NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÁY CẮT LAZER DÙNG CARD (ARDUINO)

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ KỸ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ  ĐỒ ÁN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÁY CẮT LAZER DÙNG CARD (ARDUINO) GVHD: SVTH : MSSV: LỚP : THẦY LÊ MINH THANH VÕ MINH QUANG 2002150132 06DHDT3 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2017 cBỘ CƠNG THƯƠNG CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH Độc lập – Tự – Hạnh phúc KHOA CN KT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ i NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MƠN HỌC Khoa: Cơng Nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử Họ tên sinh viên giao đề tài (Số lượng sinh viên: ) (1) MSSV: Lớp: Tên đề tài: Mục tiêu đề tài: Nội dung nghiên cứu chính: Ngày giao đề tài: …/ …/ 2017 Ngày nộp báo cáo: … /… / 2017 TP.Hồ Chí Minh, ngày …… tháng …… năm 2017 Trưởng khoa Trưởng môn i Giảng viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN …… i i MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ LỜI NĨI ĐẦU Hiện máy cắt laser ứng dụng rộng rãi lĩnh vực Cắt laser công nghệ phát triển dựa tương tác chùm tia laser với vật liệu Thiết bị laser gia cơng nói chung cắt laser nói riêng đa dạng phong phú Do yêu cầu kinh tế nói chung ngành điện tử nói riêng đòi hỏi người kỹ sư điện tử phải có kiến thức sâu rộng, phải biết vận dụng kiến thức học giải vấn đề thực tế thường gặp phải trình sản xuất Ngồi đề tài tạo diều kiện nắm vững vận dụng có hiệu phương pháp thiết kế nhằm đạt tiêu kinh tế kỹ thuật theo yêu cầu điều kiện quy mơ cụ thể Mặc dù điều kiện thời gian có giới hạn thực nên biến tưởng thành thực Lần thực đồ án nên tránh khỏi sai sót, em mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn bè để khắc phục điểm chưa hoàn thiện đề tài Trong thời gian thực đề tài em nhận giúp đỡ tận tình kiến thức chuyên ngành lẫn tinh thần thầy giáo Lê Minh Thanh khoa điện tử, em xin chân thành cảm ơn thầy cô Với mong muốn tiếp tục hoàn thiện đề tài em mong nhận giúp đỡ thầy cô Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG TỔNG QUÁT VỀ MÁY CNC LASER 1.1 KHÁI QUÁT VỀ CÁC MÁY CÔNG CỤ CNC LASER 1.1.1 SƠ LƯỢC VỀ MÁY CNC LASER VÀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN Điều khiển số (Numerical Control) đời với mục đích điều khiển q trình cơng nghệ gia công cắt gọt máy công cụ Về thực chất, trình tự động điều khiển hoạt động máy (như máy cắt kim loại, rô bốt, băng tải vận chuyển phôi liệu chi tiết gia công, kho quản lý phôi sản phẩm ) sở liệu cung cấp dạng mã số nhị nguyên bao gồm chữ số, số thập phân, chữ số ký tự đặc biệt tạo nên chương trình làm việc thiết bị hay hệ thống Sự phát tia laser phát triển công nghệ cắt laser: - Tia laser biết đến lần thí nghiệm tình cờ nhà vật lý Theodore Maiman, thông qua phương thức chiếu đèn flash công suất cao thỏi ruby với bề mặt tráng bạc phòng thí nghiệm Hughes Laboratory Malibu, California năm 1960 - Nhờ phát này, nhà khoa học dần nghiên cứu chuyên sâu thêm, phát có nhiều lợi ích to lớn biết cách tận dụng nguồn tia laser - Tiêu biểu nghiên