Đồ án nghiên cứu và thiết kế máy CNC

nghiên cứu chế tạo máy CNC mini để phục vụ nhu cầu học tập như phay, khoan mạch in cũng như là phay trên các chất liệu khác như là mica, gỗ, alu,... Ngoài việc tạo ra các mạch in thì máy còn có thể phay các hình nhỏ để làm đồ lưu niệm ..vv..

CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 1.1 KHÁI NIỆM CNC ( computer numerical control ) dạng máy NC điều khiển tự động có trợ giúp máy tính , mà phận tự động lập tình để hoạt động theo kiện tiếp nối với tốc độ xác định trước để tạo mẫu vật với hình dạng kích thuớc u cầu Hình 1.1 Hình ảnh máy CNC thực tế 1.2 PHÂN LOẠI Các máy CNC phần chia theo loại theo hệ thống điều khiển: Theo loại máy tương tự máy công cụ truyền thống , chia loại máy khoan CNC , máy phay CNC , máy tiện CNC…và trung tâm gia công CNC Các trung tâm CNC có khả thực gia công nhiều loại bề mặt sử dụng nhiều loại dụng cụ khác Phân chia theo hệ điều khiển phân loại: Các máy điều khiển điểm tới điểm Ví dụ máy khoan, khoét, máy hàn điểm, máy đột, dập… Các máy điều khiển đoạn thẳng : máy có khả gia cơng qua trình thực dịch chuyển theo trục Các máy điều khiển đường : bao gồm máy Máy 2D Máy 3D Điều khiển 2D1/2 Điều khiển 4D , 5D 1.3 ƯU ĐIỂM CƠ BẢN CỦA MÁY CNC So với máy điều khiển công cụ tay, sản phẩm từ máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề người điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung, chương trình đưa vào máy Người điều khiển yếu theo dõi kiểm tra chức hoạt động máy Độ xác lằm việc cao Thơng thường máy CNC có độ xác máy 0.001mm đạt độ xác cao Tốc độ cắt cao Nhờ cấu trúc khí bền máy, Những vật liệu cắt đại kim loại cứng hay gốm oxit sử dụng tốt Thời quan gia công ngắn 1.4 CÁC ƯU ĐIỂM KHÁC Máy CNC có tính linh hoạt cao việc lập trình, tiết kiệm thời quan chỉnh máy, đạt tính kinh tế cao việc gia cơng hang loại sản phẩm nhỏ - Ít phải dừng máy kỹ thuật, chi phí dừng máy nhỏ Tiêu hao kiểm tra ít, giá thành đo kiểm tra giảm Thời gian hiệu chỉnh máy nhỏ Có thể gia công hàng loạt 1.5 NHƯỢC ĐIỂM - Giá thành chế tạo máy cao Giá thành bảo dưỡng, sữa chữa máy cao Vận hành thay đổi người đứng máy khó khăn 1.6 TRÌNH ĐỘ HIỆN TẠI CỦA MÁY CNC - Các chức tính tốn hệ thống CNC ngày hoàn thiện đạt tốc độ xử lý cao tiếp tục ứng dụng thành tựu phát triển vi xử lý Các hệ thống CNC chế tạo hàng loạt lớn theo công thức xử lý đa chức , dùng cho nhiều mục đích điều khiển khác - Việc cài đặt cụm vi tính trực tiếp vài hệ NC để trờ thành hệ thống CNC tạo điều kiện ứng dụng máy công cụ CNC xí nghiệp nhỏ, khơng có phòng lập trình riêng, nghĩa người điều khiển máy lập trình trực tiếp máy Dữ liệu nhập vào , nội dung lưu trữ, thơng báo tình trạng hoạt động máy dẫn cần thiết khác cho người điều khiển hiển thị hình - Màn hình ban đầu đen trắng với ký tự chữ số dung hình màu đồ họa, độ phân giải cao (có thêm tốn đồ hình vẽ mô tĩnh hay động), biên dạng chi tiết gia công, chuyển động dao cụ hiển thị hình - Các hệ CNC riêng lẻ ghép mạng cục hay mạng mở rộng để quản lý điều hành cách tổng thể hệ thống sản xuất xí nghiệp hay tập đồn cơng nghiệp CHƯƠNG II: CẤU TẠO VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ CỦA MÁY CNC MINI 2.1 MỤC ĐÍCH SỬ DỤNG MÁY Với mục đích chủ yếu nhóm chúng em nghiên cứu chế tạo máy CNC mini để phục vụ nhu cầu học tập phay, khoan mạch in phay chất liệu khác mica, gỗ, alu, Ngoài việc tạo mạch in máy phay hình nhỏ để làm