Nếu như hầu hết các phương pháp điều khiển truyền động trước kia như biến tần chỉ cơ bản điều khiển tốc độ động cơ hoặc mô-men với độ chính xác không cao thì các bộ servo đặc biệt cần th
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Đặt vấn đề
Động cơ servo ngày càng đóng một vai trò quan trọng trong việc cách mạng hóa ngành công nghiệp điều khiển chuyển động Mục đích chính của việc sử dụng động cơ servo trong các ngành công nghiệp là xoay và đẩy các bộ phận của máy móc
Servo có thể đáp ứng được hầu hết các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và mức độ điều khiển phức tạp nhất như máy công cụ, máy đóng gói, các loại máy in, máy cắt, các ứng dụng thu xả cuộn, các ứng dụng cần chạy dừng đúng vị trí, dây chuyền lắp ráp, máy CNC, cánh tay robot,… Đối với máy CNC, sử dụng servo giúp điều khiển tốc độ và vị trí của các trục một cách cực kỳ chính xác, nhanh và linh hoạt, đảm bảo khả năng gia công của thiết bị Đối với cánh tay robot, mỗi cử động bao gồm quay, tịnh tiến, cầm nắm, nhấc, dịch chuyển, quay, lật có tải, tiến hành thao tác hàn, lắp ráp…của tay robot đều được servo kiểm soát Mỗi chuyển động thực tế của robot trong quá trình làm việc sẽ đều là một chuyển động chính xác, trơn tru và không có động tác thừa
Xuất phát từ việc muốn tìm hiểu, nghiên cứu về cách thức điều khiển về động cơ servo, nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài “ Xây dựng và điều khiển máy CNC 4 trục dùng servo”.
Mục tiêu đề tài
- Xây dựng được mô hình máy CNC 4 trục
- Điều khiển vận hành ổn định với tốc độ chính xác như mong muốn
- Giao tiếp được với các thiết bị của mô hình: Driver Servo MR-J2S-10A, bo mạch CNC 4 trục
- Sử dụng được các phần mềm hỗ trợ cho hệ thống CNC.
Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện đề tài một cách tốt nhất, nhóm đã nghiên cứu về máy CNC thông qua những thông tin trên mạng internet và những quan sát thực tế ở bên ngoài, từ đó thu được những yêu cầu thực tế của đề tài Bên cạnh đó, nhờ sự giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn đã giúp nhóm đã đưa ra được hướng nghiên cứu và hoàn thành đề tài
Tiến trình thực hiện đề tài:
- Tham khảo ngoài thực tế và theo sự hướng dẫn của giáo viên để đưa ra được định hướng cho hệ thống của đề tài
- Nghiên cứu về động cơ Servo
- Tìm hiểu về phần cơ khí, từ đó nắm rõ được các chuyển động của hệ thống
- Chỉnh sửa, lắp ráp phần cứng , phần điện
- Kết nối các thiết bị của hệ thống và điều khiển
- Điều chỉnh hệ thống để đạt được kết quả như yêu cầu
- Chạy thử và thu nhận sản phẩm
- Rút ra các thiếu sót và từ đó chỉnh sửa để hoàn thành hệ thống.
Giới hạn đề tài
Đề tài chỉ dừng lại ở việc chạy trên mô hình cùng với các yêu cầu điều khiển:
- Điều khiển mô hình CNC 4 trục bằng phần mềm hỗ trợ để phay ra sản phẩm phù hợp
- Điều khiển mô hình CNC 4 trục trực tiếp bằng những lệnh theo yêu cầu thực hiện Đối tượng nghiên cứu:
- Các đối tượng phần cứng ( phần cơ khí ) :
+ Cơ cấu các trục vít me ( trục X, Y, Z ) và trục xoay có hộp số ( trục A ) + Các chi tiết phần cứng khác: mặt bàn phay, khối đế máy, chốt định vị, vam kẹp phôi
- Các đối tượng điều khiển ( phần điện ) :
+ Bo mạch CNC Mach3 4 trục.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về hệ thống CNC
2.1.1 Giới thiệu về máy CNC
Máy CNC là viết tắt của cụm từ Computer Numerical Control – (điều khiển hệ thống máy vi tính) Nói dễ hiểu, đây là một hệ thống máy móc chuyên gia công cơ khí tự động, hoạt động dựa trên nguyên tắc sử dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA- 274-D (thường gọi là mã G) Để máy CNC hoạt động được, cần phải nạp chương trình vào hệ thống vi tính thông minh.máy vi tính có nhiệm vụ xử lý và điều khiển các bộ phận của máy như đầu cắt, tốc độ cắt, biên độ cắt,… theo chương trình có sẵn để gia công sản phẩm
2.1.1.1 Cấu tạo chung và nguyên lý hoạt động
Nhìn chung một máy CNC đều phải có những bộ phận cơ bản gồm 2 phần chính:
- Phần chấp hành: Đế máy, thân máy, bàn máy, trục vít me bi, ổ tích dụng cụ, cụm trục chính và băng dẫn hướng
- Phần điều khiển: các loại động cơ, các hệ thống điều khiển và máy tính trung tâm Nguyên lý hoạt động
- Máy CNC được hoạt động đơn giản, di chuyển trên 3 trục X, Y, Z theo tọa độ
- Khi máy CNC được khởi động và thực hiện các lệnh cắt, trục Z sẽ di chuyển lên xuống theo khoảng cách được cài đặt Đầu cắt ( trục Z) sẽ nhận nguồn năng lượng từ bộ nguồn để xuyên thủng vật liệu
- Lúc này bàn máy sẽ giữ chặt sản phẩm để máy di chuyển trên các thanh ray theo trục X và Y để tạo ra các đường cắt trên vật liệu
Trong ngành công nghiệp sản xuất nói chung, máy CNC có khá nhiều chủng loại và chức năng khác nhau Chính vì vậy mà việc phân loại cũng có những tiêu chí khác nhau:
- Theo phương pháp truyền động: truyền động điện, thủy lực, khí nén
- Theo phương pháp điều khiển: điều khiển điểm, điều khiển đoạn, điều khiển theo đường cắt( máy 2D, máy 3D)
- Theo phương pháp thay dao: thay dao bằng tay, phương pháp tự động kiểu rơ- vôn-ve
- Theo hệ điều hành: Fanuc, Siemens, Fagor, EMCO,…
- Theo số lượng trục của máy
- Theo kích cỡ và trọng lượng máy
- Một số hình ảnh máy CNC trong công nghiệp
Hình 2 3 Máy cắt CNC plasma
2.1.1.3 Ưu điểm và nhược điểm máy CNC Ưu điểm:
- Máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung chương trình đưa vào máy, người điều khiển chỉ chủ yếu là theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động của máy
- Độ chính xác làm việc cao, thông thường các máy CNC có độ chính xác là 0.001mm, do đó có thể đạt được độ chính xác cáo hơn
- Chất lượng gia công ổn định, độ chính xác lặp lại cao
- Tốc độ cắt cao, nhờ cấu trúc cơ cấu cơ khí chắc của máy, những vật liệu cắt hiện đại như kim loại cứng có thể sử dụng tốt hơn
- Thời gian gia công ngắn hơn, tiết kiệm nhân lực, nhân công
- Có khả năng vận hành liên tục, ổn định và ít xảy ra lỗi Nhược điểm
- Giá thành chế tạo máy cao hơn
- Giá thành bảo dưỡng, sữa chữa máy càng cao hơn
- Vận hành và thay đổi người đứng máy khó khăn hơn
- Giá máy cao hơn rất nhiều so với các công cụ truyền thống Nên việc đầu tư cho máy CNC thường được sử dụng cho mục đích lâu dài với mẫu mã của sản phẩm không thay đổi nhiều về cấu trúc Đặc biệt là thích hợp với những đơn vị hay sản xuất những đơn hàng dài và liên tục
- Vì giá máy cao nên kéo theo giá thành bảo dưỡng bảo trì máy cũng khá cao Việc thay đổi linh kiện máy khi máy đi vào hoạt động trong một thời gian dài bị hỏng bị lỗi cũng không thấp
- Việc vận hành và thay đổi của máy cũng khó khăn Với việc sử dụng máy tính và các bản thiết kế, bài chạy sản xuất Dẫn đến việc học tập thao tác các bước các công đoạn cũng cần một thời gian Vì vậy, khó có thể đào tạo nhân lực để thay thế người điều khiển trong một thời gian ngắn
2.1.2.1 Giới thiệu chung về Servo Động cơ servo nói chung là loại động cơ sử dụng khả năng hồi tiếp tín hiệu từ encoder về driver điều khiển để điều chỉnh tốc độ, moment, vị trí của động cơ hay các kết cấu cơ khí đi kèm đạt được như mong muốn Khi có vật cản hoặc những tác động làm hãm trục động cơ, hệ thống hồi tiếp sẽ giúp động cơ tự điều chỉnh cho lực moment,tốc độ, hay quán tính cho phù hợp với tải đang mang Ngoài ra động cơ servo luôn có xu hướng giữ vị trí hiện tại khi không có tín hiệu điều khiển, chính vì thế khi có một ngoại vi tác động lam thay đổi vị trí của động cơ hay kết cấu cơ khí liên kết với trục động cơ thì servo sẽ tự trở về vị trí trước khi bị sai lệch
Hình 2 4 Cấu tạo động cơ Servo
2.1.2.2 Cấu tạo và chức năng của AC Servo
Về cấu tạo cơ bản thì động cơ ac servo là dạng động cơ đồng bộ 3 pha dùng nam châm vĩnh cửu Động cơ servo sẽ được tích hợp encoder độ phân giải lớn để giúp quá trình điều khiển chính xác Để điều khiển motor này thì mỗi hãng sẽ tích hợp riêng driver cho động cơ của mình Tùy mỗi ứng dụng thì động cơ AC servo thường có 3 chế độ điều khiển chính là tốc độ, vị trí và torque( momen), ở mỗi chế độ khác nhau thì chúng ta cần cài đặt tùy theo thông số của ứng dụng và tải
