GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÁY PHAY CNC
NHU CẦU SỬ DỤNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG CUỘC SỐNG
CNC – viết tắt cho Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) (điều khiển bằng máy tính) là những công cụ gia công kim loại có thể tạo ra những chi tiết phức tạo theo nhu cầu của công nghệ hiện đại Phát triển nhanh chóng với những tiến bộ trong máy tính, ta có thể bắt gặp máy CNC dưới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze và nhiều công cụ công nghệ khác Thuật ngữ CNC liên qua đến một nhóm máy móc lớn sử dụng logic của máy tính để điều khiển các chuyển động và thực hiện quá trình gia công kim loại.
GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ THỐNG ĐÃ CÓ TRONG THỰC TẾ VÀ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG
1.2.1 Tình hình sử dụng máy CNC ở nước ta
Cho đên nay ở nước ta số lượng máy CNC được sử dụng rất nhiều trong nhiều linh vực Mà phần lớn những máy sử dụng đều là máy phay CNC vì máy này đảm nhận được nhiều công việc như gia công lỗ, rãnh, mặc phẳng, các loại mặt định hình phức tạp. Ở nước ta máy CNC thường được dùng để gia công những nguyên công khó, vì thế giá thành gia công tương đôi cao, đây là nhược điểm cần được khắc phục.
Hiện nay một số trường đại học kỹ thuận đã được trang bị một vài máy CNC cho công tác giảng dạy và học tập Mặc dù số lược còn rất khiên tốn và sinh viên cũng khó có cơ hội tiếp xúc
Gần đây phong trào chế tạo máy CNC đang được nhiều bạn sinh viên và kỹ sư quan tâm Sau đây là một số sản phận của máy phay CNC:
Hình 1.1: Những sản phẩm của máy phay cnc
1.2.2 Phân loại máy phay cnc
Hiện nay có nhiều kiểu mẫu của máy phay CNC được sử dụng Tuy nhiên, chúng ta có thể chia các dòng máy CNC này ra làm 2 loại chính: đó là máy phay CNC đứng và máy phay CNC ngang
Hình 1.2: Máy phay cnc đứng
Cấu tạo với trục chính nằm vuông góc với bàn máy, các máy phay đứng hiện nay là máy phay CNC 3 trục, 4 trục, 5 trục… Cấu tạo càng nhiều trục, biên dạng chi tiết máy có thể gia công được càng phức tạp và giá thành các máy này càng cao. Ưu điểm của các máy phay này có thể kể đến như thời gian gia công ngắn, tốc độ nhanh, độ chính xác cao và giảm được thời gian gá đặt Loại máy phay CNC thông dụng nhất hiện nay trong sản xuất là máy phay 3 trục.
Hình 1.3: Máy phay CNC ngangCấu tạo với trục chính nằm song song với bàn máy Các máy này hoạt động kết hợp với bàn kẹp có thể xoay được và có nhiều mâm kẹp trên máy.
Máy phay CNC ngang có thể hoạt động liên túc mà không cần dừng lại để gá đặt chi tiết Máy phay CNC ngang ít thông dụng hơi so với máy CNC trục đứng, tuy nhiên chúng tỏ ra rất hiệu quả khi sử dụng trong các nhà máy chuyên thiết kế khuôn, chuyên gia công lốc máy, hay gia công hộp số, hộp động cơ.
- Giới thiệu một số mẫu mã máy phay CNC đang có trên thị trường:
Hình 1.4 :Máy phay cnc một đầu
Hình 1.5: Máy CNC khổ lớn VHT2025-6-2
PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU
Hiện nay máy công cụ CNC đang được phát triển và ứng dụng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực của cuộc sống nhiều nước trên thế giới Vì vậy chúng em dự kiến thiết kế mô phỏng một mô hình máy phay CNC mini để phục vụ cho công tác nghiên cứu và học tập Hỗ trợ làm quên với máy móc hiện đại, phục vụ cho quá trình làm việc sau này
- Phương pháp tham khảo : các tài liệu trên mạng và cái tài liệu trong thư viện của trường
- Phương pháp thực nghiệm : lắp ráp và thí nghiệm các mạch điều khiển động cơ
DC và step, bộ điều khiên chính, cổng truyên thông song song của máy tính, kết nối và điều khiển, láp ráp hoàn trỉnh máy phay CNC mini.
PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH HƯỚNG THIẾT KẾ MÁY
NHIỆM VỤ CỦA THIẾT KẾ MÁY
Đề tài “ Thiết kế, chế tạo máy phay CNC mini 3 trục’’ được nghiện cứu với những mục đích như sau:
- Sự ra đời của của đề tài do sự ham thích tìm hiển về máy CNC, sây dựng được mô hình máy CNC có thể chạy được thông qua sự điều khiển của bộ điều khiển đã thiết kế
- Máy được chế tạo với kích thước nhỏ ngọn, kết cấu đơn giản dễ vận hành, có thể di chuyển từ nơi này đến nơi khác trong không gian làm việc máy có khả năng phay các chi tiết một các tự động.
