Xây dựng và điều khiển máy phay gỗ cnc 4 trục dùng mach3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA XÂY DỰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY GỖ CNC TRỤC DÙNG MACH3 GVHD: THS LÊ HOÀNG LÂM SVTH: ĐỖ THẾ SƠN ĐỒNG VĂN SƠN SKL009736 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 12/2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY GỖ CNC TRỤC DÙNG MACH3 Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Hoàng Lâm Sinh viên thực hiện: Đỗ Thế Sơn MSSV: 18151236 Đồng Văn Sơn MSSV: 18151235 Tp Hồ Chí Minh, 30 tháng 12 năm 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY GỖ CNC TRỤC DÙNG MACH3 Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Hoàng Lâm Sinh viên thực hiện: Đỗ Thế Sơn MSSV: 18151236 Đồng Văn Sơn MSSV: 18151235 Tp Hồ Chí Minh, 30 tháng 12 năm 2022 TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Độc lập – Tự – Hạnh phúc BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG o0o -Tp.HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2022 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Đỗ Thế Sơn MSSV: 18151236 Họ tên sinh viên 2: Đồng Văn Sơn MSSV: 18151235 Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Hệ đào tạo: Đại học quy – Hệ Đại trà Khóa: 2018 Lớp: 181511A I TÊN ĐỀ TÀI: Tên đề tài: Xây dựng điều khiển máy phay gỗ CNC trục dùng Mach3 Đồ án tốt nghiệp thực tại: Bộ mơn Tự Động Hố, Khoa Điện - Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Thời gian thực hiện: Từ ngày 14/09/20122 đến 30 /12 /2022 II NHIỆM VỤ: Nội dung tìm hiểu: - Tìm hiểu nguyên lý, hoạt động cách điều khiển động Servo - Tìm hiểu Driver MR-J2S-20A, MR-J3-20A,MR-J3-40A, MR-JE-40A hãng Mitsubishi - Tìm hiểu biến tần Mitsubishi E700 - Tìm hiểu mạch điều khiển CNC Mach3 USB, phần mềm Mach3 - Tìm hiểu cơng nghệ CAM, phần mềm thiết kế CAM G-CODE Nội dung thực hiện: - Thiết kế thi công phần điện i - Giao tiếp bo mạch CNC Mach3 USB với máy tính qua phần mềm Mach3 - Tính tốn cài đặt thông số cho Servo Driver mạch CNC Mach3 USB phần mềm Mach3 - Điều khiển Driver Servo đáp ứng yêu cầu tốc độ thông qua biến tần - Thiết kế mẫu xuất file G-CODE, điều chỉnh file G-CODE phù hợp - Nhận xét đưa hướng phát triển đề tài III HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Lê Hoàng Lâm IV LỜI CAM ĐOAN CỦA SINH VIÊN: Chúng xin cam đoan đề tài “XÂY DỰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY GỖ CNC TRỤC DÙNG MACH3” cơng trình nghiên cứu chúng tơi hướng dẫn ThS Lê Hoàng Lâm Các số liệu, kết Đồ án tốt nghiệp trung thực không chép từ nguồn khác TP Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 12 năm 2022 Nhóm sinh viên Đỗ Thế Sơn, Đồng Văn Sơn Giảng viên hướng dẫn xác nhận mức độ hoàn thành cho phép bảo vệ: ……………………………………………………………………………………… Tp.HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2022 Xác nhận Bộ Môn Giảng viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên học hàm học vị) ii LỜI CẢM ƠN Đồ án tốt nghiệp nhóm sinh viên hồn thành thời gian tháng trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Trong thời gian này, nhóm sinh viên nhận trợ giúp tận tình từ thầy cơ, bạn bè để đồ án hoàn thành cách tốt Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Lê Hoàng Lâm, giảng viên khoa Điện – Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ giúp đỡ nhóm mặt ý tưởng, kiến thức, sở vật chất… cách tận tình, tâm huyết để nhóm hoàn thành đồ án tiến độ với chất lượng khả quan Chúng em xin chân