cnc vẽ mạch in 0429

Máy công cụ điều khiển số hiện đạimáy CNC là các thiết bị điển hình cho sản xuất tự động, đặc trưng cho ngành cơ khí tự động.Vậy để làm chủ được công nghê cần làm chủ được các thiết bị q

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 4

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 5

1.1 Giới thiệu sơ lược về ý tưởng – lý do chọn đề tài : 5

1.2 Khái niệm máy CNC và giới thiệu về máy CNC vẽ mạch in 5

1.2.1 Tổng quan về máy CNC, đặt vấn đề 5

1.2.2 Khái niệm máy CNC 6

1.3 Tổng quan về máy CNC trong và ngoài nước 7

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 7

1.3.2 Các máy móc và sản phẩm tương tự 8

1.3.3 Mục đích nghiên cứu 8

1.3.4 Mô tả đề tài: Thiết kế mô hình máy CNC vẽ mạch in 8

1.3.5 Phân loại mô hình máy CNC 9

1.3.6 Các đặc trưng của máy CNC vẽ mạch in 10

1.3.7 Ứng dụng 10

1.3.8 Hướng giải quyết 10

1.3.9 Những yêu cầu chung của mô hình máy CNC 10

PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH MÁY THIẾT KẾ MÁY 11

2.1 Yêu cầu thiết kế hệ thống 11

2.1 Tổng quan về kỹ thuật điều khiển số 11

2.1.1 Các định nghĩa cơ bản về điều khiển số 11

2.1.2 Phương pháp truyền thông tin đầu vào 13

2.1.3 Ưu nhược điểm của máy điều khiển số 13

2.2.4 Phân loại theo cấu trúc điều khiển 13

2.2.5 Phân loại kiểu điều khiển 13

2.2 Nhiệm vụ của máy thiết kế 15

2.3 Nguyên lý hoạt động của máy 15

2.4 Các thành phần chính của máy 16

2.4.1 Phần điều khiển 16

2.4.2 Phần chấp hành 16

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH CỦA MÁY 18

3.1 Phân tích, chọn phương án, kích thước và quy mô của mô 18

3.1.1 Phân tích chọn phương án 18

3.1.2.Kích thước và quy mô của mô hình 18

3.2 Tính toán thiết kế các thành phần của máy 19

3.2.1 Cơ cấu dẫn hướng 19

3.2.2 Cơ cấu truyền động 20

3.2.3 Các loại động cơ sử dụng 21

3.2.3 Tính toán động cơ cho cơ cấu xoay phôi .29

3.2.4 Một số linh kiện khác cần sử dụng trong chế tạo máy cnc vẽ mạch in 30

3.3 Bản vẽ tổng thể và mô hình thực tế 31

THIẾT KẾ PHẦN ĐIỀU KHIỂN 32

4.1 Yêu cầu hoạt động tự động của máy 32

4.2 Các thành phần của hệ thống 32

4.3 Phân tích chọn lựa phương án điều khiển 33

4.4 Thiết kế điều khiển và kết nối máy tính 34

4.5 Giới thiệu về phần điều khiển 34

4.5.1 Giới thiệu về Arduino 34

4.4.4 Module điều khiển CNC Shield V3 40

4.4.5 Driver điều khiển động cơ bước A4988 40

4.5 Xác định, sơ đồ nối dây 41

4.6 Các phần mềm cần dùng 42

4.6.1 Phần mềm tạo file mạch in 42

4.6.2 Phần mềm tạo G-code 42

4.6.3 Chương trình điều khiển máy CNC ( Universal Gcode Sender 1.0.8) 42

4.7 Chương trình điều khiển: 43

4.7.1 Đoạn chương trình điều khiển giao tiếp giữa máy vi tính và máy CNC 43

4.7.2 Chương trình điều khiển chuyển động bàn xoay phôi 51

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển, vì vậy việc ứng dụng các kỹthuật tiên tiến vào sản xuất nhằm tạo ra những sản phẩm có năng suất, chất lượng cao,

mà giá thành chấp nhận được ngày càng trở nên cần thiết, đặc biệt đối với những nướcđang phát triển như Việt nam Đóng góp vào sự phát triển nhanh chóng của khoa họccông nghệ trong thời gian gần đây, tự động hoá sản xuất có vai trò rất quan trọng.Nhận thức được điều này, trong chiến lược công nghiệp hoá và hiện đại hoá nền kinh

tế, công nghệ tự động được ưu tiên đầu tư phát triển

Ở các nước có nền công nghiệp phát triển, tự động hoá các ngành kinh tế kỹ thuậttrong đó có cơ-điện tử đã được thực hiện từ những năm trước đây Một trong nhữngvấn đề quyết định của tự động hoá ngành cơ khí chế tạo là kĩ thuật điều khiển số vàcông nghệ trên các máy điều khiển số

Các máy công cụ điều khiển số được dùng phổ biến ở nước phát triển như NC vàCNC trong những năm gần đây đã được nhập vào Việt nam và được sử dụng rộng rãitại các viện nghiên cứu và các công ty liên doanh Máy công cụ điều khiển số hiện đại(máy CNC) là các thiết bị điển hình cho sản xuất tự động, đặc trưng cho ngành cơ khí

tự động.Vậy để làm chủ được công nghê cần làm chủ được các thiết bị quan trọng vàđiển hình