- Xây dựng giao diện điều khiển hệ thống đẹp mắt, hoạt động đơn giản.
- Đề tài được cho ra đời nhằm mục đích giúp cho sinh viên có điều kiện tiếp cận nhiều hơn với máy CNC.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY
2.2.1 Nguyên lý hoạt động của máy :
Nguyên lí hoạt động của máy phay CNC như sau :máy phay CNC hoạt động dựa theo chuyển động phức hợp theo 3 phương X,Y và Z Được điều khiển bằng arduino R3 thông qua chương trình điều khiển là GBRL Phôi sẽ được cố định thủ công vào bàn máy, quá trình gia công xẽ tiếp tục File Gcode sẽ được nạp vào phần mềm GBRL, bộ sử lý sẽ phân tích code và đưa ra tín hiệu, điều khiển cơ cấu chấp hành gia công trên phôi đã được định vị để tạo ra sản phẩm Các thông số trong quá trình gia công sẽ được người điều khiển thiết lập trê phần mềm GBRL và sẽ được hiển thị trên màn hình máy tính trong quá trình gia công chi tiết.
Hình 2.1 : Sơ đồ khối của máy phay CNC
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý máy phay CNC
2.2.2.Thiết kế động học cho máy
Chú thích : 1-động cơ 2- vít me 3-đai ốc
Hình 2.3: Sơ đồ động học của máy phay CNC mini
Máy phay CNC mini sẽ có cấu tạo gồm một bàn gá sản phẩm, một trục chính(spindle) quay ở tốc độ cao gắn các loại dao cụ để thực hiện gia công, hành trình dao lên xuống được thực hiện bởi cụm trục Z, các cụm trục X, Y thực hiện chuyển động tịnh tiến Khi cấp điện cho các động cơ gắn vào các trục và thông qua bộ truyền vitme trục Y sẽ di chuyển bàn máy Động cơ gắn vào trục X khi được khởi động sẽ dẫn động kéo cho Z di chuyển tịnh tiến đến một vị trí xác định Khi động cơ gắn trên trục Z được khởi động sẽ kéo theo sự dịch chuyển lên xuống của động cơ trục chính
(spindle) gắn dao cụ gia công tạo ra chiều sâu cắt nhất định.
2.2.3.Thiết kế trục X, Y, Z cho máy
1 Động cơ bước trục z 7 Giá kẹp động cơ phay
2 Khớp nối động cơ bước 8 Ốc vít để cố định động cơ phay vào giá
4 Thanh trượt 10 Lỗ vít me
5 Tấm dẫn cụm trục Z 11 Mỗ thanh trục
Kết cấu cụm trục Z như hình 3, có chức năng đưa dụng cụ cắt tịnh tiến theo trục
Z trong quá trình gia công Hành trình trục Z là 80mm, bao gồm: hai tấm đỡ trên và dưới để lắp thanh dẫn hướng và vít me cho trục Z.
Kết cấu cụm trục X như hình 4 có chức năng điều khiển cụm trục Z tịnh tiến theo trục X hành trình trục X là 300mm
1 khớp nối trục 6.ổ đỡ thanh trượt
2 động cơ dẫn động trục X 5 ổ đỡ trục mít me
3 trục vít me 7 Vách bên máy
Hình 2.5: Kết cấu cụm trục X
Kết cấu trục Y như hình 5 và hình 6 có chức năng điều khiển bàn máy tịnh tiến theo trục Y hành trình của trục Y là 330mm
1.bàn máy 2 gối đỡ bàn máy 3.gối đỡ thanh trợt 4.gối đỡ vít me
2.2.4 Kết cấu máy phay cnc mini
Trên cơ sở đã lựa chọn, thiết kế kết cấu các cụm trục X, Y, Z nhóm chúng em đã xây dựng ra bản vẽ kết cấu toàn máy phay cnc mini như hình 2.7 dưới đây:
Hình 2.7: Kết cấu máy phay cnc mini.
Các thành phần của máy phay CNC
- Phần điều khiển của máy CNC mini bao 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 biết đổi cần thiết để đưa tín hiệu 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 công suất có nghiệm vụ là nhận tín hiệu từ máy tính, thực hiện các biến đổi cần thiết để điều khiển được cơ cấu chấp hành thông qua các cảm biến liên hệ ngược ( công tắc hành trình)
- phần chấp hành bao gồm toàn bộ khung máy, bàn máy , các động cơ trên máy phay CNC mini, nó nhận tín hiện từ driver điều khiển tạo ra chuyển động chạy dao đúng như bản vẽ.
