Nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo và điều khiển máy phay gỗ CNC mini có độ chính xác cao

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH iii DANH MỤC BẢNG iv CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 1.2 1.3 1.5 1.6 1.7 Những khó khăn nghề mộc Các hướng giải Ưu điểm máy CNC Nhược điểm Lựa chọn phương án Đầu đề đặt CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Chọn cấu dẫn động 2.1.1 Động dẫn động trục tọa độ 2.1.1.1 Động bước (stepping motor) 2.1.1.2 Động chiều (DC motor) 2.1.1.3 Động SERVO 2.1.1.4 Kết luận 2.1.2 Giới thiệu động bước 2.1.2.1 Khái niệm 2.1.2.2 Cấu tạo 2.1.2.3 Hoạt động 2.1.2.4 Ứng dụng 2.1.2.5 Giới thiệu động bước pha 2.2 Lựa chọn phương án di chuyển trục 10 2.2.1 Phương án phôi cố định 10 2.2.2 Phương án phôi di chuyển trục Y 11 2.2.3 Phương án phôi di chuyển trục X Y 12 2.2.4 Kết luận 12 2.3 Lựa chọn cấu truyền động 12 2.3.1 Phương án vít me đai ốc 13 2.3.1.1 Vít me đai ốc thường 13 2.3.1.2 Vít me đai ốc bi 13 2.3.2 Phương án dùng đai 15 2.3.3 Kết luận 16 ii CHƯƠNG 3: MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP 17 3.1 Mục tiêu đề tài 17 3.2 Phương pháp nghiên cứu đề tài 17 3.2.1 Tính tốn, lựa chọn Spindle 18 3.2.2 Tính, chọn vít me 20 3.2.3 Tính chọn động bước driver 24 3.2.4 Lựa chọn trượt 28 3.2.5 Tính, chọn bulơng 30 3.2.6 Thiết bị điều khiển 35 3.2.6.1 Driver điều khiển động bước 35 3.2.6.2 Thông số kỹ thuật driver PMM-BA-5603-1 35 3.2.6.3 Tín hiệu vị trí điều khiển driver PMM-BA-5603-1 37 3.2.6.4 Kết nối driver động bước 38 3.2.6.5 Các chức (EX, F/R, SL, PD, PL, LFL, VE, TU) 39 3.2.6.6 Thay đổi thông số hoạt động (RUN) driver 41 3.2.6.7 Công tắc lựa chọn độ rung thấp (VA) 41 3.2.7 Giới thiệu board Mach3 42 3.2.8 Phần mềm điều khiển 44 3.2.9 Phần mềm ArtCam 48 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 51 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 53 5.1 Kết đạt 53 5.2 Hướng phát triển đề tài 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 iii DANH MỤC HÌ NH Hi ̀ n h 2.1 Động bước Hình 2.2: Động chiều Hình 2.3: Động Servo Hình 2.4: Sơ đồ đấu nối dây bên động pha dây Hình 2.5: Phương án phôi cố định 10 Hình 2.6: Phương án phơi di chuyển trục Y 11 Hình 2.7: Phương án phôi di chuyển trục X Y 12 Hình 2.8: Vít me đai ốc thường 13 Hình 2.9: Vít me đai ốc bi 14 Hình 2.10: Bánh đai 15 Hình 3.1 Sơ đồ qui trình tính tốn 18 Hình 3.2: Sơ đồ lực bulơng tay cầm 30 Hình 3.3 Mơ hình 3D máy phay gỗ CNC mini 34 Hình 3.4: Driver SANYO PMM-BA-5603-1 35 Hình 3.5: Sơ đồ tín hiệu vị trí điều khiển driver 37 Hình 3.6: Sơ đồ kết nối driver động bước 38 Hình 3.7: Khối chức (EX, F/R, SL, PD, PL, LFL, VE, TU) c driver 39 Hình 3.8: Sơ đồ chân ứng dụng BO MACH3 CNC 42 Hình 3.9: Sơ đồ chân kết nối board Mach3 CNC 43 Hình 3.10: Giao diện phần mềm Mach3 45 Hình 3.11: Hình ảnh, vẽ (view 3D) ArtCam 48 Hình 3.12: Sản phẩm điêu khắc 49 Hình 4.1 Mơ hình máy phay CNC mini 51 Hình 4.2 Sản phẩm gia cơng từ máy phay CNC mini 52 iv DANH MỤC