thành cảm ơn đến thầy, cô môn Điều khiển tự động, thầy cô khoa Điện – Điện tử, truyền đạt kiến thức quý báu qua năm học để chúng em có điều kiện hồn thành tốt đồ án Cuối nhóm sinh viên xin cảm ơn chân thành anh chị trước, bạn bè gia đình ủng hộ, giúp đỡ tinh thần, kình ngiệm suốt trình thực đồ án Nhóm sinh viên Đỗ Thế Sơn Đồng Văn Sơn iii LỜI NÓI ĐẦU Trong thời gian dài, ngành khí tập trung nghiên cứu để giải vấn đề tự động hóa xí nghiệp có quy mơ sản xuất lớn (hàng loạt hàng khối) Nhưng thực tế, xí nghiệp máy có quy mơ sản xuất hàng loạt vừa hàng loạt nhỏ lại phổ biến Việt Nam Do đó, địi hỏi xí nghiệp phải nâng cao hiệu sản xuất suất lao động; dẫn tới vấn đề nghiên cứu triển khai kỹ thuật tự động có tính linh hoạt cao dây chuyền sản xuất Máy công cụ - trung tâm gia công điều khiển chương trình số kỹ thuật vi xử lý CNC - sử dụng sản xuất hàng loạt vừa hàng loạt nhỏ tạo điều kiện linh hoạt hố tự động hố dây chuyền gia cơng Đồng thời làm thay đổi phương pháp nội dung chuẩn bị cho sản xuất Trong năm gần máy NC CNC nhập vào Việt Nam hoạt động số nhà máy, viện nghiên cứu công ty liên doanh Cũng nên việc nghiên cứu, chế tạo máy CNC nhiều nhà kỹ thuật, kỹ sư Việt Nam theo đuổi Để tổng kết lại kiến thức học để làm quen với công việc thiết kế Em nhận đề tài "Xây dựng điều khiển máy phay gỗ CNC trục dùng MACH3” Vì lần đầu làm quen với cơng việc thiết kế tổng thể, hướng dẫn thầy Lê Hồng Lâm khơng tránh khỏi bỡ ngỡ Hơn nữa, tài liệu phục vụ cho cơng việc thiết kế cịn q ít, thời gian thực đề tài khơng nhiều, khả cịn hạn chế nên q trình thiết kế khơng tránh khỏi thiếu sót Nên mong giúp đỡ bảo thầy cô iv NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Xác nhận GVHD ThS Lê Hoàng Lâm v MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỜI CẢM ƠN iii LỜI NÓI ĐẦU iv NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN v MỤC LỤC vi DANH MỤC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC BẢNG xii DANH MỤC VIẾT TẮT xiii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Phương pháp nghiên cứu 1.4 Đối tượng nghiên cứu 1.5 Giới thiệu bố cục chương CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan CNC 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 2.1.3 Phân loại máy CNC 2.1.4 Ưu điểm nhược điểm máy CNC 2.2 Tổng quan AC Servo 2.2.1 Khái niệm 2.2.2 Cấu tạo 2.2.3 Ứng dụng 2.3 Giới thiệu phần cứng 2.3.1 Driver servo MR-J2S-20A vi 2.3.2 Driver servo MR-J3-A 10 2.3.3 Driver servo MR-JE 11 2.3.4 Bo mạch Mach3 CNC USB 12 2.3.5 Động trục Spindle 14 2.3.6 Biến tần Mitsubishi E700 15 2.3.7 Cảm biến APM-D3B1 17 2.3.8 Relay trung gian 18 2.3.9 Thiết bị đóng cắt CP30-BA 19 2.3.10 Bộ lộc nhiễu 19 2.3.11 Máy biến áp 20 2.3.12 Bộ nguồn chuyển đổi 21 2.3.13 Cầu dao khối (MCCB) 22 2.3.14 Cầu nối dây (Terminal) mở rộng 23 2.4 Giới thiệu phàn mềm 23 2.4.1 Phần mềm Mach3 23 2.4.2 CNC CAM G-CODE/ M-CODE 24 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 26 3.1 Yêu cầu thiết kế 26 3.2 Giới thiệu mơ hình 26 3.3 Thiết kế phần khí 27 3.4 Thiết kế phần điện - điều khiển 28 3.4.1 Sơ đồ sợi: thể tổng quan mơ hình 28 3.4.2 Sơ đồ đấu dây mạch động lực 28 3.4.3 Sơ đồ đấu dây driver MR-J3-40A Servo 29 3.4.4 Sơ đồ đấu dây driver MR-J3-20A Servo 29 3.4.5 Sơ đồ đấu dây driver MR-JE-40A Servo 29 3.4.6 Sơ đồ đấu dây driver MR-J2S-20A Servo 30 vii Hình 14 Thiết đặt thơng số ngõ vào tab Input Signals Hình 15 Thiết đặt thông số ngõ Tab Output Signals 54 Hình 16 Thiết đặt thơng số ngõ Spindle