cứu phát triển laser bán dẫn Roberrt N.Hall năm 1962 - Thiết bị Hall xây dựng hệ thống vật liệu gali-asen tạo tia có bước sóng 850nm, gần vùng quang phổ tia hồng ngoại Hay năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov Liên Xô Hayashi Panish phòng thí nghiệm Bell độc lập phát triển thành công điốt laser hoạt động liên tục nhiệt độ phòng - Cho đến bây giờ, theo thời gian, tia laser trở thành công cụ tuyệt vời khó thiếu đời sống ngành sản xuất khí, nghệ thuật, y học,… Hình 1.1: Tia laser tạo từ hồng ngọc Sự đời máy laser: - Năm 1965, Trung tâm Nghiên cứu Western Electric Engineering sản xuất thành công máy cắt laser sử dụng để khoét lỗ kim cương Sao năm, người Anh bắt đầu có thành tựu việc cắt kim loại tia laser cách sử dụng hỗ trợ khí oxy - Năm 1970, cơng nghệ bắt đầu đưa vào sản xuất để cắt titan cho ứng dụng ngành hàng không vũ trụ Sau thay sử dụng oxy, người ta bắt đầu kết hợp thành công tia laser với bổ trợ khí CO 2, từ máy cắt laser CO2 đời Máy cắt CO2 sử dụng để cắt phi kim, vải da,… đốt cháy kim loại Từ đó, với thí nghiệm mới, với nhiều kết hợp, chế tạo khác mà nhà khoa học phát minh nhiều loại máy cắt laser hơn, có áp lực cao hơn, cắt nhanh gọn nhiều so với máy laser đời cũ - Ưu điểm lớn máy cắt laser so với cơng nghệ khí khác công cụ kẹp phôi dễ dàng giảm ảnh hưởng đến phơi Độ xác nói hồn hảo, tia khơng bị mòn trình cắt - Máy cắt laser đại giúp giảm cong vênh vật liệu cắt, hệ thống lase có vùng nhiệt bị ảnh hưởng nhỏ Với kim loại, kim cương mọt số vật liệu khác khó khơng thể cắt cơng cụ truyền thống, lúc máy cắt tia laser chất lượng cao phát huy mạnh - Hiện thị trường có nguồn cắt laser chủ yếu CO2 laser, YAG laser Fiber laser Lịch sử phát triển CNC bắt nguồn từ mục đích quân hàng không vũ trụ mà yêu cầu tiêu chất lượng máy bay, tên lửa, xe tăng cao Ngày nay, lịch sử phát triển CNC trải qua trình phát triển không ngừng với phát triển lĩnh vực vi xử lý từ bit, 8bit đạt đến 32 bit cho phép hệ sau cao hệ trước mạnh khả lưu trữ xử lý Hình 1.2: Mơ hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động chế tạo khí phát triển đạt đến trình độ cao phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt tổ hợp CIM(Computer Integrated Manufacturing) với việc trang bị thêm rôbốt cấp phôi liệu vận chuyển, hệ thống đo lường quản lý chất lượng tiên tiến, kiểu nhà kho đại đưa vào áp dụng mang lại hiệu kinh tế đáng kể 1.1.2 CƠ SỞ CỦA MÁY CNC Các trục máy CNC trang bị dụng cụ đo vị trí để xác định tọa độ bàn máy dụng cụ cắt Khi bàn máy di chuyển dụng cụ đo lường phát tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu điện xác định vị trí xác bàn máy hệ trục tọa độ biểu diễn hình 1.3 Hình 1.3: Cơ sở máy CNC 1.1.3 ĐẶC ĐIỂM VÀ PHÂN LOẠI Một cách tổng qt máy cơng cụ CNC phân loại theo đặc điểm sau: - Truyền động: Thủy lực, khí nén điện - Phương pháp điều khiển: Tọa độ hay quỹ đạo - Hệ thống định vị: Định vị kích thước tuyệt đối định vị nối tiếp - Các vòng lặp điều khiển: vòng hở, vòng kín, vòng nửa kín - Số trục tọa độ: trục, trục, trục Theo chức máy cơng cụ CNC máy cơng cụ vạn năng, chia thành nhóm sau: -Nhóm máy tiện đại diện cho máy tiện