Khi sử dụng động cơ ac servo ta cần quan tâm tới độ phân giải của encoder vì nó sẽ ảnh hưởng đến sai số của máy móc Độ phần giải đối với servo hiện nay dao động từ 2500 cho đến 217 hoặc 220 xung trên một vòng, khi độ phân giải encoder quá cao thì các bạn nên quan tâm tới hộp số điện tử khi điều khiển motor servo
Hình 2 5 Động cơ AC Servo
AC servo có 3 chức năng chính :
2.1.3 Giới thiệu về Driver Servo:
2.1.3.1 Giới thiệu chung về Driver Servo:
Driver Servo là một bộ khuếch đại điện tử đặc biệt được sử dụng để theo dõi tín hiệu phản hồi từ cơ chế Servo và liên tục điều chỉnh độ lệch từ các hành vi dự kiến Drive Servo nhận được tín hiệu lệnh từ một hệ thống điều khiển, khuếch đại tín hiệu và truyền dòng điện cho một động cơ Servo để tạo ra chuyển động tỉ lệ thuận với tín hiệu lệnh Thông thường, tín hiệu lệnh đại diện cho một vận tốc mong muốn, nhưng cũng có thể biểu diễn một momen hoặc vị trí mong muốn
Trong một hệ thống điều khiển được cấu hình đúng cách, động cơ Servo quay với vận tốc rất gần với tín hiệu vận tốc mà động cơ Servo nhận được từ hệ thống điều khiển Một số tham số, chẳng hạn như độ cứng (còn được gọi là tỷ lệ thuận lợi), giảm chấn (còn gọi là đạt được phái sinh) có thể được điều chỉnh để đạt được hiệu suất mong muốn
Các hệ thống Servo được xử dụng trong gia công CNC, tự động hóa nhà máy, người máy và một số ứng dụng khác
Lựa chọn dạng xung đầu vào cho Driver Servo:
Có 3 kiểu nhận xung điều khiển vị trí là forward/reverse pulse train, sign plus pulse train, A/B phase pulse train, 2 kiểu xung tích cực mức thấp hoặc tích cực mức cao Tùy thuộc vào nguồn phát xung điều khiển driver mà ta cài đặt thông số cho driver sao cho hợp lý Ở đây ta sử dụng nguồn phát xung là board CNC AKZ250 có kiểu phát xung tích cực mức thấp, 1 xung điều khiển và 1 xung chiều quay
Hình 2 7 Bảng các dạng xung đầu vào của Driver Servo
2.1.3.2 Cấu hình và cài đặt Paramater cho Driver
Hình 2 8 Cấu hình cho Driver Servo
Cài đặt Parameter cho Driver:
- Xác định tỉ số Gear CMX/CDV tương ứng P3/P4:
Hình 2 9 Công thức xác định tỉ số Gear
Hình 2 10 Cài đặt tỉ số Gear cho Driver
- Xác định chiều dương chuyển động P21 và P41:
Hình 2 11 Xác định chiều dương chuyển động cho các trục
Encoder được hiểu là một cảm biến vị trí đưa ra thông tin về góc quay, tốc độ của một trục xoay nào đó kết nối với nó Nguyên lý cơ bản của Encoder gồm một đĩa xoay quay quanh trục, trên đĩa có các lỗ hoặc rảnh để tín hiệu quang chiếu qua đĩa sẽ thu về được góc quay của đĩa Khi trục quay khiến đĩa quay, tin hiệu quang chiều qua đĩa sẽ nhận tắt liên tục tao ra các xung, ghi nhận lại số xung và tốc độ xung ta có thể thu về được góc quay và tốc độ quay của trục gắn encoder
Hình 2 12 Cấu tạo chung của Encoder
Giới thiệu phần cứng
– Điện áp nguồn cấp: 3-pha 200 VAC hoặc 1-pha 230 VAC – Điện áp ra: 3 pha 200-230 V
– Công suất: 100W – Độ phân giải Encoder: 17 bit (131.072 p/rev) – Tốc độ tối đa: 6000 rpm
– Khả năng chấp nhận lệnh xung lên đến 500K Hz cùng với thời gian thực thích ứng
– Giao tiếp: RS232 – Chức năng điều khiển bao gồm: tốc độ, vị trí, và mô-men xoắn
– Phương pháp điều khiển: điều chế xung PWM, điều chỉnh dòng điện
– Khả năng kết nối mạng CC-Link hoặc SSCNE
– Loại Motor tương thích: HC-KFS053, HC-KFS13, HC-MFS053, HC- MFS13,HC-UFS13
Sơ đồ kết nối bên trong bộ khuếch đại:
Hình 2 23 Sơ đồ kết nối bên trong bộ khuếch đại
Tên các chân tín hiệu trong sơ đồ kết nối bộ khếch đại:
Ký hiệu Tên ký hiệu Ký hiệu Tên ký hiệu
VDD Nguồn nội 24VDC TLA Giới hạn moment xoắn
CR Clear LG Chân kiểm soát chung
SON Servo-on RD Ready
TL Giới hạn moment xoắn ALM Báo động
RES Reset ZSP Tốc độ không
EMG Emergency stop LA Bộ mã hóa xung pha A
LSP Kết thúc hành trình quay thuận.
