Báo cáo đồ án tốt nghiệp máy CNC phay mạch in

LỜI NĨI ĐẦU Hiện nay, với xu hướng cơng nghiệp 4.0, nước giới nói chung Việt Nam nói riêng hướng đến việc cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước Kể từ công nghiệp phát triển, việc áp dụng thành tựu kỹ thuật, công nghệ vào quy trình sản xuất khơng cịn xa lạ với người Chính điều đó, ngành cơng nghệ tự động điều khiển đóng vai trị quan trọng phát triển công nghiệp Tự động điều khiển mấu chốt quan trọng để thúc đẩy công nghiệp giới trở thành mốt cơng nghiệp tự động hóa hoàn toàn Nhờ việc áp dụng kỹ thuật tự động công nghiệp mà vừa tăng suất lao động, vừa giảm sức lao động thủ công Bên cạnh đó, việc áp dụng lựa chọn tối ưu nhằm tạo sản phẩm chất lượng, tiết kiệm chi phí sản xuất, từ đẩy cao cạnh tranh thị trường Với kiến thức, kinh nghiệm với giúp đỡ hướng dẫn q thầy, nhóm chúng tơi định chọn đề tài đồ án tốt nghiệp “ Máy phay mạch in CNC ” NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Xác nhận GVHD ( kí/ đóng dấu) Thầy Lê Hồng Lâm DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hìn h 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 Nội dung Trang Máy khoan CNC Máy phay CNC Máy cắt CNC Cấu tạo Servo Driver Servo Driver CNC-C10A-S14 Cấu tạo chung Encoder Biến tần Mitsubishi E700 Sơ đồ cấu tạo biến tần Biến đổi điện áp qua tần số biến tần Động Spindle Bo mạch AKZ250 Các chân tín hiệu 5 11 12 13 13 14 15 16 17 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24 2.25 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 Các chân ngõ vào Các chân ngõ Một đoạn G-code Giao diện phần mềm Mach Cảm biến Omron E2S Sơ đồ nguyên lý cảm biến Omron E2S Bộ lọc nhiễu pha Bộ lọc nhiễu pha Bộ nguồn 24V DC Bộ nguồn 5V DC Relay trung gian Thiết bị đóng cắt Mơ hình máy CNC Sensor giới hạn giới hạn Giá đỡ máy Bàn phôi kẹp phôi Trục X Bản vẽ khí trục X Trục Y Bản vẽ khí trục Y Trục Z Bản vẽ khí trục Z Các khối điều khiển hệ thống Sơ đồ mạch động lực Sơ đồ mạch điều khiển Sơ đồ mạch điều khiển Một số hình ảnh thi cơng tủ điẹn Lưu đồ quy trình vận hành hệ thống Các khối điều khiển hệ thống Layout mạch điện Layout 3D mạch điện Giao diện phần mềm Copper Cam File mạch in sau định dạng Cửa sổ cài đặt dao phay Điều chỉnh độ ăn dao Đoạn G-code Vào cửa sổ thiết lập chức Mach3 Cửa sổ Engine Configuration Port and Pin Cửa sổ cài đặt chân xung cổng Cửa sổ cài đặt ngõ vào Cửa sổ cài đặt ngõ 18 19 20 21 22 23 24 24 25 26 27 28 29 29 30 30 31 31 32 32 33 33 34 35 35 36 37 37 38 39 39 40 40 41 41 42 42 43 43 44 45 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 Cài đặt thông số trục động Cửa sổ cài đặt thơng số cho trục Nạp file G-code vào chương trình Lấy gốc tọa độ phôi Giao diện Mach sau load file G-code Sản phẩm 46 47 48 49 50 50 DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Nội dung Các dạng xung đầu vào Driver Servo Sơ đồ chân bo mạch AKZ250 Các chân ngõ vào bo mạch AKZ250 Các chân ngõ bo mạch AKZ250 Các nhóm lệnh G-code MỤC LỤC Trang 10 16 17 18 21 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Trong suốt