Trong đề tài đồ án tổng hợp Cơ Điện Tử, mục tiêu trước tiên mà em hướng tới là chếtạo được mô hình máy CNC vẽ mạch in PCB hoạt động ổn định với sai số nhỏ, sau đóchúng em hướng tới khắc phục dao động, sai số và nâng cao tính tự động của máy nhưkhả năng thay dao tự động, hệ thống cấp phôi tự động Tuy nhiên do kinh nghiệm cònhạn chế và thời gian thực hiện có hạn, nên đồ án của em còn những thiếu xót, và mụctiêu ổn định dao động và thiết kế modun thay dao tự động và hệ thống cấp phôi tựđộng chúng em chưa thể hoàn thiện.Chúng em mong nhận được những ý kiến đónggóp của các thầy cô để hoàn thiện hơn để tài

Chúng em xin chân thành cảm ơn! Đặc biệt, cảm ơn thầy Nguyễn Thế Tranh đã tận

tình hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành đồ án này!

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Đà Nẵng, ngày tháng năm2018

Giáo viên hướng dẫn

Thầy Nguyễn Thế Tranh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu sơ lược về ý tưởng – lý do chọn đề tài :

Với thời đại phát triển ngày nay , đứng trước thời kì công nghiệp hóa , hiện đạihóa đang diễn ra khắp mọi nơi trên thế giới , từ châu lục nay sang chậu lục kia , từnước kém phát triển cho đến nước phát triển , hiện đại

Với sự phát triển tốc độ đó , thì máy móc ngày càng được sử dụng nhiều trongsản xuất , đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa , đang diễn ra với tốc độ mạnh mẽ , cùngvới đó là sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất côngnghiệp

Với máy CNC thì các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng,các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác docon người thực hiện được giảm thiểu

Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sựphát triển đáng kể về chính xác và chất lượng Kỹ thuật tự động của CNC giảm thiểucác sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các công việc khác Ngoài ra còncho phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máymóc để sản xuất các linh kiện khác

Trong môi trường sản xuất, một loạt các máy CNC kết hợp thành một tổ hợp,

gọi là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận Máy CNC ngày nay được

điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM, vì thế một bộ phận hay lắp ráp

có thể trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần các bản vẽ in của từng chi tiết

Có thể nói CNC là các phân đoạn của các hệ thống robot công nghiệp, tức là chúngđược thiết kế để thực hiện nhiều thao tác sản xuất (trong tầm giới hạn)

Dựa trên các ưu điểm của máy CNC cùng với sự phát trển của ngành côngnghiệp chế tạo, chúng em quyết định nguyên cứu thiết kế và chế tạo mô hình máyphay CNC loại nhỏ với các chức năng cơ bản của một máy CNC dựa trên những kiếnthức đã được học và nghiên cứu tại trường

1.2 Khái niệm máy CNC và giới thiệu về máy CNC vẽ mạch in

1.2.1 Tổng quan về máy CNC, đặt vấn đề

Tự động hóa quá trình sản xuất là một trong những yêu cầu bức xúc hiện nayđối với các doanh nghiệp sản xuất trong và ngoài nước ở hầu hết các lĩnh vực.Đối với lĩnh vực sản xuất cơ khí thì đây cũng là một trong những yêu cầu cấpthiết nhằm tiến đến “tăng năng suất, nâng cao chất lượng, hạ giá thành sảnphẩm”

Nhiều doanh nghiệp đã và đang đầu tư để đổi mới công nghệ, ứng dụng công nghệcao, công nghệ tiên tiến trong sản xuất Tuy nhiên, do hạn chế về khả năng tự nghiên

cứu công nghệ mới, năng lực vốn đầu tư gặp có nhiều khó khăn… dẫn đến chậm đổimới công nghệ.

Hiện nay nhu cầu về máy CNC phục vụ công nghiệp và các ngành sản xuấtkhác là rất lớn, doanh nghiệp thiết kế máy trong nước chỉ đáp ứng một phần nhỏ Chủyếu là nhập khẩu máy CNC mới từ nước ngoài về hay nhập máy cũ (seconhand) về

Đối với quá trình khắc CNC thì việc tiếp xúc trực tiếp tại chỗ làm việc là cực kỳtốn thời gian mất an toàn và ảnh hưởng tới sức khỏe: môi trường bị ô nhiễm nặng (bột

gỗ, …) nguy hiểm cho mắt, da, phổi…Tai nạn lao động nhiều, tốn thời gian rất nhiều

để hoàn thành xong một sản phẩm …Nên điều khiển gián tiếp là biện pháp hiệu quảnhất Máy sẽ được đặt trong môi trường kín sẽ đảm bảo an toàn lao động cho côngnhân

Trong tình hình hội nhập với nền kinh tế thế giới cùng với sự cạnh tranh gắt gao

từ các nhà sản xuất nước ngoài Điều này đòi hỏi các nhà sản xuất trong nước cần phảinâng cao năng lực cạnh tranh của sản phẩm hơn nữa bằng cách cải tiến và đầu tư máymóc, trang thiết bị an toàn, bảo vệ sức khỏe công nhân để phục vụ sản xuất Đặc biệt làtrong tình hình lao động hiện nay, nguồn lao động có tay nghề trong ngành cơ khíđang thiếu hụt trầm trọng Chính vì điều này mà hiện nay vấn đề đặt ra là: để phát triểnngành sản suất cơ khí trong nước thì việc trang bị các máy móc tự động phục vụ mộtphần cho công việc trong quá trình sản xuất là vô cùng quan trọng

