Đồ án tốt nghiệp máy CNC 3 trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO KHOA KỸ THUẬT & CÔNG NGHỆ   ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ MÁY CNC 3D MINI Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực Lớp : ThS LƯƠNG NGỌC THANH : NGUYỄN VĂN TÔN : Kỹ Thuật Điện - Điện Tử - K35B Mã sinh viên : 3551070051 Ngành : Kỹ Thuật Điện - Điện Tử Hải Phòng, 12/2016 Người biên soạn :ThS LÊ THÁI HIỆPNgười kiểm duyệt:TS ĐOÀN ĐỨC LỜI CẢM ƠNVĂN THÔNGTS HỒ VĂN PHI TÙNGTS TRƯƠNG MINH TẤNThS THÂN Đầu tiên em xin kính gửi thầy dạy làm việc khoa Kỹ Thuật & Công Nghệ lời chúc sức khỏe Em xin kính chúc tất quý thầy cô thành công nghiệp giáo dục đào tạo lĩnh vực sống Em xin cảm ơn đến tất thầy tận tình dạy bảo em suốt qng đời sinh viên Bình Định, 2014 Em xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến thầy Tồn trực tiếp hướng dẫn, định hướng trình nghiên cứu thực đồ án Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ 1.1 Bài tốn chuyển động khơng gian 2D, 3D 1.1.1 Các thông số chuyển động 1.1.2.Khảo sát chuyển động tọa độ Đề Các 1.1.2.1 Vận tốc chuyển động điểm 1.1.2.2 Gia tốc điểm 1.2 Các dạng điều khiển điều khiển máy CNC 1.2.1 Hệ thống điều khiển chu trình hở 1.2.2 Bộ điều khiển chu trình nửa kín 1.2.3 Điều khiển chu trình kín (closed loop system) 1.2.4 Các dạng điều khiển điều khiển số 1.2.4.1 Điều khiển điểm điểm 1.2.4.2 Điều khiển đoạn hay đường thẳng 1.2.4.3 Điều khiển theo biên dạng 1.3 Nội suy điều khiển số máy CNC 10 1.4 Các điều khiển máy CNC mini ngày 12 1.4.1 Bộ điều khiển CNC cầm tay 12 1.4.2 Bộ điều khiển MẠCH 13 1.4.3 Bộ điều khiển Arduino GRBL 14 1.5 Kết luận chương 14 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ VÀ ĐỘNG LỰC 15 2.1 Hệ tọa độ máy CNC 15 2.1.1 Phương án máy CNC đứng 16 2.1.2 Máy CNC nằm ngang 17 2.2 Thiết kế hệ truyền động 18 2.2.1 Động 18 2.2.1.1 Động bước 18 2.2.1.2 Động sevor 19 2.2.1.3 Chọn Driver điều khiển động bước 20 2.2.2 Bộ truyền động 21 2.2.2.1 Bộ truyền vít me – đai ốc 21 2.2.2.2 Bộ truyển vít me – đai ốc bi 22 2.2.3 Cơ cấu dẫn hướng cho chuyển động chạy dao trục 22 2.2.3.1 Giới thiệu sóng trượt 22 2.2.3.2 Giới thiệu sóng lăn 22 2.2.3.3 Chọn cấu dẫn hướng 23 2.2.4 Động trục 23 2.2.5 Nối trục động trục vít me 25 2.3 Thiết kế tín hiệu đo đếm 25 2.3.1 Encoder 25 2.3.2 Thước quang 27 2.4 Kết luận chương 28 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY CNC 29 3.1 Phân tích thiết kế mạch điều khiển 29 3.1.1 Phân tích lựa chọn vi điều khiển sử dụng điều khiển máy CNC mini 29 3.1.2 Thiết kế công giao tiếp máy tính thơng qua chuẩn truyển thơng UART 32 3.1.3 Kết nối mạch điều khiển với driver động bước 33 3.1.4 Thiết kế cảm biến giới hạn hành trình 35 3.1.5 Thiết kế mạch điều khiển động trục 35 3.1.5.1 Mạch điều khiển động Relay 36 3.1.5.2 Mạch điều khiển động dùng Transitor 36 3.2 Xây dựng chương trình Hardware vi điều khiển 37 3.2.1 Phương pháp điều khiển động bước 37 3.2.1.1 Điều khiển trực tiếp 37 3.2.1.2 Điều khiển driver 39 3.2.1.3 Thuật toán điều khiển động bước trục 39 3.2.2 Phương pháp điều khiển tốc độ động trục 40 3.2.3 Thuật tốn truyền nhận liệu máy tính vi điều khiển 41 3.3 Xây dựng Software máy tính 43 3.3.1 Cấu trúc chương trình máy CNC 43 3.3.2 Nội suy tuyến tính 45 3.3.2.1 Thuật tốn nội suy tuyến tính 45 3.3.2.2 Mơ thuật tốn nội suy tuyến tính matlab 47 3.3.3 Nội suy cung tròn 49 3.3.4 Xây dựng chương trình biên dịch Gcode Software 53 3.4 Kết luận chương 56 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 57 4.1 Bài toán thực nghiệm 57 4.2 Kết mô 59 4.3 Kết thực nghiệm 63 4.4 Tính tốn chi phí 65 4.5 Kết luận chương 67 KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT 3.4 Kết luận chương Chương giải vấn đề sau: + Thiết kế mạch điều khiển cho máy CNC gồm có mạch điều khiển động trục chính, mạch điều khiển động dẫn động, mạch giới hạn hành trình + Phân tích xây dựng phương án thuật toán điều khiển tối ưu động dẫn động điều khiển tốc độ động trục vi điều khiển Atmega328 + Xây dựng chương trình Software máy tính có khả điều khiển máy chạy theo đường thẳng cung tròn có xét đến lượng ăn dao Tuy nhiên chưa đạt kết máy CNC thị trường: + Chưa đảo chiều quay động phương án đề xuất dùng mạch cầu H + Mạch điều khiển chưa giao tiếp với biến tần phương án đề xuất dùng IC LM317 tạo điện áp 0-10V + Software đơn giản đọc file *nc 58 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 4.1 Bài toán thực nghiệm Sau lắp ráp hồn tất phần khí mạch điều khiển ta tiến hành chạy thử nghiệm máy Hình 4.1: Máy CNC 3D mini + Bước đầu ta cắm cáp điều khiển vào máy tính bật giao diện điều khiển chọn cổng com kết nối với máy CNC Tiến hành cài đặt vài thông số máy software bước vít me, bước góc động bước, độ phân giải drive, tốc độ ăn dao động bước, tốc độ quay động trục chính, chiều cao phơi… Hình 4.2: Cài đặt thơng số máy + Khi mạch điều khiển mạch công suất cấp điện máy tự động reset đưa đầu dao vị trí tọa độ độ gốc, ta thấy động gặp cơng tắt hành trình dừng lại Khi động chạm cơng tắt hành trình nhìn lên giao diện điều khiển ta thấy bảng thông báo “Thiết bị kết nối thành công” 59 + Ta tiến hành nạp file Gcode lập trình tay tạo từ phần mềm Inkscap vào máy Sau ta tiến hành chỉnh sửa nhấn vào Start Software để bắt đầu đọc biên dịch điều khiển máy + Trong trình gia cơng ta tạm dừng máy, hay tăng giảm tốc độ gia công trực tiếp từ giao diện điều khiển Nếu máy gặp cố trình vận hành giới hạn hành trình máy dừng làm việc báo cáo vị trí gặp cố âm hình ảnh + Kết thúc q trình gia cơng máy tự động nâng trục Z lên tự động báo cho người sử dụng qua âm hình ảnh Software Bài tốn thực nghiệm đặt