thập kỷ qua, động servo chìa khóa quan trọng việc cách mạng hóa ngành cơng nghiệp điều khiển chuyển động Ngày này, với phát triển mạnh mẽ công nghiệp giới, động servo phát triển không ngừng xuất hệ thống điều khiển tự động Sự phát triển khoa học kỹ thuật cao đồng nghĩa với việc yêu cầu chất lượng sản phẩm suất lao động cao, ví dụ như: độ xác sản phẩm, khả đáp ứng máy móc, tốc độ làm việc,… Để đáp ứng yêu cầu hệ thống tự động nhà máy sử dụng động servo, chẳng hạn như: cánh tay máy robot, máy CNC, cần trục,… Nhằm đáp ứng yêu cầu cao để phục vụ q trình sản xuất đạt hiểu tốt nhất, với ưu điểm như: tốc độ quay nhanh, momen sản sinh lớn, độ xác cao, kết hợp với điều khiển phản hồi ( Encoder ),… việc sử dụng động servo để điều khiển hệ thống nhà máy ngày phổ biến Trong thực tế, ta nhận thấy cơng việc địi hỏi độ xác hồn tồn với vị trí cài đặt sẵn sản phẩm với hoạt động thủ công người đáp ứng Từ đó, việc sử dụng động servo giúp việc trở nên dễ dàng Xuất phát từ việc muốn tìm hiểu, nghiên cứu cách thức điều khiển động servo, nhóm chúng tơi định chọn đề tài “ Máy CNC phay mạch in ”  1.2 Mục tiêu đề tài Xây dựng mơ hình máy CNC trục  Điều khiển vận hành xác theo yêu cầu mong muốn  Giao tiếp với thiết bị mô hình: biến tần Mitsubishi E700, Driver Servo MR-C10A-S14, bo mạch CNC AKZ250  Giao tiếp Driver Servo, biến tần với output/input bo mạch CNC AKZ250  Sử dụng phần mềm hỗ trợ cho hệ thống CNC 1.3 Phương pháp nghiên cứu Để thực đề tài cách tốt nhất, nhóm nghiên cứu máy CNC thông qua thông tin mạng internet quan sát thực tế bên ngồi, từ thu u cầu thực tế đề tài Bên cạnh đó, nhờ giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình giáo viên hướng dẫn giúp nhóm đưa hướng nghiên cứu hồn thành đề tài Tiến trình thực đề tài:  Tham khảo thực tế theo hướng dẫn giáo viên để đưa định hướng cho hệ thống đề tài  Nghiên cứu động Servo  Tìm hiểu phần khí, từ nắm rõ chuyển động      hệ thống Chỉnh sửa, lắp ráp phần cứng , phần điện ( tủ điện điều khiển ) Kết nối thiết bị hệ thống điều khiển, giám sát, Điều chỉnh hệ thống để đạt kết yêu cầu Chạy thử thu nhận sản phẩm Rút thiếu sót từ chỉnh sửa để hồn thành hệ thống 1.4 Giới hạn đề tài Đề tài dừng lại việc chạy mơ hình với u cầu điều khiển:  Điều khiển mơ hình CNC trục phần mềm hỗ trợ để phay sản phẩm phù hợp  Điều khiển mơ hình CNC trục trực tiếp lệnh theo yêu - cầu thực 1.5 Đối tượng nghiên cứu Các đối tượng phần cứng ( phần khí ) : Cơ cấu trục vít me ( trục X, Y, Z ) - Các chi tiết phần cứng khác: mặt bàn phay, khối đế máy, chốt định vị, vam kẹp phôi Các đối tượng điều khiển ( phần điện ) : - Tủ điện điều khiển - Driver Servo MR-C10A-S14 - Biến tần Mitsubishi E700 - Bo mạch CNC AKZ 250 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan máy CNC 2.1.1 Giới thiệu máy CNC Máy CNC viết tắt cụm từ Computer Numerical Control – (điều khiển hệ thống máy vi tính) Nói dể hiểu, hệ thống máy móc chun gia cơng khí tự động, hoạt động dựa nguyên tắc sử dụng chương trình viết ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D (thường gọi mã G) Để máy