Ngoài các lý do như trên thì việc thiết kế, chế tạo và sử dụng thiết bị CNC còn

là tiền đề cho việc phát triển lĩnh vức cơ khí tự động hóa trong sản xuất Hưởng ứngphong trào thiết kế máy CNC phục vụ trong nước của nước ta

1.2.2 Khái niệm máy CNC

CNC (Computer Numerical Control) xuất hiện vào khoảng đầu thập niên 1970khi máy tính bắt đầu được dùng ở các hệ điều khiển máy công cụ thay cho NC,Numerical Control (Điều khiển số ) CNC đề cập đến việc điều khiển bằng máy tínhcác máy móc với mục đích sản xuất( có tính lặp lại) các bộ phận kim khí( hay các vậtliệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệttheo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi mã G CNC được phát triển cuối thập niên

1940 đầu thập niên 1950 ở trong phòng thí nghiệm Servomechanism của trường MIT.Trước khoảng thời gian này, các chương trình NC thường phải được mã hoá và xử lýtrên các băng đục lỗ, hệ điều khiển các trục máy chuyển động Cách này đã cho thâýnhiều bất tiện, chẳng hạn khi sửa chữa, hiệu chỉnh chương trình, băng chóng mòn, khólưu trữ, truyền tải, dung lượng bé Hệ điều khiển CNC khắc phục các nhược điểm trênnhờ khả năng điều khiển máy bằng cách đọc hàng loạt ngàn bit thông tin được lưu trữtrong bộ nhớ, cho phép giao tiếp, truyền tải và xử lý, điều khiển các quá trình một cáchnhanh chóng, chính xác

Hình 1.1 Máy CNC dùng trong công nghiệp

Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất côngnghiệp Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phứctạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác do con người thựchiện được giảm thiểu Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máyCNC tạo nên sự phát triển đáng kể về chính xác và chất lượng Kĩ thuật tự động củaCNC giảm thiểu các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các công việckhác Ngoài ra còn cho phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cầnthiết cho thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác Trong môi trường sản xuất,với nhiều loại máy CNC được ra đời nhầm đáp ứng nhu cầu của thị trường và trong đó

có máy khắc gỗ CNC, nhầm đáp ứng về việc gia công gỗ một cách hiệu quả và chínhxác

1.3 Tổng quan về máy CNC trong và ngoài nước

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Có thể phân loại các máy CNC như sau:

- Các máy CNC dùng để cắt gọt kim loại bằng dụng cụ cắt (theo công nghệ truyềnthống): máy vẽ CNC, máy tiện CNC, các trung tâm tiện và vẽ CNC, máy mài CNC

- Các máy CNC dùng để gia công theo công nghệ phi truyền thống: máy xung tia lửađiện, máy cắt dây tia lửa điện, máy cắt bằng Plasma, cắt bằng Laser, máy tạo mẫunhanh RP - Các máy CNC dùng để gia công biến dạng bằng áp lực: máy đột tự độngtheo chương trình, máy cán, máy ép, máy dập điều khiển số

- Các máy CNC chuyên dụng phục vụ cho các ngành công nghiệp sản xuất hàng loạthoặc đặc biệt: sản xuất phụ tùng ô tô, đồ tiêu dùng, sản xuất vũ khí, hoá chất độc

hại,…

- Các máy CNC chuyên dụng phục vụ cho các ngành công nghiệp sản xuất hàng loạthoặc đặc biệt: sản xuất phụ tùng ô tô, đồ tiêu dùng, sản xuất vũ khí, hoá chất độc

hại,…

- Các lĩnh vực ứng dụng của máy CNC và các sản phẩm do máy CNC tạo ra: - MáyCNC dùng để chế tạo ra các máy móc, thiết bị và dây chuyền sản xuất phục vụ toàn bộcác ngành kinh tế khác như: công nghiệp nặng (đóng tàu, khai thác mỏ, điện, dầu khí,thiết bị vận chuyển như ô tô, tàu hoả,…), công nghiệp nhẹ (dệt may, đóng giày, thựcphẩm,…), công nghiệp quốc phòng (dây chuyền sản xuất vũ khí, thuốc nổ,…)

1.3.2 Các máy móc và sản phẩm tương tự

Máy vẽ, máy tiện trong công nghiệp

Máy điêu khắc gỗ CNC 3 trục, 4 trục, 5 trục, máy tiện

Máy khắc laser, máy in 3D

1.3.3 Mục đích nghiên cứu

Với đề tài “Thiết kế, chế tạo mô hình máy CNC vẽ mạch in” người nghiên

cứu thể hiện với các mục đích sau:

Đổi mới công nghệ, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong việc giacông mạch in trong ngành cơ điện tử chúng ta

Nghiên cứu tính toán , thiết kế và chế tạo theo hướng đơn giản hóa các kết cấu,thu nhỏ các kích thước của những máy để tạo thành một máy mới có có giá thành hạ,kết cấu đơn giản, dễ vận hành, dễ thao tác và di chuyển từ nơi làm việc này đến nơilàm việc khác Loại máy vẽ mạch in này có kết cấu tương tự như thiết bị cắt tự hànhnhưng có thể di chuyển bút vẽ đến tọa độ bất kì trên board đồng để tạo thành cácđường mạch với kích thước khác nhau

Hệ thống điều có giao diện đẹp mắt, hoạt động rất đơn giản và thuận tiện Bộnhớ xử lý ổn định có thể tạo ra các dạng mạch in đơn giản Đồng thời cũng góp phầnphát triển ngành công nghệ tự động của nước nhà

1.3.4 Mô tả đề tài: Thiết kế mô hình máy CNC vẽ mạch in

Hình 1.2 Mô hình máy CNC mini

Trước đây việc tạo ra một mạch in phải trải qua nhiều bước mới có thể có đượcmột mạch in hoàn chỉnh,vừa tốn thời gian, công sức mà hiệu quả lại thấp Còn nhữngmạch in phức tạp thì hiệu quả đạt được lại rất thấp Với những đòi hỏi của công nghệ,

để đáp ứng được nhu cầu của thị trường, máy CNC vẽ mạch in là bước tiến mới để giảiquyết những vấn đề đó

Với máy CNC vẽ mạch in không chỉ giải quyết được những khó khăn đó, mà nócòn là lựa chọn tối ưu nhất trong ngành cơ điện tử chúng ta và các ngành khác Đặcbiệt là CNC vẽ mạch in luôn đạt được độ chính xác cao Nên được mọi người biết đếnnhư một cổ máy giải quyết khó khăn trong việc tạo ra những mạch in cả về số lượnglẫn chất lượng Thấy được tầm quan trọng đó, nên chúng em đã ra sức tìm hiểu và cố

gắng “Thiết kế chế tạo mô hình máy CNC vẽ mạch in” được nhóm thực hiện để đáp

ứng một phần nào đó của công nghệ hiện nay

Ưu điểm của máy CNC vẽ mạch in:

- Vẽ được những mạch in một cách chính xác

- Quy hoạch thời gian sản xuất tốt hơn

- Tính linh hoạt cao hơn

- Tiết kiệm chi phí, giảm thời gian gia công mạch in

- Nâng cao năng suất

- So với các máy công cụ điều khiển bằng tay, sản phẩm từ máy CNC khôngphụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung chương trìnhđược đưa vào máy Người điều khiển chỉ chủ yếu là theo dõi kiểm tra các chức nănghoạt động của máy

- Ít phải dừng máy vì kỹ thuật, do đó chi phí do dừng máy nhỏ

- Tiêu hao do kiểm tra ít, giá thành đo kiểm giảm

- Thời gian hiệu chỉnh máy nhỏ

Nhược điểm:

- Không thể vẽ được những mạch in quá phức tạp

- Giá thành, chi phí bảo dưỡng sửa chữa cao; yêu cầu trình độ hiểu biết sâu đểvận hành và bảo quản máy

1.3.5 Phân loại mô hình máy CNC

Các loại máy CNC được phân loại theo hai tiêu chí:

Phân loại theo mục đích:

Máy tiện CNC

Máy phay CNC

Máy khắc CNC

Phân loại theo số trục :

Có các loại máy tiện/phay 3 trục, 4 trục , 6 trục, 8 trục,…

1.3.6 Các đặc trưng của máy CNC vẽ mạch in

Tính năng tự động cao: Máy CNC vẽ mạch in có năng suất cao và giảm được

tối đa thời gian, do mức độ tự động được nâng cao vượt bậc Tuỳ từng mức độ tựđộng, máy CNC vẽ mạch in có thể thực hiện cùng một lúc nhiều chuyển động khácnhau, hiệu chỉnh sai số dao cụ, tự động kiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự độnghiệu chỉnh sai lệch vị trí tương đối giữa bút vẽ và board đồng, …

Tính năng linh hoạt cao: Chương trình có thể thay đổi dễ dàng và nhanh

chóng, thích ứng với các loại mạch in khác nhau Do đó rút ngắn được thời gian phụ

và thời gian chuẩn bị sản xuất, tạo điều kiện thuận lơi cho việc tự động hóa sản xuấthàng loạt nhỏ Bất cứ lúc nào cũng có thể sản xuất nhanh chóng những chi tiết đã cóchương trình Vì thế, không cần phải sản xuất chi tiết dự trữ, mà chỉ giữ lấy chươngtrình của chi tiết đó Máy CNC vẽ mạch in có thể tạo những chi tiết nhỏ, vừa, phảnứng một cách linh hoạt khi nhiệm vụ công nghệ thay đổi và điều quan trọng nhất làviệc lập trình gia công có thể thực hiện ngoài máy, trong các văn phòng có sự hỗ trợcủa kỹ thuật tin học thông qua các thiết bị vi tính, vi sử lý …

Tính năng chính xác, đảm bảo chất lượng cao: Giảm được hư hỏng do sai sót

của con người Đồng thời cũng giảm được cường độ chú ý của con người khi làm việc

Có khả năng vẽ mạch in chính xác hàng loạt Độ chính xác lặp lại, đặc trưng cho mức

độ ổn định trong suốt quá trình vẽ là điểm ưu việt tuyệt đối của máy CNC vẽ mạch in.Máy CNC vẽ mạch in với hệ thống điều khiển khép kín có khả năng vẽ được nhữngmạch in một cách chính xác Những đặc điểm này thuận tiện cho việc tạo ra nhữngmạch in vừa chính xác lại đảm bảo tính thẩm mĩ,bên cạnh đó giảm khả năng tổn thất ởmức thấp nhất

