANH ĐÀN 12143412 NGUYỄN VĂN HIỂN 12143303 Khoá : 2012 - 2016 Ngành : CHẾ TẠO MÁY GVHD : TS PHẠM HUY TUÂN GVPB : ThS ĐOÀN TẤT LINH Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2016 an i CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc -*** - Tp Hồ Chí Minh, Ngày…tháng…năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Trần Đặng Tuấn Tú MSSV: 12143238 Lớp: 12143CL2 Lê Anh Đàn 12143412 12143CL2 Nguyễn Văn Hiển 12143303 12143CL2 Ngành đào tạo: Chế Tạo Máy Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Huy Tuân Ngày nhận đề tài: Ngày nộp đề tài: Tên đề tài: Thiết kế chế tạo mô hình máy Khắc Laser điều khiển số Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Đầu laser công suất 2W - Động bước sử dụng chip THB7128 để điều khiển - Board điều khiển march - Vít-me bi, trượt dẫn hướng - Không gian làm việc: 500x500mm - Vật liệu gia công thép CT3 Nội dung thực đề tài: - Tìm hiểu, giới thiệu đề tài - Các nghiên cứu nước liên quan - Ý tưởng giải pháp thiết kế - Thiết kế, tính tốn khí lắp đặt hệ thống điện, điều khiển - Chế tạo mơ hình - Gia công thử nghiệm - Kết luận kiến nghị Chế tạo mơ hình máy khắc Laser TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) I an LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: “Thiết kế chế tạo mơ hình máy Khắc Laser điều khiển số” - GVHD: TS Phạm Huy Tuân - Họ tên sinh viên: Trần Đặng Tuấn Tú MSSV: 12143238 Lớp: 12143CL2 Lê Anh Đàn 12143412 12143CL2 Nguyễn Văn Hiển 12143303 12143CL2 - Địa sinh viên: 484 Lê Văn Việt, Phường Tăng Nhơn Phú A, Quận 09, TP.HCM - Số điện thoại liên lạc: 01676115659 - Email: hienksvn@gmail.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): …/…./2016 - Lời cam kết: “Tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình chúng tơi nghiên cứu thực hiện” Tp Hồ Chí Minh, ngày…tháng… năm 2016 Đại diện ký tên II an LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập trường đại học, cố gắn nỗ lực thân, chúng em hoàn thành Đồ Án Tốt Nghiệp, kết tinh, kết hợp lý thuyết thực nghiệm Điều đánh dấu trưởng thành sinh viên chúng em Nhìn lại trình chúng thực đồ án, đôi lúc chúng em cảm thấy khó khăn, chán nản nhờ vào cổ vũ tinh thần, giúp đỡ tận tình từ phía gia đình, người thân, bạn bè thầy nên chúng em có thêm động lực, tinh thần để hồn thành tốt nhiệm vụ Cảm ơn thành viên nhóm thực hồn thành mục tiêu đề Tuy đơi lúc có số mâu thuẫn, bất mãn, tranh luận,… nhờ mà chúng em hồn thiện, nhìn nhận thân tốt Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành thầy cô khoa Chất lượng cao môn công nghệ chế tạo máy trường Đại Học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh giúp đỡ nhóm q trình thực Đồ án tốt nghiệp Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến: Thầy Phạm Huy Tuân – thầy giúp đỡ, hướng dẫn nhóm để chúng em có cách nhìn tổng quát trình thiết kế, chế tạo thiết bị, máy móc đầu tay Nó tạo tiền đề để chúng em thực hành, áp dụng vào thực tiễn sống sau chúng em Một lần chúng em xin gởi lời cảm ơn đến tất người giúp đỡ nhóm hồn thành tốt Đồ Án Tốt Nghiệp Chúng em xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, ngày…tháng… năm 2016 Sinh viên thực III an TÓM TẮT ĐỒ ÁN “Thiết kế chế tạo mơ hình máy khắc laser điều khiển số” Ngày nay, khoa học kỹ thuật ngày phát triển máy móc đại đời ngày nhiều Chỉ xét riêng lĩnh vực gia cơng khí, hàng loạt máy CNC đời máy CNC trục, trục, trục, máy CNC cao tốc nhờ mà suất sản xuất chất lượng sản phẩm ngày nâng cao Chính kỳ diệu máy CNC (như gia cơng hình dạng phức tạp cách nhanh chóng, tự động hóa sản xuất với tập tin mã lệnh nhập cho máy), phận trí thức nghĩ đến việc chế tạo mơ hình mơ hoạt động máy CNC đại, với kích thước nhỏ gọn giá thành thấp nhiều lần đảm bảo hoạt động hiệu quả, đáp ứng nhu cầu học tập, giải trí sản xuất nhà Đó lý mà đề tài triển khai nghiên cứu Đề tài triển khai cách khoa học qua nhiều bước: tìm kiếm sở liệu, phát triển ý tưởng, giải pháp, triển khai thiết kế, tối ưu hóa mơ hình, tính tốn mơ tính bền vững hệ thống, thực gia công chi tiết cần thiết lắp ráp thành máy hoàn chỉnh Giai đoạn cuối dự án tiến hành chạy thử nghiệm, kiểm tra hiệu chỉnh mơ hình để đảm bảo u cầu đề tài Máy khắc trục sau chế tạo có kích thước 700x600x500mm, có khả khắc nhiều vật liệu khác với độ xác cao hình dạng sai số kích thước đạt mức 0.1mm Tuy nhiên, mơ hình cịn số hạn chế như: rung động trình làm việc, mối lắp ghép máy chưa đạt độ thẩm mỹ Nhóm hi vọng phát triển mơ hình cách khắc phục nhược điểm trên, tiến hành tự động hóa hồn tồn phát triển thành máy sử dụng đầu plasma Sinh viên thực Trần Đặng Tuấn Tú Lê Anh Đàn Nguyễn Văn Hiển IV an MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I LỜI CAM KẾT II LỜI CẢM ƠN III TÓM TẮT ĐỒ ÁN IV MỤC LỤC V DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VIII DANH MỤC HÌNH ẢNH IX CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 1.2 1.3 1.4 1.4.1 1.4.2 1.5 1.5.1 1.5.2 Tính cấp thiết đề tài Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn .2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Cơ sở phương pháp luận Các phương pháp nghiên cứu cụ thể CHƯƠNG 2: CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC .4 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.4 Giới thiệu Nghiên cứu liên quan đến đề tài Nghiên cứu nước Nghiên cứu Việt Nam .6 Sơ lược phát triển tia laser Laser Tính chất laser Ứng dụng laser .8 Hướng nghiên cứu .10 CHƯƠNG : TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 3.1 Khái quát máy CNC .11 3.1.1 Vài nét sơ lược máy CNC 11 3.1.2 Cấu tạo chung quy ước máy CNC 11 3.1.2.1 Phần điều khiển 11 V an 3.1.2.2 Phần chấp hành 12 3.1.3 Các kiểu hệ thống điều khiển 14 3.2 Động bước 15 3.3 Vitme – đai ốc bi 17 3.4 Thanh trượt bi 18 3.5 Giới thiệu tổng quát linh kiện điện tử 19 3.5.1 Biến áp .19 3.5.2 Cổng kết nối song song 25 chân (Parallel port) 20 3.5.3 Mạch nguồn: .21 CHƯƠNG 4: Ý TƯỞNG VÀ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ .24 4.1 4.2 4.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 Lựa chọn phương án di chuyển cho X, Y, Z 24 Lựa chọn kiểu điều khiển 27 Lựa chọn vít me-đai ốc 28 Lựa chọn truyền đai 29 Nguyên lý làm việc .29 Các phương pháp căng đai 30 Lựa chọn cấu dẫn hướng 30 Lựa chọn truyền .33 Lựa chọn động 34 Lựa chọn kiểu điều khiển động .36 Lựa chọn phần mềm điều khiển 37 Tổng kết 39 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MƠ HÌNH MÁY 40 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.2.6 5.2.7 5.2.8 5.2.9 5.3 5.4 Quy trình thiết kế phác thảo ý tưởng 40 Thiết kế khí .42 Mơ hình máy 42 Thiết kế trục Y 42 Thiết kế trục X 43 Tính tốn lựa chọn trượt bi 44 Tính tốn lựa chọn Vít me- đai ốc bi trục Y 49 Tính tốn lựa chọn động trục Y .51 Tính tốn lựa chọn động trục X .54 Tính tốn lựa chọn truyền đai trục X .56 Kiểm tra bền 57 Gia công chi tiết 59 Thiết kế hệ thống điều khiển 62 VI an 5.4.1 Phần mềm điều khiển Mach3 62 5.4.1.1 Giới thiệu Mach3 62 5.4.1.2 Tín hiệu truyền từ Mach3 cổng LPT 