đồ lưu niệm vv 2.2 KHUNG MÁY 2.2.1 Chất liệu Với máy CNC mini chúng em sử dụng nhơm định hình vng 20*20mm Hình 2.1 Hình ảnh thực tế Nhơm định hình 20*20mm chắn với kích thước máy CNC mini, thiết kế có rãnh bốn mặt nên thuận tiện cho việc lắp ghép nhôm lại với Với việc sử dụng thêm ke vng góc để ghép nhơm lại với để tạo thành khung đơn giản xác, ưu điểm khung máy sử dụng nhơm định hình 20*20mm Hình 2.2: Hình ảnh ke góc nhơm 2.2.2 Kích thước khung, mặt bàn Kích thước máy sau: - Chiều dài: 34cm - Chiều rộng: 29cm - Chiều cao : 26 cm Kích thước mặt bàn phay: - Chiều rộng : 21cm - Chiều dài : 15cm Sau tính tốn chuyển động trục x,y,z chúng em đưa giới hạn làm việc máy hay kích thước tối đa phơi để phay là: - Dài 15cm - Rộng 15cm - Cao 4cm 2.2.3 Ưu nhược điểm * Ưu điểm: - Máy nhỏ gọn nhẹ, dễ dàng cho việc di chuyển máy - Sử dụng khung nhơm định hình nên việc lắp ráp hiệu chỉnh sai số hay sửa chữa đơn giản dễ thực - Giá thành vật liệu khá phù hợp dễ tìm kiếm thị trường * Nhực điểm: - Vì máy có kích thước bé nên phay hay làm việc với kích thước phôi nhỏ (15*15*4 cm) - Khung máy nhỏ nên động ( động phay ) hoạt động với tốc độ cao gây rung lắc nhỏ cho máy, dẫn đến phay bị lỗi 2.3 CÁC TRỤC MÁY 2.3.1 Trục X Trục X trục chuyển động sang trái, phải quan trọng máy định chuyển động trục Z Được cấu tạo từ hai trượt tròn song song với nhau, hai đầu cảu trượt cố định gối đỡ trượt cho hai trượt ln song song với Hình 2.3 Hình ảnh trượt tròn Sự ổn định trục X hai trượt định, lắp song song máy dẽ chạy trơn tru khơng có vấn đề gì, lắp bị lệch trình chạy phát sinh sai số hai tranh trượt lắp lệch trục X khơng thể hoạt động Một vít me gắn trực tiếp từ động bước đước cố định khung cảu trục Z để dẫn đọng cho phần trục X Thanh vít me gắn owr song song với hai trượt Hình 2.4 trục X gồm hai tranh trượt tròn vít me 2.3.2 Trục Y Trục Y trục có chuyển động tiến lùi máy, gắn với mặt bàn để gá phôi Cấu tạo cảu trục Y tương đương với cấu tạo cảu trục X Nó bao gồm hai tranh trượt tròn cố định hai đầu gối đỡ hai trượt đêu song song với Hình 2.5 Hình ảnh thực tế trục Y Và để dẫn động cho mặt bàn sử dụng vít me nối trực tiếp đầu với động bước, đầu lại chạy qua đai ốc gắn cố định vào phía bên bàn phay cho vít me song song với hai trượt tròn 2.3.3 Trục Z Trục Z trục có chuyển động lên xuống, có phương vng góc với bàn mặt bàn phay trục để gắn mô tơ DC775 mũi dao phay Cấu tạo ẩu truc tương tự cảu hai trục X Y, bao gồm hai trượt tròn vít me có chiều dài lắp song song với Một gá đỡ mô tơ gắn vào hai trượt trục Z , mô tơ DC775 gắn cố định vào gá đỡ, đầu cảu mô tơ DC775 được gắn với mũi dao phay hay mũi khoan Hình 2.6 Hình ảnh thực tế trục Z Hình 2.7 Hình ảnh máy hoàn chỉnh * Ưu nhược điểm việc cho bàn chuyển động theo trục Y cho trục X đứng yên: Ưu điểm : máy cnc mini nên có kích thước nhỏ, khung máy nhỏ nên bàn phay chuyển động giảm sai số phay, máy hoạt động, motor DC775 hoạt động với tốc độ lớn (12000 vòng/phút) tạo rung lắc định cho tồn máy Chính nên gây sai số phay bị lỗi Nhược điểm: Kích thước bàn phay bị hạn chế phần phụ thuộc vào vị trí đặt trục X 2.4 MẠCH ARDUINO 2.4.1 Tổng quan Arduino Giới thiệu Arduino: Arduino board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng ứng dụng tương tác với với môi trường thuận lợi Phần cứng bao gồm board mạch nguồn mở thiết kế tảng vi xử lí VAR Atmel 8bit, ARM Atmel 32bit Những mode trang bị gồm cổng