BẢNG Bả ng Bảng Bảng Bả ng 2.1: Bước góc động bước 3.1 Thơng số chi tiết sau tính toán lựa chọn 33 3.2: Bảng kết nối cho động 39 3.3: Giá trị nút điều chỉnh hoạt động (RUN) 41 CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Những khó khăn nghề mộc - Làm việc môi trường ồn ào, nhiều bụi gỗ, chất bảo quản dễ gây bệnh hô hấp - Có thể xảy tai nạn lao dộng tiếp xúc trực tiếp với máy gia công - Làm thủ công nên suất thấp, người thợ cần có nhiều năm kinh nghiệm tay nghề để gia công đạt yêu cầu 1.2 Các hướng giải - Trang bị trang bị bảo hộ lao động như: mặt nạ phòng động, tai nghe chống ồn - Sử dụng Robot thay cho người - Sử dụng máy móc điều khiển số (CNC) để thay người tăng suất lao động 1.3 Ưu điểm 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 chủ yếu theo dõi kiểm tra chức hoạt động máy - Độ xác làm việc cao Thơng thường má y 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 công 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 Lựa chọn phương án - Dựa vào ưu điểm mà máy CNC đem lại Chúng em xin lựa chọn phương án sử dụng máy CNC để giải toán 1.7 Đầu đề đặt - Thiết kế máy CNC mini có kích thước: 500x300mm - Tốc độ cắt: 2m/ph - Chiều sâu cắt: 30mm - Hành trình máy: 297x210mm CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Chọn cấu dẫn động 2.1.1 Động dẫn động trục tọa độ 2.1.1.1 Động bước (stepping motor) Hình 2.1: Động bước Ưu điểm: - Khi dùng động bước không cần mạch phản hồi cho vi điều khiển vị trí vận tốc - Thích hợp với thiết bị điều khiển số Với khả điều khiển số trực tiếp, động bước trở thành thông dụng thiết bị điện tử đại - Thường sử dụng hệ thống máy CNC Nhược điểm : - Phạm vi ứng dụng vùng công suất nhỏ trung bình Việc nghiên cứu nâng cơng suất động bước vấn đề quan tâm - Hiệu suất động bước thấp loại động khác 2.1.1.2 Động chiều (DC motor) Hình 2.2: Động chiều Ưu điểm: - Momen xoắn lớn, giá thành rẻ Nhược điểm: - Đáp ứng chậm mạch điều khiển lại phức tạp - Phải có mạch phản hồi nâng cao độ xác 2.1.1.3 Động SERVO Hình 2.3: Động Servo Ưu điểm: - Momen xoắn lớn, có loại AC DC - Tốc độ đáp ứng nhanh, độ xác cao Nhược điểm: - Driver phức tạp, giá thành cao 2.1.1.4 Kết luận Với điều kiện kinh tế hạn hẹp, phương án làm máy mini nên nhóm chọn động bước (steping motor) để điều khiển trục 2.1.2 Giới thiệu động bước 2.1.2.1 Khái niệm Động bước loại động điện có nguyên lý ứng dụng khác biệt với đa số động điện thông thường Chúng thực chất động đồng dùng để biến đổi tính hiệu điều khiển dạng xung điện rời rạc thành chuyển động góc quay chuyển động roto có khả cố định roto vào vị trí cần thiết 2.1.2.2 Cấu tạo Về cấu tạo, động bước coi tổng hợp hai động cơ: Động chiều không tiếp xúc động đồng giảm sóc cơng suất nhỏ 2.1.2.3 Hoạt động Động bước không quay theo chế thông thường, chúng quay theo bước nên có độ xác cao mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ chuyển mạch điện từ đưa tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự tần số định Tổng số góc quay roto tương