63 5.4.2 Driver động bước 66 5.4.3 Break out board mach3 67 5.5 Thiết kế hệ thống điện 68 5.5.1 Thiết kế tủ điện 68 5.5.2 Sơ đồ kết nối 72 CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ - ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN .74 6.1 6.2 6.3 Gia công sản phẩm đánh giá .74 Những vấn đề khó khăn 76 Đề xuất cải tiến .77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 PHỤ LỤC 1: QUY TRÌNH TÍNH TỐN, LỰA CHỌN .80 THANH TRƯỢT BI .80 PHỤ LỤC 2: QUY TRÌNH TÍNH TỐN, LỰA CHỌN .86 VÍT ME-ĐAI ỐC BI .86 PHỤ LỤC 3: HƯỚNG DẪN PHẦN MỀM MACH3 91 VII an DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CNC Computerized Numerical Control COM Communication SCARA Selective Compliance Assembly Robot Arm LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation VIII an C Tool Path (ALT-4): Hiển thị đường chạy dao, tọa độ Hình P3.3: Giao diện trang Tool Path D Setting (ALT-6): Tùy chỉnh theo yêu cầu người dùng E Diagnostics (ALT-7): Hiện thị toàn thông tin máy bao gồm: tọa độ, work offset, tool offset, đường chạy dao, tốc độ, tín hiệu chân Input-Output 94 an Hình P3.4: Giao diện trang Diagnostics F Setup phần mềm mach3: 1.Thiết lập đơn vị cho motor turning: Vào config > Select Native Units (có thể chọn đơn vị mm inches) Hình P3.5: Thiết lập đơn vị cho motor turning 95 an 2.Thiết lập kết nối với cổng LPT: Vào config > Ports and Pins Thơng thường kích hoạt Port #1 cách đánh dấu ô Port Enable với địa 0x378 (mặc định), kích hoạt Port #2 cách đánh dấu Port Enable với địa 0xdf00 (mặc định), set chân port#2 port input cách tick vào ô “Pin 2-9 as input” chọn tần số xung tối đa Người dùng kiểm tra lại địa cách vào divice manager/ LPT Hình P3.6: Trang thiết lập kết nối 3.Thiết lập địa cho động bước: Mở Tab Motor Outputs hộp thoại Ports and Pins - Enabled: đánh dấu Tick để kích hoạt điều khiển trục x,y,z - Step Pin: Địa cấp xung cho động - Dir Pin: Địa cấp xung đảo chiều cho động - Dir LowActive/Step LowActive: Đánh dấu Tick kích xung âm, dấu x kích xung dương (tùy vào mạch driver động cơ) 96 an Hình P3.7: Thiết lập motor outputs 4.Thiết lập địa cơng tắc hành trình cơng tắc home: Cơng tắc hành trình dùng để giới hạn di chuyển trục Công tắc home dùng để đưa máy tọa độ an toàn người dùng thiết lập Tốt người dùng nên sử dụng riêng chân input cho cơng tắc hành trình để tiết kiệm chân input, người dùng sử dụng chân input cho công tắc hành trình chân input cho cơng tắc home.Người dùng sử dụng cơng tắc hành trình trục làm cơng tắc home Cơng tắc hành trình cơng tắc home mắc nối tiếp với song song tùy người sử dụng Ta xem hình thiết lập địa hình bên dưới: 97 an Hình P3.8: Thiết lập cơng tắc hành trình trình 5.Thiết lập homing/ Litmits: Hộp thoại Homing/ Litmits Hình P3.9: Hộp thoại Motor home, softlimits 98 an Trong hộp thoại cho phép ta giới hạn hành trình trục phần mềm thay dùng cơng tắc hành trình (Soft Limits) đồng thời thiết lập giá trị home Chọn Reversed thấy chiều dương trục bị đảo ngược, chọn khoảng cách giảm tốc gần Home Slow Zone để đảm bảo an tồn Bên cạnh đó,ơ Home Neg cho phép chọn cơng tắc hành trình làm công tắc Home cách đổi chiều chuyển động Home Muốn thay đổi tốc độ Home cho máy CNC thiết lập % tốc độ ô Speed Khi công tắc Home tác động giá trị tọa độ trục thường đưa ta chọn Auto zero Muốn thay đổi giá trị giá trị bất kì, ta thiết lập giá trị Home Off bỏ chọn Auto zero Referent Home: Vị trí Home vị trí an tồn người dùng chọn Thơng thường trước gia công chi tiết, máy phải