Khai thác phần mềm mã nguồn mở grbl trong mô phỏng gia công cnc hỗ trợ giảng dạy thực hành

LỜI NĨI ĐẦU Hiện nay, khoa học cơng nghệ ngày phát triển, việc ứng dụng kỹ thuật tiên tiến vào sản xuất nhằm tạo sản phẩm có suất, chất lượng cao, mà giá thành chấp nhận ngày trở nên cần thiết Đặc biệt nước phát triển Việt Nam Đóng góp vào phát triển nhanh chóng khoa học cơng nghệ thời gian gần đây, tự động hố sản xuất có vai trị quan trọng Nhận thức điều này, chiến lược cơng nghiệp hố đại hố kinh tế, công nghệ tự động ưu tiên đầu tư phát triển Ở nước có cơng nghiệp phát triển, tự động hoá ngành kinh tế kỹ thuật có cơ-điện tử thực từ năm trước Một vấn đề định tự động hố ngành khí chế tạo kỹ thuật điều khiển số công nghệ máy điều khiển số Các máy công cụ điều khiển số dùng phổ biến nước phát triển NC CNC năm gần nhập vào Việt nam sử dụng rộng rãi viện nghiên cứu công ty liên doanh Máy công cụ điều khiển số đại (máy CNC) thiết bị điển hình cho sản xuất tự động, đặc trưng cho ngành khí tự động Vậy để làm chủ công nghê cần làm chủ thiết bị quan trọng điển hình Máy CNC thành tựu tiến khoa học kỹ thuật giới Nó ngày ứng dụng rộng rãi chế tạo máy, đặc biệt lĩnh vực khí xác tự động hóa Sự đời máy CNC giải nhiệm vụ cấp bách tự động hoá trình sản xuất sản xuất hàng loạt nhỏ, sản xuất linh hoạt Đề tài sâu vào việc: “KHAI THÁC PHẦN MỀM MÃ NGUỒN MỞ GRBL TRONG MÔ PHỎNG GIA CÔNG CNC HỖ TRỢ GIẢNG DẠY THỰC HÀNH” nhằm ứng dụng vào học tập, giảng dạy nghiên cứu Trường ta điều cần thiết cho Xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, ngày 12 tháng 12 năm 2017 Nhóm tác giả Huỳnh Văn Sanh, Ngô Tấn Thống CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ GIA CƠNG CƠ KHÍ TỰ ĐỘNG 1.1 Khái niệm máy CNC giới thiệu máy khắc CNC 1.1.1 Tổng quan máy CNC: - Tự động hóa q trình sản xuất yêu cầu xúc doanh nghiệp sản xuất nước hầu hết lĩnh vực Đối với lĩnh vực sản xuất khí yêu cầu cấp thiết nhằm tiến đến “tăng suất, nâng cao chất lượng, hạ giá thành sản phẩm” - Nhiều doanh nghiệp đầu tư để đổi công nghệ, ứng dụng công nghệ cao, công nghệ tiên tiến sản xuất Tuy nhiên, hạn chế khả tự nghiên cứu công nghệ mới, lực vốn đầu tư gặp nhiều khó khăn… dẫn đến chậm đổi cơng nghệ - Hiện nhu cầu máy CNC phục vụ công nghiệp ngành sản xuất khác lớn, doanh nghiệp thiết kế máy nước đáp ứng phần nhỏ Chủ yếu nhập máy CNC từ nước hay nhập máy cũ (seconhand) - Đối với trình khắc CNC việc tiếp xúc trực tiếp chỗ làm việc tốn thời gian an toàn ảnh hưởng tới sức khỏe: môi trường bị ô nhiễm nặng (bột gỗ, …) nguy hiểm cho mắt, da, phổi…Tai nạn lao động nhiều, tốn thời gian nhiều để hoàn thành xong sản phẩm …Nên điều khiển gián tiếp biện pháp hiệu Máy đặt môi trường kín đảm bảo vệ sinh mơi trường làm việc cho cơng nhân - Trong tình hình hội nhập với kinh tế giới với cạnh tranh gay gắt từ nhà sản xuất nước Điều đòi hỏi nhà sản xuất nước cần phải nâng cao lực cạnh tranh sản phẩm cách cải tiến đầu tư máy móc, trang thiết bị an tồn, bảo vệ sức khỏe công nhân để phục vụ sản xuất Đặc biệt tình hình lao động nay, nguồn lao động có tay nghề ngành khí thiếu hụt trầm trọng Chính điều mà vấn đề đặt là: để phát triển ngành sản suất khí nước việc trang bị máy móc tự động phục vụ phần cho cơng việc q trình sản xuất vơ quan trọng - Việc sử dụng sản phẩm nước làm cho ngành sản xuất, gia công khí nước phát triển, mặt khác cịn nhằm mục đích hưởng ứng vận động sử dụng hàng sản xuất nước - Ngoài lý việc thiết kế, chế tạo sử dụng thiết bị khắc CNC tiền đề cho việc phát triển lĩnh vức khí tự động hóa sản xuất Hưởng ứng phong trào thiết kế máy CNC phục vụ nước nước ta 1.1.2 Khái niệm máy CNC - CNC viết tắt từ Computer Numerical Control, xuất vào khoảng đầu thập niên 1970 máy tính bắt đầu dùng hệ điều khiển máy công cụ thay cho NC (Numerical Control: Điều khiển số ) CNC đề cập đến việc điều khiển máy tính máy móc với mục đích sản xuất ( có tính lặp lại) phận kim khí (hay vật liệu khác) phức tạp, cách sử dụng chương trình viết ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi mã G CNC phát triển cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950 phịng thí nghiệm Servomechanism trường MIT Trước khoảng thời gian này, chương trình NC thường phải mã hố xử lý băng đục lỗ, hệ điều khiển trục máy chuyển động Cách cho thâý nhiều bất tiện, chẳng hạn sửa chữa, hiệu chỉnh chương trình, băng chóng mịn, khó lưu trữ, truyền tải, dung lượng bé Hệ điều khiển CNC khắc phục nhược điểm nhờ khả điều khiển máy cách đọc hàng loạt ngàn bit thông tin lưu trữ nhớ, cho phép giao tiếp, truyền tải xử lý, điều khiển trình cách nhanh chóng, xác Hình 1.1 Máy CNC dùng cơng nghiệp - Sự xuất máy CNC nhanh chóng thay đổi việc sản xuất cơng nghiệp Các đường cong thực dễ dàng đường thẳng, cấu trúc phức tạp chiều dễ dàng thực hiện, lượng lớn thao tác người thực giảm thiểu Việc gia tăng tự động hóa q trình sản xuất với máy CNC tạo nên phát triển đáng kể xác chất lượng Kỹ thuật tự động CNC giảm thiểu sai sót giúp người thao tác có thời gian cho cơng việc khác Ngồi cho phép linh hoạt thao tác sản phẩm thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất linh kiện khác Trong mơi trường sản xuất, với nhiều loại máy CNC đời nhầm đáp ứng nhu cầu thị trường có máy khắc gỗ CNC, nhầm đáp ứng việc gia công gỗ cách hiệu xác Hình 1.2 Máy khắc gỗ CNC cơng nghiệp 1.1.3 Mục đích nghiên cứu: Với đề tài “KHAI THÁC PHẦN MỀM MÃ NGUỒN MỞ GRBL TRONG MÔ PHỎNG GIA CÔNG CNC HỖ TRỢ GIẢNG DẠY THỰC HÀNH” người nghiên cứu thể với mục đích sau: - Đổi cơng nghệ, nâng cao suất chất lượng sản phẩm khắc việc gia công tự động tạo ưu cho nhu cầu người nâng cao - Nghiên cứu tính toán, 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 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 cắt có kết cấu tương tự thiết bị cắt tự hành di chuyển đầu cắt đến tọa độ mặt phẳng cắt để tạo thành hình dạng sản phẩm cần cắt khác Với khả cắt tự động, sử dụng máy phay CNC đặt trực tiếp lên vật liệu cắt (tấm lớn…) - Ngôn ngữ sử dụng để điều khiển hệ thống tiếng Tiếng Việt, giao diện đẹp mắt, hoạt động đơn giản thuận tiện, có sẵn thư viện để cắt vng, trịn, chữ nhật, hoa văn, hình ảnh nghệ thuật (người, xe, vật, hoa, cối….) mà khơng cần lập trình Ưu điểm máy nhớ xử lý lớn gia công chi tiết phức tạp (file có dung lượng lớn) - Hình dáng mẫu cắt vẽ phần mềm Auto CAD đơn giản, hiệu dễ sử dụng Chuyển qua phần mềm MastercamX xuất sang dạng Gcode - Ngoài phần mềm hỗ trợ phần mềm Lazy Cam chuyên dùng cho cắt vật liệu (đọc file DXF số file hỗ trợ CAM) - Góp phần phát triển ngành cơng nghệ tự động nước nhà 1.1.4 Phân loại máy CNC - Các máy CNC phân chia theo loại theo hệ thống điều khiển: - Theo loại máy tương tự máy công cụ truyền thống, chia loại máy khoan CNC, máy phay CNC, máy tiện CNC…và trung tâm gia công CNC Các trung tâm CNC có khả thực gia cơng nhiều loại bề mặt sử dụng nhiều loại dụng cụ khác - Phân chia theo hệ điều khiển phân loại:  Các máy điều khiển điểm tới điểm  Ví dụ máy khoan, khoét, máy hàn điểm, máy đột, dập…  Các máy điều khiển đoạn thẳng: máy có khả gia cơng qua trình thực dịch chuyển theo trục  Các máy điều khiển đường: bao gồm máy  Máy 2D  Máy 3D  Điều khiển 2D1/2  Điều khiển 4D, 5D 1.2 Tổng quan máy CNC ngồi nước 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước - Các chủng loại máy thuộc máy CNC:  Máy công cụ tự động CNC coi loại “máy cái” mà công dụng dùng để tạo loại máy móc thiết bị, dây chuyền sản xuất để phục vụ tất ngành cơng nghiệp khác - Có thể phân loại máy CNC sau:  Các máy CNC dùng để cắt gọt kim loại dụng cụ cắt (theo công nghệ truyền thống): máy phay CNC, máy tiện CNC, trung tâm tiện phay 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 Plasma, cắt Laser, máy tạo mẫu nhanh RP  Các máy CNC dùng để gia công biến dạng 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 ngành công nghiệp sản xuất hàng loạt đặc biệt: sản xuất phụ tùng tơ, đồ tiêu dùng, sản xuất vũ khí, hoá chất độc hại,…  Các lĩnh vực ứng dụng máy CNC sản phẩm máy CNC tạo ra: - Máy CNC dùng để chế tạo máy móc, thiết bị dây chuyền sản xuất phục vụ toàn ngành kinh tế khác như: cơng nghiệp nặng (đóng tàu, khai thác mỏ, điện, dầu khí, thiết bị vận chuyển tơ, tàu hoả,…), cơng nghiệp nhẹ (dệt may, đóng giày, thực phẩm,…), cơng nghiệp quốc phịng (dây chuyền sản xuất vũ khí, thuốc nổ,…) 1.2.2 Các máy móc sản phẩm tương tự - Máy phay, máy tiện công nghiệp - Máy điêu khắc gỗ CNC trục, trục, trục, máy tiện - Máy khắc tia laser - Máy in 3D Hình 1.3 Mơ hình máy khắc CNC - Trước đây, “máy cắt kim loại hay khắc gỗ” giải đường cắt theo quy luật: trịn đều, hình elip, đường thẳng, đường cong Cịn đường phức tạp khơng thể gia cơng, cịn gia công sức người để sản phẩm đẹp tốn nhiều thời gian Với địi hỏi công nghệ, để đáp ứng nhu cầu thị trường, máy khắc CNC bước đột phá để giải vấn đề - Với máy khắc CNC khơng giải khó khăn khí, mà cịn đáp ứng nhũng khó khăn ngành nghề khác đặc biệt CNC ln đạt độ xác cao Nên người biết đến cổ máy giải khó khăn gia cơng Thấy tầm quan trọng đó, nên chúng tơi sức tìm hiểu cố gắng nghiên cứu phần mềm miễn phí để hỗ trợ việc gia cơng tự động đáp ứng phần cơng nghệ  Ưu điểm máy phần mềm: - Được hỗ trợ miễn phí - Thích hợp cho việc giảng dạy thực hành phần mềm ảo máy CNC - Cài đặt máy tính đễ dàng để mô cắt trước gia công thực tránh sai sót  Nhược điểm: - Phần mềm miễn phí nên số chức mở rộng bị hạn chế 1.2.4 Các đặc trưng phần mềm  Tính tự động cao: Dùng cho máy khắc CNC có suất cắt gọt cao giảm tối đa thời gian phụ, mức độ tự động nâng cao Tuỳ mức độ tự động, máy khắc CNC thực lúc nhiều chuyển động khác nhau, tự động thay dao, hiệu chỉnh sai số dao cụ, tự động kiểm tra kích thước chi tiết qua tự động hiệu chỉnh sai lệch vị trí tương đối dao chi tiết, tự động tưới nguội, tự động hút phoi khỏi khu vực cắt …  Tính linh hoạt cao: Chương trình thay đổi dễ dàng nhanh chóng, thích ứng với loại chi tiết khác Do rút ngắn thời gian phụ thời gian chuẩn bị sản xuất, tạo điều kiện thuận lơi cho việc tự động hóa sản xuất hàng loạt nhỏ Bất lúc sản xuất nhanh chóng chi tiết có chương trình Vì thế, khơng cần phải sản xuất chi tiết dự trữ, mà giữ lấy chương trình chi tiết Lập chương trình gia cơng chi tiết nhỏ, vừa, phản ứng cách linh hoạt nhiệm vụ công nghệ thay đổi điều quan trọng việc lập trình gia cơng mơ thực ngồi máy, văn phịng có hỗ trợ kỹ thuật tin học thơng qua cácthiết bị vi tính, vi sử lý …  Tính xác, đảm bảo chất lượng cao: Giảm hư hỏng sai sót người Đồng thời giảm cường độ ý người làm việc Có khả gia cơng xác hàng loạt Độ xác lặp lại, đặc trưng cho mức độ ổn định suốt trình gia cơng điểm ưu việt tuyệt đối phần mềm gia công ảo CNC  Gia công biên dạng phức tạp: Phần mềm hỗ trợ gia công ảo cho máy khắc CNC máy gia cơng xác nhanh chi tiết có hình dáng phức tạp bề mặt chiều 1.2.5 Ứng dụng - Được sử dụng rộng rãi lĩnh vực ngành điêu khắc tên gỗ, làm logô - Gia công chi tiết phức tạp cần độ xác cao 1.2.6 Hướng giải - Sử dụng phần mềm Proenginer SolidWorks để vẽ chi tiết sau lắp ráp lại - Nghiên cứu kết cấu loại máy CNC thị trường có tính tương tự, cải tiến khuyết điểm - Dùng phần mềm gia công ảo kết nối phần mềm thiết kế với máy gia công thực sau gia công ảo - Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp thí nghiệm mạch điều khiển động stepper, Bộ điều khiển chính, cổng truyền thơng nối tiếp với file hình vẽ SolidWorks, gia cơng toàn chi tiết lắp ráp hoàn chỉnh mơ hình máy khắc CNC - Sử dụng điều khiển để điều khiển máy dịch chuyển theo phương X Y Z - Lập trình gia cơng chạy thử CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CNC CAD/CAM/CNC 2.1 Tổng quan kỹ thuật điều khiển số 2.1.1 Các định nghĩa điều khiển số 2.1.1.1 Điều khiển số - Điều khiển số (Numerical Control) trình tự động điều khiển hoạt động máy dựa sở liệu mã hóa đặc biệt tạo nên chương trình làm việc thiết bị hay hệ thống 2.1.1.2 Hệ thống điều khiển số - Là hệ thống mà hoạt động điều khiển liệu số đưa vào trực tiếp điểm Hệ thống phải tự động dịch chuyển tối thiểu phần liệu - Dữ liệu thông tin cung cấp mã nhị phân Nó biểu diễn dạng mã số ký tự Đây thông tin cần thiết để tạo chương trình gọi chương trình gia cơng - Có hai loại hệ thống điều khiển: Hệ thống điều khiển kín hệ thống điều khiển hở a Hệ thống điều khiển hở: Bộ đọc Bộ giải mã Bộ khuếch đại Bàn máy M động Hình 2.1-Hệ thống điều khiển số vòng hở Đặc điểm hệ thống điều khiển số vòng hở sau: - Các hệ thống điều khiển vận hành theo nhịp thời gian đồng hồ độc lập so với biến - Khơng có cảm biến so sánh Do muốn đảm bảo xác cho biến cấu chấp hành cần phải có u cầu cao độ xác cấu truyền động - Cấu trúc đơn giản giá thành thấp b Hệ thống điều khiển kín: Bộ đọc Bộ giải mã Bộ khuếch đại Bàn máy Cảm biến đo vị trí M động Hình 2.2- Hệ thống điều khiển số vịng kín Đặc điểm hệ thống điều khiển số vịng kín sau: - Độ xác biến phụ thuộc vào hệ truyền động mà phụ thuộc vào cảm biến - Làm việc xác độ tin cậy cao Do vậy, hầu hết hệ thống điều khiển số hệ thống kín Các hoạt động điều khiển vận hành qua sai lệch biến vào c Cấu trúc phần hệ thống điều khiển số: Hình 2.3-cấu trúc phần hệ thống điều khiển số Gồm thành phần chính:  Chương trình gia công (part programe): bao gồm thị mã hóa  Hệ điều khiển máy (machine control unit - MCU) chia làm thành phần: - Đơn vị xử lý liệu (data processing unit – DPU): thực chức đọc mã lệnh từ thiết bị nhập liệu, xử lý mã lệnh (giải mã), truyền liệu cho CLU - Mạch điều khiển (control loop unit – CLU): thực chức nội suy chuyển động sở tín hiệu nhận từ DPU, xuất tín hiệu điều khiển, nhận tín hiệu phản hồi, điều khiển thiết bị phụ trợ Thiết bị đọc chương trình (programe unit) Hệ thống truyền động (drive system): dùng động chiều xoay chiều, truyền khí Máy công cụ Hệ thống phản hồi (feedback system): gồm thành phần: - Bộ so sánh: so sánh giá trị thực biến để chấp hành giá trị với biến vào hệ điều khiển, sai lệch biến thành tín hiệu điều khiển - Cảm biến: dùng để đo giá trị thực biến sau cung cấp cho so sánh dạng tín hiệu, thường tín hiệu điện 1.1.1.3 Máy 10