+ khung máy: hình thành kết cấu máy bộ phận cơ sở để ghép nối các cơ cấu quan trọng khác
+ bàn máy: nơi gá đặt định vị phôi chuẩn bị cho quá trình gia công.
+ động cơ chấp hành: trong hệ thống máy CNC, động cơ chấp hành đóng vai trò vô cùng qua trọng, đây là nguồn năng lượng thiết yếu cho sự hoạt động của máy
+ dao cắt là bộ phận trực tiết tham gia cắt gọt chi tiết
+ bộ truyền động được sử dụng trong máy phay CNC của nhóm em là vít me-đai ốc
2.3.3 Hệ trục tọa độ trên máy phay CNC
- theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi công trên máy CNC phải nằm trong hệ tọa độ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải:
+ đặt ngửa bàn tay phải trên bàn máy với thương chiều các ngón tay 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
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC THÀNH PHẦN CỦA MÁY
PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG ÁN, KÍCH THƯỚC VÀ QUY MÔ CỦA MÔ HÌNH
3.1.1 Phân tích chọn phương án
- Mô hình chế tạo cần đáp ứng các yêu cầu sau:
+ Đề tài nghiên cứu chỉ ở mức là mô hình phục vụ cho giảng dạy , học tập
+ Để đảm bảo độ cứng vững cũng như khích thước đơn giản của máy.
+ Dễ chế tạo trên các mô hình cũ sẵn có.
=> Vì thế nên chúng em quyết định lựa chọn chế tạo theo phương án phôi di chuyển trên trục Y , dụng cụ gia công di chuyển theo trục X và Z
Hình 3.1: máy phay CNC mini Đặc điểm:
Phần cố định bao khung máy (hay bệ đỡ), các trục trượt , động cơ , và cơ cấu chuyển động của trục X và trục Y gắn cố định vào khung máy
Trục X và trục Y đều trượt trên các thanh trượt gắn cố định ở khung, trục Z trượt trên trục X nên trên trục X có gắn các thanh trượt , động cơ và cơ cấu chuyển động của trục Z.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC THÀNH PHẦN CỦA MÁY
- Tác dụng, yêu cầu của khung máy:
Khung máy là một bộ phận cấu thành nên máy hoàn chỉnh Chính vì thế khung máy có kết cấu rất phức tạp gồm nhiều gân , gờ , lỗ được bố trí trong không gian.
Mặt khác khung máy còn là một chi tiết quan trọng của máy, độ chính xác , cứng vững cảu nó còn ảnh hưởng rất lớn đến quá trình làm việc và độ chính xác gia công Do đó khung máy phải thỏa thuận những yêu cầu sau: Đảm bảo dầy đủ độ cứng vững khi máy chạy và độ giảm chấn.
-Vật liệu dùng làm khung máy : Để đảm bảo độ cứng và bề cho máy nên nhóm chúng em quyết định chọn vật liệu làm khung máy bằng nhôm vì các lí do sau:
Vật liệu nhẹ, dễ kiếm
Dễ gia công chế tạo
Cấu cấu dẫn hướng
Mô hình máy phay CNC , sau khi cân nhắc nhóm chúng em quyết định chọn giải pháp bi trượt kết hợp với ống trụ tròn để làm bộ phận dẫn hướng cho chuyển động chạy dao theo 3 trục của máy vì :
Dễ tháo lắp, kết cấu đơn giản.
Đảm bảo được yêu cầu thiết kế.
-Tuy các cơ cấu dẫn hướng trên có độ chính xác cao, ma sát thấp , nhưng nhược điểm là giá thành khá cao.
CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG
- Vitme được gắn với trục động cơ , khi động cơ quay thì vitme quay , động cơ và vitme gắn cố định làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vitme Đai ốc thì sẽ gắn chặt và bộ phận cần chuyển động ( trục X, Y, Z)
- Do kinh phí chế tạo máy nhỏ nên nhóm không thể dùng vít me bi để đảm bảo độ chính xác cao mà lựa chọn giải pháp dùng vitme đai ốc thường 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 vít me - đai ốc được chọn như sau:
Đường kính trục vít me : d = 8mm
Chiều dài vít me cho 3 trục: X: L140 mm; Y: L230mm; Z:
Hình 3.3: Vít me đai ốc
CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG TRONG MÁY
Trong hệ thống máy CNC, ĐCCH (động cơ truyền động của các trục) đóng một vài trò cực kì quan trọng đây là nguồn năng lượng thiết yếu cho sự hoạt động của máy
Trong máy CNC , ĐCCH 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 yêu cầu sau:
Không có hiện tượng tự quay, tự hãm khi tắt tín hiệu điều khiển
Làm việc ổn định trong dãy tốc độ làm việc
Công suất điều khiển nhỏ
Kích thước trọng lượng nhỏ
A, động cơ bước: Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lí và ứng dụng khác biệt với đa số động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồ bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động gốc quay
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 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 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 roto tương ứng với mạch, số lần chuyển cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto 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).