LSN Kết thúc hành trình quay nghịch.
LZR Bộ mã hóa xung pha Z
OPC Mở nguồn đầu vào của bộ thu phát xung.
NP Tín hiệu xung PP Xung quay thuận và Xung quay nghịch.
PG Tín hiệu nguồn đầu vào OP Bộ mã hóa xung pha Z (
NG Tín hiệu nguồn đầu vào TLC Giới hạn momen xoắn.
LBR Bộ mã hóa xung pha B SD Nối đất.
LB SG Chân tín hiệu chung
Bảng 2 1 Kí hiệu và tên các kí hiệu trong sơ đồ kết nối bên trong bộ điều khiển
Sơ đồ các cổng chân tín hiệu:
Hình 2 24 Sơ đồ các cổng chân tín hiệu của Drive
Thiết bị đầu cuối I/O: Đầu nối thiết bị:
CN1 (Đầu nối thiết bị I/O):
Hình 2 25 Đầu nối tín hiệu I/O
CN2 Đầu nối bộ mã hóa :
Hình 2 26 Đầu nối bộ mã hóa
Chế độ xung đầu vào:
+Các xung lệnh đầu vào có thể là bất kỳ dạng nào trong hai dạng khác nhau, logic dương hoặc âm có thể được chọn Đặt dạng chuỗi lệnh xung trong tham số số 21
Bảng 2 2 Nhập chuổi xung lệnh chiều quay servo
Kết nối và dạng sóng :
2.2.2 Bo mạch CNC Mach3 4 trục
Mạch CNC BOB MACH3 USB sử dụng được với phần mềm Mach3 trên máy tính thông qua giao tiếp USB với chỉ một vài bước thiết lập đơn giản
Mạch CNC BOB MACH3 USB có khả năng điều khiển 4 động cơ bước cùng lúc qua các ngõ cấp xung-chiều X, Y, Z, A, mạch còn có khả năng nhận các ngõ vào tín hiệu IN1, IN2, IN3, IN4, và xuất tín hiệu qua các ngõ ra OUT1, OUT2, OUT3, OUT4, các ngõ tín hiệu vào ra này điều được cách ly qua Opto và IC đệm nên rất an toàn cho board mạch
- Mạch CNC BOB MACH3 USB
- Giao tiếp với máy tính qua cổng USB
- Nguồn sử dụng: 5VDC USB
- Tần số xung tối đa: 100Khz
- Điều khiển 4 động cơ bước qua các trục X, Y, Z, A
- Số ngõ vào: 4 ngõ IN1, IN2 IN3, IN4 cách ly Opto
- Số ngõ ra: 4 ngõ OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 cách ly IC đệm
2.2.3 Động cơ trục chính Spindle
Hình 2 29 Động cơ trục chính Spindle
- Khoảng cách nhận biết: 4mm
Hình 2 30 Cảm biến FL2-4A6QS-F
Hình 2 31 Sơ đồ nguyên lý Cảm biến FL2-4A6QS-F
- Truyền động với tốc độ cao
- Ngõ ra: NPN transistor open collector
- Khoảng cách nhận biết vật: 2.5 mm
- Khoảng cách nhận biết vật: 4 - 7mm
Hình 2 34 Cảm biến DA-1805NO
Hình 2 35 Sơ đồ nguyên lý Cảm biến DA-1805NO
Hình 2 36 Bộ lọc nhiễu WYFTH20T1BD
Nguồn 24V cung cấp điện áp cho cảm biến, đèn báo, nguồn cho các tín hiệu driver servo, nguồn kích contactor
- Điện áp/dòng điện vào: 100-12VAC 3.2A 50/60Hz, 200-240VAC 1.6A 50/60Hz
- Điện áp/ dòng điện ra: 24VDC 5A
- Tần số làm việc: 50 - 60HZ
Relay trung gian có chức năng đóng ngắt các tiếp điểm thường đóng, thường mở, cách ly về điện Khi có dòng điện chạy qua relay, dòng điện này sẽ chạy qua cuộn dây bên trong và tạo ra một từ trường hút Từ trường hút này tác động lên một đòn bẩy bên trong làm đóng hoặc mở các tiếp điểm điện và như thế sẽ làm thay đổi trạng thái của relay
