PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CNC 2D DẪN ĐỘNG BẰNG ĐAI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CNC 2D DẪN ĐỘNG BẰNG ĐAI SVTH : Lê Đình Trường Sơn MSSV : 20902267 GVHD : TS Phạm Công Bằng TP.HCM, 2013 LỜI CẢM ƠN Lời em xin chân thành cảm ơn quý Thầy/Cô công tác giảng dạy trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, người tận tụy cống hiến sức lực trí tuệ để truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý báu suốt trình học tập chúng em Em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy Phạm Công Bằng, người cho chúng em hiểu Cơ điện tử, người tận tình dạy truyền đạt cho chúng em kiến thức quý báu không riêng học tập mà sống, người hướng dẫn, tạo điều kiện tốt cho chúng em trình thực luận văn Những kiến thức quý báu có từ thầy hành trang quan trọng cho chúng em bước vào sống Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy/Cô phản biện quý Thầy/Cô Hội đồng dành thời gian để đánh giá, góp ý chấm Luận văn tốt nghiệp Những nhận xét Thầy/Cô có ý nghĩa lớn em, nhằm hoàn thiện đề tài nhằm hoàn thiện thân em Mình xin cảm ơn tập thể bạn lớp CK09KSCD bạn nhóm thầy Phạm Công Bằng hướng dẫn nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ trình học tập trường trình làm luận văn Sau cùng, bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ba, Mẹ, Em trai, người dõi theo năm tháng học đại học bên gặp khó khăn, người động lực cho nỗ lực học tập vững bước đường đời sau i TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngày máy CNC không khái niệm xa lạ ngành khí Một loại máy CNC sử dụng tương đối phổ biến máy CNC trục hay gọi máy CNC 2D Máy CNC 2D loại máy CNC có phận công tác chuyển động mặt phẳng Máy CNC 2D ứng dụng nhiều lĩnh vực khác cắt laser, khắc họa tiết trang trí, tạo mẫu nhanh… Luận văn tập trung vào phân tích, thiết kế máy CNC 2D truyền động đai, đồng thời nghiên cứu giải thuật viết chương trình điều khiển phận công tác di chuyển theo biên dạng đối tượng ảnh ii MỤC LỤC Lời cảm ơn………………………………………………………………………… i Tóm tắt luận văn…………………………………………………………………… ii Mục lục…………………………………………………………………………… iii Danh sách hình vẽ………………………………………………………………… vi Danh sách bảng biểu……………………………………………………………… ix Chương 1: Tổng quan…………………………………………………………… 1.1 Tổng quan………………………………………………………………… 1.1.1 Tổng quan máy CNC hai trục…………………………………… 1.1.2 Khả công nghệ………………………………………………… 1.1.3 Phân loại máy CNC hai trục………………………………………… 1.2 Mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi đề tài………………………………………… 1.3 Tổ chức luận văn…………………………………………………………… 10 Chương 2: Tính toán, thiết kế mô hình khí………………………………… 11 2.1 Sơ đồ nguyên lí bàn máy CNC 2D truyền động đai………………… 11 2.2 Phân tích, thiết kế cụm chi tiết………………………………………… 12 2.2.1 Cụm khung…………………………………………………………… 12 2.2.2 Cụm động cơ………………………………………………………… 13 2.2.3 Cụm pulley bị động………………………………………………… 14 2.2.4 Cụm pulley dẫn hướng……………………………………………… 15 2.2.5 Cụm cấu chấp hành……………………………………………… 15 2.2.6 Cụm trượt-con trượt…………………………………………… 16 2.3 Tính toán, lựa chọn, kiểm bền số chi tiết……………………………… 17 2.3.1 Chọn động cơ………………………………………………………… 17 2.3.2 Chọn pulley răng…………………………………………………… 19 2.3.3 Chọn kiểm bền trục pulley bị động………………………… 21 2.4 Kết luận…………………………………………………………………… 21 Chương 3: Xây dựng hệ thống điện……………………………………………… 22 3.1 Lựa chọn phương án điều khiển…………………………………………… 22 3.1.1 Điều khiển động AC servo vi điều khiển…………………… 22 3.1.2 Điều khiển động AC servo PLC…………………………… 23 iii 3.1.3 Điều khiển động AC servo card điều khiển………………… 23 3.2 Giới thiệu động AC servo…………………………………………… 25 3.2.1 Sơ lược động AC servo……………………………………… 25 3.2.2 Sơ lược encoder………………………………………………… 26 3.2.3 Giới thiệu động SMH 60S-0040-30AAK-3LKH………………… 27 3.3 Giới thiệu driver…………………………………………………………… 28 3.4 Giới thiệu card điều khiển……………………………………………… 30 3.5 Sơ đồ nguyên lí kết nối thiết bị…………………………………… 32 3.5.1 Sơ đồ nguyên lí mạch xuất tín hiệu điều khiển driver……………… 33 3.5.2 Sơ đồ nguyên lí mạch nhận tín hiệu…………………………… 34 3.5.3 Sơ đồ đấu dây tổng thể hệ thống điện…………………………… 36 3.6 Kết luận…………………………………………………………………… 37 Chương 4: Phân tích xây dựng giải thuật điều khiển bàn máy…………… 38 4.1 Phân tích động học bàn