Tab Spindle Setup − Cài đặt thông số chuyển động trục (Config → Motor Tuning) Trong bảng chọn Motor Tuning, trước hết ta lựa chọn trục mục Axis Selection, lúc hồ sơ thông số chuyển động xuất Có thơng số quan trọng ta phải nhập gồm: ➢ Steps per: Số lượng xung để trục dịch chuyển đơn vị Ví dụ trục X trình bày bên dưới, ta nhập 1280 tức trục X cần 1280 xung để bàn trượt dịch chuyển khoảng 1mm Đây thơng số quan trọng nhất, định việc trục chạy hay không ảnh hưởng thông số Velocity Acceleration ➢ Velocity: Tốc độ chuyển động đơn vị/phút Bên trục X nhập 1200 – điều có nghĩa bàn trượt chuyển động 1200mm/phút ➢ Acceleration: Gia tốc (tốc độ thay đổi vận tốc) chuyển động – đơn vị/giây/giây Cả thơng số Velocity Acceleration điều chỉnh trượt Đồ thị màu xanh biểu thị tương quan tốc độ gia tốc chuyển động trục 55 Sau hoàn thành, ta nhấn vào nút SAVE AXIS SETTING để lưu lại giá trị chuyển sang thiết lập cho trục Sau hồn tất, nhấn OK Hình 17 Nhập thơng số motor tuning cho trục X Hình 18 Nhập thông số motor tuning cho trục Y Hình 19 Nhập thơng số motor tuning cho trục Z 56 Hình 20 Nhập thơng số motor tuning cho trục A Trục A sử dụng đơn vị Degree thay cho mm, trục A trục xoay Thông số 200 ô Steps per số xung để trục chuyển động Degree 5000 5000 deg/phút  13.8 rpm Các thông số bảng chọn Motor Tuning thiếp lập kết nối mạch với phần mềm máy tính Tóm tắt: Trục Steps per Velocity Acceleration X 1280 Pul/mm 1200 mm/min 700 mm/s2 Y 1280 Pul/mm 1200 mm/min 700 mm/s2 Z 1280 Pul/mm 1200 mm/min 700 mm/s2 A 200 Pul/Deg 5000 Deg/min 2000 deg/s2 Bảng Cài đặt thông số trục Motor Tuning 4.5 Thiết kế mẫu xuất file G-CODE Có nhiều phần mềm thiết kế CNC CAM thị trường với đa dạng ứng dụng Tùy theo nhu cầu người sử dụng mà lựa chọn phần mềm phù hợp Ta thiết kế mẫu, thiết lập đường chạy dao (Toolpath) xuất file G-CODE với cấu hình máy CNC phù hợp Nhóm sử dụng phần mềm để tạo mẫu ArtCAM SOLIDWORS CAM Các bước thực để xuất File G-code từ phần mềm SOLIDWORKS CAM: • Tạo phơi để phay theo yêu cầu phần mền SOLIDWORS CAM: 57 Hình 21 File tạo phơi • Chọn trục toạ độ cho phơi muốn phay Hình 22 Gốc toạ độ • Chọn độ dày bề mặt phơi muốn phay xống Hình 23 Độ dày phơi • Chọn khai báo thông số loại dao phù hợp với yêu cầu 58 Hình 24 Kích thước dao • Khai báo thơng số đầu kẹp collect Hình 25 Set Thơng số Collect • Cài đặt tốc độ spindle tốc độ động 59 Hình 26 Cài đặt tốc độ • Chọn kiểu chạy dao độ ăn sâu bề mặt phơi Hình 27 Cài đặt phương thức phay • Mơ q trình chạy dao 60 Hình 28 Mơ q trình chạy dao • Xuất G-Code cài đặt xong quy trình chạy dao Hình 29 Xuất G-code • File G-CODE sau xuất từ phần mềm CAM chưa thật phù hợp để chạy, sau chạy muốn thay đổi giá trị thiết lập trước Ta sử dụng phần mềm chỉnh sửa G-CODE tên Cimco Edit 61 Hình 30 Chỉnh sửa G-code Cimco Edit 4.6 Vận hành máy Bước 1: Gắn phơi lên trục A, xét vị trí X0, Y0, Z0, A0 Bước 2: Mở phần mềm Mach 3, nhấn Reset, kiểm tra thông số trước vận hành Bước 3: Load file G-CODE Bước 4: Nhấn vào Cycle Start phần mềm, tổ hợp phím ALT + R nút START máy CNC Hình 31 Quá trình khắc phơi Ta chạy phần chương trình load lên Mach3 cách nhập dịng muốn bắt đầu chạy Line, sau nhấn vào Run From Here Có thể chỉnh sửa file G-CODE cách nhấn vào nút Edit Code 62 Hình 32 Edit G-CODE Sau sửa xong G-code ta nhấn nút Save lại nhấn vào biểu tượng dấu X để lưu lại G-code thoát 4.7 Sản phẩm Sản phẩm sau q trình phay hồn tất Hình 33 Sản phẩm 63 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN 5.1 Phần khí Hình Mơ hình CNC trục - Xây dựng thành cơng máy CNC trục hình 5.1, mơ hình gọn gàng, chắn - Điều khiển linh hoạt trục máy CNC - Phôi kẹp trục A chắn, trình chạm khắc tuỳ chỉnh linh hoạt theo yêu cầu sử dụng - Có nút nhấn dừng khẩn cấp bên ngồi để dừng lại có cố 5.2 Phần điện Hình Tủ điện 64 - Thiết bị điện bố trí hợp lý giúp người vận hành dễ dàng sửa chữa thay - Dây điện gọn gàng hợp lý bên máng điện - Có dây nối đất để tránh tình trạng rị rĩ điện bên ngồi gây nguy hiểm đến tính mạng sức khoẻ người sử dụng 5.3 Sản phẩm Hình Sản phẩm - Sản phẩm sau phay tương đối xác so với mẫu thiết kế Solidwork - Kích thước sản phẩm bị lệch 2-3mm so với thiết kế - Sản phẫm rõ nét, mịn nhiên chất liệu gỗ loại gỗ ép nên phay có nhiều mảnh bơng trốc - sản phẩm bị ngược hình so với thiết kế ban đầu q trình chọn chiều, điều khắc phục cách chọn lại chiều dương trục X so với ban đầu 65 CHƯƠNG NHẬN XÉT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1 Nhận xét Dựa kết thực Chương 5, nhóm đưa số ưu nhược điểm sau: ❖ Ưu điểm: ➢ Xây dựng mơ hình hồn chỉnh, phối hợp trục với độ xác tương đối khoảng cách tốc độ ➢ Phay sản phẩm mặt khối gỗ ➢ Hoàn toàn tự động, ta can thiệp sửa đổi code cách cho máy tạm dừng, sau chỉnh sửa xong máy tiếp tục từ lúc dừng mà không cần chạy lại từ đầu ➢ Theo dõi điều chỉnh tốc độ ăn dao, độ sâu phay, theo dõi thời gian thành phẩm phần mềm Mach3 ➢ Các thiết bị bảo vệ: cảm biến giới hạn hành trình hoạt động chuẩn xác nhanh chóng kịp thời đảm bảo an tồn cho người máy trình vận hành ➢ Điều chỉnh tốc độ Spindle nhờ biến tần ❖ Nhược điểm: ➢ Không gian làm việc nhỏ nên khắc phơi có kích thước nhỏ ➢ Khơng thể thay dao tự động nên không thực phức hợp khắc đa dạng 6.2 Hướng phát triển đề tài − Thiết kế thêm quạt tản nhiệt giúp làm mát thiết bị tủ điện − Mở rộng không gian làm việc để tạo sảm phẩm kích thước lớn − Nâng cấp mơ hình để khắc vật liệu cứng nhôm, sắt, đồng thép, inox, bên cạnh khắc thực phương pháp gia công khác phay, tiện, khoan, taro − Trang bị thêm hệ thống cấp nước làm mát gia công vật liệu cứng − Trang bị thêm hệ thống thay dao tự động − Trang bị hình máy dành riêng cho Mach3 thay sử dụng máy tính cá nhân 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT [1] CNC3DS (2018), Máy CNC ? Cấu tạo phân loại máy CNC, 12/12/2022, từ [2] GVHD Nguyễn Thị Bích Mai, Ứng dụng phần mềm Mach3 điều khiển máy CNC trục, Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM [3] Ngọc Phương Nguyên, Máy CNC: Cấu tạo, phân loại, ưu nhược điểm máy CNC, 12/12/2022 [4] Quang (2020), Cảm biến NPN PNP khác nào?, 13/12/2022 [5] Dat, Biến tần gì? Nguyên lý hoạt động biến tần? Biến tần gì?, 13/12/2022, từ< https://dattech.com.vn/bien-tan-la-gi-nguyen-ly-hoat-dong-bien-tan/> [6] Relay gì? Nguyên lý hoạt động relay bạn chưa biết, 13/12/2022, từ< https://thietbikythuat.com.vn/relay-la-gi-nguyen-ly-hoat-dong-cua-relay/> TÀI LIỆU TIẾNG ANH [7] Tài liệu MR-J2S-A Servo Amplifier_ Mitsubishi Electric [8] Tài liệu MR-J3A Servo Amplifier instruction manual [9] Tài liệu MR-JEA Servo Amplifier instruction manual [10] Tài liệu Servo EducationBasic Training [11] Tài liệu CNC Programming with G-code [12] Tài liệu Mach_Install_Config [13] Tài liệu Inverter FR-E700 Instruction manual_ Mitsubishi Electric [14] Tài liệu Mach3 USB Motion Card (BSMCEO4U-PP) Installation Manual [15] Tài liệu G6B PCB Power Relay [16] Tài liệu DrufelCNC BSMCE04U Installation Manual 67 S K L 0