CNC hoạt động được, cần phải nạp chương trình vào hệ thống vi tính thơng minh.máy vi tính có nhiệm vụ xử lý điều khiển phận máy đầu cắt, tốc độ cắt, biên độ cắt,… thoe chương trình có sẵn để gia cơng sản phẩm Cấu tạo nguyên lý hoạt động: Máy CNC có nhiều trục Trục có tốc độ quay cao, đầu trục gắn vào đầu cắt mũi khoan để cắt sản phẩm theo trục lên xuống( trục Z) Thân máy có bàn giá để cố định sản phẩm di chuyển theo trục X,Y Kết hợp với trục chính( phương Z) để đưa lưỡi cắt di chuyển theo phương hướng, bề mặt muốn gia công sản phẩm 2.1.2 Phân loại máy CNC Trong ngành cơng nghiệp sản xuất nói chung, máy CNC có nhiều chủng loại chức khác Chính mà việc phân loại có tiêu chí khác nhau:  Theo phương pháp truyền động: truyền động điện, thủy lực, khí nén  Theo phương pháp điều khiển: điều khiển điểm, điều khiển đoạn, điều khiển theo đường cắt( máy 2D, máy 3D)  Theo phương pháp thay dao: thay dao tay, phương pháp tự động kiểu rơ-vôn-ve  Theo hệ điều hành: Fanuc, Siemens, Fagor, EMCO,…  Theo số lượng trục máy  Theo kích cỡ trọng lượng máy Một số hình ảnh máy CNC cơng nghiệp Hình 2.1 Máy khoan CNC Hình 2.2 Máy phay CNC Hình 2.3 Máy cắt CNC plasma 2.1.3 Ưu điểm nhược điểm máy CNC Ưu điểm: • 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 chủ yếu theo dõi kiểm tra chức hoạt động máy • Độ xác làm việc cao, thơng thường máy CNC có độ xác 0.001mm, đạt độ xác cáo • Chất lượng gia cơng ổn định, độ xác lặp lại cao • Tốc độ cắt cao, nhờ cấu trúc cấu khí máy, vật liệu cắt đại kim loại cứng sử dụng tốt • Thời gian gia cơng ngắn hơn, tiết kiệm nhân lực, nhân cơng • Có khả vận hành liên tục, ổn định xảy lỗi 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 2.2 Tổng quát AC Servo 2.1.1 Giới thiệu chung Servo 2.1.1.1 Giới thiệu Servo Động servo nói chung loại động sử dụng khả hồi tiếp tín hiệu từ encoder driver điều khiển để điều chỉnh tốc độ, moment, vị trí động hay kết cấu khí kèm đạt mong muốn Khi có vật cản tác động làm hãm trục động cơ, hệ thống hồi tiếp giúp động tự điều chỉnh cho lực moment,tốc độ, hay quán tính cho phù hợp với tải mang Ngoài động servo ln có xu hướng giữ vị trí khơng có tín hiệu điều khiển, có ngoại vi tác động lam thay đổi vị trí động hay kết cấu khí liên kết với trục động servo tự trở vị trí trước bị sai lệch 2.1.1.3 Cấu tạo chức AC Servo Về cấu tạo động ac servo dạng động đồng pha dùng nam châm vĩnh cửu Động servo tích hợp encoder độ phân giải lớn để giúp trình điều khiển xác Để điều khiển motor hãng tích hợp riêng driver cho động Tùy ứng dụng động AC servo thường có chế độ điều khiển tốc độ, vị trí torque( momen), chế độ khác cần cài đặt tùy theo thơng số ứng dụng tải Khi sử dụng động ac servo ta cần quan tâm tới độ phân giải encoder ảnh hưởng đến sai số máy móc Độ phần giải servo dao động từ 2500 217 220 xung vòng, độ phân giải encoder cao bạn nên quan tâm tới hộp số điện tử điều khiển motor servo 10 Vào Parameters → Tool Libary để cài đặt dao phay Hình 4.7 Giao diện cửa sổ cài đặt dao Hình 4.8 Điều chỉnh độ ăn dao 44 • Xuất file G-code dạng *txt Hình 4.9 Một đoạn file G-code 4.3.2 Điều khiển hệ thống Mach Hình 4.10 Vào cửa sổ thiết lập chứng Mach 45 Vào mục Config → Ports and Pin để cài đặt chân chức Hình 4.11 Cửa sổ Engine Configuration Port and Pin  Mục Motor Outputs để cài đặt địa cho chân cấp xung cho trục X, Y, Z , ta tích vào X, Y, Z Axis tương tự với Spindle Hình 4.12 Cửa sổ cài đặt chân xung cổng 46  Chọn mục Input Signals để cài đặt địa cổng vào Hình 4.13 Cài đặt cổng vào Mach Ở cửa sổ này, ta chọn tín hiệu cần sử dụng Giả sử với đầu vào X+ +, ta tích Enable ứng với dịng X++ hình điền số Pin Number tương ứng với chân bo mạch AKZ250 Mạch để chế độ hoạt động mức thấp nên ta tích vào cột Active Low 47  Chọn mục Output Signals để cài đặt địa cổng vào Ở cửa sổ Outputsignal ta dùng để cài đặt tín hiệu ngõ : hệ thống làm mát, hệ thống thay dao,… Vì mạch hoạt động chế độ mức thấp, nên để cài đặt chân ngõ ra, ta cần tích vào cột Active Low điền vào cột Pin Number số chân tương ứng 48 • Mục Spindle Setup : cho phép cài đặt cho động trục Hình 4.15 Cài đặt thơng số cho trục động Ở mục ta cài đặt thông số cho trục Spindle Relay Control - Clockwise (M3) : quay trục theo chiều kim đồng hồ - CCW (M4 ) quay trục theo ngược chiều kim đồng hồ Motor Control Chọn PWM Control : điều khiển tốc độ trục xung 49 Vào Config → Motor tuning Hình 4.16 Cửa sổ cài đặt thơng số cho trục Step per : tần số xung cấp cho động để dịch chuyển 1mm Velocity In’s or mm’s per : vận tốc chuyển động động Acceleration in’s or mm’s /sec : gia tốc chuyển động động Tùy vào nhu cầu vận hành nhanh hay chậm hệ thống mà ta chọn vận tốc gia tốc phù hợp, tần số xung cấp vào tính tốn thơng qua tỷ số gear Sau cài đặt thông số phù hợp , chọn SAVE AXIS SETTING để lưu lại 50 • Nạp file G-code Hình 4.17 Nạp file G-code vào chương trình  Nạp chương trình vào phân mềm mach3 Ta vào file -> Load Gcode nháy vào Load Gcode giao diện điều khiển Phần mềm mach3 nhận diện file *.txt từ Notepad, file *,nc từ phần mềm NC Trên phần mềm nút như:  Edit Gcode: hiệu chỉnh file Gcode  Recent file: file mở gần  Set next line: Xác định dịng bắt đầu chạy từ điểm điểm  Run From here : Kiểm tra tọa độ máy so với tọa độ muốn chạy, sau di chuyển đến điểm muốn chạy đợi  Rewind : Trở đầu file gia công 51 Hình 4.18 Lấy gốc tọa độ phơi • Lấy gốc phôi Ta di chuyển trục đến điểm mà ta mong muốn điểm gốc sau nhấn “ZERO X”, “ZERO Y” Sau ta kiểm tra lại liệu miếng phơi dủ kích thước hay chưa Xác định zero cách nhấn phím mũi tên cho trục Z di chuyển xuống, gần chạm tới mặt phôi ta bắt đầu di chuyển theo chế độ 52 bước cách nhấn tổ hợp phím “CTRL + hướng xuống Z” để tránh trường hợp khơng kiểm sốt tốc độ đâm dao xuống phôi Khi mũi dao vừa chạm mặt phôi ta nhấn “ZERO Z” Như ta set gốc tọa độ phôi Sau ta nhấn nút “Cycle Start” nút Start ngồi bảng điều khiển để bắt đầu q trình gia cơng 53 Hình 4.19 Giao diện sau load file G-code Hình 4.20 Sản phẩm sau hồn thành 54 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 Kết đạt  Thiết kế thành công mô hình CNC điều khiển phần mềm Mach  Điều khiển riêng biệt trục động trục X, Y, Z  Hệ thống chạy ổn định, xác mức độ vừa phải, khơng hay xảy lỗi Có thể dừng khẩn cấp tồn hệ thống nút EMG  Nghiên cứu thiết kế, cho sản phẩm mạch in thành công yêu cầu ban đầu 5.2 Kết luận Sau thời gian nghiên cứu hồnh thành mơ hình “ Máy CNC phay mạch in” , nhóm sinh viên rút ưu điểm nhược điểm đề tài: • Ưu điểm:  Mơ hình điều khiển nhiều động servo  Mơ hình đáp ứng yêu cầu tạo sản phẩm khác  Mơ hình hoạt động theo u cầu sản phẩm cách xác • Nhược điểm:  Mơ hình chưa có chế độ thay dao  Mơ hình chưa có chế độ làm mát  Gia cơng sản phẩm có độ cứng vừa phải ( bo đồng, mê ca, )  Hành trình bàn phơi cịn hạn chế 5.3 Hướng phát triển đề tài  Nâng cấp mơ hình để phay vật liệu cứng  Lắp ráp thêm chế độ thay dao làm mát để linh hoạt 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mitsubishi electric – Inverter FR-E700 Instruction manual [2] Melservo MR-C manual [3] Servo Education Basic Trainning [4] https://www.machsupport.com/software/mach3/ PHỤ LỤC • Thơng số kỹ thuật số dòng Driver Servo MR-C Servo motor Rated output (W) MR-C10A HC-PQ033 30 MR-C20A HC-PQ23 200 MR-C40A HC-PQ43 400 Rated torque (Nm) 0.095 0.64 1.27 Max torque (Nm) 0.38 1.92 2.92 3000 3000 4000 4000 Rated rotation 3000 speed ( rpm ) Max rotation speed 4000 ( rpm ) Speed/position detector Encoder Bảng 2.1 Thống số kỹ thuật số dùng Driver Servo MR-C 56 • Kích thước Driver Hình 2.7 Kích thước Driver Cài đặt Parameter cho biến tần Mitsubishi E700 – Bước 1: Nhấn ON để bật biến tần – Bước 2: : Đặt chế độ hoạt động cách: + Nhấn MODE hiển thị hình chọn Parameters + Quay núm điều chỉnh “ P.79 ” , chọn để chọn chế độ PU , đèn thị chế độ PU sáng – Bước 3: Quay núm điều chỉnh để chọn Parameters theo mong muốn Nhấn Set để cài đặt thơng số Parameter - Bước 4: Sau cài đặt xong thông số Parameter, để điều khiển biến tần từ bên , ta bấm mode đến P.79 chọn , lúc đen EXT sang lên cho phép điều khiển biến tần từ bên Một số Parameter thường dùng : Tham số Tên Pr.1 Pr.2 Pr.3 Phạm vi thiết lập Giá trị khởi tạo đến 120Hz 120Hz đến 120HZ 0Hz đến 400Hz 60Hz Tần số tối đa Tần số tối thiểu Tần số 57 Pr.4 Pr.5 Pr.6 Pr.7 Pr.8 Pr.18 Pr.79 Pr.160 Nhiều cấp tốc độ Thiết lập đa tốc độ Thiết lập đa tốc độ Thời gian tăng tốc Thời gian giảm tốc Tần số tốc độ cao đến 400Hz đến 400Hz đến 400 Hz đến 3600/360s đến 3600/360s 120Hz đến 400 Hz Lựa chọn chế độ hoạt 0,1,2,3,4,5,6,7 động Lựa chọn đọc nhóm 0,1,9999 người dùng 58 60Hz 30Hz 10 Hz 5/10/15s 5/10/15s 120Hz 0 ... cỡ trọng lượng máy Một số hình ảnh máy CNC cơng nghiệp Hình 2.1 Máy khoan CNC Hình 2.2 Máy phay CNC Hình 2.3 Máy cắt CNC plasma 2.1.3 Ưu điểm nhược điểm máy CNC Ưu điểm: • Máy CNC không phụ thuộc... thống 37 3.2.1 Sơ đồ mạch động lực Hình 3.12 Sơ đồ mạch động lực 3.2.2 Sơ đồ mạch điều khiển Hình 3.13 Sơ đồ mạch điều khiển 38 Hình 3.13 Sơ đồ mạch điều khiển Hình 3.13 Sơ đồ mạch điều khiển 39... ví dụ : máy khắc công nghiệp, máy khắc CNC, máy chế biến gỗ, máy cắt plasma CNC, máy khắc đá, máy tiện,… • Thông số kỹ thuật ưu điểm bo mạch AKZ250:  Hỗ trợ USB kết nối trực tiếp với máy tình