Xây dựng mô hình máy cnc gia công hoàn chỉnh mạch in

MỞ ĐẦU CNC – viết tắt cho Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) (điều khiển máy tính) – đề cập đến việc điều khiển máy tính máy cơng cụ với mục đích sản xuất phận kim khí (hay vật liệu khác) phức tạp, cách sử dụng chương trình viết kí hiệu đặc biệt theo tiêu chuẩn EIA274-D, thường gọi mã G CNC phát triển cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950 phịng thí nghiệm Servomechanism trường MIT Việc gia tăng tự động hóa q trình sản xuất với máy CNC tạo nên phát triển đáng kể xác chất lượng Kỹ thuật tự động CNC giảm thiểu sai sót giúp người thao tác có thời gian cho cơng việc khác Ngồi cho phép linh hoạt thao tác sản phẩm thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất linh kiện khác Việc gia công mạch in phương pháp truyền thống nhiều thời gian, trải qua nhiều khâu phức tạp, độc hại… Được đồng ý hội đồng khoa học nhà trường, nhóm tác giả thực đề tài “Xây dựng mơ hình máy cnc gia cơng hồn chỉnh mạch in” Việc gia cơng mạch in máy cnc hoàn toàn tự động tiết kiệm thời gian, ngồi máy cnc nhóm tác giả xây dựng cịn gia cơng vật phẩm khác điêu khắc sản phẩm phù điêu gỗ, mica, cắt chữ quảng cáo Đề tài bao gồm chương với nội dung sau: Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CNC Chương 2: CÁC GIAO TIẾP MÁY TÍNH, LẬP TRÌ Chương 4: THI CƠNG MƠ HÌNH Chương TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ CNC 1.1 KHÁI NIỆM MÁY CNC 1.1.1 CNC: Computer Numerical Control - Điều khiển số máy cơng cụ tích hợp máy tính Thuật ngữ CNC khái niệm mà học tập, đào tạo, nghiên cứu lĩnh vực Tự động hoá biết: Đó loại thiết bị điều khiển sử dụng máy gia công, chế biến Cho phép thực quy trình gia cơng sở thơng số kích thước, hình dáng sản phẩm, chuyển sang thành quỹ đạo chuyển động không gian ba chiều 1.2 LỢI ÍCH VÀ ỨNG DỤNG CỦA MÁY CNC 1.2.1 Ba lợi ích máy CNC + Tự động hóa sản xuất Máy CNC khơng quan trọng ngành khí mà cịn nhiều ngành khác may mặc, giày dép, điện tử v.v Bất máy CNC cải thiện trình độ tự động hóa doanh nghiệp: người vận hành ít, khơng phải can thiệp vào hoạt động máy Sau nạp chương trình gia cơng, nhiều máy CNC tự động chạy liên tục kết thúc, giải phóng nhân lực cho cơng việc khác Thứ nữa, xảy hỏng hóc lỗi vận hành, thời gian gia công dự báo xác, người vận hành khơng địi hỏi phải có kỹ thao tác (chân tay) cao điều khiển máy cơng cụ truyền thống + Độ xác lặp lại cao sản phẩm Các máy CNC hệ cho phép gia cơng sản phẩm có độ xác độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống làm Một chương trình gia cơng kiểm tra hiệu chỉnh, máy CNC đảm bảo cho “ra lò” hàng loạt sản phẩm phẩm với chất lượng đồng Đây yếu tố vô quan trọng sản xuất công nghiệp quy mô lớn + Linh hoạt Chế tạo chi tiết máy CNC đồng nghĩa với nạp cho máy chương trình gia cơng Được kết nối với phần mềm CAD/CAM, công nghệ CNC trở nên vô linh hoạt giúp doanh nghiệp thích ứng với thay đổi nhanh chóng liên tục mẫu mã chủng loại sản phẩm khách hàng 1.2.2 Phạm vi ứng dụng Thuật ngữ CNC trỏ vào khái niệm mà học tập, đào tạo, nghiên cứu lĩnh vực Tự động hóa biết: Đó loại thiết bị điều