- Điện áp điều khiển: 24VDC
- Điện áp chuyển mạch: 250VAC hoặc 30VDC
- Dòng điện cuộn hút: 7.5mA
- Nhiệt độ làm việc: 20oC – 55oC
2.2.11 Thiết bị đóng cắt CP30-BA
+ CB bảo vệ mạch CP30-BA là dòng CB Mitsubishi bảo vệ mạch được ứng dụng công nghệ sản xuất hiện đại nhất với chức năng dùng để đóng, mở mạch điện áp thấp và bảo vệ mạch điện khi xảy ra hiện tượng ngắn mạch, quá tải, chống dòng rò tác động, chống cháy nổ có thể xảy ra
+ Có vai trò phát hiện và ngắt mạch điện một cách nhanh chóng, bảo vệ an toàn cho hệ thống mạng lưới điện Phòng tránh được hiện tượng giật điện đến người sử dụng và sự ổn định của mạng lưới điện
- Dòng điện định mức In tại tần số 50/60 Hz: 0,1 - 30 A
- Số cực: 2 Pole, 3 Pole, 4 Pole
- Điện áp định mức: dòng điện AC là 250V, DC là 65 - 125V
- Thiết kế nhỏ gọn, 17,5 mm mỗi cực
- Định mức xung chịu được điện áp Uimp: 2,5 kV
- Kiểu mạch và đặc tính cắt: 2 - M
- Nhiệt độ môi trường định mức: 40°C
Hình 2 40 Thiết bị đóng ngắt CP30-BA
2.2.12 Nút nhấn Emergency Stop LA38
- Màu sắc: Đỏ vàng, xanh lá
- Kích thước lỗ lắp đặt: 22mm
- Kích thước bề mặt nút nhấn: 29mm
Hình 2 41 Nút nhấn Emergency Stop LA38
- Tên Khởi động từ: SD-Q11 DC24V 1A Mitsubishi
- Dòng điện cuộn dây: 55mA
- Công suất ngắn mạch: 120kA/90kA
- Điện áp cách điện định mức: 690V
- Điện áp định mức: 24VDC
- Tần số chuyển đổi: 1800 (lần/h)
- Phương pháp hoạt động: Không thể đảo ngược
Hình 2 42 Khởi đông từ SD-Q11 DC24V 1A Mitsubishi
*Lý do lựa chọn thiết bị:
Tên thiết bị Lý do lựa chọn thiết bị
Cảm biến tiệm cận Dễ lắp đặt, nhỏ gọn phù hợp với mô hình xây dựng, khoảng cách nhận biết ngắn, giá thành rẻ, dễ tìm kiếm
Spindle Tốc độ lớn phù hợp để phay phôi có độ cứng vừa phải
Mũi dao (3mm vs 1mm) Mũi dao phay nhỏ gọn, chắc chắn, không bị gãy trong quá trình khắc, khắc hình với độ chính xác khá cao
Bộ lọc nhiễu Lọc nhiễu cho các driver MG-J2S tránh hư hỏng các thiết bị điện công nghiệp
Bộ nguồn 24Vdc Cấp nguồn cho mạch điều khiển phát xung và các cảm biển tiệm cận
Bộ nguồn 48Vdc Cấp nguồn cho spindle
Relay trung gian Cầu nối trung gian kết nối giữa cảm biến và đầu vào của mạch phát xung
Thiết bị đóng cắt CP30-BA Bảo vệ quá tải cho các thiết bị điện trong hệ thống khi xảy ra quá tải
Nút nhấn EMC StopLA38 Nhỏ ngọn, dễ lắp, đặt chụi được dòng lớn, sử dụng để dừng máy CNC khi có trường hợp khẩn cấp
Khởi động từ SD-Q11 DC24V 1A Mitsubishi Sử dụng như một tiếp điểm để đóng mở spindle
Bảng 2 3 Bảng lý do lựa chọn thiết bị.