giao tiếp USB, chân đầu vào Analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác Được giới thiệu vào đầu năm 2005, nhà thiết kế Arduino cố gắng mang đến phương thức dễ dàng, không tốn cho người yêu thích, sinh viên giới chuyên nghiệp để tạo thiết bị có khả tương thích với mơi trường thơng qua cảm biến cấu chấp hành Nhưng ví dụ phổ biến cho người yêu thích bắt đầu bao gồm robot đơn giản, điểu khiển nhiệt độ phát chuyển động Đi với mơi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy máy tính cá nhân thơng thường cho phép người dùng viết chương trình cho aduino ngơn ngữ C NC++ 2.4.2 Mạch Arduino Uno r3 2.4.2.1 Arduino Uno R3 Arduino Uno xây dựng với phân nhân vi điều khiển ATmega328P sử dụng thạch anh có chu kì dao động 16 MHz Với vi điều khiển này, ta có tổng cộng 14 pin (ngõ) / vào đánh số từ tới 13 (trong có pin PWM, đánh dấu ~ trước mã số pin) Song song đó, ta có thêm pin nhận tín hiệu analog đánh kí hiệu từ A0 - A5, pin sử dụng pin / vào bình thường (như pin - 13) Ở pin đề cập, pin 13 pin đặc biệt nối trực tiếp với LED trạng thái board Trên board có nút reset, ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thông qua ắc-quy nguồn Khi làm việc với Arduino board, số thuật ngữ sau cần lưu ý: Flash Memory: nhớ ghi được, liệu không bị tắt điện Về vai trò, ta hình dung nhớ ổ cứng để chứa liệu board Chương trình viết cho Arduino lưu Kích thước vùng nhớ thơng thường dựa vào vi điều khiển sử dụng, ví dụ ATmega8 có 8KB flash memory Loại nhớ chịu khoảng 10,000 lần ghi / xố RAM: tương tự RAM máy tính, bị liệu ngắt điện bù lại tốc độ đọc ghi xố nhanh Kích thước nhỏ Flash Memory nhiều lần EEPROM: dạng nhớ tương tự Flash Memory có chu kì ghi / xố cao - khoảng 100,000 lần có kích thước nhỏ Để đọc / ghi liệu ta dùng thư viện EEPROM Arduino Ngồi ra, board Arduino cung cấp cho ta pin khác pin cấp nguồn 3.3V, pin cấp nguồn 5V, pin GND 2.4.2.2 Thông số kỹ thuật Chip điều khiển ATmega328P-AU SRAM KB (ATmega328) EEPROM KB (ATmega328) Tốc độ 16 MHz Nguồn nuôi mạch 5V từ cổng USB 7-9v từ giắc tròn DCIN Số chân Digital 14 chân Số chân PWM chân Số chân Analog chân Dòng chân tối đa 40mA Dòng chân 3v3 tối đa 150mA Dung lượng nhớ Flash 32 KB – ATmega328 ( 0.5 KB sử dụng 10 3.4 HƯỚNG DẪN PHAY MỘT MẠCH IN 3.4.1 Tạo file G-code phần mềm Aspire Các thao bước để phay mạch in máy CNC mini Hình 3.14 Phần mềm Aspire Sau mở phần mềm nên, giao diện ban đầu mở phần mềm giống hình 3.14, để tạo file ta bấm chọn vào ô “Create a new file” Hình 3.15 Chọn kích thước vùng làm việc 43  Ô đầu tiên, phần Job Type ( loại công việc), ta chọn mục Single sided (loại mặt )  Ô thứ hai, phần Job Size ( kích thước làm việc ), ta chọn kích thước chiều x, y, z cho nhỏ kích thước mặt bàn Thơng thường chọn kích thước vùng làm việc với kích thước hình mà ta định phay Ví dụ ta phay mạch in với kích thước 100*100*2mm ( dài*rộng*dày, đơn vị đo milimet) kích thước x, y, z phần Job Size lầ lượt x=100mm, y=100mm, z=2mm  Ô thứ 3, ( Z Zero position), chọn vị trí Z khơng, ta chọn mục Material Surface ( vị trí bè mặt )  Vị trí XY ta chọn hình , sau ta nhấn OK Tiếp theo đưa mạch in vào để thực Hình 3.16 Xuất file dạng bitmap Chọn file  chọn Import  chọn Import Bitmap sau chọn file cần thực 44 Hình 3.17 Đưa file mạch in vào Sau đưa phai mạch in cần thực vào , ta bấm chọn biểu tượng 45 sau chọn thơng số hình 3.18 Hình 3.18 Sau chọn thông số xong, nhấn OK