thiết kế máy khoan mạch in tự động

Bộ điều khiển động cơ bước sử dụng board CNC shiled V3 và driver A4988 dùng chức năng điều khiển vị trí kết hợp với bộ điều khiển trung tâm Adruino UNO R3 Với khả năng hoạt động liên tục

Trang 1

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÁY KHOAN MẠCH IN TỰ

Thiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dong

Thiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dong77Monday, June 10, 20248:48:05 PM8:48:05 PM77Monday, June 10, 20248:48:05 PM8:48:05 PM77Monday, June 10, 20248:48:05 PM8:48:05 PM

Thiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dong77Monday, June 10, 20248:48:06 PM8:48:06 PM77Monday, June 10, 20248:48:06 PM8:48:06 PM77Monday, June 10, 20248:48:06 PM8:48:06 PM

Thiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dong77Monday, June 10, 20248:48:06 PM8:48:06 PM77Monday, June 10, 20248:48:06 PM8:48:06 PM77Monday, June 10, 20248:48:06 PM8:48:06 PM

77Thiet ke may khoan mach in tu dongMonday, June 10, 2024

Trang 2

I

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP1 Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài

(1): Dương Ngọc Chiến MSSV: 15025741 (2): Nguyễn Quang Giáp MSSV: 15083641 (3): Lý Ngọc Huân MSSV: 15063651 (4): Lê Hòa Duy Lộc MSSV:15065821

2 Tên đề tài

THIẾT KẾ MÁY KHOAN MẠCH IN TỰ ĐỘNG

3 Nhiệm vụ (Nội dung và số liệu ban đầu)

Dựa trên cơ sở lí thuyết,nhu cầu về khoan mạch in tự động,nhóm đã thiết kế mô phỏng solidwork, từ đó đưa ra ý tưởng thiết kế máy khoan mạch in tự động

4 Kết quả dự kiến

Thiết kế máy khoan mạch in tự động

Giảng viên hướng dẫn Tp HCM, ngày tháng năm 20…

Sinh viên

Trưởng bộ môn

Thiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dong772410068:48:05 PM8:48:05 PM772410068:48:05 PM8:48:05 PM772410068:48:05 PM8:48:05 PM

Trang 3

Trang 4

Trang 5

IV

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP INHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN IINHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN IIIMỤC LỤC IVDANH MỤC HÌNH VẼ VIIDANH MỤC BẢNG IXLỜI CẢM ƠN X

TÓM TẮT ĐỀ TÀI 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 2

1.1 Đặt vấn đề 2

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Đối tượng nghiên cứu 3

1.4 Giới hạn đề tài 3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 4

2.1 Sơ lược về máy cnc: 4

2.2 Một số máy CNC ngoài thị trường 4

2.3 Đặc trưng cơ bản của cnc : 5

2.3.1 Tính năng tự động cao 5

2.3.2 Tính năng linh hoạt cao 6

2.3.3 Tính năng tập trung nguyên công 6

2.3.4 Tính năng chính xác, đảm bảo chất lượng cao 6

2.3.5 Gia công biên dạng phức tạp 6

2.3.6 Tính năng hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao 6

Trang 6

V

3.2.1 Phương án phôi cố định 9

3.2.2 Phương án phôi di chuyển trên trục Y, máy gia công theo trục X và Z 9

3.2.3 Phương án trục Z cố định, phôi di chuyển 9

4.2 Nội suy đưởng thẳng với thuật toán kenneth and melvin golberg 14

4.3 Nội suy đường tròn 16

4.4 Thuật toán tìm hướng đường tròn 17

CHƯƠNG 5 VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA328P PU 19

5.1 Giới thiệu vi điều khiển Atmega328p PU mạch arduino: 19

5.2 Phần điều khiển 25

5.2.1 Các thành phần của bộ điều khiển 26

5.2.2 Phần chấp hành 31

CHƯƠNG 6 ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ ĐỘNG CƠ DC 795 32

6.1 Giới thiệu về động cơ bước 32

6.1.1 Hệ thống điều khiển động cơ bước 33

6.2 Bước góc của động cơ bước được chế tạo theo bảng tiêu chuẩn sau: 34

6.2.1 Nguyên tăc điều khiển động cơ bước đơn cực 34

6.2.2 Tín hiệu điều khiển động cơ bước ứng dụng: 34

6.2.3 Thông số step size 42 dài 32 34

6.2.4 Các thông số chủ yếu của động cơ bước: 35

6.3 Giới thiệu động cơ DC 795 36123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com Thiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dong772410068:48:05 PM8:48:05 PM772410068:48:05 PM8:48:05 PM772410068:48:05 PM8:48:05 PM

Trang 7

VI

7.1 Tính toán và thiết kế cơ khí: 37

7.2 Thiết kế cơ khí trên phần mềm Solidworks: 38

7.2.1 Bảng thông số kỹ thuật máy CNC 3 trục: 38

7.3 Đánh giá vật liệu sử dụng : 39

7.3.1 Lựa chọn cơ cấu cho máy cnc : 40

7.4 Kết quả xây dựng đề tài: 46

CHƯƠNG 8 ĐIỀU KHIỂN VÀ XUẤT FILE GCODE 47

8.1 Phần mềm điều khiển Bcnc: 47

8.1.1 Giao diện kết nối của phần mềm: 47

8.1.2 Giao diện điều khiển: 47

8.1.3 Thiết lập các thông số vào phần mềm: 48

8.1.4 Các mã lệnh Gcode cơ bản trong CNC (GRBL): 50

8.1.5 Lưu đồ giải thuật 53

8.2 Thiết lập và tạo file Gcode: 57

8.2.1 Giới thiệu: 57

CHƯƠNG 9 ĐÁNH GIÁ CHUNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN 62

9.1 Chạy chương trình G-code 62

9.2 Những bước tiến của đề tài 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

Trang 8

Hình 4.1 Thuật toán điều khiển đường thẳng (Kenneth and Melvin Golberg) 15

Hình 4.2 Thuật toán điều khiển đường thẳng (Kenneth and Melvin Golberg) 17

Hình 5.1 Vi điều khiển ATmega328P PU 19

Hình 5.2 Sơ đồ chân vi điều khiển ATmega328P PU 19

Hình 5.3 Vi điều khiển ATmega328P PU tích hợp trên mạch Arduino 20

Hình 5.4: Board điều khiển 25

Hình 5.5 Sơ đồ dây công tắc hành trình 26

Hình 6.2 Sơ đồ hệ thống có sử dụng động cơ bước 33

Hình 6.3 Động cơ bước đơn cực 34

Trang 9

Hình 7.13 Máy CNC đã hoàn thiện 46

Hình 7.14 Máy CNC và bộ điều khiển 46

Hình 8.1 Giao diện phần mềm Bcnc 47

Hình 8.2 Giao diện điều khiển 47

Hình 8.3 Thiết lập thông số điều khiển 48

Hình 8.4 Lưu đồ giải thuật hiển thị hình ảnh từ file G-code 53

Hình 8.5 Lưu đồ giải thuật truyền lệnh 54

Hình 8.6 Lưu đồ giải thuât nhập từng lệnh 55

Hình 8.7 Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển bằng tay 56

Hình 8.8 Giao diện Phần mềm Aspire 57

Hình 8.9 Tạo file mới 58

Hình 8.10 Thiết lập giá trị X Y Z 58

Hình 8.11 Mở file có dạng *.BMP 59

Hình 8.12 Chuyển đổi File có dạng *.BMP sang dạng vector 59

Hình 8.13 File dạng vector 60

Hình 8.14 Hiển thị mô phỏng khi phay 2D 60

Hình 8.15 Lưu file dưới dạng *.Gcode 61

Hình 8.16 Hiển thị mô phỏng phay mạch trên Aspire 3D 61

Hình 9.1 Các đường tiến dao của máy CNC 3 trục phay trên phím đồng 62

Trang 10

IX

DANH MỤC BẢNG

Bảng 5.1 Thông số vi điều khiển ATmega328 họ 8bit 23

Bảng 5.2 Điều khiển bước 28

Bảng 6.1 Số bước của từng động cơ theo độ 34

Bảng 7.1 Thông số kỹ thuật máy CNC 3 trục 39

Bảng 7.2 Thống kê chi tiết máy 45

Trang 11

X

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được hoàn thành tại Trường Đại Học Công Nghiệp TPHCM Trong quá trình làm khóa luận tốt nghiệp em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ để hoàn tất luận văn

Xin chân thành cảm ơn:

Ban giám hiệu, quý Thầy Cô trong trường, đặc biệt là quý Thầy Cô Khoa Điều khiển tự động Trường Đại Học Công Nghiệp TP.Hồ Chí Minh, đã tận tình chỉ

Điện-dẫn, truyền đạt kiến thức cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho những nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu vừa qua

Thầy Th.S Lê Ngọc Tuân, giảng viên hướng dẫn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ

cũng như tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành đề tài

Ngoài ra còn các bạn sinh viên , nhóm nghiên cứu đã giúp đỡ nhiệt tình, cung cấp những tài liệu, cũng như động viên trong quá trình làm việc

Và xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình đã sát cánh, theo dõi, hỗ trợ để đề tài được hoàn thành tốt đẹp

TP.Hồ Chí Minh, Ngày … tháng … năm 2019 Nhóm thực hiện

Trang 12

1

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Đề tài “ THIẾT KẾ MÁY PHAY MẠCH IN TỰ ĐỘNG “ được dựa trên những mong muốn xây dựng phòng thí nghiệm và thực hành, tạo ra những thiết bị máy CNC để đáp ứng trong việc giảng và dạy cho sinh viên nắm bắt những kiến thức kinh nghiệm thực tế, Giảm kinh phí trong việc mua những máy CNC lớn đắt tiền Cũng chính vì vậy nhóm đã nghiên cứu đã linh hoạt khi thiết kế chế tạo máy CNC, để đảm bảo chính xác cao về vị trí, hình dáng mẫu mã, cũng như về kĩ thuật điều khiển Đáp ứng những yêu cầu này thì động cơ bước kết hợp với bộ điều khiển dựa trên nền tảng GRBL là lựa chọn khá phù hợp Bộ điều khiển động cơ bước sử dụng board CNC shiled V3 và driver A4988 dùng chức năng điều khiển vị trí kết hợp với bộ điều khiển trung tâm Adruino UNO R3 Với khả năng hoạt động liên tục phương pháp nội suy xử lý nhanh chóng, giá thành thấp, cơ động khi vận chuyển, lắp ráp, kết nối bằng cổng usb, nền tảng cho sinh viên mới vào học các môn về CNC, lập trình C++, Solid Works, Aspire ,Hiểu được G-code, có thể tự viết các chương trình chạy trên máy CNC, đó là những yếu tố để thực hiện đề tài

Trang 13

Trên thế giới, công nghệ CNC phát triển từ cuối thế kỷ 20, nhưng chỉ bắt đầu phổ biến ở nước ta trong khoảng 10 năm trở lại đây Máy CNC xuất hiện đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp Trong các công ty, xí nghiệp lớn, vừa và nhỏ, đều cần máy CNC trong các dây truyền sản xuất thủ công, bán thủ công và tự động Nắm bắt tình hình phát truyển ngoài nước cũng như trong nước việc đào tạo nhân lực bám sát với nhu cầu thực tế, có kinh nghiệm là vô cùng quan trọng Vì thế trường ĐH Công Nghiệp TP.HCM chú trọng đầu tư phát truyển hạ tầng cơ sở, trang thiết bị, phòng thí nghiệm, các mô hình thực nghiệm hiện đại Đó là nền tảng xây dựng và đào tạo chất lượng nguồn nhân lực cho đất nước, trong thời đại công nghiệp hóa- hiện đại hóa đất nước

Trong việc giảng dạy của khoa Điện-Điều khiển tự động nói chung với trường ĐH Công Nghiệp TP.HCM nói riêng cần một số lượng lớn máy CNC phục vụ cho công việc giảng dạy Mà chi phí mua máy CNC khá là đắt đỏ, với những mong muốn thiết kế ra những máy CNC kinh phí đầu tư thấp hơn, vẫn đáp ứng các nhu cầu thực hành của sinh viên cũng như giải quyết những vấn đề đặt ra của phòng thực tập CNC, để giải

quyết mong muốn đó, nhóm nghiên cứu đi đến thực hiện đề tài “Thiết kế máy khoan

mạch in tự động”

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài là một tổng thể hoàn chỉnh, kết hợp giữa các kiến thức chuyên ngành về: cơ khí, điện tử, tin học,thiết kế và lý thuyết điều khiển…xây dựng một mô hình thực hành CNC

Tìm hiểu về công nghệ CNC gồm:

 Nghiên cứu về các dạng của máy phay CNC

 Chuẩn G-Code tương thích với từng dạng của máy phay

Trang 14

3

 Chuẩn G-code của Aspire

 Tìm hiểu về thuật toán nội suy cho máy cnc mini nói riêng và máy cnc công nghiệp nói chung

 Tìm hiểu và ứng dụng động cơ bước ở các chế độ  Điều khiển vị trí

 Điều khiển vận tốc

 Tìm hiểu và ứng dụng truyền động vitme và trượt chuyển động thẳng vào hệ thống

 Tìm thông số của động cơ bước và động cơ DC

1.3 Đối tượng nghiên cứu

 Tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy CNC

 Nghiên cứu vi điều khiển(ATmega328 họ 8bit) Adruino UNO R3, boar driver CNC shiled v3 và driver A4988

 Nghiên cứu cấu tạo , nguyên lí hoạt động của động cơ bước  Đọc và xử lí file G-code

 Thuật toán nội suy về đường thẳng và đường tròn

1.4 Giới hạn đề tài

Máy CNC là sản phẩm phức tạp đòi hỏi sự kết hợp của nhiều ngành kỹ thuật cao: cơ khí - điện- điện tử - điều khiển - tin học Ở góc độ đồ án nghiên cứu khoa học cho sinh viên và những hạn chế về thời gian và kinh phí, nhóm sinh viên đề xuất thực hiện đề tài ở các nội dung sau:

 Thiết kế mạch điện tử điều khiển trung tâm và khối công suất điều khiển động cơ

 Thiết kế bản vẽ kỹ thuật cơ khí và mô phỏng bằng Phần mềm Solidwork  Gia công các chi tiết

 Tìm hiểu về nền tảng GRBL ứng dụng cho máy CNC mini  Lập trình file G-Code dựa trên phần mềm Aspire

 Tìm hiểu, tính toán và thiết lập thông số vào phần mềm bCNC điều khiển máy

Trang 15

Các thế hệ đầu, máy NC còn sử dụng các cáp logic trong hệ thống Phương pháp điều khiển theo điểm và đoạn thẳng tức là không có quan hệ hàm số giữa các chuyển động theo tọa độ Việc điều khiển còn mang tính "cứng" nên chương trình đơn giản và cũng chỉ gia công được những chi tiết đơn giản như gia công lỗ, gia công các đường thẳng song song với các chuyển động mà máy có

Các thế hệ sau, trong hệ thống điều khiển của máy NC đã được cài đặt các cụm vi tính, các bộ vi xử lý và việc điều khiển lúc này phần lớn hoặc hoàn toàn "mềm" Phương pháp điều khiển theo đường biên, tức là có mối quan hệ hàm số giữa các chuyển động theo hướng các tọa độ Các máy NC này được gọi là CNC (Computer Numerical Control) Chương trình được soạn thảo tỉ mỉ hơn và có thể gia công được những chi tiết có hình dáng rất phức tạp Hiện nay các máy CNC đã được dùng phổ biến

2.2 Một số máy CNC ngoài thị trường

Những máy cnc mini do trong nước tự sản xuất và lắp đặt Hình 2.1 và Hình 2.2:

Hình 2.1 Máy CNC 4060

Trang 16

5

Hình 2.2 Máy CNC 3 trục Giới thiệu về máy:

 Máy cnc mini 2535 Alumium với 3 trục x,y,z điều khiển dùng vitme khá giống với mô hình ứng dụng CNC, kích thước X350 mm,Y250 mm, Z100 mm, trọng lượng khoảng 30kg Dùng cổng LPT và phần mềm điều khiển March 3

Ứng dụng của máy:

 Đọc lệnh từ G-code, xuất tín hiệu điều khiển 3 trục x,y,z, với 3 trục thì máy cnc mini 2535 Alumium có thể làm được những công việc sau, chế tác các sản phẩm điêu khắc 3D, lắm ráp những linh kiện nhỏ, phay, khoan lỗ và khắc laser

Giá thành 1 bộ sản phẩm như vậy bao gồm mạch điều khiển, phần cứng, không có phần chấp hành như khoan, laser

Trang 17

6

dao cụ, tự động kiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự động hiệu chỉnh sai lệch vị trí tương đối giữa dao và chi tiết, tự động tưới nguội, tự động hút phôi ra khỏi khu vực cắt

2.3.2 Tính năng linh hoạt cao

 Chương trình có thể thay đổi dễ dàng và nhanh chóng, thích ứng với các loại chi tiết khác nhau Do đó rút ngắn được thời gian phụ và thời gian chuẩn bị sản xuất, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tự động hóa sản xuất hàng loạt nhỏ

 Bất cứ lúc nào cũng có thể sản xuất nhanh chóng những chi tiết đã có chương trình Vì thế, không cần phải sản xuất chi tiết dự trữ, mà chỉ giữ lấy chương trình của chi tiết đó

 Máy CNC gia công được những chi tiết nhỏ, vừa, phản ứng một cách linh hoạt khi nhiệm vụ công nghệ thay đổi và điều quan trọng nhất là việc lập trình gia công có thể thực hiện ngoài máy, trong các văn phòng có sự hỗ trợ của kỹ thuật tin học thông qua các thiết bị vi tính, vi xử lí…

2.3.3 Tính năng tập trung nguyên công

Đa số các máy CNC có thể thực hiện số lượng lớn các nguyên công khác nhau mà không cần thay đổi vị trí gá đặt chi tiết Từ khả năng tập trung các nguyên công, các máy CNC đã được phát triển thành các trung tâm gia công CNC

2.3.4 Tính năng chính xác, đảm bảo chất lượng cao

 Giảm được hư hỏng do sai sót của con người

 Có khả năng gia công chính xác hàng loạt Độ chính xác lặp lại, đặc trưng cho mức độ ổn định trong suốt quá trình gia công là điểm ưu việt tuyệt đối của máy CNC

 Máy CNC với hệ thống điều khiển khép kín có khả năng gia công được những chi tiết chính xác cả về hình dáng đến kích thước

2.3.5 Gia công biên dạng phức tạp

Máy CNC là máy duy nhất có thể gia công chính xác và nhanh các chi tiết có hình dáng phức tạp như các bề mặt 3 chiều (đối với máy CNC 3 trục trở lên)

2.3.6 Tính năng hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao

 Cải thiện tuổi bền dao nhờ điều kiện cắt tối ưu Tiết kiệm dụng cụ cắt gọt, đồ gá và các phụ tùng khác

Trang 18

 Thời gian sử dụng máy nhiều hơn nhờ vào giảm thời gian dừng máy

 Giảm thời gian kiểm tra vì máy CNC sản xuất chi tiết chất lượng đồng nhất  CNC có thể thay đổi nhanh chóng từ việc gia công loại chi tiết này sang loại khác

với thời gian chuẩn bị thấp nhất

Tuy nhiên máy CNC không phải không có những hạn chế Dưới đây là một số hạn chế:

 Sự đầu tư ban đầu cao: Nhược điểm lớn nhất trong việc sử dụng máy CNC là tiền vốn đầu tư ban đầu cao cùng với chi phí lắp đặt

 Yêu cầu bảo dưỡng cao: Máy CNC là thiết bị kỹ thuật cao và hệ thống cơ khí, điện của nó rất phức tạp Để máy gia công được chính xác cần thường xuyên bảo dưỡng Người bảo dưỡng phải tinh thông cả về cơ và điện

 Hiệu quả thấp với những chi tiết đơn giản

2.4 Mô hình máy cnc

Hình 2.3 Mô hình máy CNC tham khảo

Trang 19

 Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC Nhược điểm :

 Phạm vi ứng dụng là ở vùng công suất nhỏ và trung bình Việc nghiên cứu nâng công suất động cơ bước đang là vấn đề rất được quan tâm hiện nay  Hiệu suất động cơ bước thấp hơn các loại động cơ khác

Động cơ một chiều (DC motor) Ưu điểm:

 Momen xoắn lớn, giá thành rẻ Nhược điểm:

 Đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp  Phải có mạch phản hồi thì mới nâng cao độ chính xác

Động cơ SERVO: Ưu điểm:

 Momen xoắn lớn, có cả 2 loại AC và DC  Tốc độ đáp ứng nhanh, độ chính xác cao Nhược điểm:

 Driver phức tạp, giá thành cao

Trang 20

 Loại động cơ lai đơn cực, hai pha

3.2 Lựa chọn phương án di chuyển của các trục 3.2.1 Phương án phôi cố định

động, động cơ tất cả các bộ phận này chuyển động cùng với trục Y  Trên trục Z có bắt các cơ cấu bắt động cơ chạy di chuyển bút vẽ Trục Z

trượt trên trục X nên trên bộ phận trượt trục X có các thanh trượt, động cơ, cơ cấu truyền động cho trục Z

 Trên bệ đỡ có các thanh trượt trục Y và phôi cần gia công

3.2.2 Phương án phôi di chuyển trên trục Y, máy gia công theo trục X và Z

Đặc điểm:

 Phần cố định bao gồm khung máy ( hay bệ đỡ), các trục trượt, động cơ và cơ cấu truyền động của trục X và trục Y gắn cố định và 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 truyền động của trục Z

3.2.3 Phương án trục Z cố định, phôi di chuyển

Đặc điểm

Trang 21

3.3 Lựa chọn cơ cấu truyền động

 Có 2 phương án chính là dùng vit me đai ốc và dùng đai:

3.3.1 Vít me đai ốc

Hình 3.1 Vitme đai ốc Vít me đai ốc thường:

 Vít me được gắn đồng trục với động cơ, khi động cơ quay, vít me quay, động cơ và vít me gắn cố định, làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vít me Đai ốc thì được gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động ( trục X, Y, Z)

 Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vit, một vòng quay của động cơ sẽ làm đai ốc di chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít, vì vậy tốc độ di chuyển của bộ phận trượt ở phương

Trang 22

11

án này là chậm và có độ chính xác khi chuyển động không cao vì có độ rơ của đai ốc Dùng động cơ bước có bước góc càng nhỏ và trục ren có bước ren càng nhỏ thì độ chính xác di chuyển càng cao

 Một số ưu điểm khác là tạo ra lực đẩy lớn khi gia công mẫu vật Phương án này được dùng trong các máy CNC công nghiệp, gia công các loại vật liệu cứng, kích thước lớn …

Vít me đai ốc bi

 Đây là dạng vít me đai ốc thay vì ma sát trượt thông thường tiếp xúc giữa vit me và đai ốc thông qua các viên bi, được chuyển thành ma sát lăn Điều này đem đến một ưu điểm: chỉ cần một lực quay rất nhỏ đã có thể làm cho đai ốc chuyển động

 Độ chính xác di chuyển cao, do không có độ rơ giữa vitme và đai ốc

Hình 3.2 Vitme bi

 Trên đây là kết cấu của bộ truyền vít me đai ốc bi Tuy có kết cấu đa dạng nhưng các thành phần chủ yếu của bộ truyền bao gồm: vít me; đai ốc ; các viên bi; và rãnh hồi bi

Trang 23

12

 Vấn đề quan tâm trong bộ truyền vit me – đai ốc bi đó là dạng profin răng vit me và đai ốc profin răng vít me dạng chữ nhật và hình thang là chế tạo đơn giản hơn cả nhưng khả năng chịu tải kém Để tăng khả năng chịu tải, người ta tăng bề mặt làm việc bằng cách chế tạo profin dạng tròn

 Một vấn đề cũng rất quan trọng trong kết cấu của bộ truyền đó là kết cấu của rãnh hồi bi; rãnh hồi bi có thể là dạng ống, hoặc là dạng theo lỗ khoan trong đai ốc hoặc là dạng rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp

 Rãnh hồi bi dạng ống có nhược điểm là tăng kích thước bộ chuyền, độ bền mòn của đầu ống thấp, kẹp chặt ống có độ tin cậy không cao

 Rãnh hồi bi theo lỗ khoan trên đai ốc có ưu điểm là kết cấu gọn và tính công nghệ tốt song khả năng tách thành nhiều nhóm hồi bị khó khăn  Rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp: là dạng hồi bi được dung nhiều hơn

cả, có kích thước gọn nhất, không bị mòm nhanh, độ tin cậy cao và chiều dài rãnh hồi bi lớn

3.3.2 Phương án dùng đai

Hình 3.3 Dây đai GT

 Hai đầu của đai được dặt vừa vào hai puli có cùng kích thước răng với đai Một cái bắt chặt vào trục động cơ, còn cái còn lại bắt vào trục quay tự do ở phía dọc theo chiều của trục được dẫn động Một phần của đai được gắn

Trang 24

 Nhưng đổi lại, độ chính xác di chuyển sẽ thấp có thể những sai lệch khi gia công Và lực đẩy nhỏ nên khi gặp tải lớn sẽ bị trượt bước hoắc dãn đai

Trang 25

4.1.1 Chạy nhanh (hay còn gọi là định vị)

Hầu như tất cả các máy CNC đều dùng lệnh G00 (hoặc G0) để thực hiện chạy nhanh Trong lệnh phải có tọa độ đích của chuyển động Với lệnh này chuyển động tuyến tính của bàn (hoặc đầu dao) sẽ đạt giá trị tối đa có thể có của máy Được lập trình để giảm thiểu thời gian chạy không tải (không cắt) trong quá trình gia công Các ví dụ của chuyển động nhanh như định vị dao vào và ra khỏi vị trí cắt, chạy tránh đồ kẹp và các chướng ngại khác hay nói chung, các chuyển động không tải trong chương trình Các máy CNC hiện đại có thể đạt tốc độ chạy nhanh rất cao, có máy tới 250m/phút

4.1.2 Chuyển động thẳng

Lệnh G01 (hoặc G1) được dùng để xác định tốc độ cắt (ăn dao hay chạy bàn) theo đường thẳng (feed rate) Trên trung tâm gia công tốc độ cắt (lưu ý phân biệt với vận tốc cắt là vận tốc dài của mũi dao so với phôi) được đo bằng mm/phút (mm/min) hoặc inch/phút (in/min, IPM) Với trung tâm tiện, tốc độ cắt còn được đo bằng mm/vòng hay inch/vòng (mm/rev, in/rev)

4.1.3 Chuyển động tròn

Hai lệnh G được dùng cho chuyển động tròn G02 chỉ chuyển động tròn thuận chiều kim đồng hồ (TCKĐH) và G03 thực hiện chuyển động tròn ngược chiều kim đồng hồ (NCKĐH) Trong dòng lệnh này, giá trị đi sau R chỉ bán kính cung tròn thay vì dùng ký hiệu bán kính R, trên một số bộ điều khiển CNC cũ, các véc tơ hướng (ký hiệu bới I, J, K) cho biết vị trí tâm của cung tròn

4.2 Nội suy đưởng thẳng với thuật toán kenneth and melvin golberg

Định nghĩa điểm bắt đầu (x1, y1) và điểm kết thúc (x3, y3) Định nghĩa tốc độ chạy dao F F là tốc độ di chuyển dụng cụ cắt

Trang 26

15

Lưu đồ thuật toán nội suy đường thẳng:

Hình 4.1 Thuật toán điều khiển đường thẳng (Kenneth and Melvin Golberg)

Ban đầu, đặt tọa độ (x2, y2) của dao đến giá trị (0, 0) Đây là điểm bắt đầu, đặt số bước đếm về 0

Tính toán hướng dịch chuyển dao Khi dịch chuyển thẳng từ một điểm này đến một điểm khác, toàn bộ chuyển động của trục X theo một hướng, khi đó toàn bộ chuyển động của Y theo một hướng Hướng được xác định bởi sự khác nhau giữa Dx và Dy là điểm đầu và điểm cuối Dx= x3-x1, Dy= y3-y1

Tính giá trị tuyệt đối giữa Dx và Dy, xác định Fxy, là giá trị dùng để điều khiển chuyển động dọc trục x và y Fxy= |Dx|-|Dy|

Trang 27

16

Phát xung điều khiển dao chạy đến điểm cuối cho đến khi điểm cuối được phát hiện Đây là trọng tâm của chương trình Tỷ lệ dòng xung được phát ra cho hai trục X và Y bởi biến Fxy Mỗi thời gian một bước cấp cho trục X, giá trị tuyệt đối Dy được trừ bởi Fxy Khi Fxy âm, một bước sẽ được cấp cho trục y, và trị tuyệt đối Dx được thêm vào Fxy Dấu hiệu của Fxy xác định bước cần để xấp xỉ một đường thẳng

Một vòng delay điều khiển tốc độ chạy dao Vòng delay này thêm cả vòng delay cho bước ban đầu Đường dốc lên federate trong vòng điều khiển này hữu ích cho vị trí thực lúc máy bắt đầu khởi động, điều này có thể có hiệu ứng quan trọng trên hệ thống

Về nội suy đường thẳng: nội suy đường thẳng trong G-code được lập trình bằng lệnh G01

Với cấu trúc lệnh như sau: G01 X Y Z F

Trong đó: x,y,z là tọa độ điểm đích F là tốc độ tiến dao

Ví dụ: muốn dịch chuyển từ tọa độ A(0,0) đến tọa độ B(5,5) thì dạng G-code: G01 X50 Y50 F1000; thì các thông số X1=0,Y1=0, X2=5,Y2=5 sẽ được xét cho điểm đầu và điểm cuối di chuyển, các giá trị sẽ được tính toán bởi Fxy điều khiển 2 trục x, y khi Fxy <0 cấp 1 xung lệnh dịch chuyển trục y, khi Fxy >=0 sẽ cấp 1 xung lệnh dịch chuyển trục x, đến khi X1=,X2 , Y1=Y2 thì thoát khỏi vòng lệnh thực thi

4.3 Nội suy đường tròn

Dựa trên khái niệm không thông số thuật toán có cung cấp những bước XY cần thiết để xấp xỉ một đường dẫn đường tròn Công thức của đường tròn là:

Tác giả đưa ra bước mà dao chạy quanh đường tròn bởi so sánh vị trí dao hiện tại và vị trí lý tưởng của dao Tác giả thực hiện phép so sánh này bởi sự theo dõi giá trị của Fxy Tác giả biết rằng dụng cụ cắt đã qua đường tròn và phải đúng khi Fxy thay đổi Sự xấp xỉ đúng ( X, Y) phụ thuộc vào phần tư của dao đã được định vị

Trang 28

17

Sự sai của thuật toán ở chỗ là chỉ có thông tin về Fxy, phải thêm vào đó nữa là hướng của đường tròn (0 = clockwise, 1=counterclockwise) Nếu chúng ta biểu hiện vị trí bởi 0 và 1, thì tất cả ta sẽ có 16 vị trí kết hợp của giá trị ( Thật sự là một điểm ở trong 4 mặt phẳng tọa độ Trong mỗi mặt phẳng xác định hai h ướng chuyển động (CK hoặc CCK), mỗi hướng lại có hai lựa chọn là X chuyển động trước hay Y chuyển động trước, do vậy mà kết hợp có 16 giá trị tạo ra)

4.4 Thuật toán tìm hướng đường tròn

Lưu đồ thuật toán nội suy đường tròn:

Hình 4.2 Thuật toán điều khiển đường thẳng (Kenneth and Melvin Golberg)

Về nội suy cung tròn: nội suy cung tròn trong file G-Code được thực hiện bằng lệnh G02(cùng chiều kim đồng hồ) hoặc lệnh G03 (ngược chiều kim đồng hồ)

Trang 29

18

Cấu trúc lệnh G02, G03 như sau:

G02 X…Y…J…I…R…F quay ngược chiều kim đồng hồ G03 X…Y…J…I…R…F quay thuận chiều kim đồng hồ Với : X,Y là tọa độ điểm đích

J, I là tọa độ tâm cung tròn tính cho điểm xuất phát của cung theo trục x hoặc y

R là bán kính cung tròn F là tốc độ tiến dao

Giả sử ta cần vẽ cung tròn có tâm là điểm xc, yc từ góc chắn cung thứ nhất đến góc chắn cung thứ hai theo chiều nào đó (cùng chiềukim đồng hồ hoặc ngược lại)

Phương pháp tính toán là cộng vào 1 góc anpha một gia số nhỏ, điều khiển trục x,y chuyển động

Ví dụ: muốn vẽ một cung tròn thuận chiều kim đồng hồ với bán kính R=20, tọa độ tâm A(0,0) điểm xuất phát trên trục x, với tốc độ F1000

G03 X00Y00I20J00 F1000;

Từ G-code sẽ được lấy các thông số tính toán cho giá trị Fxy điều khiển trục x, y xét cho 4 mặt trong hệ trục tọa độ Oxy, Ox’y, Oxy’, Ox’y’, với bán kính cung tròn là 20, khi đó nội suy với giá trị trong từng mặt của hệ trục tọa độ, ở ¼ cung tròn trong mặt phẳng Oxy giá trị y giảm, x tăng đến khi X=R thì xét Fxy để nội suy mặt phẳng tiếp theo

Trang 30

19

CHƯƠNG 5 VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA328P PU 5.1 Giới thiệu vi điều khiển Atmega328p PU mạch arduino:

Hình 5.1 Vi điều khiển ATmega328P PU

Hình 5.2 Sơ đồ chân vi điều khiển ATmega328P PU

Trang 31

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 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 rất thấp và tính chất nguồn mở từ cứng tới mềm Chỉ với , 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 :

- 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

Trang 32

- Đơn giản và nhanh: Rễ 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, thiết bị bay không người lái UAV, 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, vận 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

 Cấu trúc phần cứng

Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield Vài shield truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các chân khác nhau, nhưng nhiều shield được định địa chỉ thông qua serial bus I²C-nhiều shield có thể được xếp chồng và sử dụng dưới dạng song song Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280, và ATmega2560 Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Arduino tương thích Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh giao động 16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể), mặc dù một

Trang 33

22

vài thiết kế như LilyPad chạy tại 8 MHz và bỏ qua bộ điều chỉnh điện áp onboard do hạn chế về kích cỡ thiết bị Một vi điều khiển Arduino cũng có thể được lập trình sẵn với một boot loader cho phép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash on-chip, so với các thiết bị khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài Điều này giúp cho việc sử dụng Arduino được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng 1 máy tính gốc như là một bộ nạp chương trình

Theo nguyên tắc, khi sử dụng ngăn xếp phần mềm Arduino, tất cả các board được lập trình thông qua một kết nối RS-232, nhưng cách thức thực hiện lại tùy thuộc vào đời phần cứng Các board Serial Arduino có chứa một mạch chuyển đổi giữa RS232 sang TTL Các board Arduino hiện tại được lập trình thông qua cổng USB, thực hiện thông qua chip chuyển đổi USB-to-serial như là FTDI FT232 Vài biến thể, như Arduino Mini và Boarduino không chính thức, sử dụng một board adapter hoặc cáp nối USB-to-serial có thể tháo rời được, Bluetooth hoặc các phương thức khác (Khi sử dụng một công cụ lập trình vi điều khiển truyền thống thay vì ArduinoIDE, công cụ lập trình AVR ISP tiêu chuẩn sẽ được sử dụng.)

Board Arduino sẽ đưa ra hầu hết các chân I/O của vi điều khiển để sử dụng cho những mạch ngoài Diecimila, Duemilanove, và bây giờ là Uno đưa ra 14 chân I/O kỹ thuật số, 6 trong số đó có thể tạo xung PWM (điều chế độ rộng xung) và 6 chân input analog, có thể được sử dụng như là 6 chân I/O số Những chân này được thiết kế nằm phía trên mặt board, thông qua các header cái 0.10-inch (2.5 mm) Nhiều shield ứng dụng plug-in cũng được thương mại hóa Các board Arduino Nano, và Arduino-compatible Bare Bones Board và Boarduino có thể cung cấp các chân header đực ở mặt trên của board dùng để cắm vào các breadboard

Có nhiều biến thể như Arduino-compatible và Arduino-derived Một vài trong số đó có chức năng tương đương với Arduino và có thể sử dụng để thay thế qua lại Nhiều mở rộng cho Arduino được thực thiện bằng cách thêm vào các driver đầu ra, thường sử dụng trong các trường học để đơn giản hóa các cấu trúc của các 'con rệp' và các robot nhỏ Những board khác thường tương đương về điện nhưng có thay đổi về hình dạng-đôi khi còn duy trì độ tương thích với các shield, đôi khi không Vài biến thể sử dụng bộ vi xử lý hoàn toàn khác biệt, với các mức độ tương thích khác nhau

Trang 34

23

 Giới thiệu thông tin về Atmega328 thể hiện ở Bảng 5.1

Bảng 5.1 Thông số vi điều khiển ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

+ Các chân năng lượng:

GND (Ground) : cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

5 V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA 3.3 V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

Trang 35

RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

+ Các cổng vào/ra:

Arduino UNO 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 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối)

+ Các chân đặc biệt:

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, không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép 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 nút 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 Thiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dongThiet ke may khoan mach in tu dong

772410068:48:05 PM8:48:05 PM772410068:48:05 PM8:48:05 PM772410068:48:05 PM8:48:05 PM

Trang 36

Hình 5.4: Board điều khiển

Trang 37

26

 Đối với bộ điều khiển cho máy CNC, ta dùng 1 bộ nguồn tổ ong 12v_20a, cấp nguồn cho board cnc shield v3.cùng với đó cấp nguồn cho dimmer điều khiển động cơ phay

 Động cơ bước của mỗi trục X Y Z , được nối theo thứ tự được kí hiệu trên board cnc shield Được điều khiển hỗ trợ nhờ driver A4988

 Ngoài ra máy có sử dụng công tắc hành trình để báo lỗi máy khi hoạt động sai hoặc quá kích thước cho phép

Hình 5.5 Sơ đồ dây công tắc hành trình

5.2.1 Các thành phần của bộ điều khiển

-Board Driver động cơ bước A4988:

Trang 38

27

Hình 5.6 Driver A4988

Hình 5.7 Sơ đồ chân Driver A4988

A4988 là một bộ điều khiển DMOS cực nhỏ với bộ chuyển đổi và bảo vệ quá dòng A4988 có thể điều khiển được động cơ bước lưỡng cực với dòng điện lên đến 2A với mỗi cuộn dây