Giới thiệu phần mềm
G-code là một ngôn ngữ lập trình trên máy tính, được hỗ trợ bởi máy tính trong việc tự động hóa, được dùng phổ biến trong việc điều khiển máy CNC để điều khiển sự di chuyển phôi và trục chính
Cấu trúc của đoạn G-code trong chương trình CNC:
- Khai báo tổng quát đầu chương trình
- Các lệnh di chuyển dao, bắt đầu thời gian gia công sản phẩm
- Các lệnh kết thúc chương trình và quay về đầu chương trình
Nhóm lệnh Địa chỉ Ý nghĩa
Số hiệu chương trình O Đặt tên chương trình
Số thứ tự khối lệnh N Dễ dàng tìm kiếm một khối lệnh bất kỳ
Lệnh G G Phương thức di chuyển
Kích thước X, Y, Z Trục chuyển động tịnh tiến chính
U, V,W Trục chuyển động tịnh tiến phụ
I, J, K Khoảng cách tọa độ tâm cung
Bảng 2 4 Nhóm lệnh G-CODE chính
Lệnh phụ M Lệnh gọi chương trình con P
Tham số P, Q Tham số của chu trình
Bảng 2 5 Một số lệnh G-CODE khác
Mach 3 là phần mềm của hang ArtSoft, ban đầu Mach 3 được tạo ra dành cho những người chế tạo máy CNC nhưng sau đó được cải tiến mạnh mẽ một trong những phần mềm điều khiển linh hoạt trong công nghiệp Mach 3 được ứng để điều khiển đa dạng các loại máy CNC: máy tiện, máy phay, máy cắt plasma,…Mach 3 có giao diện rất gần gũi với người dùng và vô cùng dễ sử dụng
Hình 2 43 Giao diện phần mền MACH3
- Màn hình điều khiển máy của màn hình Mach 3 như hình 2.28 Bên trái của màn hình này là phần thể hiện file chương trình chạy với ngôn ngữ G-code
- Thông thường với các máy công cụ thì file chương trình này được tạo ra bởi các phần mềm cad/cam
- Ứng với các máy dùng ứng dụng chuyên biệt người ta cũng viết những phần mềm chuyên dụng đi kèm máy để tạo ra file G-code ứng với đặc điểm riêng của máy đó
- Máy khoan CNC được xây dựng như một ứng dụng chuyên biệt hoạt động trên nền tảng G-code nên cũng cần một phần mềm với giao diện để có thể dễ dàng tạo ra các chương trình hoạt động
Một số chức năng của Mach 3:
- Biến máy tính thành bộ điều khiển CNC
- Hiển thị G-Code trực quan và có thể điều chỉnh G-code trực tiếp
- Điều khiển được tốc độ trục chính Spindle
- Điều khiển được nhiều relay đóng cắt
- Hiệu chỉnh được tốc độ của các trục X,Y,Z
- Giao diện có thể tùy biến hoàn toàn theo ý thích người sử dụng
- Tùy biến M-code và Macro bằng cách sử dụng VBscript
- Có khả năng tạo ra xung điều khiển tốc độ động cơ bằng tay
- Có khả năng dùng được với các màn hình cảm ứng
- Tạo ra G-code thông qua LazyCam hoặc Wizards
Phần mềm Artcam Pro có khả năng phân tích 1 bức tranh và đưa ra mã Gcode để gia công trên máy điêu khắc CNC
Bên cạnh đó Artcam pro còn có những tính năng sau đây:
- Tạo hình nổi (relief) từ các vector
- Tạo hình nổi (relief) từ một bitmap
- Quét biên dạng (Swept Profiles)
- Sao chép và dán các hình nổi (relief)
- Quét 2 đường (two rail sweep)
- Thiết kế trang sức đơn giản (simple jewellery designs)
- Khắc chữ tiêu chuẩn ISO (ISO FORM Lettering)
- Điêu khắc (interactive sculpting) Ưu điểm phần mềm:
– Phần mềm Artcam cho phép người sử dụng tạo ra các sản phẩm 3D có chất lượng cao một cách nhanh và hiệu quả từ các hình vẽ hoặc hình chụp 2D
– ArtCAM cho phép biến ý tưởng của người thiết kế thành hiện thực một cách nhanh chóng và hiệu quả nhờ khả năng cho phép xây dựng một mô hình nhiều lớp hoặc sử dụng các vector tùy biến
– Không những thế, ArtCAM còn cung cấp các công cụ mô hình 3D tiên tiến và giúp người thiết kế lên được kế hoạch gia công linh hoạt để cho ra các giải pháp hoàn chỉnh cho mọi nhu cầu gia công CNC
– Với sự tùy biến dễ dàng của phần mềm Artcam cộng với sự gia công chuẩn xác của máy điêu khắc CNC, những công việc mất nhiều thời gian trước đây, bây giờ có thể thực hiện một cách nhanh chóng và hiệu quả
Hình 2 44 Giao diện phần mền ARTCAM pro
CIMCO Edit là phần mềm lập trình, chỉnh sửa và mô phỏng chương trình gia công Giúp cho người lập trình và vận hành máy gia công có thể mô phỏng kiểm soát được các vấn đề lỗi lập trình từ phần mềm lập trình CNC (CAM)
So sánh được chương trình gia công trước và sau khi có yêu cầu sửa chương trình, kết nối dễ dàng với trung tâm gia công DNC Đặc biệt là Cimco Edit có thể lập trình được được 3D thông minh nhằm để thiết lập các chương trình CNC cho phay 3 trục và tiện 2 trục với các bước chuyển tiếp liên tục, được đồng bộ hóa với nhau
Hình 2 45 Giao diện phần mên CIMCO EDIT.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
Giới thiệu về mô hình
- Tổng quan mô hình máy CNC 4 trục dùng Servo
Hình 3 1 Mô hình phần cơ khí máy CNC
Hình 3 2 Mô hình tổng thể máy CNC
- Mô hình máy CNC bao gồm: 3 trục X, Y, Z và trục xoay A Mỗi trục X, Y, Z được bảo vệ bằng 2 sensor ở 2 bên, 2 sensor này có nhiệm vụ làm giới hạn trên và giới hạn dưới
Hình 3 3 Cảm biến giới hạn trục X
Hình 3 5 Cảm biến giới hạn trục Z
- Các phần cứng hỗ trợ khác gồm: bàn kẹp phôi và bàn đỡ máy
Các trục của mô hình:
- Trục X: sử dụng vít-me có buớc răng là 10mm
- Trục Y: sử dụng vít-me có buớc răng là 8mm
Hình 3 9 Động cơ servo trục Y
-Trục Z: sử dụng vít-me có buớc răng là 5mm Bên cạnh đó trục Z còn mang động cơ DC Spindle motor 48V 12000rpm
Hình 3 10 Động cơ servo trục Z.
