Thiết kế và chế tạo máy CNC dùng tia Laser: Đề tài nghiên cứu khoa học

CNC là một dạng máy điều khiển tự động có sự trợ giúp của máy tính, mà trong đó các bộ phận tự động được lập trình để hoạt động theo các sự kiện nối tiếp nhau với một tốc độ được xác đ[r]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU VIỆN CNTT - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ —&– ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY CNC DÙNG TIA LASER Chủ nhiệm: Nguyễn Minh Dức Hướng dẫn khoa học: ThS Phạm Chí Hiếu BÀ RỊA-VŨNG TÀU, NĂM 2018-2019 Trường ĐHBRVT Báo cáo nghiên cứu khoa học TRƯỜNG ĐH BÀ RỊA VŨNG TÀU CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc o0o - VIỆN CNTT-ĐIỆN-ĐIỆN TỬ NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Họ tên sinh viên: Nguyễn Minh Đức MSSV: 15031989 Ngày, tháng, năm sinh: 15/06/1997 Nơi sinh: Vũng Tàu Chuyên Ngành: Tự động I TÊN ĐỀ TÀI: Thiết Kế Và Chế Tạo Máy CNC Dùng Tia Laser II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu cơng dụng thiết bị điện, điện tử - Đưa phương án nghiên cứu - Thiết kế chế tạo máy CNC dùng tia Laser - Kiểm tra, đánh giá tính ứng dụng đề tài III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI: 01/11/2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH ĐỀ TÀI: 31/03/2019 V HỌ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Th.S Phạm Chí Hiếu CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) Bà Rịa - Vũng Tàu, Ngày… tháng …năm 2019 SINH VIÊN THỰC HIỆN CHÍNH (Ký ghi rõ họ tên) ThS Phạm Chí Hiếu Nguyễn Minh Đức PHỊNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC (Ký ghi rõ họ tên) TRƯỞNG VIỆN (Ký ghi rõ họ tên) TS Phan Ngọc Hoàng SVTH: Nguyễn Minh Đức Trường ĐHBRVT Báo cáo nghiên cứu khoa học LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu khoa học tổng quát lại kết q trình nghiên cứu tơi Các số liệu, hình ảnh, thơng tin đề tài trung thực, tơi tìm hiểu, tham khảo từ nhiều nguồn tư liệu Đề tài không chép đề tài có từ trước Nếu phát có gian lận tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung đề tài Trường đại học BÀ RỊA-VŨNG TÀU không liên quan đến vi phạm tác quyền, quyền gây q trình thực (nếu có) Vũng Tàu, ngày 10 tháng 05 năm 2019 Người cam đoan Nguyễn Minh Đức Lời nhận xét hội đồng phản biện Chủ tịch hội đồng Phản biện Phản biện Ủy viên Lưu Hoàng Phạm Văn Tâm Phan Thanh Hoàng Anh Châu Nguyễn Ngọc Lan SVTH: Nguyễn Minh Đức Trường ĐHBRVT Báo cáo nghiên cứu khoa học MỞ ĐẦU CNC–Viết tắt Computer (ized) Numerical (ly) Control (led) (điều khiển máy tính), đề cập đến việc điều khiển máy tính máy móc với mục đích sản xuất (có tính lặp lại), phận kim khí (hay vật liệu khác) phức tạp, cách sử dụng chương trình viết ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi mã G Sự xuất máy CNC nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp Các đường cong thực dễ dàng đường thẳng, cấu trúc phức tạp chiều dễ dàng thực hiện, lượng lớn thao tác người thực giảm thiểu 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 cịn cho phép linh hoạt thao tác sản phẩm thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất linh kiện khác Trong môi trường sản xuất, loạt máy CNC kết hợp thành tổ hợp, gọi cell, để làm nhiều thao tác phận Máy CNC ngày điều khiển trực tiếp từ vẽ phần mềm CAM, phận hay lắp ráp trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần vẽ in chi tiết Có thể nói CNC phân đoạn hệ thống robot công nghiệp, tức chúng thiết kế để thực nhiều thao tác sản xuất Ngày máy CNC đóng vai trị quan trọng cơng nghiệp sản xuất, chiếm ưu tiết kiệm lao động độ xác cao, nói phần khơng thể thiếu công nghiệp sản xuất đại Để góp phần làm sáng tỏ hiệu ứng dụng thực tế máy CNC, sau thời gian học tập em nghiên cứu đề tài “thiết kế chế tạo máy CNC dùng tia Laser” Hệ thống giúp ta hàn, cắt hay khắc chi tiết xác SVTH: Nguyễn Minh Đức Trường ĐHBRVT Báo cáo nghiên cứu khoa học LỜI CẢM ƠN Trước bắt đầu nghiên cứu khoa học, với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin cảm ơn q thầy ngành Điện-Điện tử tận tình truyền đạt kiến thức giúp đỡ em trình học tập trường Đặc biệt, em xin ghi nhớ nhiệt tình thầy Phạm Chí Hiếu, người trực tiếp hướng dẫn giúp em hoàn thành đề tài Sau cùng, em xin cảm ơn người bạn đóng góp ý kiến hỗ trợ thơng tin để hoàn thiện đề tài Vũng tàu, ngày …… tháng….… năm 2019 Sinh viên thực (Ký ghi rõ họ tên) Nguyễn Minh Đức SVTH: Nguyễn Minh Đức Trường ĐHBRVT Báo cáo nghiên cứu khoa học MỤC LỤC Đề mục Trang NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI LỜI CAM ĐOAN MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN 01 1.1 Đặt vấn đề 01 1.2 Mục tiêu đề tài.………… 01 1.3 Tính tối ưu đề tài 01 CHƯƠNG THIẾT BỊ VÀ CÁC GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ… 02 2.1 Giới thiệu máy CNC ……… ……………… .….……………………… 02 2.1.1 Khái niệm máy CNC……… ……… …………… … … …………… 02 2.1.2 Trục máy CNC……… ……… …… ………………… … …………… 02 2.1.3 Hệ thống điều khiển máy CNC………….…… …… … … …………… 02 2.1.3.1 Tổng quát……… ……… …………………………… … …………… 02 2.1.3.2 Chọn động cho cấu dẫn động trục……… … … …………… 03 2.1.4 Phần cứng máy CNC…….…… ……… ………… … … …………… 03 2.1.5 Phần mềm máy CNC…… … … ……………………………………… 04 2.1.6 Nguyên tắc lập trình gia công máy CNC……… … … …………… 05 2.1.7 Cấu trúc chương trình…… … … …………………………………….… 05 2.1.8 Những chức hỗ trợ…… … ………………………… …………… 05 2.1.9 Hệ tọa độ tuyệt đối – Tọa độ tương đối………………… … …………… 06 2.2 Chương trình gia cơng CNC…… … … … .………… 06 2.2.1 Mã lệnh G bản…… … … …………………………………………… 07 2.2.2 Mã lệnh M bản…… … ……………………………… …………… 08 2.3 Lợi ích máy CNC … …………… 09 2.3.1 Tự động hóa sản xuất … ………………………………………………… 09 2.3.2 Độ xác lặp lại cao sản phẩm ………………… …………… 09 SVTH: Nguyễn Minh Đức Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT 2.3.3 Tính linh hoạt máy CNC … ………………………………………… … 09 2.3.4 Phạm vi sử dụng máy CNC … ………………………………… ……… 10 2.4 Giới thiệu tia Laser … ………… … 10 2.4.1 Giới thiệu chung … …………………………………………………… 10 2.4.2 Lịch sử… … …………………………………………………… ……… 10 2.4.3 Cấu tạo… … ………………………………………………………….… 11 2.4.4 Cơ chế hoạt động… … …………… 11 2.4.5 Phân loại… … ……………………………………………………… … 12 2.4.5.1 Laser chất rắn… … ………………………………………….………… 12 2.4.5.2 Laser chất khí… … ………………………………………….………… 12 2.4.5.3 Laser chất lỏng… … …………………………………………………… 12 2.4.6 Tính chất… … ……………………………………………………… … 12 2.4.7 Các chế độ hoạt động … ………………………………… …………… 13 2.4.8 An toàn … … …………………………………………………………… 13 2.4.9 Ứng dụng laser … … …………………………………………….… 14 2.5 Giới thiệu Mạch Arduino NANO … … …… …… … 14 2.5.1 Nguồn sử dụng … … ……………………………………………… … 15 2.5.2 Các chân lượng … … …………………… ……………………… 15 2.5.3 Bộ nhớ sử dụng … … … …………………………………………………16 2.5.4 Các cổng vào/ra Arduino Board … … .…………… 16 2.5.5 Lập trình cho Arduino… …………… …………………………………… 18 2.5.5.1 Cấu trúc chương trình… …………………………………………….… 21 2.5.5.2 Cách viết chương trình IDE… …………… 21 2.5.5.3 Chương trình giao tiếp với máy tính……………………… …………… 22 2.5.5.4 Nạp bootloader cho arduino… ………………………………… ……… 23 CHƯƠNG THIẾT KẾ MƠ HÌNH VÀ CHƯƠNG TRÌNH MÁY CNC………… 25 3.1 Sơ đồ khối máy CNC …………………………………………………… 25 3.1.1 Phần điều khiển …………………………………………………………… 25 3.1.1.1 Máy tính cài sẳn phần mềm điều khiển ………………………….……… 25 3.1.1.2 Mạch Arduino Uno R3 ………………………………………… ……… 26 3.1.1.3 Mạch CNC Shield ………………………………………………… …… 27 3.1.2 Cơ cấu chấp hành ………………………………………………………… 29 SVTH: Nguyễn Minh Đức Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT 3.1.2.1 Module Driver Laser ………………………………………………….… 29 3.1.2.2 Động chấp hành ……………………………………………………… 29 3.1.2.3 Đầu Laser 2.5w …………………………………………………….…… 29 3.2 Mô hình thực ………………………………………………………………… 30 3.2.1 Mơ hình sườn máy bàn máy …………………………………………… 30 3.2.2 Mơ hình thực máy CNC ……………………………………………… 32 3.3 Viết chương trình cho máy CNC …………………………………….……… 32 3.3.1 Phần mềm tạo Gcode Inkscape …………………………………….……… 32 3.3.1.1 Khái niệm ……………………………………………………………… 32 3.3.1.2 Các bước sử dụng Inkscape tạo file Gcode khác Laser ………………… 32 3.3.2 Phần mềm điều khiển Universal Gcode Sender ……………… ………… 34 3.4 Một số kết đạt đề tài …………………………………….…… 40 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI………….……… 41 4.1 Kết Luận……………………………………………………………………… 41 4.1.1 Ưu điểm đề tài………………………………………………………… 41 4.1.2 Nhược điểm đề tài………………………………………………… … 41 4.2 Hướng phát triển……………………………………………………………… 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………… 42 SVTH: Nguyễn Minh Đức Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Công nghệ Laser ngày quan trọng việc cho đời sản phẩm đạt chất lượng ngành công nghiệp hỗ trợ Tại Việt Nam, thiết bị Laser cơng nghiệp có mặt thị trường nhiều năm phần lớn cung cấp công ty hoạt động thương mại Các máy CNC cho phép gia công sản phẩm có độ xác độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống làm Sau nạp chương trình gia cơng, nhiều máy CNC tự động chạy liên tục kết thúc, giải phóng nhân lực cho cơng việc khác Trong xu đó, nhằm mục đích chế tạo máy cơng cụ xác vẽ tranh, khắc chữ gỗ, nhựa, giấy, da, vải, phục vụ cho mỹ nghệ, quà lưu niệm, tranh ảnh cách tự động, nên nhóm thực đề tài Ngoài ra, sản phẩm chế tạo với thiết kế đẹp mắt, chi phí sản xuất bảo trì thấp so với sản phẩm loại nước ngồi, phù hợp với túi tiền người dùng Sản phẩm ứng dụng cụ thể hệ thống tự động hóa có độ xác cao vào đời sống sản xuất, mang lại hiệu cao so với phương pháp cắt khắc truyền thống Sản phẩm có phần mềm hỗ trợ trực quan, dễ hiểu nên người sử dụng cách dễ dàng sau vài tìm hiểu, nên có khả đưa sử dụng rộng rãi, phổ biến 1.2 Mục tiêu đề tài - Nghiên cứu mơ hình hệ thống máy CNC dùng tia Laser - Nghiên cứu sở lý thuyết để xây dựng mô hình dựa kiến thức học - Ứng dụng công nghệ xây dựng hệ thống 1.3 Tính tối ưu đề tài - Tạo tính tư cho sinh viên q trình nghiên cứu - Có tính linh động mở rộng cho sinh viên thiết kế mơ hình dựa sở thực tế - Mơ hình đơn giản hữu ích SVTH: Nguyễn Minh Đức Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT CHƯƠNG THIẾT BỊ VÀ CÁC GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 2.1 Giới thiệu máy CNC 2.1.1 Khái niệm máy CNC CNC dạng máy điều khiển tự động có trợ giúp máy tính, mà phận tự động lập trình để hoạt động theo kiện nối tiếp với tốc độ xác định trước để tạo mẫu vật với hình dạng kích thước theo yêu cầu 2.1.2 Trục máy CNC Để điều khiển chuyển động dụng cụ cắt dọc theo đường hình học bề mặt chi tiết cần có mối quan hệ dụng cụ chi tiết gia cơng Mối quan hệ thiết lập thông qua việc đặt dụng cụ chi tiết gia công hệ tọa độ Hệ tọa độ Decac sử dụng làm hệ tọa độ máy CNC Khi khơng gian giới hạn ba kích thước hệ tọa độ Decac gắn với máy mà hệ điều khiển máy nhận biết gọi vùng gia công 2.1.3 Hệ thống điều khiển máy CNC 2.1.3.1 Tổng quát Các máy CNC công nghiệp điều khiển theo nguyên tắc định Dữ liệu điều khiển đọc vào từ chương trình có sẵn máy người sử dụng nhập vào từ giao tiếp bàn phím Các liệu giải mã hệ thống điều khiển xuất tập lệnh để điều khiển cấu chấp hành thực lệnh theo yêu cầu người sử dụng Trong cấu chấp hành thực lệnh đó, kết việc thực mã hóa ngược lại phản hồi hệ điều khiển máy, kết so sánh với tập lệnh gửi Sau hệ thống điều khiển có nhiệm vụ bù lại sai lệch tiếp tục gửi đến cấu chấp hành thông tin kết thực phản hồi trở lại “khớp” với thơng tin gửi Như vậy, ta nói hệ điều khiển máy CNC cơng nghiệp hệ điều khiển kín (dữ liệu lưu thơng theo vịng kín) SVTH: Nguyễn Minh Đức ... I TÊN ĐỀ TÀI: Thiết Kế Và Chế Tạo Máy CNC Dùng Tia Laser II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu công dụng thiết bị điện, điện tử - Đưa phương án nghiên cứu - Thiết kế chế tạo máy CNC dùng tia Laser... tế máy CNC, sau thời gian học tập em nghiên cứu đề tài ? ?thiết kế chế tạo máy CNC dùng tia Laser” Hệ thống giúp ta hàn, cắt hay khắc chi tiết xác SVTH: Nguyễn Minh Đức Trường ĐHBRVT Báo cáo nghiên. .. tài nghiên cứu khoa học tổng quát lại kết trình nghiên cứu tơi Các số liệu, hình ảnh, thơng tin đề tài trung thực, tơi tìm hiểu, tham khảo từ nhiều nguồn tư liệu Đề tài khơng chép đề tài có từ