ứng với tầng số chuyển mạch, chiều quay tốc độ quay roto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi tần số chuyển đổi 2.1.2.4 Ứng dụng Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động bước cấu chấp hành hữu hiệu thực trung thành lệnh đưa dạng số Động bước ứng dụng nhiều ngành Tự động hóa, chúng ứng dụng thiết bị cần điều khiển xác Ví dụ: điều khiển robot, điều khiển trục máy CNC, điều khiển tiêu cự 40 (2) F/R (lựa chọn hệ thống xung đầu vào):  ON: Hệ thống đầu vào đơn (CK U / D)  OFF: Hệ thống đầu vào đơi (CW CCW) (3) SL (lựa chọn giảm dịng tự động):  ON: Hoạt động  OFF: Không hoạt động (4) PD PL (giảm nguồn chọn nguồn thấp) PD PL Dòng điện động bước ON OFF OA( tắt nguồn) OFF ON Giá trị (công suất thấp) cách sử dụng điều khiển điều chỉnh dừng (STP)  (5) LEL: Công tắc không sử dụng Không bật (6) VE VU; Công tắc không sử dụng Không tắt 41 3.2.6.6 Thay đổi thông số hoạt động (RUN) driver Giá trị hoạt động động bước lựa chọn Bảng 3.3: Giá trị nút điều chỉnh hoạt động (RUN) Giá trị Dòng động bước (A) 3,0 2,9 2,8 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 Giá trị A B C D E F Dòng động bước (A) 2,1 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,3 1,2 3.2.6.7 Công tắc lựa chọn độ rung thấp (VA) - Độ rung nhiệt độ động bước giảm - Cài đặt thơng số từ đến hợp lý - Đôi mô-men xoắn tốc độ cao giảm 42 3.2.7 Giới thiệu board Mach3 Để điều khiển giao tiếp với máy tính chúng em dùng board Mach3 CNC giao tiếp LPT điều khiển trục relay Hình 3.8: Sơ đồ chân ứng dụng BO MACH3 CNC Có thể nói board Mach3 CNC trục relay đầy đủ chức ứng dụng với giá hợp lý để nghiên cứu sử dụng Các tính thơng số kỹ thuật: - Kết nối Driver trục X, Y, Z, A (có thể mở rộng lên trục) - Tích hợp Relay mạch - Đầu analog từ 0-10VDC điều khiển biến tần chạy Spindle Mach3 - Tích hợp đầu 12VDC ~ 500mA - đầu đầu vào đệm cách ly 43 - Tích hợp Led báo trạng thái đầu vào, - Nguồn sử dụng: +24 -> +40 VDC - Mạch hoạt động ổn định, thích rõ ràng, dễ sử dụng Hình 3.9: Sơ đồ chân kết nối board Mach3 CNC Cài đặt nối dây cho board Mach3 CNC: - P4: Pulse(-) X - P5: Direct(-) X - P6: Pulse(-) Y - P7: Direct(-) Y - P8: Pulse(-) Z - P9: Direct (-)Z 44 - P16: Pulse(-) A - P17: Direct(-) A (Tất chân Pul(+), Dir(+) Driver đấu nối với chân public port board) - P10: EStop (Công tắc dừng khẩn hệ thống) - P11: Limit X Tín hiệu từ cơng tắc hành trình cảm biến trục X - P12: Limit Y Tín hiệu từ cơng tắc hành trình cảm biến trục Y - P13: Limit Z Tín hiệu từ cơng tắc hành trình cảm biến trục Z - P15: Limit A Tín hiệu từ cơng tắc hành trình cảm biến trục A - P1: Chân 0-10v nối với AVI biến tần điều khiển tốc độ động dạng analog - P2: ( Relay) Khởi động cho biến tần hoạt động - P3: (Ralay) Điều khiển bơm nước dầu giải nhiệt cho mũi phay - P4: (Relay) Điều khiển thiết bị ngoại vi khác 3.2.8 Phần mềm điều khiển Với ứng dụng máy phay CNC gỗ, công việc chủ yếu phay, khắc, đục nên phần mềm tốt sử dụng ArtCAM, để xuất file G-code đưa vào Mach3 điều khiển 