Tiếp theo, tạo layer phay đường dây khoan lỗ 46 Hình 3.19 Chọn tất đường mạch  sau chọn Toolpaths  chọn thơng số hình 3.19 Hình 3.20 Với đường lỗ khoan ta làm tương tự 47 ý: với layer khác với mục đích phay hay khoan lỗ ta chọn phần Toolpath Operations cho phù hợp Tiếp đến thiết lập chọn thông số dao phay cho Layer Hình 3.21 Chọn loại dao thông số dao cho hình 3.21 Hình 3.22 48 Phay mơ mạch in Bấm chọn Preview Visble toolpaths để xem mô 3D mạch in phay Sau lưu lại định dạng G code (mm)(*.tap) hình bên Hình 3.23 49 3.4.2 Điều khiển phần mềm B CNC 4.3.2 Điều khiển phần mềm B CNC Hình 3.24 Mở phần mềm bcnc Hình 3.25 Kết nối máy tính với với máy cnc 50 Hình 3.26 Mở file cần phay Hình 3.27 Xác định tạo độ gốc ban đầu 51 Hình 3.28 Vị trí mũi dao vị trí tọa độ gốc ban đầu 52 Một lưu ý sau xác định vị trí tọa độ gốc, trước cho máy chạy việc quan trọng cần thực cho cần cho máy chạy scan , tác dụng việc chạy scan trước cho máy bắt đầu chạy để kiểm tra xem phôi gá vào vị trí kích thước mà máy hoạt động hay chưa đặt phơi sai vị trí máy chạy mũi dao bên ngồi phơi phay bị lỗi Sau chạy scan ta bấm cho máy bắt đầu chạy Một vài hình ảnh sản phẩm mà máy phay được: Hình 3.29 Phay mạch in 53 Hình 3.30 Phay mica làm đồ lưu niệm CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 4.1 KẾT LUẬN Ngày máy CNC khơng khái niệm xa lạ Việt Nam Máy CNC xuất hầu hết lĩnh vực sản xuất, đặc biệt công nghiệp Tuy nhiên hầu hết máy CNC nước nhập từ số nước Đức Nhật Trung Quốc, giá thành máy CNC cao Những máy CNC thiết kế sản xuất Việt Nam ít, dường dừng lại mức độ “chế máy CNC chạy được” Do chúng em định chọn đề tài thiết kế hệ thống điều khiển cho máy CNC, để mong tương lai gần,những máy CNC thiết kế sản xuất Việt Nam có chất lượng tốt ngày phổ biến hơn, từ thúc đẩy phát triển công nghệ khoa học nước 54 Trong đồ án tốt nghiệp mục tiêu trước tiên mà chúng em hướng tới chế tạo mơ hình máy CNC hoạt động ổn định với sai số nhỏ, sau em hướng tới khắc phục dao động, sai số cao tính tự động máy khả thay dao tự động, hệ thống cấp phôi tự động nhiên kinh nghiệm hạn chế thời gian thực có hạn, nên đồ án chúng em nhiều thiếu xót, Chúng em mong nhận ý kiến đóng góp thầy để hoàn thiện đề tài Em xin chân thành cảm ơn thầy , thầy cô môn , giúp đỡ tọa điều kiện tốt để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp 55 4.2 PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO  Tiếp tục hoàn thiện, cải tiến máy CNC mini nữa, khắc phục điểm hạn chế máy tồn  Nghiên cứu phát triển thêm để điều khiển đồng thời mô tơ DC775 thông qua mạch điều khiển có sẵn máy  Nghiên cứu thiết kế tích hợp thêm khắc laser máy  Tìm hiểu nghiên cứu thêm phần mềm hỗ trợ việc điều khiển máy CNC mini máy CNC công nghiệp 56 ...Ví dụ máy khoan, khoét, máy hàn điểm, máy đột, dập… Các máy điều khiển đoạn thẳng : máy có khả gia cơng qua trình thực dịch chuyển theo trục Các máy điều khiển đường : bao gồm máy Máy 2D Máy 3D... ƯU ĐIỂM CƠ BẢN CỦA MÁY CNC So với máy điều khiển công cụ tay, sản phẩm từ máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề người điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung, chương trình đưa vào máy Người điều khiển... loại máy khoan mini cầm tay, khoan mạch điện tử, máy mài mini, máy cắt gỗ, sắt, meka Làm máy bơm nước mini, máy hút bụi, máy thổi bụi loại máy khác 30 CHƯƠNG III: LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY