Luận văn thạc sĩ Công nghệ chế tạo máy: Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho máy FDM

Công nghệ FDM là công nghệ bồi đắp vật liệu theo từng lớp từ sợi nhựa nhiệt dẻo được đùn ra từ đầu đùn trong nhiệt độ môi trường chuẩn để xây dựng mẫu.. [1] Nguyên lý chung Vật liệ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

GIA XUÂN LONG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

ii

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Võ Tường Quân

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày 07 tháng 07 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 PGS.TS Trần Thiên Phúc

2 TS Hồ Thị Thu Nga 3 PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh 4 TS Võ Tường Quân

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: GIA XUÂN LONG MSHV: 12184776 Ngày, tháng, năm sinh: 24/12/1988 Nơi sinh: ĐăkLăk Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy Mã số: 605204

I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY FDM II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu công nghệ tạo mẫu nhanh theo phương pháp FDM - Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển cho máy Vina FDM 2015 - Đưa ra giải thuật điều khiển cho máy

- Thử nghiệm hệ thống điều khiển - Tối ưu hóa các thông công nghệ nhằm tối ưu độ chính xác kích thước và độ nhám mẫu

tạo bởi máy Vina FDM 2015

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ

iv

LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến cô PGS.TS Thái Thị Thu Hà đã tận tình hướng dẫn cũng như hỗ trợ và giúp đỡ em vượt qua

nhiều khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Em cũng xin gởi lời cảm ơn đến các thầy Lê Khánh Điền, TS Võ Tường Quân, KS Nguyễn Minh Dương, KS Phạm Quang Phước tại phòng thí nghiệm đo

lường cùng các bạn trong nhóm thực hiện đề tài máy TMN Vina FDM 2015 đã tận tình giúp đỡ, góp ý và hỗ trợ em rất nhiều trong thời gian tham gia thực hiện đề tài

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015

Gia Xuân Long

v

TÓM TẮT LUẬN VĂN

FDM là hệ thống tạo mẫu nhanh tạo ra sản phẩm thật trực tiếp từ nguồn dữ liệu CAD Công nghệ FDM là công nghệ bồi đắp vật liệu theo từng lớp từ sợi nhựa nhiệt dẻo được đùn ra từ đầu đùn trong nhiệt độ môi trường chuẩn để xây dựng mẫu Hệ thống điều khiển là bộ phận trung tâm của máy, nó có nhiệm vụ kiểm soát và điều khiển toàn bộ quá trình hoạt động của máy Luận văn này tập trung thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển cho máy Vina FDM 2015 Sau đó tiến hành các thử nghiệm kiểm tra khả năng hoạt động của hệ thống điều khiển, cũng như các khuyết tật trong quá trình tạo mẫu từ đó đưa ra hướng khắc phục Bên cạnh đó luận văn còn nghiên cứu tối ưu hóa các thông số công nghệ của quá trình Vina FDM 2015 nhằm nâng cao độ chính xác về kích thước và độ nhám của mẫu

vi

ABSTRACT

Fused Deposition Modelling (FDM) is a rapid prototyping system that produces physical models directly from the computer aided design (CAD) data sources Out of all commercially available RP processes, fused deposition modelling (FDM) uses heated thermoplastic filament which are extruded from the nozzle in a prescribed manner in a temperature controlled room prototype models layer by layer using deposition method The Control system is made for the purposes of monitoring and operating the other entire parts of machine.This thesis aims to design a control system for Vina FDM 2015 machine then accordingly build and improve the system Next step is to find solutions to fix unexpected errors and continously improved the efficiency Besides, i also study the system to optimize the parameters during the operating time to create models with the best quality of surface roughness as well as the dimension accuracy

vii

LỜI CAM KẾT

Tôi tên: GIA XUÂN LONG Học viên lớp: Cao học công nghệ chế tạo máy K2012 Mã số học viên: 12184776

Theo quyết định giao đề tài luận văn cao học của phòng Đào tạo Sau đại học, Đại học Bách khoa Tp.HCM, tôi đã thực hiện luận văn cao học với đề tài “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY FDM” dưới sự hướng dẫn

của PGS.TS Thái Thị Thu Hà từ ngày 19/01/2015 đến 14/06/2015

Tôi xin cam kết đây là luận văn tốt nghiệp cao học do tôi thực hiện Tôi đã thực hiện luận văn đúng theo quy định của phòng đào tạo sau đại học, trường Đại

Học Bách Khoa TP.HCM và theo sự hướng dẫn của PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam kết trên đây Nếu có sai phạm trong quá trình thực hiện luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu các hình thức xử lý của phòng đào tạo sau đại học và Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh

Học viên

Gia Xuân Long

viii

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH xi

DANH MỤC BẢNG xv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xvi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1