Thời gian để tăng tốc (ms).
Thời gian để giảm tốc (ms).
Kiểu truyền động được sử dụng.
Kích thước và trọng lượng.
Tính toán khối lượn động cơ bước
Thông số tính toán động cơ bước trên trục Y
Hệ số ma sỏt của giỏ dẫn hướng à=0,12
Đường kính trục vít me Db =8mm=0,008m
Khối lượng trục vít me mb=0,5kg
Độ chính xác của bàn máy ∆l =0,03mm/bước
Khoảng cách dịch chuyển l00mm
Hệ số an toàn Sf=3
Độ phân giải cần thiết của động cơ bước θS= 360.∆𝑙 = 360.0,03 =1,35°
Số vòng quay của động cơ bước
Momen xoắn do khối lượng tải tác dụng lên động cơ
Momen quá trình do khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ:
Momen xoắn do khối lượng của tải tác dụng lên động cơ
Momen xoắn của thanh dẫn hướng tác động lên trục động cơ:
Momen tác dụng lên động cơ:
Công suất làm việc P0 của động cơ
- Qua khảo sát thị trường dựa trên cơ sở các thông số tính toán được nhóm quyết định chọn động cơ có thông số như sau:
Thông số tính toán động cơ bước trên trục X
Khối lượng tải : mt =3,2 kg
Hệ số ma sát của giá dẫn hướng : 𝜇 = 0,12
Đường kính trục vít me D b = 8mm= 0,008m
Khối lượng trục vít me : mb =0,3kg
Độ chính xác của bàn máy :∆𝑙 = 0,03𝑚𝑚/bước
Khoảng cách dịch chuyển : l "0mm
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 động cơ
Momen xoắn quán tính do khối lương của tải tác dụng lên động cơ
Momen xoắn do khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ
Momen xoắn của thanh hướng dẫn tác động lên trục động cơ :
Momen tổng cộng tác dụng lên động cơ :
Công suất làm việc P0 của động cơ
Thông số tính toán động cơ bước trên trục Z
Khối lượng tải : mt =1,6 kg
Hệ số ma sát của giá dẫn hướng : 𝜇 = 0,12
Đường kính trục vít me D b = 8mm= 0,008m
Khối lượng trục vít me: mb =0,2kg
Độ chính xác của bàn máy :∆𝑙 = 0,03𝑚𝑚/bước
Khoảng cách dịch chuyển : l 0mm
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 động cơ
Momen xoắn quán tính do khối lương của tải tác dụng lên động cơ
Momen xoắn do khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ
Momen xoắn của thanh hướng dẫn tác động lên trục động cơ :
Momen tổng cộng tác dụng lên động cơ :
Công suất làm việc P0 của động cơ
Trong quá trình lựa chọn động cơ , để đảm bảo sự động nhất về chủng loại động cơ Giúp quá trình tìm mua động cơ cho quá trình thiết kế mô hình dễ dàng Nhóm quyết định chọn động cơ NEMA17 (được lựa chọn trong quá trình tính toán đọng cơ dẫn động của trục Y ) làm động cơ dẫn động cho tất cả các trục trong máy Động cơ có các thông số như sau :
B, Động cơ truyền động trục chính:
- Chọn động cơ một chiều DC motor vì nó có nhứng đặc điểm sau:
Sử dụng điện áp nhỏ, an toàn cho người sử dụng
Đa dạng và rất phong phú về chủng loại
Momen xoắn lớn, tốc độ lớn
- Vì máy chúng em thiết kế là mô hình nhỏ sử dụng để gia công các vật liệu mềm như gỗ, mica ,nhựa nên công suất của đông cơ được chọn không lớn với thông số như sau :
TỔNG HỢP CÁC BỘ PHẬN, CƠ CẤU SỬ DỤNG TRONG MÁY
KIỆN SỐ LƯỢNG HÌNH ẢNH
THIẾT KẾ PHẦN ĐIỀU KHIỂN
YÊU CẦU HOẠT ĐỘNG, TỰ ĐỘNG CỦA MÁY
Máy CNC được biết đến như một công cụ có khả năng tự động hóa cao, điều khiển theo một chương trình định sẵn.Do vậy,yêu cầu về khả năng hoạt động tự động là cực kỳ cần thiết.Mạch điều khiển và chương trình điều khiển là những thành phần thiết yếu trong việc đảm bảo quá trình vận hành của máy.