kiểm tra xem máy tính vi điều khiển giao tiếp với hay chưa + Kiểm tra máy chạy đường thẳng, đường chéo với lệnh G00 G01 + Kiểm tra máy chạy cung tròn theo chiều kim đồng hồ ngược chiều kim đồng hồ với lệnh G02 G03 + Kiểm tra tốc độ động dẫn động tốc độ động trục + Kiểm tra độ xác 4.2 Kết mô Để thực mô ta xác định dạng liệu máy CNC kết Hình 4.3 60 Hình 4.3: Các dạng liệu máy CNC Ta tiến hành mô cách kiểm tra liệu ASCII nhận vi điều khiển có giống với mã ASCII gửi từ máy tính hay khơng cách sử dụng phần mềm trung gian Realterm Giả sử máy tính cần gửi cho vi điều khiển số xung chiều trục sau: +Trục X = -8 xung, trục Y= +6 xung, trục Z =-7 xung + Số lần lăp lại: L = 100 Để cho máy tính vi điều khiển hiểu nhau, chúng cần truyền cho byte Bảng 4.1 Bảng 4.1: Mã ASCII giao tiếp máy tính vi điều khiển Máy tính VĐK ? X - h Y + h Z - h L 0 h S * / * / / * / / / / / / / / * 61 / / * # Nếu ta kiểm tra giao tiếp Software phần mềm Realterm qua cổng COM ảo đạt kết liệu hàng Bảng 4.1 tức Software máy tính hoạt động thuật tốn.Tiến hành mơ ta kết Hình 4.4 nhìn vào kết ta thấy Software máy tính hoạt động tốt Hình 4.4: Mô Software công cụ Realterm Tương tự ta tiến hành mô truyền nhận liệu vi điều khiển AT328 proteus với phần mềm Realterm kết giống hàng thuộc (Bảng 4.1) Hardware vi điều khiển hoạt động yêu cầu Nhìn vào kết mơ Hình 4.4 Hình 4.5 ta kết luận máy tính vi điều khiển truyền nhận liệu cho nhau, liệu mã ASCII chuyển đổi từ số lượng xung chiều trục Hình 4.5: Mô Hardware công cụ Realterm Sau nhận liệu từ máy tính vi điều khiển tiến hành tính tốn ghép byte liệu thành số xung ban đầu tiến hành phát xung điều khiển động Để đảm bảo vi điều khiển phát số lượng xung từ máy tính gửi xuống ta tiến 62 hành đếm số xung đầu trục vi điều khiển Nếu số xung đo với số xung ban đầu tức vi điều khiển phát xung Ta tiến hành mô với số lượng xung số lần lặp trên, tức phát trục X= 800 xung, trục Y= 600 xung truc Z= 700 xung Để xây dựng phần mô phương án đề sử dụng phần mềm proteus Ta sử dụng chip Atmega 328 tích hợp boar arduino R3 Chip thứ nạp chương trình điều khiển máy CNC, chip thứ làm nhiệm vụ đếm số xung trục phát từ chip thứ ngắt hiển thị số xung đếm lên hình LCD 1602 Kết đo đạt chân phát xung điều khiển trục X= 800 xung, trục Y= 600 xung trục Z= 700 xung Hình 4.6 Như số xung đo hoàn toàn trùng khớp với số xung gửi từ máy tính Hình 4.6: Mơ phát xung phần mềm proteus Trong q trình gia cơng tùy thuộc vào vật liệu có tốc độ điều khiển động trục khác Để kiểm tra mạch có khả điều khiển tốc độ hay không ta mô chân phát xung PWM điều khiển động trục 63 cơng cụ oscilloscope proteus với cấp tốc độ 4000v/p, 8000v/p, 12000v/p 15000v/p kết độ rộng xung Hình 4.7 Như vậy, mạch điều khiển có khả điều khiển cấp tốc độ động trục theo phương trình: V = n * Vmin Với (n=N n * Vmin