1.1 Giới thiệu về công nghệ TMN 1

1.6 Tổng quan về hệ thống điều khiển cho máy FDM 7

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 11

2.1 Cấu trúc và thành phần máy 11

2.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển máy 13

2.3 Phân tích lựa chọn các cụm 14

Cụm điều khiển vị trí 14

Cụm điều khiển nhiệt độ 17

Cụm khiển trung tâm 20

2.4 Giải thuật điều khiển 29

Chuẩn bị dữ liệu cho quá trình FDM 29

Quá trình điều khiển máy 32

ix

Giải thuật điều khiển nhiệt độ 34

Giải thuật điều khiển chuyển động 35

2.5 Thử nghiệm 37

2.6 Các lỗi xảy ra khi thử nghiệm 41

Hiện tượng sản phẩm bị “cong vênh” 41

Mẫu bị “hở” mặt trên 41

Bề mặt bị gợn sóng 42

CHƯƠNG 3 CÁC SAI SỐ TRONG QUÁ TRÌNH TẠO MẪU FDM 44

3.1 Sai số hình học của mẫu 44

4.1 Xác định độ chính xác của mẫu trên máy Vina FDM 2015 50

Mẫu thí nghiệm 52

Thiết bị thực nghiệm 52

4.2 Kết quả thực nghiệm 55

4.3 Tối ưu các thông số công nghệ sử dụng giải thuật di truyền (GENETIC ALGORITHM) 63

Tối ưu thông số công nghệ ảnh hưởng đến kích thước mẫu 64

Tối ưu thông số công nghệ ảnh hưởng đến độ nhám mẫu 65

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 68

x

5.1 Kết quả 685.2 Hướng phát triển 68PHỤ LỤC 74

xi

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1 Nguyên lý chung 1

Hình 1-2 Biểu đồ doanh thu các sản phẩm và dịch vụ TMN trên thế giới 2

Hình 1-3 Ứng dụng công nghệ TMN trong các ngành công nghiệp khác nhau tại Mỹ 3

Hình 1-4 Thị trường TMN thế giới năm 2008 3

Hình 1-5 Mẫu máy tạo mẫu nhanh FDM 2000 4

Hình 1-6 Nguyên lý hoạt động máy FDM 5

Hình 1-7 Ứng dụng sản của các sản phẩm từ công nghệ TMN FDM 6

Hình 1-8 Sơ đồ hệ thống điều khiển 8

Hình 1-9 Sơ đồ khối điện của hệ thống điều khiển 8

Hình 2-1 Các thành phần của máy FDM 11

Hình 2-2 Bộ điều khiển trên máy FDM1600 12

Hình 2-3 Giao diện phầm mềm điều khiển máy FDM Insight 13

Hình 2-4 Sơ đồ khối điều khiển máy 14

Hình 2-5 Sơ đồ điều khiển cụm điều khiển vị trí 15

Hình 2-6 Driver Sanmotion F5PAE140P100 16

Hình 2-7 Giản đồ vận tốc hình thang 16

Hình 2-8 Driver động cơ 3 trục sau khi kết nối 17

Hình 2-9 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ trên máy Vina FDM 2015 18

Hình 2-10 Bố trí bộ phận gia nhệt và cảm biến trên đầu đùn 18

Hình 2-11 Bộ phận gia nhiệt gắn hông máy và vị trí cảm biến trong buồng máy 19

Hình 2-12 Mạch điều khiển nhiệt độ cho đầu đùn 20

xii

Hình 2-13 Bộ điều khiển nhệt độ buồng và đầu đùn sau khi lắp đặt 20

Hình 2-14 Card điều khiển PCI-8254 của AD Link 22

Hình 2-15 Board mở rộng DIN-825-GP4 22

Hình 2-16 Sơ đồ nối dây hệ thống 23

Hình 2-17 Sơ đồ kết nối các công tắc hành trình và dừng khẩn cấp kiểu Source 24

Hình 2-18 Sơ đồ chân trên J1, J2, J7 24

Hình 2-19 Sơ đồ kết nối ngõ vào 25

Hình 2-20 Thứ tự kết nối các kênh ngõ vào trên card 26

Hình 2-21 Sơ đồ kết nối ngõ vào 26

Hình 2-22 Sơ đồ đi dây toàn hệ thống 29

Hình 2-23 Hệ thống điện điều khiển sau khi lắp ráp hoàn chỉnh 29

Hình 2-24 Sơ đồ chuẩn bị dữ liệu cho máy FDM 30

Hình 2-25 Lưu đồ đọc và xử lý file cắt lớp 31

Hình 2-26 Lưu đồ giải thuật điều khiển máy FDM 33

Hình 2-27 Lưu đồ giải thuật của chương trình điều khiển nhiệt độ đầu đùn trên máy tính 34

Hình 2-28 Lập trình chạy máy ở chế độ tải tuần tự và chạy tuần tự từng chuyển động 35

Hình 2-29 Lập trình chạy máy ở chế độ sử dụng Pointtable 36

Hình 2-30 Lập trình chạy máy ở chế độ sử dụng Feeder 36

Hình 2-31 Giao diện phần mềm cắt lớp 38

Hình 2-32 Giao diện phần mềm điều khiển máy 38

Hình 2-33 Mẫu khi sử dụng Interpolation, Pointtable và feeder 40

xiii

Hình 2-34 Mẫu bị cong vênh 41

Hình 2-35 Mẫu bị “hở” mặt trên 42

Hình 2-36 Các đường gợn sóng xuất hiện trên cung tròn do quá trình tăng, giảm tốc liên tục 42