máy……………………………………………… 38 4.1.1 Xét phụ thuộc tọa độ y cấu chấp hành theo góc quay… động cơ………………………………………………………………… 39 4.1.2 Xét phụ thuộc tọa độ x cấu chấp hành theo góc quay… động cơ………………………………………………………………… 40 4.1.3 Phân tích động học thuận…………………………………………… 40 4.1.4 Phân tích động học ngược…………………………………………… 41 4.2 Giải thuật điều khiển bàn máy CNC 2D…………………………………… 41 4.2.1 Giải thuật di chuyển từ điểm đến điểm……………………………… 42 4.2.2 Một số hàm nội suy bản………………………………………… 44 4.2.3 Trình tự thiết lập hàm chức năng……………………………… 45 4.3 Phần mềm điều khiển bàn máy CNC 2D………………………………… 46 4.3.1 Cửa số Main Control ……………………………………………… 46 4.2.2 Cửa sổ Typical Applications ……………………………………… 47 4.4 Thực nghiệm……………………………………………………………… 48 4.4.1 Thực nghiệm chuyển động bản……………………………… 48 4.4.2 Xác định độ xác hoạt động bàn máy……………………… 48 4.5 Kết luận…………………………………………………………………… 50 iv Chương 5: Chương trình ứng dụng vẽ biên…………………………………… 52 5.1 Nhu cầu thực tế…………………………………………………………… 52 5.2 Giới thiệu định dạng file Bitmap…………………………………………… 53 5.3 Một số phép toán dùng xử lí ảnh……………………………… 53 5.3.1 Phép toán dilation…………………………………………………… 53 5.3.2 Phép toán erosion…………………………………………………… 54 5.4 Các giải thuật xử lí ảnh…………………………………………………… 55 5.4.1 Trình tự điều khiển tổng thể………………………………………… 55 5.4.2 Giải thuật tách biên………………………………………………… 56 5.4.3 Giải thuật lấy tọa độ điểm nằm biên đối tượng…………… 58 5.5 Chương trình điều khiển…………………………………………………… 59 5.6 Kết thực nghiệm……………………………………………………… 61 5.7 Kết luận…………………………………………………………………… 62 Chương 6: Tổng kết định hướng phát triển đề tài…………………………… 63 6.1 Tổng kết…………………………………………………………………… 63 6.2 Định hướng phát triển đề tài……………………………………………… 64 v DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Máy CNC - Router - 1212……………………………………………… Hình 1.2: Máy cắt plasma Otago Sheetmetal……………………………………… Hình 1.3: Máy cắt tia nước NC 3520S 5-a………………………………………… Hình 1.4: Máy cắt laser HZE-M300……………………………………………… Hình 1.5: Họa tiết tạo máy cắt laser hai trục…………………………… Hình 1.6: Một số loại vật liệu thường gia công máy CNC hai trục……… Hình 1.7: Một số sản phẩm tạo máy CNC laser hai trục………………… Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 1……………………………… Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 2……………………………… Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 3…………………………… Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 4…………………………… Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lí bàn máy CNC 2D truyền động đai……………… 11 Hình 2.2: Các kích thước cụm khung………………………………………… 12 Hình 2.3: Sơ đồ lắp cụm khung………………………………………………… 12 Hình 2.4: Mô hình cụm khung……………………………………………………… 13 Hình 2.5: Cụm động cơ…………………………………………………………… 13 Hình 2.6: Cụm pulley bị động……………………………………………………… 14 Hình 2.7: Cụm pulley dẫn hướng………………………………………………… 15 Hình 2.8: Cụm cấu chấp hành…………………………………………………… 16 Hình 2.9: Cụm cấu chấp hành…………………………………………………… 16 Hình 2.10: Mô hình tổng thể bàn máy CNC 2D truyền động đai…………… 17 Hình 2.11: Sơ đồ phân bố tải trọng bàn máy……………………………………… 18 Hình 2.12: Sơ đồ phân tích lực…………………………………………………… 18 Hình 2.13: Pulley A 6A35M025DF1006………………………………………20 Hình 2.14: Lực momen uốn tác dụng lên trục cụm pulley bị động………… 21 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển AC servo dùng vi điều khiển……………… 22 Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển AC servo dùng PLC………………………… 23 Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển AC servo dùng card………………………… 24 Hình 3.4: Sơ đồ thể mối quan hệ thành phần hệ thống……… 24 Hình 3.5: Động AC servo……………………………………………………… 25 vi Hình 3.6: Các loại encoder………………………………………………………… 26 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lí hoạt động encoder………………………………… 26 Hình 3.8: Dạng encoder tương đối sử dụng thực tế……………… 27 Hình 3.9: Động AC servo SMH 60S-0040-30AAK-3LKH…………………… 27 Hình 3.10: Đường đặc tính động SMH 60S-0040-30AAK-3LKH……… 28 Hình 3.11: Driver khối chức năng……………………………………… 29 Hình 3.12: Card điều khiển PCI-8164……………………………………………… 30 Hình 3.13: Các cụm chức card PCI-8164………………………………… 31 Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lí kết nối thiết bị……………………………… 32 Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lí mạch giao tiếp chân thuộc nhóm driver 33 Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lí mạch giao tiếp chân thuộc nhóm driver 34 Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lí mạch giao tiếp chân thuộc nhóm driver 34 Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lí mạch giao tiếp chân thuộc nhóm driver 35 Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lí mạch giao tiếp chân nhóm cảm biến 36 Hình 3.20: Sơ đồ đấu dây hệ thống điện để điều khiển động cơ………… 36 Hình 4.1: Sơ đồ phân tích động học bàn máy………………………………… 38 Hình 4.2: Bàn máy CNC 2D version 1.0…………………………………………… 42 Hình 4.3: Minh họa phận công tác di chuyển từ điểm A đến điểm B………… 42 Hình 4.4: Giải thuật di chuyển từ điểm đến điểm………………………………… 43 Hình 4.5: Trình tự thiết lập hàm chức năng…………………………………… 45 Hình 4.6: Cửa sổ Main Control…………………………………………………… 47 Hình 4.7: Cửa sổ Base Move……………………………………………………… 47 Hình 4.8: Kết thực nghiệm nội suy đường thẳng……………………………… 48 Hình 4.9: Kết thực nghiệm nội suy đường tròn……………………………… 48 Hình 4.10: Các đoạn thẳng dùng để xác định sai số………………………… 49 Hình 4.11: Các đường tròn dùng để xác định độ lặp lại……………………… 49 Hình 5.1: Phép toán dilation……………………………………………………… 53 Hình 5.2: Phép toán erosion……………………………………………………… 54 Hình 5.3: Trình tự điều khiển tổng thể…………………………………………… 55 Hình 5.4: Giải thuật tách biên đối tượng…………………………………………… 57 Hình 5.5: Kết offset đối tượng phức tạp……………………………… 58 vii Hình 5.6: Kết offset đối tượng đơn giản……………………………… 58 Hình 5.7: Giải thuật lấy tọa độ điểm nằm biên đối tượng………………… 59 Hình 5.8: Tab Preprocessing ứng dụng Image Drawing……………………… 61 Hình 5.9: Tab Simulation ứng dụng Image Drawing………………………… 61 Hình 5.10: Kết thực nghiệm vẽ quân cờ…………………………………………… 62 Hình 5.11: Kết thực nghiệm vẽ hoa……………………………………… 62 Hình 5.12: Kết thực nghiệm vẽ logo Bách Khoa……………………………… 62 viii DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Bảng đánh giá đặc điểm số dạng máy CNC hai trục……… Bảng 2.1: Một số thông số động SMH 60S-0040-30AAK-3LKH………… 19 Bảng 3.1: Một số thông số kĩ thuật động SMH 60S-0040-30AAK-3LKH… 27 Bảng 3.2: Một số thông số kĩ thuật driver……………………………………… 28 Bảng 3.3: Nhiệm vụ cụm chức driver…………………………… 29 Bảng 3.4: Một số thông số kĩ thuật card điều khiển…………………………… 30 Bảng 3.5: Nhiệm vụ cụm chức card PCI-8164……………………… 31 Bảng 3.6: Chức số chân tiêu biểu trục cụm CN2………… 32 Bảng 4.1: Các dạng nội suy hỗ trợ card SMC-4DF-PCI……………… 44 Bảng 4.2: Kết đo đạc đoạn thẳng………………………………………… 49 Bảng 4.3: Kết đo đạc đường tròn………………………………………… 50 ix CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG VẼ BIÊN Hình 5.9: Tab Simulation ứng dụng Image Drawing 5.6 Kết thực nghiệm Sử dụng chương trình viết, tiến hành thực nghiệm vẽ biên đối tượng trường hợp không offset (5.10 b, 5.11 b, 5.12 b), offset in pixel (5.10 c, 5.11 c, 5.12 c), offset out pixel (5.10 d, 5.11d, 5.12 d) Như khả ứng dụng thực tế bàn máy minh chứng qua thực nghiệm thông qua việc điều khiển phận công tác di chuyển theo quỹ đạo có hình dạng biên đối tượng ảnh Bitmap Bàn máy ứng dụng lĩnh vực cắt vật liệu mà dùng lĩnh vực nghệ thuật (vẽ 2D), tạo mẫu nhanh, khoan mạch điện… a Ảnh ban đầu b Tách biên bình thường c Offset in Hình 5.10: Kết thực nghiệm vẽ quân cờ 61 d Offset out CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG VẼ BIÊN a Ảnh ban đầu b Tách biên bình thường c Offset in d Offset out Hình 5.11: Kết thực nghiệm vẽ hoa a Ảnh ban đầu b Tách biên bình thường c Offset in d Offset out Hình 5.12: Kết thực nghiệm vẽ logo Bách Khoa 5.7 Kết luận Chương hoàn thành công việc viết chương trình tách biên, offset biên đối tượng ảnh điều khiển bàn máy chạy theo biên dạng đối tượng ngôn ngữ C# Tiếp sau chương 5, chương chương cuối tổng kết luận văn làm chưa làm được, đưa định hướng phát triển cho đề tài 62 CHƯƠNG TỔNG KẾT VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI CHƯƠNG TỔNG KẾT VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết thúc trình phân tích, thiết kế, chế tạo thử nghiệm bàn máy CNC 2D dẫn động đai, chương nêu nhận xét công việc đạt số hạn chế trình thực luận văn, đồng thời đề xuất định hướng phát triển đề tài tương lai 6.1 Tổng kết  Luận