Chương trình điều khiển: Là tập hợp các tín hiệu (gọi là lệnh ) để điều khiển máy, được mã hóa dưới dạng chữ cái, số và môt số ký hiệu khác như dấu cộng, trừ, dấu chấm, gạch nghiêng,…
Các cơ cấu điều khiển: Nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực hiện các phép biến đổi cần thiết để có được tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra sự hoạt động của chúng thông qua các tín hiệu được gửi về từ các cảm biến Bao gồm các cơ cấu đọc, cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuyếch đại, cơ cấu đo hành trình, cơ cấu đo vận tốc, bộ nhớ và các thiết bị xuất nhập tín hiệu.
- Về cơ bản, hệ thống điều khiển máy CNC do nhóm thiết kế bao gồm những thành phần chính sau:
+ Máy tính-phần mềm: là trung tâm điều khiển, thiết kế của máy sau khi thiết kế các sản phẩm, thông qua chương trình điều khiển máy tính gửi tín hiệu điều khiển đến mạch trung tâm.
+ Mạch điều khiển trung tâm: nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính, gửi các tín hiệu điều khiển tương ứng đến từng mạch driver.
+ Động cơ bước và hệ truyền động: nhận tín hiệu từ mạch driver thực hiện chuyển động mang động cơ trục chính dịch chuyển tạo hình như mong muốn.
+ Động cơ DC vẽ: nhận tín hiệu điều khiển thực hiện quá trình vẽ vật liệu.
- Quá trình hoạy động của hệ thông dưới tác động của bộ phận điều khiển như sau:
Chương trình gia công chi tiết được xuất dưới dạng file G.code sẽ được nạp vào chương trình điều khiển (chương trình điều khiển được sử dụng là Grbl controller3.6.1) Thông qua chương trình điều khiển, máy tính gửi tính hiệu điều khiển đến mạch trung tâm.Mạch trung tâm sẽ gửi các tính hiệu điều khiển tương ứng đến các mạch driver để thực hiện quá trình điều khiển các động cơ bước của các trục Mạch arduino kết hợp với Module CNC Shield V3 và module điều khiển động cơ bướcA4988 giúp ta có thể điều khiển động cơ bước dễ dàng qua Arduino.
CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG
- Để thiết lập một hệ thống điều khiển khiển đảm bảo yêu cầu Trước tiên cần xác định rõ các thành phần của hệ thống Trong đề tái “Thiết kế máy CNC vẽ mạch in” của nhóm, các thành phần chính bao gồm:
+ Đối tượng điều khiển: Động cơ bước các trục X,Y và động cơ servo
+ Cơ cấu tác động: Module điều khiển động cơ bước
+ Cơ cấu chấp hành: Động cơ trục chính
+ Bộ phận điều khiển: Mạch điều khiển (Arduino UNO) và chương trình điều khiển (GRBL Controller)
PHÂN TÍCH CHỌN LỰA PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN
- Để thiết kế phần điều khiển cho đề tài “Thiết kế máy phay CNC ” mà nhóm được giao Qua tham khảo một số tài liệu có liên quan và dựa trên năng lực của bản thân. Chúng em đã quyết định lựa chọn phương án là sử dụng Arduino Bởi những lý do sau:
+ Arduino thực ra là một bo mạch vi xử lí được dùng để tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hay các thiết bị khác một cách dễ dàng.
+ Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dựng cực kì dễ sử dụng Với ngôn ngữ lập trình có thể học nhanh chóng ngay cả khi người học ít hiểu biết về điện tử và lập trình.
+ Và điều làm nên Arduino chính là mức giá thấp và tính chất nguồn mở từ cứng tới mềm Chỉ với hơn 100 ngàn đồng, người dùng đã có thể sở hữu một board Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác và điều khiển chừng đấy thiết bị.
- Thế mạnh của Arduino so với các nền tảng vi điều khiển khác :
+ Giá thành rẻ, dể tìm kiếm và sử dụng
+ Chạy trên đa nền tảng : Việc lập trình có thể thực hiện trên các hệ điều hành khác nhau như Window, Mac Os, Linux trên destop, android trên di động.
+ Ngôn ngữ lập trình đơn giản, dễ hiểu.
+ Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng module nên việc mở rộng phần cứng khá dễ dàng
+ Đơn giản và nhanh: Dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị
+ Dễ dàng chia sẻ : Mọi người dễ dàng chia sẻ mã nguồn với nhau mà không lo lắng về ngôn ngữ hay hệ điều hành mình đang sử dụng.
