Nghiên cứu và thiết kế mô hình máy tạo mẫu nhanh kiểu kết tụ nóng chảy FDM phục vụ đào tạo

NGUYỄN NGỌC LONG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ NGÀNH : CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH MÁY TẠO MẪU NHANH KIỂU KẾT TỤ NÓNG CHẢY FDM PHỤC VU ĐÀO TẠO NGUYỄN NGỌC LONG 2005 - 2007 HÀ NỘI 2007 HÀ NỘI 2007 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH MÁY TẠO MẪU NHANH KIỂU KẾT TỤ NĨNG CHẢY FDM PHỤC VU ĐÀO TẠO NGÀNH : CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ MÃ SỐ:23.04.3898 NGUYỄN NGỌC LONG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN HUY NINH HÀ NỘI 2007 Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục hình vẽ Mở đầu 11 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH Tổng quan công nghệ tạo mẫu nhanh 1.1 Giới thiệu chung 15 Các khái niệm tạo mẫu nhanh: 17 1.3 Nguồn gốc công nghệ tạo mẫu nhanh 19 1.4 Các đặc điểm nguyên lý tạo mẫu nhanh 20 1.5 Ưu điểm trình tạo mẫu nhanh: 21 Các đặc trưng trình tạo mẫu nhanh: 23 1.2 2.1 Nguyên lý chung qúa trình RP 23 2.1.1 Đầu vào 25 2.1.2 Phương pháp 25 2.1.3 Vật liệu 25 2.1.4 Sự ứng dụng 26 2.2 Các loại hệ thống tạo mẫu nhanh đặc trưng công nghệ: 26 2.3 Các bước cơng nghệ q trình tạo mẫu nhanh 30 2.3.1 Mơ hình hố CAD 30 2.3.2 Xuất dạng STL 31 2.3.3 Cắt lát 31 2.3.4 Hợp 31 2.3.5 Chuẩn bị 32 2.3.6 Chế tạo 32 2.3.7 Xử lý sau chế tạo 32 Ứng dung cơng nghệ tạo mẫu nhanh lợi ích 32 3.1 Ứng dụng cơng nghệ tạo mẫu nhanh 33 3.1.1 Khuôn đúc vỏ mỏng: 33 3.1.2 Chế tạo dụng cụ: 33 3.1.3 Tạo mẫu nhanh chế tạo sản xuất: 33 3.1.4 Tạo mẫu nhanh ứng dụng y học: 34 3.2 Lợi ích người thiết kế sản phẩm 35 3.3 Lợi ích đến người sản xuất cung cấp vật liệu 36 3.4 Tiếp thị 36 3.5 Lợi ích người sử dụng 37 CHƯƠNG :TẠO MẪU NHANH THEO PHƯƠNG PHÁP KẾT TỤ NÓNG CHẢY Phương pháp tạo mẫu nhanh FDM: 2.1 Sơ lược hãng sản xuất STRATASY: 38 38 2.2 Nguyên lý hoạt động trình FDM: 39 2.3 Vật liệu sử dụng trình FDM: 45 2.4 Các sản phẩm: 47 2.4.1 FDM Vantage SE: 49 2.4.2 FDM Titan: 50 2.4.3 FDM Maxum: 52 2.5 Một số vấn đề gặp phải trình FDM: 53 2.5.1 Vấn đề với file định dạng STL: 53 2.5.2 Các định dạng chuyển đổi khác: 56 2.6 Ưu điểm nhược điểm FDM: 57 2.7 Ứng dụng q trình FDM: 59 CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÁY VÀ NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN Lựa chon kết cấu mơ hình máy cấu truyền động 60 1.1 Chọn kết cấu máy 60 1.2 Lựa chọn cấu truyền động 62 1.2.1 Vít me đai ốc thường 62 1.2.2 Vit me đai ốc bi 63 1.3 Kêt cấu dẫn hướng trục: 65 – Kết cấu khí máy 67 2.1 Kết cấu chung máy 67 2.1.1 Phần cố định 68 2.1.2 Phần di chuyển dọc theo trục Z 68 2.1.3 Phần di chuyển dọc theo trục X 69 2.1.4 Phần di chuyển dọc theo trục Y 70 2.1.5 Cơ cấu đẩy vật liệu dầu dùn nhựa 70 2.2.Các chi tiết máy 71 2.2.1.Chi tiết Đế mang cá 71 2.2.2 Chi tiết dẫn hướng trung gian trục X trục Y 72 2.2.3 Chi tiết sống trượt mang cá trục Z 73 2.2.4 Chi tiết rãnh trượt mang cá trục Z 73 2.2.5 Chi tiết bàn máy 74 – Nguyên lý điều khiển máy 75 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 75 3.1.1 Khối nguồn 75 3.1.2 Khối máy tính 76 3.1.3 Khối Vi điều khiển 76 3.1.4 Khối cách ly quang 76 3.1.5 Khối mạch cơng suất Role đóng điện động 76 3.1.6 Khối cấu chấp hành 77 3.2.Các phương pháp điều khiển gia công (các phương pháp nội suy ): 77 3.2.1 Nội suy tuyến tính (Nội suy đường thẳng) 78 3.2.2 Nội suy đường tròn 79 3.2.3 Nội suy cung parabol 80 3.2.4 Nội suy đường cong 80 CHƯƠNG IV THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN 81 4.1 Mạch điều khiển 81 4.1.1 Yêu cầu mạch điều khiển 81 4.1.2 Động chiều (DC) 82 4.1.3 Động bước 84 4.1.4 Sơ đồ khối 94 4.2 Phần mềm điều khiển 101 4.2.1 Ngơn ngữ lập trình phần mềm 101 4.2.2 lập trình điều khiển 102 4.2.2.1 Sử dụng thư viện Serial 102 4.2.2.2 Thuật toán nội suy 4.2.2 Giao diện hoạt động phần mềm điều khiển 103 115 Kết luận chung 116 Tài liệu tham khảo 117 Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục hình vẽ Mở đầu 11 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH Tổng quan công nghệ tạo mẫu nhanh 1.1 Giới thiệu chung 15 Các khái niệm tạo mẫu nhanh: 17 1.3 Nguồn gốc công nghệ tạo mẫu nhanh 19 1.4 Các đặc điểm nguyên lý tạo mẫu nhanh 20 1.5 Ưu điểm trình tạo mẫu nhanh: 21 Các đặc trưng trình tạo mẫu nhanh: 23 1.2 2.1 Nguyên lý chung qúa trình RP 23 2.1.1 Đầu vào 25 2.1.2 Phương pháp 25 2.1.3 Vật liệu 25 2.1.4 Sự ứng dụng 26 2.2 Các loại hệ thống tạo mẫu nhanh đặc trưng công nghệ: 26 2.3 Các bước cơng nghệ q trình tạo mẫu nhanh 30 2.3.1 Mơ hình hố CAD 30 2.3.2 Xuất dạng STL 31 2.3.3 Cắt lát 31 2.3.4 Hợp 31 2.3.5 Chuẩn bị 32 2.3.6 Chế tạo 32 2.3.7 Xử lý sau chế tạo 32 Ứng dung cơng nghệ tạo mẫu nhanh lợi ích 32 3.1 Ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh 33 3.1.1 Khuôn đúc vỏ mỏng: 33 3.1.2 Chế tạo dụng cụ: 33 3.1.3 Tạo mẫu nhanh chế tạo sản xuất: 33 3.1.4 Tạo mẫu nhanh ứng dụng y học: 34 3.2 Lợi ích người thiết kế sản phẩm 35 3.3 Lợi ích đến người sản xuất cung cấp vật liệu 36 3.4 Tiếp thị 36 3.5 Lợi ích người sử dụng 37 CHƯƠNG :TẠO MẪU NHANH THEO PHƯƠNG PHÁP KẾT TỤ NÓNG CHẢY Phương pháp tạo mẫu nhanh FDM: 38 2.1 Sơ lược hãng sản xuất STRATASY: 38 2.2 Nguyên lý hoạt động trình FDM: 39 2.3 Vật liệu sử dụng trình FDM: 45 2.4 Các sản phẩm: 47 2.4.1 FDM Vantage SE: 49 2.4.2 FDM Titan: 50 2.4.3 FDM Maxum: 52 2.5 Một số vấn đề gặp phải trình FDM: 53 2.5.1 Vấn đề với file định dạng STL: 53 2.5.2 Các định dạng chuyển đổi khác: 56 2.6 Ưu điểm nhược điểm FDM: 57 2.7 Ứng dụng trình FDM: 59 CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÁY VÀ NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN Lựa chon kết cấu mơ hình máy cấu truyền động 60 1.1 Chọn kết cấu máy 60 1.2 Lựa chọn cấu truyền động 62 1.2.1 Vít me đai ốc thường 62 1.2.2 Vit me đai ốc bi 63 1.3 Kêt cấu dẫn hướng trục: 65 109 //{{AFX_INSERT_LOCATION}} // Microsoft Visual C++ will insert additional declarations immediately before the previous line #endif // !defined(AFX_MANH_DADLG_H 19EC97BA_1724_4060_983E_E84F1A349 2B1 INCLUDED_) Chương trình kiểm tra đọc lệnh Gcode: #if !defined(AFX_GCODE_EXT_H A15D9DEF_8CF0_4F35_B9D4_52EA87E79 3C8 INCLUDED_) #define AFX_GCODE_EXT_H A15D9DEF_8CF0_4F35_B9D4_52EA87E793C8 IN CLUDED_ #if _MSC_VER > 1000 #pragma once #endif // _MSC_VER > 1000 #include #include "Gcode_Cmd.h" #define pi 3.1415926535897932 class Gcode_Ext { public: Gcode_Ext(); virtual ~Gcode_Ext(); public: //- Bien ve vi tri hien tai double Cur_X,Cur_Y,Cur_Z; tinh so voi lenh //- Bien ve tham so tinh toan - // vi tri hien tai - de 110 int V_chuan; // van toc chuan noi suy - duoc tinh tham chieu int V_max; // van toc hay lenh G00 -double Rev_X,Rev_Y,Rev_Z; // rev_x = n buoc/ mm double Delta_l; // buoc de dung noi suy - hai diem noi suy co l = delta_long //- Bien ve mang du lieu noi suy int m_NoiSuy; // so nut duoc noi suy int Step_X[1000],Step_Y[1000],V_X[1000],V_Y[1000],Step_Z[1000],V_Z[10 00]; public: //- Ham tinh toan noi suy void Init_pos(double x0, double y0, double z0); void Init_rev(double revx, double revy, double revz); void Init_vdl(int vchuan, double deltal); int Ext_Cmd(Gcode_Cmd G_cmd); void Calc_ns(int index, double X, double Y, double Z); double Calc_angle(double I, double J); void Clear(); }; #endif // !defined(AFX_GCODE_EXT_H A15D9DEF_8CF0_4F35_B9D4_52EA87E79 3C8 INCLUDED_) int Gcode_Ext::Ext_Cmd(Gcode_Cmd G_cmd){ double t_x,t_y,t_z,x0=Cur_X,y0=Cur_Y,z0=Cur_Z,x1,y1,z1,R,a1,a2,C,delta_a,tamx,tam y,temp; int i; // switch(G_cmd.G) { 111 case :// lenh G00 - khong noi suy m_NoiSuy = 1; // chi co mot lenh if(G_cmd.x){ Step_X[1] = int(G_cmd.X*Rev_X) int(Cur_X*Rev_X); // loai bo sai so tich luy Cur_X = G_cmd.X; // update vi tri moi }else Step_X[1] = 0; // if(G_cmd.y){ Step_Y[1] = int(G_cmd.Y*Rev_Y) - int(Cur_Y*Rev_Y); // loai bo sai so tich luy Cur_Y = G_cmd.Y; }else Step_Y[1] = 0; // if(G_cmd.z){ Step_Z[1] = int(G_cmd.Z*Rev_Z) - int(Cur_Z*Rev_Z); // loai bo sai so tich luy Cur_Z = G_cmd.Z; }else Step_Z[1] = 0; // //double temp; // khong noi suy - chay to Max //temp = sqrt(Step_X[1]*Step_X[1] + Step_Y[1]*Step_Y[1]); V_X[1] = V_chuan;//int(abs(Step_X[1])*V_chuan/temp); V_Y[1] = V_chuan;//int(abs(Step_Y[1])*V_chuan/temp); V_Z[1] = V_chuan/5; break; case :// Lenh G01 - Noi suy duong thang Delta_l=50; if(G_cmd.x) t_x = G_cmd.X-Cur_X; else t_x = 0; if(G_cmd.y) t_y = G_cmd.Y-Cur_Y; else t_y = 0; if(G_cmd.z) t_z = G_cmd.Z-Cur_Z; else t_z = 0; 112 temp = sqrt((long)t_x*t_x+ (long)t_y*t_y+(long)t_z*t_z); if(temp>Delta_l) m_NoiSuy = int(temp/Delta_l); else m_NoiSuy = 1; for(i=1;i=a1) a2 = a2 - 2*pi; C = R*(a1-a2); // chu vi cung tron m_NoiSuy = int(C/Delta_l); // so buoc noi suy delta_a = (a1-a2)/m_NoiSuy;// delta goc noi suy for(i=1;i=a2) a2 = a2 + 2*pi; C = R*(a2-a1); // chu vi cung tron m_NoiSuy = int(C/Delta_l); // so buoc noi suy delta_a = (a2-a1)/m_NoiSuy;// delta goc noi suy for(i=1;i=a1) a2 = a2 - 2*pi; C = R*(a1-a2); // chu vi cung tron m_NoiSuy = int(C/Delta_l); // so buoc noi suy delta_a = (a1-a2)/m_NoiSuy;// delta goc noi suy for(i=1;i