văn hoàn thành nhiệm vụ sau:  Tìm hiểu phát triển ứng dụng bàn máy CNC 2D dẫn động đai version 1.0 - Tìm hiểu bàn máy CNC 2D dẫn động đai version 1.0 - Xây dựng giải thuật chương trình điều khiển bàn máy với tính năng: + Di chuyển phận công tác đến vị trí vùng làm việc + Vẽ số đối tượng hình học đơn giản đường thẳng, đường tròn, hình chữ nhật + Tách biên đối tượng ảnh với chế độ: không offset biên, offset biên hướng ngoài, offset biên hướng vào + Mô trình di chuyển phận công tác vẽ biên đối tượng + Vẽ biên đối tượng ảnh người dùng đưa vào chương trình - Xác định độ xác độ lặp lại bàn máy thông qua thực nghiệm  Nghiên cứu đề xuất mô hình bàn máy CNC 2D dẫn động đai version 2.0 với nhiều cải tiến so với version 1.0 - Tính toán, thiết kế kết cấu khí - Xây dựng hệ thống điều khiển sử dụng động AC servo card PCI - Phân tích động học thuận động học ngược bàn máy  Tuy nhiên trình thực luận văn có số hạn chế sau:  Bộ phận công tác gắn bút có độ xác chưa cao nên làm giảm độ xác hình vẽ 63 CHƯƠNG TỔNG KẾT VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI  Thời gian làm luận văn có hạn nên chưa kịp hoàn thành bàn máy CNC 2D dẫn động đai version 2.0 6.2 Định hướng phát triển đề tài Tuy nhiều hạn chế luận văn hoàn thành nhiệm đặt ban đầu Với giải thuật tách vẽ biên phát triển, thay bút vẽ loại đầu công tác khác bàn máy CNC 2D dẫn động đai hoàn toàn thực nhiều công việc thực tế cắt, khắc laser, khoan mạch… Đề tài tiền đề, tảng để phát triển thêm ứng dụng khác cho bàn máy, qua mở rộng phạm vi ứng dụng nhằm sớm thương mại hóa bàn máy thị trường 64 PHỤ LỤC A PHỤ LỤC A A.1 Thiết lập thông số hoạt động cho driver card  Thiết lập thông số hoạt động cho driver Các thông số hoạt động driver thiết lập thông qua hình LED nút nhấn (hình A.1) Hình A.1: Màn hình LED nút nhấn [18] Các nút MODE dùng để thiết lập thông số cho mode driver Driver có tổng cộng mode, đánh số từ F000 đến F007, chức mode thể bảng A.1 Các nút ENTER dùng để vào mode nhập giá trị thông số Các nút ▲ ▼ dùng để tăng/giảm giá trị thông số chuyển đổi mode Bảng A.1: Chức mode driver [18] Mode F000 F001 F002 F003 F004 F005 F006 F007 Function Set driver instructions Set real-time display of data Set control-loop parameters Set I/O parameters Mode operation parameters Set motor parameters Set driver parameters Trial operation Check wrong history records  Thiết lập thông số hoạt động cho card  Thiết lập jumper Các jumper từ J1-J8 dùng để cài đặt chế độ xuất xung PCI-8164 hỗ trợ hai chế độ xuất xung, gồm PUL-DIR CW-CCW Ngoài card cho phép lựa chọn kiểu 65 PHỤ LỤC A truyền liệu differential line hay open collector Mặc định chế độ differential line Hình A.2 mô tả thiết lập cho chế độ xuất xung kiểu truyền Hình A.2: Cụm jumper J1-J8 [19]  Thiết lập kiểu cảm biến hành trình Nhằm mục đích an toàn xác định vị trí gốc tọa độ, trục card PCI-8164 hỗ trợ cảm biến hành trình (+EL, -EL, ORG) Để thiết lập kiểu cảm biến (Normally Close hay Normally Open) cần cài đặt S1 cách điều chỉnh vị trí chạy trục tương ứng (hình A.3) Hình A.3: Cụm S1 [19]  Thiết lập thông số phần mềm Hình A.4: Phần mềm Motion Creator [19] 66 PHỤ LỤC A Ngoài ra, card hỗ trợ thiết lập nhiều loại thông số phần mềm Motion Creator (hình A.4) Phần mềm cho phép thiết lập thông số cho trục, bao gồm chế độ xuất xung, mức ngõ input/ouput, kiểu home… Nhằm hỗ trợ cho người dùng việc lắp đặt, kiểm tra phát triển sản phẩm, phần mềm hỗ trợ chế độ vận hành thử động cơ, bao gồm thiết lập vị trí, vận tốc, gia tốc, kiểu tọa độ… A.2 Chương trình điều khiển bàn máy CNC 2D version 2.0 Hình A.5: Chương trình điều khiển bàn máy CNC 2D version 2.0 Chương trình điều khiển bàn máy CNC 2D version 2.0 luận văn phát triển viết Visual C++ Chương trình chia thành nhóm với chức sau:  Nhóm Setting Parameters: Thiết lập thông số hoạt động cho động cơ, bao gồm vận tốc bắt đầu (Start Velocity, PPS), vận tốc lớn (Max Velocity, PPS), thời gian tăng tốc (Acc Time, s), thời gian giảm tốc (Dec Time, s), đồng thời cho phép bật (Servo ON) hay tắt (Servo OFF) động  Nhóm Motion Control: Chứa lệnh cho phép điều khiển động quay thuận (Move+) hay quay ngược (Move-), nhằm kiểm tra hoạt động động 67 PHỤ LỤC A  Nhóm Status: Hiển thị trạng thái hoạt động động (Motion Status), trạng thái ngõ I/O (I/O Status), vị trí (Current Point) vận tốc thời (Current Speed) phận công tác  Nhóm Home: Thiết lập Home (Set Home) cho phép trở Home (Return Home)  Nhóm General Control: Cho phép di chuyển phận công tác đến điểm vùng không gian làm việc bàn máy  Nhóm End Limit: Bật/tắt chế độ giới hạn hành trình Software End Limit 68 PHỤ LỤC B International Symposium on Mechatronics and Robotics December 10-11, 2013, HCMUT, Viet Nam Study, Design and Implement Belt-Driven 2-D CNC Systems Le Dinh Truong Son *, and Pham Cong Bang ** * Faculty of Mechanical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology, Viet Nam (Tel : +84-1649678288; E-mail: ldtruongson@gmail.com) ** Faculty of Mechanical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology, Viet Nam (Tel : +84-903686334; E-mail: cbpham@hcmut.edu.vn) Abstract: Computer Numerical Control (CNC) systems are used very popular in modern manufacturing due to their accuracy ability This research work proposes a novel design of a 2-Dimensional CNC system In this design, only a timing belt is used to conduct motions in X and Y directions It also shows that the design is simple, light weight and easy to expand its workspace This paper presents a complete process of creating a belt-driven 2-D CNC system through conceiving transmission concept, designing mechanical as well electrical system, implementing the system, and evaluating its accuracy Keywords: CNC system, belt-driven mechanism, plotter INTRODUCTION used in laser cutting technology, plasma cutting, welding, etc Along with the development of technology, the concept of CNC was invented to meet higher accuracy, automation, and flexibility of production Since its invention in the 40s of the 20th century, CNC machines are expanded their application on various fields Nowadays, CNC applications cover many areas, such as the manufacture of mechanical parts, the drilling of electronic circuit, the engraving of wood, etc [1] a) Pattern engraving b) 3D product Fig 2: Products from 2-D CNC systems The ball screw/nut mechanism is often employed to transmit motion in almost 2-D CNC systems This paper addresses a novel design of a 2-D CNC system in which motions in X and Y directions are conducted by only a timing belt The paper is organized as follows: Section highlights the transmission concept followed by 3D models Then, Section presents electrical components as well as the card SMC-4DF-PCI Kinematic equations of the system are derived in Section In Section 5, these equations are utilized to develop a PC-based controller which is programmed in C# Experimental results are discussed in Section Finally, Section concludes the paper MECHANICAL DESIGN Fig 1: CNC machine made by BKMech In Vietnam, the first CNC machine was introduced through a project funded by UNIDO in 1993 [2] After this time, a number of local companies began using second-hand CNC machines from Taiwan and Japan Nowadays, some local companies start thinking of assembling or manufacturing CNC components in the trend of globalization Fig is the first CNC milling machine made by BKMech, a local pioneer of new technologies in general and CNC milling machines in particular [3] Beside multi-axis machines used in manufacturing, 2-axis CNC systems are still found useful in many applications as shown in Fig 2a (decoration) and Fig 2b (2-D boundary cutting) With different cutting tools, they are also commonly M1 69 α M2 β PHỤ LỤC B International Symposium on Mechatronics and Robotics 1- Working area 3- Driven pulley 5- Guide Pulley 7- Slide bar 2- End-effector 4- Timing belt 6- Sliders 8- Motors & driving pulley December 10-11, 2013, HCMUT, Viet Nam ELECTRICAL DESIGN The transmission concept is realized by a 3-D model in Fig The parts are fabricated as shown in Fig 3.1 Stepping motor Fig 3: Principle diagram To create motions of the driving pulleys, step motors CSAUA56D1-SB, together with its driver, are employed as illustrated in Fig Figure shows the principle diagram of the belt-driven 2-D CNC system in which the end-effector (2) moving along slider bars (7) is manipulated by two motors (8) via a timing belt (4) and pulleys (3, 5) Fig 