- Những ứng dụng nổi bật của Arduino là: máy in 3D, robot, game tương tác, điều khiển ánh sáng, kích hoạt chụp ảnh tốc độ cao
- Một hệ thống Arduino có thể cung cấp cho bạn rất nhiều sự tương tác với môi trường xung quanh với:
+ Hệ thống cảm biến đa dạng về chủng loại (đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc, cường độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lưu lượng nước, phát hiện chuyển động, phát hiện kim loại, khí độc,…)
+ Các thiết bị hiển thị (màn hình LCD, đèn LED,…).
+ Các module chức năng (shield) hỗ trợ kêt nối có dây với các thiết bị khác hoặc các kết nối không dây thông dụng (3G, GPRS, Wifi, Bluetooth, 315/433Mhz,2.4Ghz,…) + Định vị GPS, nhắn tin SMS, và nhiều thứ thú vị khác
GIỚI THIỆU VỀ PHẦN ĐIỀU KHIỂN
Nhắc tới lập trình hay nghiên cứu chế tạo bằng Arduino, dòng đầu tiên mà mọi người thường tìm hiểu là Arduino UNO và hiện tại đã phát triển đến thế hệ thứ 3 (R3). Nếu mà người mới tìm hiểu bạn nên nghiên cứu Arduino UNO R3 hơn là tiếp cận những dòng Arduino khác vì dòng Arduino UNO R3 rất dễ sử dụng đối với những người mới tiếp cận về lập trình.
4.4.2 Thông số của Arduino UNO R3 :
- Vi điều khiển : ATmega 328 họ 8bit
- Điện áp hoạt động 5V DC ( chỉ được cấp qua cổng USB )
- Tần số hoạt động : 16 HMz
- Dòng tiêu thụ : khoảng 30 mA
- Điện áp vào khuyên dùng : 7-12V DC
- Điện áp vào giới hạn : 6-20V DC
- Số chân digital I/O: 14 ( 6 chân hardware PWM )
- Số chân Analog : 6 ( độ phân giải 10 bit )
- Dòng tối đa trên mỗi chân I/O : 30 mA
- Dòng ra tối đa (5V) : 500mA
- Dòng ra tối đa (3.3V) : 50mA
- Bộ nhớ Flash: 32KB với 0.5KB dùng bởi bootloader
- Arduino UNO R3 có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 - Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
+ 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino UNO có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết
+ Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite() Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.
+ Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.
+ LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
+ Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0
→ 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit.
+ Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
4.4.4 Lập trình cho Aduino UNO R3
Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn ngữ riêng Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ wiring được viết cho phần cứng nói chung Và wiring lại là một biết thể của C/C++ Một số người gọi nó là wiring, một số người khác lại gọi nó là C hay C/C++ Cách gọi chung là ngôn ngữ Arduino Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ đọc và dễ hiểu.
4.4.5 Module điều khiển CNC Shield V3
-Board Arduino CNC shield v3 là board mở rộng của Arduino UNO R3 dùng để điều khiển các máy CNC mini Board có 4 khay dùng để cắm các mô đun điều khiển động cơ bước A4988, khi đó board có thể điều khiển3 trục X, Y, Z và thêm một trục thứ 4 tùy chọn trên các máy CNC mini.
-Các tính năng nổi bật :
+Tương thích GRBL (mã nguồn mở chạy trên Arduino UNO R3 để điều khiển CNC mini)
+Hỗ trợ lên tới 4 trục (trục X, Y, Z và một trục thứ tư tùy chọn) +Hỗ trợ tới 2 Endstop cho mỗi trục
+Tính năng điều khiển spindle, công suất laser +Tính năng điều khiển dung dịch làm mát khi máy hoạt động +Sử dụng các mô đun điều khiển động cơ bước, giúp tiết kiệm chi phí khi thay thế, nâng cấp Thiết lập độ phân giải bước động cơ bằng jump đơn giản
+Thiết kế nhỏ gọn, các đầu nối tiêu chuẩn thông dụng +Điện áp nguồn cấp đa dạng từ 12V tới 36V
4.4.6 Driver điều khiển động cơ bước A4988
- Module điều khiển động cơ bước A4988 là một trình điều khiển động cơ vi bước hoàn chỉnh với việc tích hợp bộ dịch cho hoạt động dễ dàng Sản phẩm này hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động của động cơ bước lưỡng cực như: Full, Half, ẳ, 1/8 và 1/16.
- Công suất lái ngõ ra lên tới 35V và ± 1A.
- Bao gồm một bộ điều chỉnh dòng cố định chạy giữa hai chu kỳ, thời gian mà máy chạy không, dòng này rất nhỏ và hoặc bị phân rã
- Phù hợp với bộ vi xử lý phức tạp: giao tiếp với A4988 phù hợp với các dòng vi xử lý phức tạp
- Tự động lựa chọn: trong hoạt động vi bước, bộ chopping bên trong A4988 sẽ tự động chọn chế độ sâu hiện tại (thấp hoặc là mix giữa các mode)
- Mạch bảo vệ điện tử bao gồm: bảo vệ ngắn mạch tải, bảo vệ dòng điện chéo.