Hình 3-1 Mô hình máy 3 trục tọa độ 44

Hình 3-2 Mô hình STL nội suy từ mô hình CAD 47

Hình 3-3 Chiều cao dây cung 47

Hình 3-4 Chi tiết STL với các thông số xấp xỉ h=0,5mm (trái) và h=0,05mm (phải) [19] 47

Hình 3-5 Sai số xấp xỉ bằng đường bậc thang 48

Hình 3-6 Đường bao mặt cắt nhận từ mô hình STL và mô hình CAD của vật thể 48

Hình 4-1 Biểu đồ xương cá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm 51

Hình 4-2 Mẫu thực nghiệm 52

Hình 4-3 Máy Vina FDM 2015 53

Hình 4-4 Thước kẹp Mitutoyo 54

Hình 4-5 Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ301 55

Hình 4-6 Mẫu thực nghiệm chạy bởi máu Vina FDM 2015 55

Hình 4-7 Đo kích thước và độ nhám trên thiết bị đo 56

Hình 4-8 Ý nghĩa các hệ số với 𝜶 = 𝟎, 𝟎𝟓 59

Hình 4-9 Biểu đổ ảnh hưởng của thông số công nghệ đến bề rộng của mẫu 59

Hình 4-10 Ý nghĩa các hệ số với 𝜶 = 𝟎, 𝟎𝟓 60

Hình 4-11 Biểu đổ ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chiều dài của mẫu 61

xiv

Hình 4-12 Ý nghĩa các hệ số với 𝜶 = 𝟎 𝟎𝟓 62Hình 4-13 Biểu đổ ảnh hưởng của thông số công nghệ đến độ nhám mặt bên 62Hình 4-14 Kết quả chạy tối ưu kích thước trên Matlab 64Hình 4-15 Kết quả chạy tối ưu độ nhám mặt bên Ra trên Matlab 66

xv

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2-1 Động cơ 5 phase SANYO DENKI và thông số kỹ thuật 15

Bảng 2-2 Nhiệt độ làm việc của một số vật liệu sử dụng cho máy FDM 19

Bảng 2-3 Bảng so sánh khả năng công nghệ của từng chế độ chạy 39

Bảng 3-1 Các sai số hình học cuả mẫu 44

Bảng 4-1 Giá trị các nhân tố thực nghiệm 52

Bảng 4-2 Đặc tính kỹ thuật máy Vina FDM 2015 53

Bảng 4-3 Bảng kết quả thực nghiệm 56

Bảng 4-4 Kết quả thực nghiệm với các giá trị mã hóa 57

xvi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ABS Acrylonitrile Butadiene Styrene

CAD Computer Aided Design

CMM Coordinate Measuring Machine

DOE Design of Experiments

EDM Electrical Discharge Machining

FDM Fused Deposition Modeling

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu về công nghệ TMN

Tạo mẫu nhanh (Rapid prototyping) là một phương pháp chế tạo đặc biệt tạo ra mô hình sản phẩm nhanh chóng từ dữ liệu 3D bằng cách xây dựng theo từng lớp dưới sự kiểm soát máy tính TMN còn được biết với các tên gọi khác như sản xuất theo lớp (Layered Manufacturing), công nghệ bồi đắp vật liệu (Additive Manufacturing), hoặc in 3D (3D Printing) [1]

Nguyên lý chung

Vật liệu được thêm vào (bồi đắp) và liên kết với nhau để tạo thành mẫu không phải là cắt gọt vật liệu như các phương pháp gia công truyền thống mà mẫu được tạo ra theo lớp, lớp sau được tạo ra trên nền lớp trước như hình 1-1

Hình 1-1 Nguyên lý chung Đặc điểm

- Giảm đáng kể thời gian gia công - Cho phép tạo mẫu các vật thể có các hình dạng phức tạp mà không thể

gia công bằng các phương pháp gia công cắt gọt thông thường - Tạo hình trực tiếp từ dữ liệu CAD

2

1.2 Nhu cầu sử dụng trên thế giới

Mặc dù một số năm doanh thu giảm nhẹ nhưng nhìn chung công nghiệp tạo mẫu nhanh (TMN) phát triển rất nhanh, nhất là từ năm 2010 cho đến nay Tổng doanh thu từ tất cả các sản phẩm và dịch vụ TMN trên toàn cầu tăng trưởng 34,9% trong năm 2013 lên đến 3.07 tỷ USD (theo Báo cáo Wohlers năm 2014) [2]

Hình 1-2 Biểu đồ doanh thu các sản phẩm và dịch vụ TMN trên thế giới

Công nghệ TMN hiện được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau như điện tử, ô tô, y tế, kiến trúc, giáo dục, … [3] Điển hình tại Mỹ một nước công nghiệp phát triển có tỷ lệ ứng dụng TMN trong các ngành công nghiệp với phân bố như hình 1-3.Trong đó nhóm ngành sản phẩm tiêu dùng/điện tử và ô tô chiếm tỷ lệ cao nhất lần lượt là 20,3% và 19,5% trong đó công nghệ TMN đã đem lại 48 tỷ đô la mỹ cho ngành công nghiệp ô tô Mỹ trong năm 2011 Tiếp theo đó là nhóm ngành y tế (15,1%) chỉ riêng ở Mỹ giá trị sản phẩm y tế và nha khoa lên tới 89,5 tỷ đô (năm 2011)