3.2.8.1 Phần mềm Mach3 Phần mềm Mach3 CNC phần mềm điều khiển CNC hãng ArtSoft USA, Mach3 ban đầu thiết kế dành cho người thiết kế máy CNC sau cải tiến mạnh mẽ nên trở thành phần mềm điều khiển đa dạng linh hoạt cho loại máy CNC cơng nghiệp 45 Hình 3.10: Giao diện phần mềm Mach3 Các chức đặc điểm cung cấp Mach3: - Biến máy tính cá nhân PC thành điều khiển máy CNC trục với đầy đủ tính - Cho phép import trực tiếp file dxf, bmp, jpg hpgl thông qua phần mềm LazyCam, ArtCAM - Hiển thị G-code trực quan - Tạo G-code thông qua LazyCam Wizards - Giao diện tùy biến hồn tồn theo ý thích người sử dụng - Tùy biến M-code Macro cách sử dụng VBscript - Điều khiển tốc độ trục (Spindle) - Điều khiển nhiều rơle đóng-cắt - Có khả tạo xung điều khiển tốc độ động tay 46 - Hiển thị video máy chạy - Có khả dùng với hình cảm ứng - Giao diện phần mềm có khả hiển thị tồn hình sử dụng Mach3 thành công việc sử dụng để điều khiển loại thiết bị sau: - Máy tiện - Máy phay - Máy router - Máy laser - Máy cắt plasma - Máy chạm khắc - Máy cắt bánh Yêu cầu cấu hình máy tính: Cấu hình tối thiểu máy tính để chạy phần mềm Mach3 cách ổn định Với máy tính để bàn: - Sử dụng cổng song song - Windows 2000 32-bit (64-bit không sử dụng được) - CPU 1GHz - 512 MB RAM - Card hình rời 32MB RAM Máy tính xách tay: - Sử dụng với điều khiển chuyển động thêm bên - Window 2000 - CPU 1GHz - 512 MB RAM - Một điều khiển chuyển động thêm bên 47 Yêu cầu tối thiểu kết nối với phần cứng sử dụng phần mềm Mach3 CNC: - Cần có nút nhấn Estop hay cịn gọi nút dừng khẩn cấp - Cần có trục trục chuyển động (X, Y với máy vẽ X, Y, Z với máy phay) - Mỗi trục Spindle 48 3.2.9 Phần mềm ArtCam ArtCam phần mềm DelCam phục vụ việc điêu khắc chi tiết dạng 3D ArtCam có khả phân tích tranh đưa mã G-code để gia cơng máy điêu khắc CNC, cho phép nghệ nhân tạo sản phẩm 3D có chất lượng cao cách nhanh hiệu từ từ hình vẽ hình chụp 2D Hình 3.11: Hình ảnh, vẽ (view 3D) ArtCam ArtCam biến ý tưởng thành thực cách nhanh chóng so với phương pháp truyền thốngbằng cách xây dựng mơ hình đa lớp sử dụng vector tùy biến Nếu sử dụng phần mềm chỉnh sửa hình ảnh Photoshop hay Photoeditor,… nhận thấy khả tạo hình ArtCam số Khơng thế, ArtCam cịn cung cấp cơng cụ mơ hình 3D tiên tiến chiến lược gia công linh hoạt giải pháp hồn chỉnh cho nhu cầu gia cơng CNC như: làm huy hiệu nổi, chế biến đồ gỗ, khắc làm khuôn 3D để sản xuất thiệp cưới, sản xuất khn bánh kẹo, đúc tiền, đóng gói,…Với máy điêu khắc CNC, công việc nhiều thời gian thực cách nhanh chóng hiệu Đặc điểm : 49 - ArtCam phần mềm thiết kế gia công cho lĩnh vực điêu khắc, cho phép tạo sản phẩm 3D có chất lượng cao cách nhanh hiệu từ hình vẽ hình chụp 3D mà khơng cần người học có kiến thức chuyên sau lĩnh vực điêu khắc - ArtCam biến ý tưởng thành thực cách nhanh chóng so với phương pháp truyền thống - Với ArtCam bạn đơn giản phác họa ý tưởng bạn lên giấy có hình chụp chi tiết, việc cịn lại Artcam giúp bạn lên hình chi tiết 3D xuất g-code cho máy phay CNC Hình 3.12: Sản phẩm điêu khắc Trước kia, với việc tạo hình theo phương pháp thủ công, tốn nhiều thời gian để bạn tạo sản phẩm hoàn chỉnh, với ArtCam chuyện trở nên nhanh gọn, tự động đơn giản nhiều, với hỗ trợ máy CNC, 50 việc chế tạo tự động hoàn toàn, sản phẩm tạo khơng có sai lệch Khơng riêng lĩnh vực điêu khắc, ArtCam sử dụng rộng rãi lĩnh vực quảng cáo, nội thất, xây dựng, khuôn mẫu… 51 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN Qua trình thực đề tài Nhóm có sản phẩm máy phay CNC mini có đô ̣ chính xác 3% để gia cơng gỗ Hình 4.1 Mơ hình máy phay CNC mini 52 Một số hình ảnh sản phẩm sau gia cơng máy CNC Hình 4.2 Sản phẩm gia công từ máy phay CNC mini 53 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết đạt - Đã chế tạo lắp ráp hoàn chỉnh phần khí bàn máy CNC Các chuyển động tịnh tiến theo phương X, Y, Z dùng truyền vít me đai ốc bi, kết cấu máy gọn phù hợp với mơ hình thí nghiệm, học tập giảng dạy Tìm hiểu board mạch điện tử giao tiếp với máy tính Driver điều khiển - động bước Ứng dụng phần mềm CAD-CAM, ArtCam để thiết kế xuất file G- - code Sử dụng phần mềm Mach3 đọc file G-code để điều khiển bàn máy CNC gia công - vẽ thiết kế - Điều khiển động spindle tín hiệu encoder - Gia công số sản phẩm từ gỗ - Có thể áp dụng để gia cơng số chi tiết từ loại gỗ khác với kích thước nhỏ 180x250x40mm 5.2 Hướng phát triển đề tài - Thay động bước động AC servo để sai số hơn, đạt độ xác gia cơng cao động servo điều khiển theo dạng vịng kín có tín hiệu phản hồi từ encoder - Cải tiến chế độ điều khiển tay thêm phím ma trận nhập tọa độ, điều khiển trục handle 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Việt, Hoàng Thị Thúy Nga (2010) Cơ sở tính tốn thiết kế máy thiết bị gia công gỗ, NXB Nông Nghiệp, Hà Nội [2] HIWIN BallScrew [3] HIWIN Linear Guideway [4] Nguyễn Hữu Lộc (2004) Cơ sở thiết kế máy, NXB Đại Học Quốc Gia, TP Hồ Chí Minh [5] Nguyễn Hữu Lộc (2011) Bài tập chi tiết máy, NXB Đại Học Quốc Gia, TP Hồ Chí Minh [6] Lê Khánh Điền (2015) Vẽ kỹ thuật khí, NXB Đại Học Quốc Gia, TP Hồ Chí Minh [7] Ninh Đức Tốn (2013) Dung sai lắp ghép, NXB Giáo Dục, Việt Nam http://motioncontrolsystems.hiwin.com/Asset/Ballscrew-Brochure_1309.pdf http://www.melco.com.hk/data/PMMBA5603.pdf http://www.sanyodenki.eu/IMG/pdf/5PH_SteppingMotor_e.pdf http://manhlaser.com/huong-dan-cai-dat-mach3 http://cachdung.com/tai-lieu-artcam-p1776.html ... niệm,… Với độ xác cao Yêu cầu thiết kế máy mini Máy mini thiết kế làm sản phẩm nhỏ công suất tiêu thụ điện không cao tốc độ lò sản phẩm nhanh Việc lắp đặt, tháo lắp chi tiết máy CNC gỗ mini nhanh... trượt bước Trong điều khiển động hai vấn đề tốc độ độ xác vị trí Tốc độ động bước có khả điều khiển cách xác thơng qua lượng xung cung cấp cho động Vấn đề quan trọng động bước độ xác vị trí hay... nhiều ngành Tự động hóa, chúng ứng dụng thiết bị cần điều khiển xác Ví dụ: điều khiển robot, điều khiển trục máy CNC, điều khiển tiêu cự hệ quang học, điều khiển cấu lái ph ương chiều máy bay… Trong