trong, tiện ngồi phơi quay, cắt ren ren ngồi -Nhóm máy khoan, doa để khoan, doa phơi -Nhóm máy phay để phay chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo bề mặt góc đa dạng khoan, phay doa Thay đổi nguyên công thay dụng cụ cắt, có nghĩa cần lần gá kẹp -Nhóm máy mài để gia cơng tinh Nhóm bao gồm máy mài trục, mài lỗ, mài phẳng, mài răng, mài rãnh then, mài dụng cụ -Nhóm trung tâm gia công: Khoan, phay, tiện, doa… 1.2 NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH MÁY CƠNG CỤ ĐIỀU KHIỂN SỐ 1.2.1 CHƯƠNG TRÌNH GIA CÔNG MỘT CHI TIẾT 5.1.2.2 PHÂN LOẠI VÀ CẤU TẠO ĐỘNG CƠ BƯỚC Động bước phân loại dựa theo cấu trúc rô-to cách dây Stato Dựa theo cấu trúc rôto , động bước chia thành loại: 1.Động bước từ trở biến thiên 2.Động bước nam châm vĩnh cửu 3.Động bước lai Dưa theo dây Stator, động bước chia thành loại 1.Động bước đơn cực 2.Động bước lưỡng cực Loại động sử dụng mơ hình em loại động bước đơn cực kiểu lai, chọn loại động loại động phổ biến thị trường Do em trình bày cấu tạo động bước lưỡng cực kiểu lai Động bước kiểu đơn cực Một kiểu quấn dây phổ biến khác quấn dây đơn cực Nó bao gồm hai cuộn dây cực kết nối cho cuộn dây cấp lượng cực bắc nam châm tạo ra, cuộn dây lại cấp lượng cực nam tạo Cách quấn dây kiểu gọi đơn cực cực điện tính điện, tức dòng điện, từ mạch lái đến cuộn dây không bị đảo chiều Thiết kế cho phép làm đơn giản mạch điện tử lái Tuy nhiên, mô-men sinh bị giảm khoảng 30% so với quấn dây kiểu lưỡng cực 5.1.2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC Khác với loại động thông thường, động bước cần phải cấp xung đến dây đầu vào theo thứ tự định động hoạt động Để có xung điều khiển theo cấp vào dây, động bước cần có Driver chuyên dụng để điều khiển Trước tiên ta xét động bước kiểu lai đơn cực dây ra, loại động sử dụng chế tạo mô hình thực tế Các thành phần động gồm có: -Nam châm vĩnh cửu có cặp cực Bắc-Nam (N-S) -Stator 200 ( độ phân giải động 1.8o ), lái cặp cuộn dây A1-A2 B1-B2 Hình 5.2: Bố trí cuộn dây động bước lai đơn cực Cấu tạo rơ-to gồm hai cực Bắc-Nam bố trí dọc theo trục rơ-to hình 5.9 Hai cực đặt lệch Khi cực A-A1 có cấp điện cho cực A cực Bắc cực A1 cực Nam, cực A hút cực Nam rô-to gần nhất, đồng thời cực Bắc rơ-to xa cực A có bố trí lệch rơ-to Các A A1 khơng bố trí đối xứng mà chúng lệch răng, nên cực Bắc rơ-to xa A lại gần A1 nhất, cực Nam rơ-to gần A lại xa A1 Như lực hút rô-to Stator lớn rô-to ln giữ vị trí cố định từ trường Stator tạo cho cực Stator cực rơ-to gần cực lại xa Khi cuộn A-A1 bị ngắt điện đồng thời cuộn B-B1 cấp điện, từ trường Stator bị lệch với khoảng chênh lệch cặp AA1 B-B1, từ trường kéo rô-to quay lệch Cứ cấp điện vậy, ta tạo từ trường quay quanh trục Rotor kéo rơ-to quay hết vòng 5.1.3 DRIVER ĐỘNG CƠ BƯỚC Như đề cập mục trước, động bước hoạt động với cách cấp điện loại động AC hay DC thông thường Ta phải đưa điện áp kiểu xung vuông đến đầu vào cuộn dây Stator Để làm điều ta cần Driver điều khiển Hiện Driver điều khiển động bước phổ biến dễ chế tạo với IC chuyên dụng L298 L297, Driver hãng sử dụng cơng nghiệp sử dụng IC họ 74xx với chíp vi xử lí Ở sử dụng Driver A4988 để thiết kế Driver điều khiển cho động bước linh kiện phổ biến, dễ tìm mua giá thành rẻ, IC có cơng suất lớn, độ bền cao, làm việc tin cậy, nhiễu A4988 Driver điều khiển động bước nhỏ gọn, hổ trợ nhiều chế độ làm việc, điều chỉnh dòng cho động cơ, tự động ngắt điện nóng A4988 hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động động bước lưỡng cực như: Full, Half, 1/4, 1/8 1/16 Sơ đồ nguyên lý Driver A4988 hình 5.3 Hình 5.3: Sơ đồ nguyên lý driver A4988 Hình 5.4: Sơ đồ kết nối Driver a4988 Để chọn chế độ vi bước cho Driver a4988 cách kích điện áp 5v vào chân ms1 ms2 ms3 với quy tắc theo bảng 3.12 sau: Bảng 5.5: Quy tắc chọn chế độ vi bước 5.1.4 CARD ARDUINO 2560 Trong thời đại này, nguồn mở trở nên phổ biến rộng lớn, sử dụng mã nguồn CNC mở để làm GRBL v0.9j Copy thư mục grbl bên thư mục grbl-master vào dán vào thư mục libraries thư viện khác Sau mở Arduino lên vào File > Examples > grbl > grblUpload hình sau, sau upload vào Arduino 2560 xong Hình 5.6: Thư viện GRBL v0.9j 5.2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM 5.2.1 GIỚI THIỆU CHỨC NĂNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN LASER CNC Trên thị trường bán mạch điều khiển CNC giá thành cao so với thu nhập sinh viên nên em đến ý tưởng xây dựng mạch điều khiển CNC với giá thành rẻ áp dụng vào việc nghiên cứu học tập Ngoài mạch sử dụng điều khiển máy CNC tự chế xưởng vừa nhỏ Dưới hình ảnh mạch in 3D hình 5.6 Hình 5.7: Mạch điều khiển Laser CNC kết hợp Driver a4988 Mạch điều khiển CNC em thiết kế có số đặc điểm sau: - Tương thích hồn tồn với phần mềm điều khiển tự lập trình - Có chức điều khiển PWM - Sử dụng để điều khiển động bước Mạch có tích hợp điều khiển động bước nên không cần thêm Driver cho động bước - Mạch CNC giao tiếp với máy tính qua cổng USB - Mạch điều khiển tối đa trục - Số đầu vào tín hiệu từ cảm biến hay cơng tắc hành trình - Số đầu để bật tắt thiết bị - Có cầu trì bảo vệ - Dòng nuôi động bước tối đa 3A - Nguồn vào 12-24V Với mạch điều khiển CNC việc nghiên cứu chế tạo máy khắc CNC trở nên đơn giản, kể với bạn sinh viên đam mê nghiên cứu hay xưởng sản xuất nhỏ lẻ Dưới hình ảnh dây bố trí linh kiện mạch in Để thiết kế mạch in sử dụng phần mềm thiết kế mạch điện Proteus 7.2 Hình 5.8: Sơ đồ dây board 5.2.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN LASER CNC Dưới sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển em thiết kế hình 5.9 Hình 5.9: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển laser CNC Mạch nguyên lý gồm khối sau: Khối đầu vào tín hiệu 2.Khối mạch cơng suất 3.Khối bảo vệ máy tính bảo vệ mạch 5.2.3 PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN MÁY CẮT LASER Lập trình phần mềm giao tiếp máy cắt máy tính ngơn ngữ c# qua cơng cụ visual studio 2010 Dưới giao diện điều khiển hình 5.10: Hình 5.10: Giao diện phần mềm điều khiển máy khắc Laser 5.3 XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÁY KHẮC CNC TRỤC Mơ hình máy khắc CNC trục Dưới hình 5.11 hình mơ hình máy cắt Laser Hình 5.11: Hình ảnh thực mơ hình máy khắc CNC trục Các thông số kỹ thuật - Kích thước bàn máy: 800 x 600 x 200 mm - Kích thước phơi gia cơng lớn nhất: 650 x 450 mm Dựa vào kích thước bàn máy tính tốn ban đầu, thiết kế khung máy nhơm định hình với phần đế gỗ kết hợp nhựa Mica Khung máy vật liệu nhơm định hình kích thước 20mm x 40mm Em sử dụng nhơm định hình vừa bảo đảm tính vững chắc, độ thẩm mĩ kết hợp chức ray trượt dẫn hướng Hình 5.12: Cơ cấu dẫn động bánh xe ray trượt Hình 5.13: Hình chiếu đứng mơ hình máy khắc Hình 5.14: Hình chiếu cạnh mơ hình máy khắc Hình 5.15: Hình chiếu đứng mơ hình máy khắc - Truyền động: với kết cấu nhỏ tải thấp ta dùng kết cấu bánh xe chuyển động dọc ray dẫn hướng, bánh xe có nhiệm vụ tì dây đai vào puly tạo chuyển động trượt - Các thơng số hiệu chỉnh phần mềm - Động cơ: chọn sử dụng động Step - Để chọn động cơ, ta cần tính tải đặt lên động hoạt động từ suy mơmen cần thiết Từ tốc độ yêu cầu ta tính tốc độ vòng quay động Như với hai thơng số mơmen tốc độ ta chọn động 5.4 LẬP TRÌNH VÀ GIA CƠNG SẢN PHẨM Các bước lập trình gia cơng sản phẩm thể lưu đồ sau: Hình 5.16: Lưu đồ gia công sản phẩm KẾT LUẬN Sau nghiều tháng nghiên cứu tìm kiếm linh kiện phù hợp, em hoàn thành đề tài đạt yêu cầu đặt thu nhận nhiều kinh nghiệm quý giá Kết đạt được: - Tìm hiểu mơ hình máy khắc CNC trục - Máy chạy ổn định độ xác mức độ vừa phải - Hình dung gia cơng số sản phẩm thực máy Trong đề tài đồ án, mục tiêu trước tiên mà em hướng tới chế tạo mơ hình máy CNC cắt Laser hoạt động ổn định với sai số nhỏ, sau em hướng tới khắc phục dao động, sai số nâng cao tính máy khả chạy vị trí cũ có cố nguồn ni, khả tùy biến thành máy CNC trục đầu khoan, điều khiển qua hệ thống mạng Tuy nhiên kinh nghiệm hạn chế thời gian thực có hạn, nên đồ án em thiếu xót, mục tiêu ổn định dao động tính tùy biến em chưa thể hoàn thiện Em mong nhận ý kiến đóng góp thầy để hoàn thiện để tài Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Minh Thanh, thầy cô môn Điện tự động công nghiệp hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện tốt để em hoàn thành đồ án TÀI LIỆU THAM KHẢO GS TS Trần Văn Dịch (2004), Giáo trình Cơng nghệ CNC, NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội Nguyễn Ngọc Đào (2003), Giáo trình CAD-CAM-CNC, NXB Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP HCM How to make your own CNC machine, Nguồn internet http//www.buildownCNC.com Đỗ Xuân Thụ (2003), Giáo trình Kỹ thuật điện tử, NXB giáo dục Phạm Quang Khải (2013), Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển hệ thống thay dao tự động cho máy CNC , Ngành điện tử ĐH Bách Khoa Hà Nội website: http://arduino.cc/ ... ánh sáng Các hạt phô-tông bị phản xạ qua lại nhiều lần vật liệu, nhờ gương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng Một số phơ-tơng ngồi nhờ có gương bán mạ đầu vật liệu Tia sáng tia laser 2. 3 .2. .. chip ATmega 128 0 với flash memory 128 KB, SRAM 8KB EEPROM KB Hình 3 .2 Arduino Mega 128 0 Còn Arduino Mega 25 60 phiên sử dụng rộng rãi ứng dụng nhiều Với chip ATmega2560 có nhớ flash memory 25 6 KB, 8KB... người sáng lập, giảng dạy Ivrea Cái tên "Arduino" đến từ quán bar Ivrea, nơi vài nhà sáng lập dự án thường xuyên gặp mặt Bản thân quán bar có lấy tên Arduino, Bá tước Ivrea, vua Italy từ năm 1002