Hình 1-4 Thị trường TMN thế giới năm 2008

1.3 Công nghệ FDM

Năm 1989, công nghệ FDM được sáng chế bởi S Scott Crump, ông là cha đẻ của công nghệ FDM – công nghệ đùn vật liệu, công nghệ này được ông đưa vào

20.3%3.0%19.5%15.1%

12.1%10.8%

Không gian vũ trụCông nghiệp / kinh doanhCác trường đại họcChính phủ / quân sự Khác

44.0%

20.7%9.4%

8.2%4.8%

Z ORPSOLIDSCAPEOBJECTENVISIONTECKHÁC

4

thương mại hóa năm 1992 bởi Stratasys Inc Ông lấy ý tưởng từ việc sử dụng “súng bắn keo” thành từng lớp để làm mô hình con ếch đồ chơi cho con gái Sau đó Scott và vợ Lisa Crump tiếp tục nghiên cứu và dần hình thành ý tưởng tạo mô hình 3D bằng việc liên kết các lớp 2D bằng keo

Hình 1-5 Mẫu máy tạo mẫu nhanh FDM 2000

1.4 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý của công nghệ FDM được trình bày trong hình 1-6 sợi vật liệu nhựa (3) từ cuộn cấp (4) qua các con lăn (7) được đưa vào vùng gia nhiệt (8) Sau đó, vật liệu sau khi được gia nhiệt hóa lỏng được đùn qua vòi phun (6) xuống tấm đỡ (5) của máy Đầu đùn di chuyển trong mặt phẳng XY theo chương trình định sẵn thông qua máy tính (2) Khi một lớp được tạo xong thì tấm (5) hạ xuống theo chiều Z để tiếp tục tạo các lớp tiếp theo Toàn bộ hệ thống được đặt trong buồng kín nhằm kiểm soát nhiệt độ nóng chảy của vật liệu Điều này cho phép các lớp liên kết với nhau hiệu quả hơn

5

Hình 1-6 Nguyên lý hoạt động máy FDM

1.5 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của công nghệ tạo mẫu nhanh FDM

1.5.1 Ưu nhược điềm

Công nghệ FDM có những ưu điểm bao gồm sử dụng vật liệu đa dạng, dễ dàng thay đổi vật liệu, cấu tạo đơn giản, giá thành thấp, chi phí bảo trì thấp và có khả năng sản xuất những chi tiết mỏng và kích thước lớn, không dùng nguồn laser, sử dụng được nhiều vật liệu và không có vật liệu độc hại, Mặt khác, nó tồn tại một vài nhược điểm như: có đường gân giữa các lớp, có thể cần cơ cấu đỡ (support), nhiệt độ dao động trong suốt quá trình sản xuất có thể dẫn đến độ liên kết giữa các lớp kém nên độ bền theo phương Z kém, tốc độ gia công hạn chế, cũng như các công nghệ TMN khác, công nghệ FDM có độ chính xác không cao [5]

1.5.2 Phạm vi ứng dụng

Hiện nay, công nghệ tạo mẫu nhanh đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hàng không vũ trụ, ô tô, máy móc, điện tử, thiết bị điện, y học, kiến trúc, đồ chơi, hàng thủ công, và mang lại nhiều kết quả tuyệt vời khác

6

Hình 1-7 Ứng dụng sản của các sản phẩm từ công nghệ TMN FDM

– Phát triển sản phẩm mới: FDM là ứng dụng quan trọng nhất của công nghệ tạo mẫu nhanh là sự phát triển của sản phẩm mới Trong quá trình phát triển sản phẩm mới, nó cho ta thấy được hiện tượng vật lí các mẫu thử nghiệm, chủ yếu bao gồm các khía cạnh thiết kế, kiểm tra, thử nghiệm lắp ráp và điều tra và đánh giá của người dùng

– Tạo khuôn nhanh (Rapid Tooling): Việc áp dụng các phương pháp TMN là công cụ thiết kế nhanh, công nghệ tạo khuôn nhanh (RT) đã trở thành một điểm nóng mới trong lĩnh vực công nghệ tạo mẫu nhanh Quá trình làm khuôn truyền thống rất là phức tạp và tốn thời gian, chi phí cao, làm tăng thời gian giữa việc thiết kế và sản xuất, việc khắc phục được nhược điểm trên sẽ trở thành một động lực chính cho sự phát triển của công nghệ tạo khuôn, do đó, việc áp dụng công nghệ tạo mẫu nhanh để sản xuất khuôn mẫu nhanh sẽ mang lại hiệu quả kinh tế rất cao

Đối với việc sử dụng vật liệu sáp để tạo chi tiết trong công nghệ tạo mẫu nhanh, từ mẫu này, sẽ kết hợp với nhiều kỹ thuật nữa để tạo được một khuôn kim loại hoàn chỉnh, để đúc ra những chi tiết kim loại Sau khi đã tạo được khuôn bằng cách làm tan chảy chi tiết sáp trong lòng khuôn (giống như công nghệ đúc đồng, dùng mẫu sáp để tạo khuôn) khuôn được tạo thành sẽ được kết hợp với các công nghệ chuyển đổi để hoàn thành một khuôn đúc như: phun sơn, phủ lớp gốm, phương pháp đánh bóng,

– Trong các lĩnh vực khác: Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM có ứng dụng trong lĩnh vực y học Tạo ra các phần thay thế cho con người như xương (như hộp sọ, răng) hoặc những mô hình phục vụ cho việc học tập hay giáo dục (chẳng hạn như thận), và các bộ phận khác nhau được tạo mẫu bởi những vật liệu màu sắc khác nhau, tạo những hình ảnh trực quan trong ngành giáo dục y học trong các trường y Các mô hình cơ quan trong cơ thể con người để giúp bác sĩ chẩn đoán các trường hợp bệnh tật cũng như xác định, lựa chọn phương án điều trị có lợi nhất, đây là vấn đề được sự quan tâm rất lớn trong ngành y khoa Đối với kỹ thuật phục hồi chức năng, công nghệ tạo mẫu nhanh tạo ra các chi tiết giả để phục vụ cho những nạn nhân bị mất những bộ phận trong tai nạn, với thời gian phục hồi nhanh, tạo hình để liên kết các bộ phận giả và cơ thể, đảm bảo đạt mục đích chức năng người sử dụng

1.6 Tổng quan về hệ thống điều khiển cho máy FDM

Để thiết kế hệ thống điều khiển cho máy TMN Vina FDM 2015 theo đề tài CNN tại PTN trọng điểm điều khiển số và kỹ thuật hệ thống, tôi đã nghiên cứu các công trình nghiên cứu về lĩnh vực này như:

Nghiên cứu của Teck Bong, Yew Chong, Steven Mok, Da Toh [6]

Trong nghiên cứu của mình đề xuất quá trình điều khiển FDM dựa trên nền tảng điều khiển máy tính thông qua hệ thống board mạch mở rộng Trên board mở rộng

Nghiên cứu của James W Comb, Paul J Leavitt, Edward Rapoport [7]

Hình 1-9 Sơ đồ khối điện của hệ thống

điều khiển

9

Hệ thống điều khiển được thể hiện trong hình 1-9 CPU (92) kết nối điều khiển các thành phần bao gồm hai card điều khiển (94,96), hệ thống điện (90) CPU giao tiếp với màn hình cảm ứng (21) hiển thị thông báo cho người điều khiển và yêu cầu đầu vào từ các khối điều khiển Hệ thống này điều khiển sử dụng 2 đầu đùn với các cảm bến phụ trợ cùng hệ thống cấp liệu

Nghiên cứu của Qiang Huang và các đồng nghiệp [8]

Đưa ra mô hình dự báo mong muốn để dự báo chất lượng sản phẩm theo chiều rộng (kiểm soát đầu vào hình học sản phẩm y dựa trên sản phẩm độ lệch Δy) Nghiên cứu này nhằm mục đính đưa ra mô hình dự báo thống kê và phương pháp bồi thường để dự đoán và cải thiện chất lượng của cả hình trụ và các bộ phận hình lăng trụ bằng cách bù phần chênh lệch của sản phẩm tạo ra so với mẫu thiết kế Dựa trên nghiên cứu trước đó của họ về nghiên cứu bù tối ưu trên các sản phẩm hình trụ

Nghiên cứu của Mohamad A M J Alhubail (2012) [9]

Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của qui trình FDM để cải thiện độ chính xác chi tiết Ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng mẫu sử dụng DOE với phương pháp thực nghiệm toàn phần để kiểm tra và tiến hành thực nghiệm Bài báo cáo nghiên cứu sử dụng máy FDM với vật liệu nhựa ABS M30i Năm thông số ảnh hưởng chính đến đặc tính chi tiết là độ dày từng lớp, khoảng cách giữa những đường đùn, bề rông đường đùn, bề rộng đường bao, và góc đùn

Nghiên cứu Ranjeet Kumar Sahu [10]

Nghiên cứu các thông số tối ưu cho quy trình FDM Sử dụng phương pháp fuzzy logic để nghiên cứu các yếu tố cải tiến độ chính xác mẫu Năm thông số ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm là độ dày từng lớp, định hướng của chi tiết, góc đùn, bề rộng của mỗi lần đùn khoảng cách giữa những lần đùn Kết quả đạt được là sai số về chiều dài trong khoảng từ 0,0391mm, sai số về chiều rộng là 0,0768mm, sai số về chiều cao là 0,1079mm

Công nghệ TMN được coi đang có những bước tiến rất lớn trong nền sản suất trên thế giới hiện nay và được coi là cuộc cách mạng công nghiệp mới của nhân loại,

10

trong đó công nghệ FDM là công nghệ phổ biến nhất và phát triển nhanh, giá thành hợp lý được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Chính vì lẽ đó PGS.TS Thái Thị Thu Hà đã thực hiện đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị TMN theo phương pháp FDM” nhằm nghiên cứu và nội địa hoá công nghệ này ở nước ta Chính vì vậy mà tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho máy FDM”