1.3.7 Ứng dụng

- Được sử dụng trong các lĩnh vực của nghành cơ điện tử, điện tử, tự động hóa,

- Tạo ra những mạch in đẹp, nhanh chóng, tiện lợi

1.3.8 Hướng giải quyết

- Tham khảo các tài liệu trên mạng và các mô hình máy khắc CNC để vẽ mô hình máy

- CNC vẽ mạch in

- Sử dụng phần mềm Proteus,Aspire , GRBL, Universal Gcode Sender

- Nghiên cứu kết cấu của các loại máy CNC trên thị trường có tính năng tương tự, cảitiến những khuyết điểm

- Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp và thí nghiệm các mạch điều khiển động cơbước, động cơ Servo, bộ điều khiển chính, cổng truyền thông giao tiếp, gia công toàn

bộ các chi tiết và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình máy CNC vẽ mạch in

- Sử dụng bộ điều khiển để điều khiển máy dịch chuyển theo phương X Y và Z

- Lập trình chạy thử

1.3.9 Những yêu cầu chung của mô hình máy CNC

- Kích thước và trọng lượng của máy không được quá lớn

- Chọn bộ truyền động giúp cho máy có thể hoạt động linh hoạt

CHƯƠNG 2

PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH MÁY THIẾT KẾ MÁY

2.1 Yêu cầu thiết kế hệ thống

Khi tiến hành thiết kế mô hình máy phay CNC , nhóm chúng em đã đặt ra những yêucầu sau :

-Mô hình phải hoạt động ổn định

-Mô hình phải dược điều khiển bởi các phần mềm thông dụng

-Chạy tự động khi kết nối với máy tính

-Có thể đổ chương trình gia công từ máy tính

-Sử dụng các vật tư , thiết bị điện thông dụng để dễ dàng thay thế và sửa chữa -Các bộ phận truyền động kết nối phải đảm bảo đủ cứng vững đồng thời tuổi thọ môhình phải cao

-Thông số kỹ thuật của mô hình:

+Kích thước máy: (dài x cao x rộng)

400mm × 300mm × 290mm (không bao gồm động cơ bước)+Đường kính bàn xoay: D = 190 mm

+Vùng làm việt của máy: 120mm × 70mm × 20mm

+Vật liệu làm khung máy là nhôm định hình 20mm x20mm, tấm nhựa PVC côngnghiệp và các chi tiết nhôm khác

-Máy được sữ dụng để vẽ các mạch in trên bo đồng

2.1 Tổng quan về kỹ thuật điều khiển số

2.1.1 Các định nghĩa cơ bản về điều khiển số

2.1.1.1 Điều khiển số

Điều khiển số (Numerical Control) là một quá trình tự động điều khiển các hoạtđộng của máy dựa trên cơ sở các dữ liệu được mã hóa đặc biệt tạo nên một chươngtrình làm việc của thiết bị hay hệ thống

Hệ thống ĐK số bao gồm 2 loại khâu cơ bản:

+Khâu có bản chất gián đoạn: Các tín hiệu vào/ra/ trạng thái đều giánđoạn về thời gian và về mức Khâu mô tả các thiết bị ĐK digital

+ Khâu có bản chất liên tục: Mô tả đối tượng điều khiển Khi gián đoạnhóa sẽ đưa đến mô hình như hình bên Việc gián đoạn hóa xuất phát từ mô hìnhtrạng thái liên tục của đối tượng

2.1.1.2 Hệ thống điều khiển số

Là hệ thống mà trong đó các hoạt động được điều khiển là dữ liệu số đưa vàotrực tiếp ở một điểm nào đó Hệ thống đó phải tự động dịch chuyển tối thiểu một phầnnào đó của dữ liệu này

Dữ liệu là thông tin cung cấp bởi mã nhị phân Nó được biểu diễn dưới dạng mã

số hoặc ký tự Đây là thông tin cần thiết để tạo ra một chương trình gọi là chương trìnhgia công

Cấu trúc từng phần của hệ thống điều khiển số:

Hình 2.3 Cấu trúc từng phần của hệ thống điều khiển số

Gồm 6 thành phần chính:

1 Chương trình gia công (Part Programe): bao gồm các chỉ thị đã được mã hóa

2 Hệ điều khiển máy (Machine Control Unit - MCU) được chia làm 2 thành phần:

- Đơn vị xử lý dữ liệu (Data Processing Unit – DPU): thực hiện chức năng đọc mãlệnh từ thiết bị nhập dữ liệu, xử lý mã lệnh (giải mã), truyền dữ liệu cho CLU

- Mạch điều khiển (Control Loop Unit – CLU): thực hiện các chức năng nội suychuyển động trên cơ sở các tín hiệu nhận được từ DPU, xuất các tín hiệu điều khiển,nhận các tín hiệu phản hồi, điều khiển các thiết bị phụ trợ

3 Thiết bị đọc chương trình (Programe Unit)

4 Hệ thống truyền động (Drive System): dùng động cơ một chiều, xoay chiều hoặcđộng cơ bước và các bộ truyền cơ khí

5 Máy công cụ

6 Hệ thống phản hồi (Feedback System): gồm 2 thành phần:

- Bộ so sánh: so sánh giá trị thực của biến ra để chấp hành giá trị với biến vào của hệđiều khiển, sai lệch này có thể biến thành tín hiệu điều khiển

- Cảm biến: dùng để đo giá trị thực của biến ra sau đó cung cấp cho bộ so sánh dướidạng tín hiệu, thường là tín hiệu điện