khiển sử dụng máy gia công/chế biến, cho phép thực quy trình gia cơng/chế biến sở thơng số kích thước/hình dáng sản phẩm, chuyển sang thành quỹ đạo chuyển động không gian chiều Xuất phát từ ứng dụng ban đầu công nghệ chế tạo máy, chủ yếu gia công cắt gọt kim loại, CNC dùng nhiều loại máy thuộc lĩnh vực khác nhau: trải dài từ chế tạo máy tới ngành dệt may, điều khiển robot hay chế tạo thiết bị điện tử Trong nhiều ứng dụng, chí ta khơng thể hình dung thiếu vắng CNC, đặc biệt công nghệ chế tạo máy, ngành công nghệ đẻ máy cái, phục vụ cho ngành cơng nghiệp khác Chính vậy, thật dễ hiểu – đất nước chậm phát triển – nỗ lực tìm đường để tiến tới thiết bị CNC củ : + Máy gia công cắt gọt kim loại, chế tác nữ trang + Máy gia công tia Laser + Máy mài + Máy điêu khắc gỗ, đá + Các loại máy gia công khác 1.3 ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ SỬ DỤNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG MÁY CNC 1.3.1 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, robot, 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 Trước đây, có q trình gia cơng cắt gọt điều khiển theo chương trình kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình hệ thống thủy lực, cam điều khiển mạch logic 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 robot 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 1.3.2 Tùy theo yêu cầu loại máy loại cấu điều khiển, hệ điều khiển mà phân thành loại bản: điều khiển điểm - điểm, điều khiển đoạn thẳng điều khiển đường (tuyến tính phi tuyến) Tất nhiên máy điều khiển đường sử dụng để điều khiển điểm - điểm đoạn thẳng + Điều khiển điểm-điểm Với loại máy này, q trình gia cơng, người ta cho định vị nhanh dụng cụ đến tọa độ yêu cầu trình dịch chuyển nhanh dụng cụ máy không thực việc cắt gọt Chỉ đến đạt tọa độ theo yêu cầu thực chuyển động cắt gọt, ví dụ khoan lỗ, kht, doa làm cơng việc khác ví dụ máy hàn điểm thực q trình hàn máy đột, dập thực viêc đột, dập lỗ Hình 1.1 Điều khiển điểm + Điều khiển theo đoạn thẳng Ngoài chức dịch chuyển nhanh theo trục tọa độ điều khiển điểm, cịn thực việc gia cơng q trình dịch chuyển theo trục Điều có nghĩa dụng cụ thực chuyển động cắt gọt trình dịch chuyển song song theo trục tọa độ Hình 1.2 Điều khiển đoạn thẳng + Điều khiển theo đường Ngoài chức điều khiển điểm điều khiển đoạn thẳng, người ta cịn điều khiển dụng cụ chuyển động theo đường mặt phẳng khơng gian có thực gia cơng cắt gọt Hình 1.3 Điều khiển 2D máy phay + Điều khiển 2D Cho phép dịch chuyển dụng cụ mặt phẳng định Thí dụ máy tiện, dụng cụ dịch chuyển mặt phẳng xoz để tạo nên đường sinh tiện bề mặt, máy phay 2D, dụng cụ thực chuyển động mặt phẳng xoy để tạo nên đường rãnh hay mặt bậc có biên dạng + Điều khiển 3D Cho phép dịch chuyển dụng cụ mặt phẳng đồng thời để tạo nên đường cong hay mặt cong không gian Điều tương ứng với trình điều khiển đồng thời trục máy theo quan hệ ràng buộc thời điểm để tạo nên vết quỹ đạo đường cong theo yêu cầu Hình1.4 Phay túi máy phay 3D Chương CÁC GIAO TIẾP MÁY TÍNH, LẬP TRÌ 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIAO TIẾP MÁY TÍNH 2.1.1 Giao tiếp qua cổng song song - Tên gọi Cổng song song: Dữ liệu truyền qua cổng theo cách song song, cụ thể liệu truyền bit đồng thời hay gọi byte nối tiếp bit song song - Mức điện áp cổng sử dụng mức điện áp tương thích TTL(Transiztor - Transiztor - Logic) v v +5 đó: 0v mức logic LOW 2v v +5 mức logic HIGH Vì ghép nối với cổng ta ghép nối thiết bị ngoại vi có mức điện áp tương thích TTL Nếu thiết bị ngoại vi khơng có mức điện áp tương thích TTL ta phải áp dụng biện pháp ghép mức ghép cách ly qua ghép nối quang - Khoảng cách ghép nối Khoảng cách cực đại thiết bị ngoại vi máy tính ghép qua cổng song song thường bị hạn chế Lý tượng cảm ứng đường dẫn điện dung kí sinh hình thành đường dẫn làm biến dạng tín hiệu Khoảng cách giới hạn cực đại 8m Thông thường 1,5 đến 2m lí an tồn liệu Nếu sử dụng khoảng cách ghép nối 3m đường dây tín hiệu đường dây nối đất phải soắn với thành cặp để giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu Biện pháp khác sử dụng cáp dẹt, đường liệu đặt hai đường dây nối đất - Tốc độ truyền liệu Tốc độ truyền liệu qua cổng song song phụ thuộc vào phần cứng sử dụng Trên lý thuyết tốc độ đạt đến 1Mb/s với khoảng cách truyền hạn chế phạm vi 1m Với nhiều mục đích sử dụng khoảng cách hồn tồn thỏa đáng, có ứng dụng đòi hỏi phải truyền khoảng cách xa Trong trường hợp ta phải nghĩ đến khả ghép nối khác (như ghép nối qua cổng RS232) + Cấu trúc cổng song song Cổng song song có hai loại: ổ cắm 36 chân ổ cắm 25 chân Ngày nay, loại ổ cắm 36 chân khơng cịn sử dụng, hầu hết máy tính PC trang bị ổ cắm 25 chân nên ta cần quan tâm đến loại 25 chân Hình 2.1 Giới thiệu loại ổ cắm 25 chân 2.1.2 C +Đ So với khả ghép nối khác tốc độ truyền qua cổng nối tiếp chậm, tốc độ thường sử dụng 19600 bit/s/20m Tốc độ truyền modem đời đạt 56,6Kbit/s Về sau có số tiêu chuẩn nối tiếp khác đời RS422, RS485 cho phép truyền với tốc độ cao khoảng cách dài hơn: ví dụ RS422 10Mbit/s/hàng ngàn km Một số chuẩn khác cho phép sử dụng mạng máy tính + Mức điện áp đường truyền Hình 2.2 Các mức điện áp chuẩn RS232 Từ sơ đồ ta thấy cải tiến RS232B làm tăng mức điện áp từ 5V đến 25V Trong đó: -Mức logic tính từ -5V đến -25V -Mức logic tính từ +5V đến +25V -Các mức từ -3V đến +3V gọi trạng thái chuyển tiếp -Các mức điện áp từ 3V đến 5V gọi khơng xác định Dữ liệu có mức điện áp rơi vào khoảng dẫn đến kết khơng dự tính tình trạng hoạt động hệ thống thiết bị kế sơ sài Điều đáng ý là: Mức ~ LOW, mức ~ HIGH trước đưa vào xử lý cịn có nhớ đảo cịn gọi nhớ chuẩn dạng tín hiệu Việc nâng mức điện áp chuẩn RS232B dẫn đến hạn chế tốc độ truyền, người ta thấy tốc độ truyền khoảng cách truyền phải có dung hoà RS232C chuẩn áp dụng Điện áp sử dụng 12V Trong đó: 10 Encorder) nên động khơng thể biết có đáp ứng lệnh hay không Hai trường hợp xảy : Khắc phục tượng có hai cách + - Lập Encorder vào đầu trục động để giám sát để dịch bước động Đây phương án tốn chắn Hiện số chế tạo động bước có trục hở hai đầu để lắp Encorder Đối với hệ điều khiển bám sát vị trí, ngồi Encorder lắp đầu động phải lắp Encorder đầu trục đối tượng điều khiển để giám sát vị trí đối tượng (có nghĩa kiểm tra hệ truyền động hộp số, trục …) - Tính tốn độ dự trữ thật cao chọn modun điều khiển thật xác để chắn động hệ khí đáp ứng trung thành lệnh điều khiển Chọn quán tính tải từ đến 10 lần quán tính roto động -Với hệ chất lượng cao (chắng hạn quay nhanh), tỷ số ≤ -Với hệ chất lượng vừa phải, chọn tỷ số từ đến 10 +Chọn kích thước động kinh nghiệm Kích thích động có ảnh hưởng đến đặc tuyến động hệ Các yếu tố cần tính đến ma sát hệ, quán tính tải tượng cộng hưởng lớn Việc cân nhắc nhìn chung phức tạp, chủ yếu dựa vào kinh nghiệm 3.4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠCH DRIVER ĐỘNG CƠ BƯỚC 3.4.1 T - công: 28 (Dual D-Type Flip-Flop) 4013B - - - - Mỗi - ữ liệu, cài đặt, thiết lập lại, xu vào "Q1" "Q2" 3.4 S - : VDSS = 55V ;DS(on) = 17.5mΩ ; ID = 4A 29 kết đầu 30 Chương THI CƠNG MƠ HÌNH trục * Thơng số kỹ thuật dự kiến đạt sau khí chế tạo: Khả Hành trình trục X lớn 900mm Hành trình truc Y lớn 600mm Hành trình trục Z lớn 200mm công nghệ Vật liệu gia Xốp, gỗ, vật liệu công phi kim Tốc độ tới Tốc độ dịch chuyển nhanh ( trục X ) 1000mm/phút hạn Tốc độ dịch chuyển nhanh ( trục Y ) 1000mm/phút Tốc độ dịch chuyển nhanh ( trục Z ) 1000mm/phút Động đầu cắt VẠN NĂNG Động 200W Động điều khiển trục X, Y, Z ( động bước) Khối lượng 3V – 3.25A - 1.80 70kg 31 4.2.1 Phần khí + Khung máy: Để tăng độ cứng vững cho máy, dễ cho q trình chế tạo lắp ráp máy, nhóm tác giả chọn vật liệu + 4*4cm Truyền động trục: sử dụng trượt chuyên dùng cho máy công nghiệp 4.2.2 Phần điện điều khiển + Mạch công suất: Thiết kế mạch công suất sử dụng mosfet để tăng công suất điều khiển, sử dụng động có dịng điều khiển lớn + Nguồn động lực: Chọn nguồn biến áp, cho khả làm việc lâu dài + Nguồn điều khiển: Chọn nguồn xung yêu cầu ổn định điện áp + Điều khiển: Đ + Động gia công: Chọn động vạn để đạt tốc độ cao 32 4.4 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 4.4.1 Một số hình ảnh trình dựng máy Hình 4.1 Một số chi tiết khí trục X, Y động bước 33 Hình 4.2 Trục truyền động Z 34 4.4.2 Hình ảnh máy sau hồn thành Hình 4.3 Hình ảnh máy hồn thành 35 4.4.3 Quy trình gia cơng sản phẩm mơ hình máy cnc Tùy theo vật phẩm gia cơng mà quy trình có đơi chút khác nhau, nhiên trình tạo sản phẩm phải trải qua bước sau: + Thiết kế sản phẩm cần gia công 2D 3D phần mềm cad chuyên dụng chuẩn bị thiết kế định dạng hình ảnh + Chuyển thiết kế vào phần mềm CAM để xuất mã Gcode + Chuẩn bị phôi + Nạp mã Gcode vào phần mềm gia công Mach2 + Bật máy , máy chạy với dòng lệnh Gcode nạp + Kết thúc trình chạy máy, ta thu sản phẩm thiết kế ban đầu 4.4.4 Một số hình ảnh sản phẩm gia cơng máy cnc nhóm tác giả thực + Máy cnc nhóm tác giả xây dựng phay tạo đường mạch khoa lỗ tự động Hình 4.4 Mạch in gia công tự động máy cnc 36 + Mở rộng phạm vi khai thác, máy điêu khắc phù điêu , sản phầm hình 3d Hình 4.5 Máy cnc điêu khắc gỗ hình chim hạc 3D Hình 4.6 Máy cnc điêu khắc hình cá chép vật liệu Mica 37 Sau thời gian , nhóm tác giả cnc , mơ hình máy cnc thực yêu cầu đặt gia cơng hồn thiện mạch in, khơng cần khâu in mạch, mạch, ăn mòn phương pháp truyền thống, ngồi máy cnc gia công nhiều vật liệu khác gỗ, mica, nhựa nhôm phục vụ ngành quảng cáo, điêu khắc Đề tài hoàn thành đáp ứng u cầu đề gia cơng hồn thiện mạch in, ưu nhược điểm làm mạch máy cnc sau: + Ưu điểm: Làm mạch in máy nhanh so với làm phương pháp truyền thống, khơng nhiễm mơi trường, gia công lúc nhiều mạch cách lắp thêm nhiều đầu cắt + Nhược điểm : Nhược điểm gia cơng máy có tiếng ồn máy chạy, nhiên có kinh phí cao nhược điểm khắc phục cách thay động gia công vạn sử dụng động khơng đồng roto lồng sóc, chạy tần số 400Hz với biến tần Ngồi chức gia công mạch in nội dung đề tài thực hiện, ta mở rộng khả ứng dụng máy ví dụ dùng ngành quảng cáo, điêu khắc sản phẩm phù điêu, cắt sắt mỏ cắt ga-oxi plasma, khắc dấu 38 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CNC 1.1 KHÁI NIỆM MÁY CNC .2 1.1.1 1.2 LỢI ÍCH VÀ ỨNG DỤNG CỦA MÁY CNC 1.2.1 Ba lợi ích máy CNC 1.2.2 Phạm vi ứng dụng 1.3 ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ SỬ DỤNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG MÁY CNC 4 1.3.2 .4 Chương CÁC GIAO TIẾP MÁY TÍNH, LẬP TRÌ NC 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIAO TIẾP MÁY TÍNH 2.1.1 Giao tiếp qua cổng song song 2.1.3 Cổng USB 11 2.2 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC .12 2.2.1 Ngơn ngữ lập trình tự động .12 Chương 18 3.1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC 18 18 3.1.2 Nguyên lý hoạt động 19 22 c 22 3.2.5 Điều khiển chiều quay động bước 24 3.2 LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ .26 3.2.1 Tính tốn tỉ số truyền chọn động 26 3.4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠCH DRIVER ĐỘNG CƠ BƯỚC 28 28 39 Chương THI CƠNG MƠ HÌNH 31 31 32 4.2.1 Phần khí .32 4.2.2 Phần điện điều khiển 32 4.4 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 33 4.4.1 Một số hình ảnh trình dựng máy 33 4.4.2 Hình ảnh máy sau hồn thành 35 4.4.3 Quy trình gia cơng sản phẩm mơ hình máy cnc 36 4.4.4 Một số hình ảnh sản phẩm gia cơng máy cnc nhóm tác giả thực 36 38 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Minh Hà(1997), Kỹ thuật mạch điện tử, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn (2005), Máy điện, Nhà xuất Xây dựng Ngô Hồng Quang (2003), Thiết kế cung cấp điện, Nhà xuất khoa học – kỹ thuật Ngơ Diên Tập(2005), Giáo trình vi xử lý cấu trúc máy tính, Nhà xuất Giáo dục Ngơ Diên Tập (2005), Lập trình ghép nối máy tính Windows, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Bùi Thanh Trúc, Phạm Minh Đạo (2010), Giáo trình gia cơng máy CNC, Nhà xuất Lao Động Nguyễn Thúy Vân (2004), Kỹ thuật số, Nhà xuất khoa học kỹ thuật www.Google.com 41 ... chim hạc 3D Hình 4.6 Máy cnc điêu khắc hình cá chép vật liệu Mica 37 Sau thời gian , nhóm tác giả cnc , mơ hình máy cnc thực u cầu đặt gia cơng hồn thiện mạch in, không cần khâu in mạch, mạch, ăn... xây dựng phay tạo đường mạch khoa lỗ tự động Hình 4.4 Mạch in gia cơng tự động máy cnc 36 + Mở rộng phạm vi khai thác, máy điêu khắc phù điêu , sản phầm hình 3d Hình 4.5 Máy cnc điêu khắc gỗ hình. .. Một số hình ảnh trình dựng máy 33 4.4.2 Hình ảnh máy sau hoàn thành 35 4.4.3 Quy trình gia cơng sản phẩm mơ hình máy cnc 36 4.4.4 Một số hình ảnh sản phẩm gia cơng máy cnc nhóm