6: Step motor CSA-UA56D1-SB The specifications of the motor and wiring diagram between the motor and its driver are shown in Table and Fig 7, respectively Fig 4: General model of system Table 1: Motor Specifications Specification Value Step angle (o/step) 0.25 Motor dimension (mm) (a) Block of motors and driving pulleys 60 × 60 × 82 Input voltage (VDC) 24 Rated current (A) 2.0 Permissible torque (N.m) 2.0 Holding torque (N.m) 1.2 Motor mass (kg) 0.8 B (1) (b) Block of guide pulley B_COM (2) B (3) A (4) MOTOR A_COM (5) CSA-UA56D1-SB DRIVER A (6) VCC (1) (c) Block of driven pulley GND (2) 24VDC Fig 7: Wiring diagram 3.2 Motion controller card (d) Block of end-effector As there are two motors used for driving the pulleys, a multiaxis motion controller card is needed to synchronize two motors as seen in Fig Fig 5: Part implementation 70 PHỤ LỤC B International Symposium on Mechatronics and Robotics Driver Step motor Driver Step motor December 10-11, 2013, HCMUT, Viet Nam Kinematic analysis of the system is to establish the relation between rotation angles of the motors (, ) and the position of the end-effector (x, y) Given a reference frame Oxy as seen in Fig 10, the arrows in the coordinate frames show the moving direction of the end-effector with respect to changes of motor angles PCI Card 4.1 Forward kinematic Fig 8: Concept of sysnchronizing motors Given the radius of the driving pulleys as well as the driven pulleys R, Eqns (1) show the position of the end-effector when rotation angles of motors are known In this system, a SMC-4DF-PCI card is used The card plugging into the PCI port of the computer has 100 output pins to communicate with peripheral devices The card can perform motor control for up to axes supporting stepping motors and “pulse string input” types of servomotors It can store positioning information for up to 1024 frames per axis and control multiple axes simultaneously These various functions make it possible to build complex positioning control system for variety of uses The connection between the drivers and the card of the system is demonstrated in Fig x  y  R R   R R (1) 4.2 Inverse kinematic Inverse kinematic equations (2) show the rotation angles of motors when known position of end-effector CW+ (1) CW+/OUT+ (61) 330 CW-/OUT- (60)   CW- (2) CCW+/DIR+ (63) CCW+ (3) 330   CONTROL CIRCUIT FPGA CCW-/DIR- (62) CCW- (4) x  y R x  y R +24V 330 ENABLE+ (5) OUT1 (64) ENABLE- (6) As the motors with step angle θ = 0.250 are used, the rotation angles for the forward kinematic as well as for the inverse kinematic are interpreted into a number of pulses i and j for the motor and the motor 2, respectively as seen in Eqns (3) 2k 330 STEP+ (7) STEP- (8) OUT2 (65) 2k AUTO_CURRENT+ (9) GND (51) (2) 330   i. 0V AUTO_CURRENT- (10) EXTIM+ (11) (3)   j. 330 EXTIM- (12) SMC-4DF-PCI CARD GRAPHICAL USER INTERFACE DRIVER Fig 9: Connection diagram KINEMATIC ANALYSIS Y Y X Y X Y X X β- β+ Y Y C X E α -/β - X Model α +/β + Y A α O Driver Fig 11: Installation diagram Y M1 SMC-4DFPCI Card α- α+ B Computer X D Y X M2 β α +/β - X Figure 11 shows a complete installation diagram of the beltdriven 2-D CNC system The SMC-4DF-PCI card together with the computer forms a PC-based controller of the system Figure 12 shows a graphical user interface (GUI) developed α- β+ Fig 10: Schematic kinematic 71 PHỤ LỤC B International Symposium on Mechatronics and Robotics December 10-11, 2013, HCMUT, Viet Nam for this system including two sections: - Basic functions - Typical applications Fig 14: Filled object drawing Current program supports following file formats: Bitmap file (.bmp), Encapsulated PostScript file (.eps)  Application 3: Cutting slices and connecting them togethe r in rapid prototyping as demonstrated in Fig 15 Fig 12: User interface 5.1 Basic functions This section includes features that help users perform basic tasks and usual tasks such as:  Jogging: moving the end-effector step by step in dif ferent directions  Current data: containing basic information about the m ovement of the end-effector as velocity, current positi on  Set home: setting original coordinate and allow to retu rn home  Solenoid actuation: control the state of solenoids Fig 15: Rapid prototyping ACCURACY EVALUATION 5.2 Typical applications 6.1 Accuracy This section consists of applications through which performance and accuracy of the system can be verified  By using the application above, 10 parallel lines spacing 10 mm and having the same length of 30 mm are plotted on a paper sheet to evaluate accuracy of the system as seen in Fig 16 These plotting lines will be scanned and measured in the computer The experimental results in Table show that the positional error of the system is approximate ±0.18 mm Application 1: drawing boundary of objects (Fig 13) Fig 13: Object boundary drawing Fig 16: Lines used to verify the accuracy  Application 2: drawing a filled objects from a given imag e (Fig 14) 72 10 PHỤ LỤC B International Symposium on Mechatronics and Robotics Table 2: Measured lengths (mm) Line No 10 Average Length (li) 29.997 30.167 30.251 29.828 29.743 29.828 29.743 29.828 30.167 29.912 ̅ 29.946 𝑙= Line thickness (wi) 0.339 0.339 0.254 0.339 0.339 0.339 0.339 0.339 0.254 0.254 𝑤 ̅ = 0.313  0.479 0.479 0.479 0.599 0.09 0.09 0.09 0.15 CONCLUSIONS This paper has proposed a novel design of belt-driven 2-D CNC system A prototype has been fabricated through conceiving transmission concept, designing mechanical as well electrical system, implementing the system Three applications have been developed to show potentials of the system From the experiments, the accuracy and repeatability of the system have been validated approximately ±0.18 mm and ±0.15 mm, respectively These results show the system can be a base to develop industrial and art applications requiring a flexible working area such as making 2D drawing, laser cutting, rapid prototyping, etc Standard deviation:  December 10-11, 2013, HCMUT, Viet Nam  10  li  l  0.18 (mm) 10 i 1 ACKNOWLEDGMENTS The results in Table also show that the line width can be considered approximately 0.313 mm The authors would like to thank the faculty of Mechanical Engineering at Ho Chi Minh City University of Technology for partly sponsoring this research program 6.2 Repeatability In order to evaluate the repeatability of the system, a circle with a radius of 15 mm is repeatedly plotted 10 times at the same origin Do similarly at different positions spacing 40 mm vertically and horizontally as seen in Fig 17 The data are also scanned and measured in the computer The results in Table show that the repeatability is quite stable ±0.15 mm within the working area REFERENCES [1] Heinrich Arnold, The recent history of the machine tool industry and the effects of technological change, University of Munich (Germany), (2001) 40 mm [2] Nguyen Hanh, The need of continuing modernization of mechanical engineering, Lao Dong newspaper, (2011) [3] http://www.bkmech.com.vn/vmc-65/vmc-86/vmc110.html 40 mm Fig 17: Circles to verify the repeatability Table 3: Measured widths (mm) Circle No Plotting trace (wp) 0.479 0.599 0.599 0.479 0.479 wp  w 0.09 0.15 0.15 0.09 0.09 73 PHỤ LỤC C Phụ lục C trình bày vẽ khí chi tiết bàn máy CNC 2D version 2.0 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.powerpress-machine.com [2] http://www.otagosheetmetal.co.nz [3] http://www.directindustry.com [4] http://www.hanzlaser.com [5] http://www.rapidcreekcutters.com [6] http://www.banyantradelink.com [7] http://www.nyembroiderystudio.com [8] http://www.elit-m.com [9] http://www.onlinebestgifts.com [10] http://mariafigueira.com [11] http://www.signsbus.com [12] http://www.directindustry.com [13] http://www.jat-gmbh.de [14] https://sdp-si.com [15] http://www.orientalmotor.com [16] http://www.itclubviet.com [17] Kinco CD Series Catalog [18] AC Servomotor Driver SMH 60S-0040-30AAK-3LKH User's Manual [19] PCI-8164 / MPC-8164 Advanced 4-Axis Servo / Stepper Motion Control Card User's Guide [20] PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc (2012) Cơ sở thiết kế máy, NXB Đại học Quốc gia Tp.HCM [21] PGS.TS Trịnh Chất, TS Lê Văn Uyển (2006) Tính toán thiết kế hệ dẫn động khí (Tập 1), NXB Giáo Dục [22] Hà Phương (2011) Phân tích thiết kế hệ thống CNC 2-DOF dẫn động đai Luận văn đại học, Đại học Bách Khoa Tp.HCM 86 [...]... máy CNC 2D truyền động bằng đai có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực không yêu cầu độ chính xác cao như cắt laser, cắt plasma, robot họa sĩ… Chính vì vậy, việc phân tích, thiết kế, chế tạo bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai sẽ có ý nghĩa thực tiễn to lớn Đề tài có mục tiêu, nhiệm vụ, và phạm vi cụ thể như sau:  Mục tiêu đề tài: Phân tích và thiết kế hệ thống CNC 2D dẫn động bằng đai ... cấu vít me - đai ốc (8) di chuyển đầu công tác (5) tạo thành chuyển động ngang của bàn máy máy  Máy CNC dạng trục độc lập truyền động bằng đai (dạng 4) Khác với những máy CNC đã đề cập, máy CNC dạng trục độc lập truyền động bằng đai, hay còn gọi là bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai, có vị trí của bộ phận công tác được điều khiển kết hợp đồng thời bởi hai động cơ (6, 8) thông qua một dây đai duy nhất... dựng hệ thống điện điều khiển hoạt động của bàn máy dựa trên mô hình cơ khí đã thiết kế 21 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN Mô hình cơ khí rất quan trọng tuy nhiên cũng có một yếu tố quan trọng không kém, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác và độ ổn định hoạt động của bàn máy, đó là hệ thống điện Trên cơ sở mô hình cơ khí đã được thiết kế, chương 3 tiến hành xây dựng hệ thống. ..  Phân tích, thiết kế, chế tạo bàn máy - Từ yêu cầu ban đầu, sơ đồ nguyên lí của bàn máy sẽ được tạo ra nhằm làm cơ sở cho công việc thiết kế bàn máy - Với sơ đồ nguyên lí đã có, tiến hành thiết kế mô hình cơ khí của bàn máy ở dạng bản vẽ 3D bằng phần mềm SolidWorks - Xây dựng hệ thống điện điều khiển bàn máy - Chế tạo mô hình bàn máy  Phân tích động học và xây dựng giải thuật điều khiển bàn máy 2D. .. Pulley bị động 6 - Đai răng 7 - Pulley dẫn hướng 8 - Con trượt dọc 9 - Thanh trượt dọc 10 - Động cơ 11 - Pulley chủ động 11 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lí bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai Hình 2.1 thể hiện sơ đồ nguyên lí của bàn máy Bàn máy gồm hai động cơ (10) điều khiển vị trí của cơ cấu chấp hành (2) thông qua hệ thống truyền động là dây đai (6), các pulley (5, 7, 11), các thanh trượt (4, 9) và con... truyền đai răng ngang M 8- Động cơ truyền động ngang 8 Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 2  Máy CNC dạng trục độc lập truyền động bằng vít me - đai ốc (dạng 3) 1- Động cơ truyền động dọc 1 M 2- Trục trượt dọc 2 3- Cơ cấu vít me - đai ốc 3 4 truyền động dọc 5 6 4- Bàn gá chi tiết 5- Đầu công tác 6- Động cơ truyền động ngang M 7- Trục trượt ngang 8 7 8- Cơ cấu vít me - đai ốc truyền động. .. động cơ được sử dụng trong bàn máy CNC 2D 3.2.1 Sơ lược về động cơ AC servo Động cơ servo là loại động cơ được thiết kế để dùng trong các hệ thống vòng kín, đòi hỏi độ chính xác và độ ổn định cao Tín hiệu đầu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ hoạt động, các thông tin về vị trí, vận tốc của động cơ được hồi tiếp về mạch này Nếu vì lí do nào đó mà động cơ không thể đến được vị trí... hình 2.4 2.2.2 Cụm động cơ 1 2 3 4 5 1- Động cơ 4- Ống trụ đỡ 2- Tấm đỡ trên 5- Tấm đỡ dưới 3- Pulley chủ động Hình 2.5: Cụm động cơ 13 CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH CƠ KHÍ Cụm động cơ tạo động lực và điều khiển bàn máy hoạt động theo ý muốn Cụm động cơ được gắn chặt trên cụm khung, vừa có tác dụng cố định động cơ, lại vừa tăng cường độ cứng vững của cụm khung Cụm động cơ gồm có động cơ (1) nằm... nhôm có các ống đỡ rỗng (4) nhằm thay đổi độ cao của pulley chủ động (3) so với pulley dẫn hướng và pulley bị động Mô hình của cụm động cơ được thể hiện trên hình 2.5 2.2.3 Cụm pulley bị động Cụm pulley bị động cơ nhiệm vụ truyền động đai đến bộ phận công tác, đồng thời căng đai và điều chỉnh lực căng đai Cụm pulley bị động được cố định vào cụm khung, bao gồm một pulley răng (3) có các ổ bi bên trong... CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH CƠ KHÍ Nếu xét đến hệ số tải động Ktđ = 2,5 và hệ số dự trữ Kdt = 2: P’max = Pmax Ktđ Kdt = 31,64.2,5.2 = 158,2 (W) Hiệu suất hoạt động của hệ thống: H = Hđai.Hpulley.Hma sát = 0,92.0,986.0,9 = 0,73 Công suất để hệ thống hoạt động: Ptt  P 'max 158, 2   217 (W) H 0,73 Nhằm đảm bảo công suất, độ chính xác, cũng như khả năng làm việc ở tốc độ cao, động cơ servo SMH