11

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

2.1 Cấu trúc và thành phần máy

Máy tạo mẫu nhanh FDM là sự kết hợp của công nghệ chế tạo cơ khí, điện tử và công nghệ thông tin Cấu trúc chung của một máy FDM bao gồm khối PC, bộ điều khiển, cơ cấu chấp hành, cảm biến hay về mặt chức năng có thể chia gồm 2 phần chính là phần cứng và phần mềm, trong đó phần cứng bao gồm: Cụm khung máy, cụm truyền động, cụm đầu đùn, cụm cấp liệu và bộ điều khiển; về phần mềm bao gồm: phần mềm cắt lớp và phần mềm điều khiển máy được thể hiện trong hình 2-1

Hình 2-1 Các thành phần của máy FDM

Máy TMN FDM

Phần cứng

Cụm khung máyCụm truyền độngCụm đầu đùnBộ điều khiểnCụm cấp liệu

Phần mềm

Phần mềm cắt lớpPhần mềm điều

khiển

đầu đùn, buồng máy, cụ thể như sau:

- Điều khiển động cơ 3 trục máy - Điều khiển động cơ cấp liệu - Điều khiển truyền động x, y, z - Truyền thông với PC

- Điều khiển nhiệt độ buồng: 30-80oC ±5oC [11] - Điều khiển nhiệt độ đầu đùn: 180-280oC ±5oC (Nhiệt độ làm

việc đối với vật liệu ABS 230oC [12])

Hình 2-2 Bộ điều khiển trên máy FDM1600

Phần mềm

Ngoài hai cụm trên thì để máy hoạt động máy cần có phần mềm bao gồm phần mềm cắt lớp và phần mềm điều khiển Trong đó phần mền cắt lớp có nhiệm vụ tạo ra các đường dẫn cho cả vật liệu mẫu và vật liệu đỡ, kèm theo một số thông số về quá trình, phần mềm điều khiển có nhiệm vụ thực thi, điều

13

khiển quá trình chạy máy FDM thông qua máy tính như điều khiển dịch chuyển của các trục, nhiệt độ đầu đùn, buồng máy,…

Hình 2-3 Giao diện phầm mềm điều khiển máy FDM Insight

Trong phần mềm điều khiển thì việc điều khiển bù sai số tọa độ khi chạy máy nhằm nâng cao độ chính xác, giảm thiểu sai lệch mẫu tạo thành đóng một vai trò quan trọng Cũng như các công nghệ TMN, độ chính xác của công nghệ FDM cũng phụ thuộc vào việc lắp ráp các cụm, hiệu chỉnh toàn máy

2.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển máy

Hệ thống điều khiển máy FDM cần thực hiện quá trình sau: điều khiển chuyển động theo ba phương của bàn máy hay đầu đùn, điều khiển nhiệt độ của đầu đùn, điều khiển con lăn đùn vật liệu ở đầu đùn Về tổng quan sơ đồ điều khiển máy được trình bày trên hình 2-4

14

Dữ liệu phản hổi từ bộ điều khiển

File CAD

Xử lý dữ liệu điều khiển

Xuất tín hiệu điều khiển

Xử lý tín hiệu Dữ liệu hồi tiếp từ cảm biếnFile STL

Phần mềm cắt lớpDữ liệu điều khiển

máy

Các cảm biếnTruyền động các cụm X, Y, Z, đầu

đùnCụm gia nhiệt

Cụm cấp liệu

I/O

Gửi dữ liệu trạng thái hoạt động cho

PC

Hình 2-4 Sơ đồ khối điều khiển máy

2.3 Phân tích lựa chọn các cụm

Cụm điều khiển vị trí

Điều khiển các trục tọa độ máy trong quá trình tạo mẫu bao gồm trục X, Y truyền động vuông góc với nhau mang đầu đùn và trục Z mang bàn máy di chuyển lên xuống trong quá tình làm việc

MPower

OUT+

DIR+

OUT-

DIR-OUT+OUT-DIR+

Hình 2-5 Sơ đồ điều khiển cụm điều khiển vị trí

Cụm điều khiển vị trí sử dụng 3 động cơ 5 phase SANYO DENKI [13] có thông số trên bảng 2-1 cùng với Driver Sanmotion F5PAE140P100 tương ứng của hãng (hình 2-6) Nhằm đảm bảo hiệu quả chuyển động đáp ứng vận tốc trên máy sử dụngvận tốc dạng bậc thang (hình 2-7), ứng với dạng bậc thang của vận tốc này ta cần phải phân tích một chuyển động điểm- điểm ra làm 3 thành phần: tăng tốc tacc, giữ ổn định tốc độ tmax, và giảm tốc tdec Do đó đáp ứng về gia tốc ở tacc

và tdec là hàm hằng f(t)=const, và đáp ứng gia tốc trong khoảng tmax có giá trị bằng không ( vận tốc không đổi)

Bảng 2-1 Động cơ 5 phase SANYO DENKI và thông số kỹ thuật

16

Tín hiệu điều khiển xung phát ra từ PCI-8254 được đưa vào các bộ step driver, tín hiệu hồi tiếp từ encoder gắn trên motor được đưa vào bộ giải mã trên card PCI-8254 tạo thành mạch kín điều khiển vị trí

Mạch điều motor chủ yếu gồm các tín hiệu:  OUT: Đây là tín hiệu xung được phát ra từ ngõ ra xung (CMP1-CMP4) của

card PCI-8254 làm tín hiệu điều khiển motor

Hình 2-6 Driver Sanmotion F5PAE140P100

17

 DIR: Dùng để tácđộng đảo chiều động cơ Sau khi kết nối động cơ với driver và bộ điều khiển trung tâm được thể hiện như hình 2-8

Hình 2-8 Driver động cơ 3 trục sau khi kết nối Cụm điều khiển nhiệt độ

Nhiệt độ đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình tạo mẫu Việc làm chảy dẻo vật liệu đùn, tạo khả năng kết dính chúng để định hình chi tiết cùng với nhiệt độ môi trường xung quanh để đảm bảo độ kết dính cũng như giảm thiểu độ co ngót của vật liệu khi bị thay đổi nhiệt đột ngột Do đó, để đảm bảo chất lượng cho chi tiết, ta phải quan tâm đặc biệt đến việc điều khiển nhiệt cho đầu đùn và buồng máy

Theo đó, sơ đồ điều khiển nhiệt độ của máy FDM được thể hiện như trong hình 2-9

18

Hình 2-9 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ trên máy Vina FDM 2015

Trong đó: – Nhiệt độ được đo bằng cặp nhiệt điện Do bản chất của cặp nhiệt điện là tạo ra hiệu điện thế do chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ cần đo và nhiệt độ tham chiếu Ở đây, nhiệt độ cần đo là nhiệt độ tại đầu đo của cặp nhiệt điện còn nhiệt độ tham chiếu là nhiệt độ của mối nối giữa cảm biến và mạch đo

– Chuẩn truyền nhận RS232 được sử dụng để truyền giá trị nhiệt độ hiện tại về máy tính và nhận giá trị nhiệt độ cần cài đặt cho mạch

– Lưu giá trị nhiệt độ được cài đặt vào mạch để máy có thể hoạt động ở các lần chạy máy tiêp theo mà không cần cài đặt lại nhiệt độ

– Hiển thị giá trị nhiệt độ hiện tại và giá trị cài đặt ra LCD để tiện theo dõi và vận hành máy

Cảm biến và điện trở gia nhiệt được gắn trên đầu đùn và buồng máy như trên hình 2-10

Hình 2-10 Bố trí bộ phận gia nhệt và cảm biến trên đầu đùn

19

Hình 2-11 Bộ phận gia nhiệt gắn hông máy và vị trí cảm biến trong buồng máy

Do công nghệ FDM sử dụng vật liệu sợi nhựa thông dụng như ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene), PLA(Polylactic Acid), HIPS (High-impact Polystyrene),… những loại vật liệu này có nhiệt độ làm việc thể hiện trong bảng 2-2 Do đó nhiệt độ làm việc của đầu đùn và buồng tạo mẫu [12] [11] cần đạt yêu cầu như sau

 Nhiệt độ ở đầu đùn vật liệu tạo mẫu và vật liệu hỗ trợ:

o Giá trị cài đặt được trong khoảng 180-280 oC o Sai lệch nhiệt độ cho phép: ±5 oC

Nhiệt độ ở buồng tạo mẫu:

o Giá trị cài đặt được trong khoảng 30-80oC o Sai lệch nhiệt độ cho phép: ±5 oC

Bảng 2-2 Nhiệt độ làm việc của một số vật liệu sử dụng cho máy FDM

Tên vật liệu Nhiệt độ làm việc

ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) 210-260 °C

HIPS (High-impact Polystyrene) 230 °C

20

Sau khi thiết kế và chế tạo mạch điều khiển nhiệt độ cho máy được hoàn thiện như hình 2-12 [14]

Hình 2-12 Mạch điều khiển nhiệt độ cho đầu đùn

Hình 2-13 Bộ điều khiển nhệt độ buồng và đầu đùn sau khi lắp đặt Cụm khiển trung tâm

Cụm điều khiển trung tâm giữ vai trọng tâm trong bộ điều khiển máy FDM, có nhiệm vụ kết nối các bộ thiết bị truyền động, các cảm biến hành trình, kết nối các ngõ vào, ra điều khiển của hệ máy

Card điều khiển chuyển động (Motion control Card) là thiết bị thay thế tốt cho VĐK/VXL, nó giải quyết được các vấn đề về thiết kế nguyên lý, lập trình firmware

21

được sử dụng trong việc điều khiển máy Ưu điểm khi sử dụng card điều khiển là độ ổn định cao, hỗ trợ các hàm nội suy điều khiển cho 2,3,4 trục giúp cho khả năng điều khiển chuyển động đơn lẻ và chuyển động kết hợp tạo quỹ đạo 3D trong không gian dễ dàng thông qua các hàm API mà hãng sản xuất card cung cấp