2.1.2 Phương pháp truyền thông tin đầu vào

- Những thông tin cần thiết để gia công một chi tiết nào đó được tập hợp một cách hệthống thành chương trình gia công chi tiết và có thể:

- Thông qua các vật mang tin như băng đục lỗ

- Được soạn thảo và lưu trữ trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ hoặc đĩa CD) và đượcđưa vào hệ điều khiển thông qua cửa nạp tương thích

- Được đưa vào hệ điều khiển số thông qua các nút bấm bằng tay trên bảng điều khiển

- Được chuyển tiếp từ bộ nhớ của máy tính điều hành chủ sang hệ điều khiển số củatừng trạm gia công

2.1.3 Ưu nhược điểm của máy điều khiển số

- Có thể bỏ qua các chi tiết mẫu để chép hình

- Chương trình gia công có thể thay đổi dễ dàng và nhanh chóng nhằm giảm thời gianchuẩn bị sản xuất, tạo điều kiện cho việc sản xuất hàng loạt nhỏ

- Có thể sản xuất chi tiết đã có chương trình Vì vậy không cần phải dự trữ chi tiết màchỉ cần lưu chương trình của chi tiết

- Giảm hư hỏng do sai sót của con người, cải thiện tốc độ gia công và khả năng tậndụng máy

- Dễ dàng điều khiển tập trung toàn bộ quá trình sản xuất của phân xưởng

- Nhược điểm của máy NC là hệ thống điều khiển phức tạp, giá thành đắt Để khắcphục nhược điểm này hiện nay người ta chế tạo những máy NC có mức độ tự độngthấp hơn, độ chính xác vừa phải nhưng hoàn toàn đáp ứng phần lớn các nhu cầu củangành chế tạo máy

2.2.4 Phân loại theo cấu trúc điều khiển

Theo cấu trúc điều khiển ta có thể chia thành hai hệ: NC và CNC

- Hệ NC thực hiện các hàm chức năng cơ bản bằng các mạch điện tử, muốn thay đổicấu trúc điều khiển thì phải thiết kế lại mạch khác, do đó hệ điều khiển NC được gọi là

hệ điều khiển kín Tín hiệu điều khiển trong hệ NC là xung điện áp

- Hệ CNC sử dụng một máy tính để điều khiển máy, các hàm chức năng của máy cóthể được lập trình lại bằng những phần mềm chuyên dụng, khi cần thay đổi cấu trúcđiều khiển chỉ cần thay đổi chương trình, do đó hệ thống CNC mang tính linh hoạt rấtcao và nó là một tế bào không thể thiếu trong hệ thống sản xuất linh hoạt

2.2.5 Phân loại kiểu điều khiển

2.2.5.1 Hệ điều khiển hở

Hệ điều khiển hở là hệ không có mạch phản hồi và kết quả hoạt động của hệkhông được kiểm soát Ví dụ hệ thống điều khiển hở sử dụng động cơ bước:

Hình 2.7- Sơ đồ khối hệ điều khiển hở dùng động cơ bước.

2.2.5.2 Hệ thống điều khiển kín

Hệ thống điều khiển kín là hệ thống có mạch phản hồi Hệ thống phản hồi dùng

để đo vị trí và tốc độ thực tế của trục và so sánh chúng với tốc độ và vị trí yêu cầu Sựkhác nhau giữa giá trị thực và giá trị yêu cầu là sai số, sai số này tác động lên hệ thốngđiều khiển làm cho hệ thống điều khiển tự điều chỉnh lại tín hiệu ở ngõ ra theo hướngsao cho sai số đó giảm xuống

Hình 2.8-Sơ đồ khối hệ điều khiển kín

2.2 Nhiệm vụ của máy thiết kế

Đề tài "“Thiết kế máy CNC vẽ mạch in” được nghiên cứu với các mục đích sau:

- Sự ra đời của đề tài do sự ham thích tìm hiểu về máy CNC, xây đựng được mô hìnhmáy CNC có thể chạy được thông qua sự điều khiển của bộ điều khiển đã thiết kế.Máy được chế tạo có kích thước nhỏ gọn, kết cấu đơn giản, dễ vận hành thao tác, cóthể di chuyển từ nơi này đến nơi khác trong không gian làm việc, máy có khả năng vẽđịnh dạng các đường mạch in đơn giản

- Xây dựng giao diện điều khiển hệ thống đẹp mắt, hoạt động đơn giản và thuận tiện

Đề tài được cho ra đời nhằm mục đích giúp sinh viên có điều kiện tiếp cận nhiều hơnvới máy CNC Ngoài ra nhóm tác giả mong muốn đề tài còn tạo cơ sở cho việc chế tạomột máy CNC hoàn chỉnh, phục cho công tác giảng dạy của nhà trường và của khoa

- Máy thiết kế có thể gia công các vật liệu mềm như gỗ, mica, nhựa, phíp đồng

Vì máy thiết kế có kích thước nhỏ gọn nên chỉ có thể gia công được những chi tiết cókích thước nhỏ Kích thước tối đa của phôi không vượt quá giới hạn dịch chuyền củadao trên bàn máy

2.3 Nguyên lý hoạt động của máy

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý

- Nguyên lý hoạt động của máy như sau: Máy CNC mini 3 trục hoạt động dựa theochuyển động phức hợp theo 3 phương X,Y,Z được điều khiển bằng arduino UNO R3thông qua chương trình điều khiển là Grbl ( hoặc Mach 3).Phôi sẽ được định vị trên

bàn máy, File Gcode sẽ dc nạp vào phần mềm Grbl, bộ xử lý sẽ phân tích code và đưa

ra tin hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành tiến hành gia công trên phôi đã được định vị đểtạo ra sản phẩm các thông số trong quá trình gia công sẽ được người điều khiển thiếtlập trên phần mềm Grbl và sẽ được hiển thị trên màn hình điều khiển (màn hình máytính) trong quá trình gia công chi tiết

+ Cơ cấu điều khiển: mạch điều khiển và mạch công suất có nhiệm vụ nhận tínhiệu từ máy tính, thực hiện các biến đổi cần thiết để điều khiển được cơ cấu chấp hành

và kiểm tra sự hoạt động của cơ cấu chấp hành thông qua các cảm biến liên hệ ngược(công tắc hành trình) Cơ cấu điều khiển gồm: cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ

xử lý tín hiệu, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuếch đại, cơ cấu hành trình, cơ cấu đo vận tốccác thiết bị xuất nhập tín hiệu

2.4.2 Phần chấp hành

Phần chấp hành bao gồm toàn bộ khung máy, bàn máy, các động cơ và các cơcấu chạy dao truyền động trên máy vẽ CNC mini, nó nhận tín hiệu từ bộ driver điềukhiển tạo ra các chuyển động chạy dao đúng như bản vẽ

+ Khung máy: Hình thành kết cấu máy, bộ phân cơ sở để ghép nối các cơ cấuquan trọng khác

+ Bàn máy: Nơi gá đặt, định vi phôi chuẩn bị cho quá trình gia công

+ Động cơ chấp hành: Trong hệ thống máy CNC, ĐCCH đóng một vai trò cực

kì quan trọng, đây là nguồn năng lượng thiết yếu cho sự hoạt động của máy

- Dao cắt là bộ phận trực tiếp tham gia cắt gọt chi tiết

- Bộ truyền động thường sử dụng bộ truyền vít me - đai ốc bi…

Hệ trục tọa độ trên máy CNC

Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công trên máy CNCphải nằm trong hệ tọa độ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải:

+ Đặt ngửa bàn tay phải lên bàn máy với phương chiều các ngón tay như hình

vẽ, chiều ngón giữa là chiều trục Z, ngón trỏ là chiều trục Y, ngón cái là chiều trục X

+ Trong hệ tọa độ này có 6 chuyển động: 3 chuyển động tịnh tiến theo 3 trục và

3 chuyển động quay theo 3 trục

+ Trục Z: tương ứng với trục chính của máy CNC, có chiều dương là chiều màtheo đó khoảng cách giữa bút và chi tiết tăng dần

+ Trục X: là chuyển động tịnh tiến lớn nhất của máy CNC.

Ví dụ: Trên máy vẽ là chuyển động dọc trục, trên máy tiện là chuyển động theophương ngang Cũng tương tự như trục Z, chiều cũng là chiều làm tăng khoảng cáchgiữa dao và chi tiết gia công

+ Trục Y: là trục mà tự nó cùng với hai trục trên làm thành một hệ trục toạ độ

Ví dụ: trên máy vẽ là chuyển động chạy dao ngang Trên máy tiện không cótrục này (cho dạng chi tiết là tròn xoay)

CHƯƠNG 3

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH CỦA MÁY

3.1 Phân tích, chọn phương án, kích thước và quy mô của mô

3.1.1 Phân tích chọn phương án

Mô hình chế tạo cần đáp ứng các yêu cầu sau:

+ Đề tài nghiên cứu chỉ ở mức là mô hình phục vụ cho giảng dạy, học tập.+ Đảm bảo độ cứng vững cũng như kích thước đơn giản của máy

+ Dễ chế tạo trên các mô hình cũ sẵn có

Trong phương án này, bàn máy đứng yên, đầu máy thực hiện chuyển động chạydao theo 3 phương X, Y, Z nhờ các động cơ riêng lẻ

+ Độ cứng vững của máy không cao

+ Khó mở rộng phạm vi hoạt động của bàn máy

3.1.2.Kích thước và quy mô của mô hình

Theo phương án chế tạo đã đặt ra, chúng em dự kiến thiết kế máy có kích thướcnhư sau:

- Chiều cao máy: 300mm

- Chiều dài máy: 400mm

- Chiều rộng máy: 290mm

3.2 Tính toán thiết kế các thành phần của máy

Tác dụng, yêu cầu của khung máy

+ Khung máy là một bộ phận cấu thành nên máy hoàn chỉnh Chính vì thếkhung máy có kết cấu rất phức tạp với nhiều gân, gờ, lỗ được bố trí trong không gian

+ Mặt khác khung máy còn là một chi tiết quan trọng của máy, độ chính xác,cứng vững của nó còn ảnh hưởng rất lớn đến quá trình làm việc và độ chính xác giacông Do đó khung máy phải thỏa những yêu cầu sau: Đảm bảo đầy đủ độ cứng vữngkhi máy chạy và độ giảm chấn

Do kiến thức về gia công cơ khí còn hạn chế và để đảm bảo chi phí chế tạo máyphù hợp với điều kiện kinh tế của bản thân nên chúng em quyết định chọn vật liệu làmkhung máy bằng nhôm định hình với các lý do sau:

+ Vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm

+ Dễ gia công, chế tạo

+ Dễ gá lắp, chỉnh sửa

3.2.1 Cơ cấu dẫn hướng

-Bi trượt

- Trục trơn

- Trong mô hình máy CNC, sau khi cân nhắc tác giả quyết định chọn giải pháp dùngvòng bi kết hợp với ống trụ tròn để làm bộ phận dẫn hướng cho chuyển động chạy daotheo 3 trục của máy vì:

+ Thông dụng, dễ kiếm

+ Dễ tháo lắp, kết cấu đơn giản

+ Ma sát nhỏ

+ Đảm bảo được yêu cầu thiết kế

- Tuy cơ cấu có độ chính xác cao, ma sát thấp nhưng giá thành lại khá cao

3.2.2 Cơ cấu truyền động

- Do kinh phí chế tạo máy nhỏ nên nhóm không thể dùng vít me bi để đảm bảo độchính xác cao mà lựa chọn giải pháp dùng vitme đai ốc thường

-Vít me được gắn đồng trục với động cơ, khi động cơ quay , vít me quay, động cơ vàvít me gắn cố định, làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vít me Đai ốc thì đượcgắn chặt vào bộ phận cần chuyển động ( trục X, Y ,Z) Từ đó làm cho bộ phận đóchuyển động so với hệ thống thanh trượt , động cơ và cơ cấu truyền động

-Tốc độ di chuyển được phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vít,

thường thì bước ren rất nhỏ cỡ 1 đến 2 mm, một vòng quay của trục động cơ sẽ làmđai ốc di chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít , vì vậy tốc độ di chuyển của bộphận trượt ở phương pháp này là chậm nhưng lại có độ chính xác khi chuyển động khácao.Dùng động cơ bước có bước góc càng nhỏ và trục ren có bước ren nhỏ thì độchính xác di chuyển càng cao

-Ưu điểm của loại vitme này là giá thành rẻ, sai số ở mức cho phép, đảm bảo được độbền và ổn định

- Thông số bộ truyền vitme – đai ốc được chọn như sau:

+ Không có hiện tượng tự quay, tự hãm khi ngắt tín hiệu điều khiển.

+ Làm việc ổn định trong dãy tốc độ làm việc

+ Tác động nhanh

+ Công suất điều khiển nhỏ

+ Dễ điều khiển vô cấp

+ Dãy điều khiển tốc độ rộng

- Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơmột chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ

- Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên

có độ chính xác rất cao về mặtđiều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyểnmạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định.Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay vàtốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

- Lựa chọn động cơ bước, cần xem xét các tham số sau:

+ Tốc độ hoạt động (bước/giây)

+ Mômen xoắn

+ Mômen quán tính

+ Góc bước yêu cầu

+ Thời gian để tăng tốc (ms)

+ Thời gian để giảm tốc (ms)

+ Kiểu truyền động được sử dụng

+ Kích thước và trọng lượng

b) Nguyên lý hoạt động của động cơ bước

Hình sau mô tả hoạt động của động cơ bước đơn giản

Trong hình 3a dòng điện đưa vào cực /C và chạy ra ở C, do đó tạo ra lực từ giữ động

cơ ở vị trí như hình 3a) Sau đó, chúng ta tắt dòng điện này đi và chuyển sang cặp /A

và A, như vậy động cơ sẽ bị xoay về vị trí mới do lực từ thay đổi hướng.Sau đó đếncặp B và /B Như vậy, bằng cách tạo các dòng điện chạy qua các cuộn dây, ta đã làmxoay roto theo chiều mong muốn mỗi lần quay một bước khoảng cách giữa hai cuộndây sát nhau Như vậy nếu ta đặt các cuộn dây càng sát nhau thì ta có độ phân giảicàng cao, các động cơ trong thực tế có thể đạt tới độ phân giải góc 1.8 độ

c) Tính toán lựa chọn động cơ bước:

- Thông số tính toán động cơ bước trên trục Y

+ Hệ số má sát của giá dẫn hướng μ=0,12

+ Momen quán tính do khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ:

+ Khối lượng tải: = 1 kg

+ Hệ số má sát của giá dẫn hướng: μ = 0,12

= .

= ,

= 2250 vòng/phút+ Momen xoắn do khối lượng tải tác dụng lên trục động cơ

+ Momen quán tính do khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ:

= ( ) = 1.( , ) = 1,6.10 kg

+ Momen xoắn do khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ

= J = J .. = 1,6.10 , , = 1,9.10 Nm

+ Momen xoắn do ma sát của thanh dẫn hướng tác động lên trục động cơ:

= μ.m.g = ,

0,12.1 9,8= 1,5.10 Nm+ Momen tổng cộng tác dụng lên trục động cơ:

T =( + ) Sf= (1,9.10 +1,5.10 ).3=0,01 Nm

+ Công suất làm việc của động cơ:

=T =0,01 2250 = 2,36 W

- Thông số tính toám động cơ bước trên trục Z

+ Hệ số má sát của giá dẫn hướng: μ=0,12

= .

= ,

=2250 vòng/phút+ Momen xoắn do khối lượng tải tác dụng lên trục động cơ

+ Momen quán tính do khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ:

= ( ) = 1,6.( , ) = 2,59.10 kg

+ Momen xoắn do khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ

=J = J .. = 2,56.10 , , = 3,06.10 Nm