- Mạch điều khiển điều chỉnh bên trong được cung cấp nhằm cải thiện hoạt động của bộ PWM để giảm việc tiêu thụ điện.
+ Làm việc ổn định trong môi trường khắc nghiệt, kích thước gọn nhẹ.
+ Đáp ứng nhanh, điều khiển trực tiếp qua máy tính dễ dàng.
+ Phải có phần mềm để điều khiển các driver thông qua giao tiếp cổng USB hay LPT của máy tính
THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NỐI DÂY CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CNC MINI
Kết nối phần cứng (Arduino UNO R3 + CNC Shield + A4988) để điều khiển động cơ bước dẫn động các trục X,Y và Z.
Hinh 4.5: Sơ đô nối dây của mạch điều khiển máy CNC mini
CÁC PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN
4.6.1 Phần mềm điều khiển máy phay CNC mini
- Chương trình mà nhóm em sử dụng để điểu khiển máy phay CNC mini là chương trình GRBL controller 3.6.1 Giao diện của phần mềm có dạng :
Hình 4.6: Giao diện của phần mền GRBL controller 3.6.1
- Grbl controller có giao diện người dùng đơn giản với cửa sổ chính hiển thị thông tin cơ bản về kết nối và tổng trạng thái của máy tính theo mô hình gia công ba chiều và các vị trí chung của vật thể Các khu vực còn lại trên giao diện gồm một bảng điều khiển và bảng lệnh, cùng một phần chuyên điều chỉnh thông số chính xác.
- Các tính năng chính của Grbl controller:
+ Gửi lệnh G-code tới máy CNC.
+ Hỗ trợ hệ điều hành window, Linux,
+ Giao diện người dùng đơn giản.
+ Cắt vật thể với độ chính xác cao.
+ Tích hợp công cụ G-code Visualizer.
- Cách điều chỉnh thông số máy trên GRGL controller 3.6.1 :
Vào mục settings => firmware settings => GRBL để thiết lập các thông số máy.
+ $0: Thời gian mỗi xung cấp tới động cơ bước, tính bằng micro giây Mỗi động cơ bước có đặt tính thông số thời gian kéo dài của xung điện áp khác nhanh Quy tắt điều chỉnh là giảm thời gian mỗi xung xuống càng thấp càng tốt miễn là đồng cơ chạy ổn định Giá trị mặc định là 10 us.
+ $1: Thời gian đợi để tắt động cơ, tính bằng mili giây Sau khi động cơ hoàn thành xong một chuyển động hoặc ngừng hẳn, mạch điều điều khiển vẫn luôn cấp điện cho động cơ trong thời gian ứng với gia trị $1 Nếu muốn để mạch điều khiển luôn luôn cấp điện cho đồng cơ ( động cơ muôn để chế độ cấp điện ), đặt giá trị $1%5
+ $2: Thiết lập đảo mức điện áp tín hiệu điều khiển động cơ bước Chức năng này dùng để đảo ngược mức tín hiệu ( 5v 0v ) của tín hiệu điều khiển động cơ Thông thường thiết lập này không cần sử dụng trừ trường hợp với vài driver đặt biệt.
+ $3: Thiết lập đảo mức tín hiệu điều khiển hướng động cơ đến mỗi trục Thiết lập này tương đương với đảo thứ tự toàn bộ chân các dây điều khiển của động cơ bước và dùng để đảo chiều chuyển động ( âm hoặc dương ) của động cơ Các thiết lập trục nào sẽ bị đảo đảo hướng chuyển động cũng giống như đối với $2.
+ $4: Thiết lập đảo ngược tín hiệu kích hoạt động cơ cho tất cả các trục Thông thường thiết lập này không cần sử dụng và có thể để mặc định $4 = 0.
+ $5: Thiết lập đảo ngược tín hiệu kích hoạt Endstop ( cảm biến giới hạn hành trình máy ) cho tất cả các trục Nếu $5=0, mạch điều khiển sẽ xem tín hiệu kích hoạt Endstop là mức 0 (0V) Nếu $5=1, mạch điều khiển sẽ xem tín hiệu kích hoạt Endstop là mức 1 (+5V).
+ $6: Thiết lập đảo ngược tín hiệu kích hoạt cảm biến dò bề mặt phôi Khi sử dụng chức năng dò bề mặt phôi ( kiểu tra độ cao các điểm trên bề mặt phôi để bù lại khi gia công ), nếu $6=0 mạch điều khiển sẽ tìm tín hiệu kích hoạt đầu dò là mức 0 (0V) Nếu
$6=1 mạch điều khiển sẽ tìm tín hiệu kích hoạt đầu dò là mức 1 (+5V) Lưu ý, khi đặt
$6=1 cần phải bổ xung thêm một trở nối đất cho chân tín hiệu đầu dò.