đưa vị trí Home Khi ta nhấn nút Home (ref all home), trục Z bắt đầu di chuyển Home Z trước, sau đến trục Y cuối trục X Trong phần mềm Mach3 CNC, ta chưa Set Home nút X, Y, Z hiển thị màu đỏ máy Set Home nút chuyển sang màu xanh Hình P3.10: Referent home 99 an 6.Thiết lập thông số liên quan tới động cơ: Vào Config/ Motor Turning để mở hộp thoại thiết lập thông số cho Động (Bước sở bàn máy) Hình P3.11: Hộp thoại motor turning Step per (step per unit): Số bước đơn vị (mm inch tùy thuộc vào đơn vị mà người dùng chọn), có nghĩa số bước động bước phải quay để bàn máy di chuyển được mm inch Nó phụ thuộc vào động bước chế độ vi bước mà người dùng chọn, loại vít me, tỷ số truyền Giả sử ta chọn động bước có bước góc 1.8 tương ứng có 200 bước/ vịng số bước đơn vị tính theo cơng thức: Steps per unit = (200 x 1/m)/(d x n) Trong đó: m: microstep (chế độ vi bước người dùng chọn) d: bước ren vít me (đơn vị mm inch) n: tỷ số truyền từ động bước qua trục vít me 100 an G Quy trình xuất G-Code sang Mach3  Thao tác AutoCad : Dùng AutoCad để vẽ chi tiết cần gia công Để gia cơng theo ý muốn ta xếp hình khác Layer khác Sau vẽ chi tiết ta lưu lại File với *.dxf Hình P3.12: Hộp thoại save Autocad  Thao tác LazyCam Khởi động phần mềm LazyCam thấy giao diện sau: 101 an Hình P3.13: Giao diện LazyCam Nhập file *dxf vào hình dưới: Hình P3.14: Nhập File DXF Chọn hình thức xuất Gcode cho: máy phay CNC, máy tiện CNC, máy cắt plasma CNC 102 an Hình P3.15: Chọn hình thức tạo Gcode Khai báo thông số cắt Tab Layer tối ưu đường chạy dao Hình P3.16: Khai báo thơng số cắt Sau hiệu chỉnh xong ta Post Gcode để sử dụng cho mach3 103 an Hình P3.17: Tạo mã Gcode  Xuất mã G-code khắc hình phần mềm mở inkscape: Mở phần mềm, điều chỉnh thông số thiết lập cho nơi làm việc cách vào File => Document Properties => Chọn tất UNITS hệ mm, khổ giấy A4, 104 an Hình P3.18: Giao diện inkscape Sau Import hình ảnh lưu máy vào phần mềm Inkscape cách vào File => Import => Chọn ảnh chương trình vẽ muốn khắc => Open file => kéo hình ảnh vừa khung làm việc Hình P3.19: Import ảnh máy 105 an Muốn khắc hình, ta chọn hình sau vào Extension => 305 engineering laser xuất hộp thoại hình => Export directory điền ‘C:\” nơi ta lưu file, điền vào ô file name , phần Resolution ta chọn 10 pixel/mm , B/W conversion algorithm ta chọn Halftone, Engraving speed (tốc độ chạy) ta chọn phù hợp với máy VD: 5000 => Sau ấn apply Hình P3.20: Xuất code Sau vào ổ đĩa “C:\” xuất file hình file hình file txt => mở file txt lên thay đổi số thông số sau để tải mã G-code vào phần mềm điều khiển Mach3 Xóa dịng lệnh từ G28 đến G91 sau lưu file lại bình thường 106 an Hình P3.21: Chỉnh sữa gcode xuất Tải file G-code vào Mach3, mở Mach3 => chọn Load G-code => chọn file đuôi txt lưu sửa “C:\” trước => Cycle start để chạy chương trình 107 an S an K L 0 ... Tên đề tài: Thiết kế chế tạo mơ hình máy Khắc Laser điều khiển số Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Đầu laser công suất 2W - Động bước sử dụng chip THB7128 để điều khiển - Board điều khiển march... CNC, nhóm thực đồ án lựa chọn mơ hình máy CNC loại - bàn máy đứng yên để ứng dụng vào máy khắc laser 4.2 Lựa chọn kiểu điều khiển Điều khiển máy khắc laser sử dụng kiểu điều khiển vịng kín với... Đối tượng nghiên cứu  Máy cắt khắc laser điều khiển số  Phần mềm điều khiển Mach3 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu  Nghiên cứu chế tạo mơ hình máy cắt, khắc CNC laser 2W  Máy thao tác nhiều vật liệu