Vơi yêu cầu điều khiển 4 trục hỗ trợ điều khiển vị trí/ tốc độ cho quá trình điều khiển động cơ, có khả năng cung cấp 20 ngõ vào/ra Qua quá trình tìm hiểu Card điều khiển PCI-8254 AD Link đáp ứng tốt các yêu cầu trên

PCI-8254 hỗ trợ điều khiển 4 trục loại xung hoặc Analog, hỗ trợ điều khiển vị trí / tốc độ / mômen cho trình điều khiển servo khác nhau PCI-8254 giao tiếp với PC thông qua bus PCI tốc độ cao bao gồm cả lệnh điều khiển di chuyển, phản hồi và điều chỉnh các thông số Card cung cấp các chức năng điều khiển di chuyển bao gồm T/S speed profile planning, point-to-point, multi-dimension interpolation, và master/slave PCI-8254 sử dụng một bộ xử lý tín hiệu số (DSP) từ Texas Instrument (TI) DSP làm đơn vị tính toán chính và tích hợp tốc độ cao khối lượng lớn Field programmable Gate Array (FPGA) để cung cấp 4 đơn vị điều khiển PID độc lập, tốc độ đơn vị đầu ra bộ mã hóa cao, 2/4 vị trí tốc độ cao so sánh và ngõ ra trigger, cùng với các I/O và logic điều khiển chung

Với sự tích hợp công nghệ FPGA, card PCI 8254 đạt được hiệu suất chuyển động cao bằng khả năng đọc encoder với tần số lên tới 20 MHz Các tín hiệu điều khiển chạy ở điện áp +/- 10 V, các lệnh điều khiển xuất xung và vận tốc được thiết kế cho cả vòng kín và vòng hở Card PCI 8254 cũng cho phép nạp chương trình và thực thi lên tới 8 tác vụ cùng lúc Bộ điều khiển vị trí tốc độ cao dựa trên phần cứng và tín hiệu đầu ra kích với tốc độ trên 1 MHz làm cho card PCI 8254 trở nên lý tưởng cho các ứng dụng AOI Hàm xuất PWM giúp cho người sử dụng chế tạo các máy cắt laser mà không cần nhiều công sức

22

Hình 2-14 Card điều khiển PCI-8254 của AD Link

Thông số Card PCI-8254 được thể hiện trong phụ lục 1 bảng 1

Ứng dụng:

 Điều khiển chính xác vị trí X-Y-Z

 Điều khiển chính xác chuyển động quay

 Đóng gói và lắp ráp các thiết bị

 Điều khiển dạng máy với hơn 4 trục tọa độ

 Ứng dụng điều khiển cho các loại motor servo, step

Board mở rộng DIN-825-GP4

DIN-825-GP4 là board dùng cho card PCI-8254/PCI-8258 Nó có thể kết nối với các bộ thiết bị truyền động khác có sẵn trên thị trường, ví dụ như Mitsubishi J3A và các dòng Yaskawa Sigma V thông qua dây cáp đặc biệt Ta có thể kết nối với servo hoặc động cơ bước của nhà cung cấp khác nhờ vào cáp chuyển đổi cho từng loại

Hình 2-15 Board mở rộng DIN-825-GP4

23

Về sơ đồ chân và chức năng của các cổng kết nối trên DIN-825-GP4 xem phụ lục 1

Kết nối các thành phần với bộ điều khiển trung tâm

Về mặt nối dây toàn hệ thống có thể phân chia thành các nhóm chính sau: Kết nối các thiết bị chuẩn của máy PC, kết nối hệ thống motor, kết nối đầu đùn, kết nối các thiết bị ngoại vi khác Chúng tôi sẽ lần lượt giới thiệu sau đây:

 Các kết nối chuẩn (Màn hình, bảng điều khiển): Đối với màn hình và bảng điều khiển (Bàn phím) việc nối dây không có gì đặc biệt ngoại trừ khoảng cách có xa hơn so với máy để bàn thông thường

Kết nối hệ thống dẫn động: Hệ thống dẫn động bao gồm 3 Step motor có gắn thêm encoder, hệ thống kéo sợi vật liệu trên đầu đùn gòm 2 step motor, 5 bộ điều khiển motor, card điều khiển servo PCI-8254 gắn trong máy tính thong qua PCI Bus, tất cả các thiết bị trên được nối với nhau theo sơ đồ tổng thể (hình 2-16)

PC PCI BUSPCI-8254

DRIVER SUPPORT

CONTROL PANEL

SWITCH

ENCODER ENCODER

ROOM TEMP

MODEL TEMP

SUPPORT TEMP

Hình 2-16 Sơ đồ nối dây hệ thống

Kết nối với các công tắc giới hạn hành trình và dừng khẩn cấp

24

Hình 2-17 Sơ đồ kết nối các công tắc hành trình và dừng khẩn cấp kiểu Source

Các tín hiệu giới hạn hành trình và dừng khẩn cấp EMG (EMERGENCY) được

nối về các chân quy định sẵn J1, J2 và J5 trên board mở rộng DIN-825-GP4 như hình

2-17, hình 2-18

Hình 2-18 Sơ đồ chân trên J1, J2, J7

Các tín hiệu input vào card bao gồm: START: Khởi động hệ thống

STOP: Dừng hệ thống