Thiết kế phần cứng
Hình 3 11 Các khối điều khiển của hệ thống
3.2.1 Sơ đồ nối dây cung cấp nguồn của hệ thống CNC 4 trục:
Hình 3 12 Sơ đồ nguồn cung cấp cho hệ thống
Giải thích sơ đồ nối dây cung cấp nguồn cho hệ thống:
+ Sử dụng nguồn 1 pha 220VAC cấp điện cho hệ thống
+ CB1 là thiết bị bảo vệ an toàn cho hệ thống CNC, đồng thời cấp nguồn điện cho 4 Drive thông qua bộ lọc nhiễu
+ CB2 cho phép cung cấp nguồn cho hai bộ nguồn 24VDC và 48VDC
+ CB3 cấp nguồn cho các cảm biến giới hạn của các trục của hệ thống máy CNC + Nguồn 24VDC được cấp cho các cảm biến giới hạn và mạch phát xung điều khiển Mach3
+ Nguồn 48VDC thông qua khởi động từ cấp đến Spindle
3.2.2 Sơ đồ kết nối dây của bộ điều khiển và động cơ servo:
Hình 3 13 Sơ đồ kết nối dây giữa bộ điều khiển và động cơ servo
Giải thích sơ đồ nối dây:
+ Theo hình 3.14 kết nối giữa máy tính cài phần mềm mach3 và 3 driver động cơ servo điều khiển các servo thông qua board đệm cách ly Dùng các chân
XP, XD, YP, YD, ZP, ZD của board MACH3 USB để phát xung cho các chân nhận xung của driver động cơ AC Servo
3.2.3 Sơ đồ đấu dây hệ thống CNC 4 trục:
Hình 3 15 Sơ đồ đấu dây hệ thống CNC 4 trục
Giải thích sơ đồ nối dây:
+ Nguồn 24VDC được cấp cho các cảm biển giới hạn ở các trục và mạch phát xung điều khiển thông qua các chân nguồn
+Nút nhấn Estop : một đầu của tiếp điểm thường đóng được nối đến chân –V của nguồn 24VDC , đầu còn lại nối đến ngõ vào IN1 của mạch phát xung
+ Cảm biến giới hạn trục X (S1 và S2) được nối thông qua relay trung gian 1 ở chân 12 và 11 đưa tới ngõ vào IN 2 của mạch điều khiển phát xung Mach 3
+ Cảm biến giới hạn trục Y (S3 và S4) được nối thông qua relay trung gian 1 ở chân 10 và 9 đưa tới ngõ vào IN 3 của mạch điều khiển phát xung Mach 3
+ Cảm biến giới hạn trục X (S5 và S6) được nối thông qua relay trung gian 2 ở chân 12 và 11 đưa tới ngõ vào IN 4 của mạch điều khiển phát xung Mach 3
+ Các chân 13, 14, 15, 16 của hai Relay trung gian được nối chung vào chân +V của nguồn 24VDC
+ Ở relay trung gian 1 đầu ra 7 và 8 nối chung với nhau nối đến chân IN2 của mạch điều khiển Chân 4 và 3 được nối chung với nhau đưa đến –V của nguồn 24VDC Chân ngõ ra số 6 được nối đến ngõ vào IN 3 của mạch điều khiển , chân 5 và 2 được nối chung, chân ngõ ra 1đưa tới chân –V của nguồn 24VDC
+ Ở relay trung gian 2 nối chung chân ngõ ra 8 và 7 đưa đến chân IN4 của mạch phát xung, chân 4 và 3 được đưa tới chân –V của nguồn 24VDC
+ Nguồn 48VDC thông qua khởi động từ 24VDC cấp cho Spindle Chân A1 của khởi động từ được nối với chân +V của nguồn 24VDC, chân A2 được nối tới ngõ ra
OUT1 của mạch điều khiển
+ Ở mạch điều khiển phát xung, chân nguồn 5V được tới chân 12 và 13 của kênh CN1 trên các Drive Tương ứng các chân 2 và 3 trên các Drive với các chân phát xung XP,
XD, YP ,YD, ZP, ZD, AP, AD.
QUY TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
Yêu cầu điều khiển
Điều khiển máy CNC thông qua phần mềm Mach 3, đáp ứng được các dòng lệnh G-code, từ đó cho ra được sản phẩm theo yêu cầu Điều khiển riêng biệt được các trục X, Y, Z, A bằng Driver Servo MR-C.