+ $10: Thiết lập phản hồi trạng thái của máy khi đang chạy: mục đích của thiết lập này là cho phép người dùng lựa chọn/loại bỏ một số thông tin trạng thái của máy cần thep dõi Thông thường càn ý thông số theo dõi càng tiết kiệm được tài nguyên của mạch điều khiển.
Cách sử dụng : ví dụ nếu muốn mạch điều khiển chỉ gửi về thông số Machine Position và Work position, đặt giá trị $6=1+2=3.
+ $11: Thiết lập giá trị gia tốc của dao khi di chuyển qua các điểm nối giữa các điểm cạch cần gia công Giá trị gia tốc càng cao, máy chạy càng nhanh nhưng khả năng xảy ra sai lệch kích thước càng lớn và ngược lại.
+ $12: Thiết lập độ chính xác gia công các cung tròn và đoạn cong tính theo minimet Thông thường giá trị này không cần phải thay đổi trừ khi cần giá trị khác. Nếu muốn gia cồng các cung tròn nhanh hơn, có thể tăng giá trị $12 lêu cao một chút.
+ $13: Thiết lập thông số báo cáo trạng thái làm việc của máy theo đơn vị Inch hay không Nấu $13=0, máy sẽ báo trạng thái làm việc theo đơn vị mm Nếu $13=1 máy sẽ báo đơn vị theo inch.
+ $20: Thiết lập chức năng giới hạn hành trình băng phần mềm Khi kích hoạt chức năng này ( bằng giá trị $20=1) mạch điều khiển sẽ chỉ cho phép dao di chuyển trong thời gia cho phép ( xem $130; $131;$132) tính từ gốc tọa độ Khi muốn dùng tính năng này bắt buộc phải bật tính năng này về gốc tọa độ ($22) trước.
+ $21: Chọn chế độ giới hạn hành trình bằng bằng công tắc endstop, bất kỳ công tắc endstop nào bị tác động máy sẽ dừng lại, để máy tiếp tục di chuyển bạn vào Tab Machine Control yêu cầu trục đó di chuyển ra khỏi endstop, khi di chuyển ra khỏi endstop sẽ gặp hiện tượng nhả endstop thì máy lại dừng, bạn làm thêm lần nữa thì nó sẽ ra được.
+ $22: Chọn cho phép về gốc tọa độ nếu $22=1, sau khi chọn chức năng này, máy sẽ báo Alarm mỗi lần Open, bạn phải nhấn vào nút $H và $X để tiếp tục (trước khi nhấn nhớ kiểm tra dao có bị vướn phôi không, vì sau khi nhấn máy sẽ tự động di chuyển về gốc tọa độ).
+ $23: Chọn hướng di chuyển về gốc tọa độ (giống như $3).
+ $24: Chọn tốc độ di chuyển trước khi chạm endstop lần 2, giá trị mặc định 20mm/min.
+ $25: Chọn tốc độ di chuyển trước khi chạm endstop lần 1, giá trị mặc định 100mm/min.
+ $26: Chọn thời gian chờ endstop, giá trị mặc định 250mS.
+ $27: Chọn khoảng di chuyển ngược endstop để chạm lần 2, giá trị mặc định 5mm.
+ $110, $111, $112: chọn tốc độ di chuyển lớn nhất cho các trục X, Y, Z tương ứng.Nên chọn sao cho động cơ chạy mượt (riêng trục Z không nên chọn chạy quá nhanh).
VIẾT CHƯƠNG TRÌNH
Chương trình điều khiển Arduino: chương trình điều khiển Arduino sử dụng để điều khiển máy phay CNC mini đòi hỏi độ chính xác rất cao Do khả năng lập trình của nhóm chúng em còn hạn chế và để hoàn thành đúng tiến độ được giao, hệ thống hoạt động đảm bảo được những yêu cầu thiết kế đã đặt ra, nhóm em xin được sử dụng code chương trình đã được nghiêu cứu và thử nghiệm thành công.
- ở đây nhóm em chọn bản grbl_v0_9j_atmega328p_16mhz_115200 được download trên github.com
TỔNG KẾT
SẢN PHẨN SAU KHI HOÀN THIỆN
Máy phay CNC mini sau khi được hoàn thiện đã đáp ứng được mục tiêu đã đề ra hoạt động ổn định và dưới đây là một số hình ảnh của máy phay CNC
Hình 5.1: Máy phay cnc mini
Hình 5.2: Máy phay CNC mini