Quy trình vận hành
Hình 4 1 Sơ đồ quy trình vân hành của hệ thống.
Điều khiển hệ thống
4.3.1 Thiết kế và tạo file G-code:
+ Tạo file hình khắc theo yêu cầu bằng phần mền ArtCam Pro:
Hình 4 2 Import file hình khắc bằng phần mên ArtCam Pro
4.3.2 Xuất G-Code bằng phần mền ArtCam:
+ Vào thanh công cụ Toolpaths / 2D Profiling / kéo đến phần Profiling Tool / Nhấn select hiện lên cửa sổ Tool Database để chọn dao:
Hình 4 3 Cửa sổ Tool Database để chọn dao
+ Nhấn Add tool để mở cửa sổ Edit Tool cài đặt dao cho máy:
Hình 4 4 Cửa sổ cài đặt thông số dao
+Cài đặt các thông số cho dao xong nhấn OK:
Hình 4 5 Cài đặt thông số dao cho máy CNC
+ Xuất file G-code dưới dạng *txt:
Hình 4 6 Một đoạn file G-code
4.3.3 Hiệu chỉnh File G-Code bằng phần mền CIMCO Edit:
Hình 4 7 Chỉnh sửa file G-Code bằng phần mền CIMCO Edit
Hình 4 8.Cửa sổ thiết lập chức năng trong Mach3
+ Vào mục Config → Ports and Pin để cài đặt các chân chức năng:
Hình 4 9.Cửa sổ Engine Configuration Port and Pin
+ Mục Motor Outputs để cài đặt địa chỉ cho các chân cấp xung cho 3 trục X, Y, Z , ta tích vào X, Y, Z Axis và tương tự với Spindle
Hình 4 10 Cửa sổ cài đặt các chân xung cấp ra
+ Chọn mục Input Signals để cài đặt địa chỉ các cổng vào:
- Ở cửa sổ này, ta chọn những tín hiệu cần sử dụng Giả sử với đầu vào là X++, ta tích Enable ứng với dòng X++ như hình trên và điền số Pin Number là 2 tương ứng với chân ở bo mạch Mach3 Mạch để chế độ hoạt động ở mức thấp nên ta tích vào cột Active Low
+ Mục Spindle Setup : cho phép cài đặt cho động cơ trục chính:
Hình 4 12 Cài đặt thông số cho động cơ trục chính
+ Ở mục này ta cài đặt các thông số cho trục chính Spindle
- Clockwise (M3) : quay trục chính theo chiều kim đồng hồ
- CCW (M4 ) quay trục chính theo ngược chiều kim đồng hồ
- Chọn PWM Control : điều khiển tốc độ trục chính bằng xung
Hình 4 13 Cửa sổ cài đặt thông số cho các trục
- Step per : tần số xung cấp cho động cơ để dịch chuyển 1mm
- Velocity In’s or mm’s per min : vận tốc chuyển động của động cơ
- Acceleration in’s or mm’s /sec : gia tốc chuyển động của động cơ
- Tùy vào nhu cầu vận hành nhanh hay chậm của hệ thống mà ta chọn vận tốc và gia tốc phù hợp, còn tần số xung cấp vào đã được tính toán thông qua tỷ số gear như trên
- Sau khi cài đặt thông số phù hợp , chọn SAVE AXIS SETTING để lưu lại
Hình 4 15 Sản phẩm sau khi khắc
Nạp chương trình vào phân mềm mach3 Ta vào file -> Load Gcode hoặc nháy vào Load Gcode trên giao diện điều khiển Phần mềm mach3 có thể nhận diện file *.txt từ Notepad, file
*,nc từ phần mềm NC
Trên phần mềm còn các nút như:
Edit Gcode: hiệu chỉnh file Gcode
Recent file: các file mở gần đây
Set next line: Xác định một dòng sẽ bắt đầu chạy từ điểm đó và tại điểm hiện tại
Run From here : Kiểm tra tọa độ của máy so với tọa độ muốn chạy,sau đó di chuyển đến điểm muốn chạy và đợi
Rewind : Trở về đầu file gia công.
Hướng phát triển
[1] CNC – Wikipedia tiếng việt, Máy công cụ - Wikipedia tiếng việt
[2] Máy CNC "Made in Vietnam", báo Nhân dân điện tử
[3] Đề tài đồ án tốt nghiệp “Ứng dụng phần mềm Mach3 điều khiển máy CNC 3 trục” của
GVHD Nguyễn Thị Bích Mai
TÀI LIỆU TIẾNG ANH
[4] Tài liệu MR-J2S-A Servo Amplifier_ Mitsubishi Electric
[5] Tài liệu Melservo MR-C Manual
[6] Tài liệu Servo EducationBasic Training
[7] Tài liệu CNC Programming with G-code
[8] Tài liệu Mach_Install_Config
[9] Tài liệu RT-3 UNIT RELAY