Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ mà quyết liệt của công nghệ số và điều khiển tự động những thao tác thủ công bằng tay sức lực của con người những máy móc thuần cơ khí dần dần được thay thế bằng những công cụ điều khiển tự động được lập trình sẵn mà dễ dàng thao tác nhưng mang lại năng suất và hiệu quả cao Trước đây việc gia công cơ khí được thực hiện hoàn toàn trên các máy cơ như Tiện cơ phay cơ Việc gia công như thế này rất tốn kèm thời gian và năng xuất không được cao để vận hành các loại máy này đòi hỏi một máy phải có một thợ Điều này đồng nghĩa các sản phẩm tạo ra sẽ không nhiều hơn nữa độ chính xác sẽ không cao dẫn đến hiểu quả kinh tế không được cao Sau một thời gian cải tiến máy CNC đã ra đời nhằm khắc phục những khuyết điểm trên các máy cơ Công nghệ CNC được hiểu nôm na là quá trình gia công được điều khiển bằng máy tính Để sử dụng việc bạn cần làm là thực hiện quá trình gia công trên máy tính bằng các phần mềm CAM Sau khi quá trình gia công trên máy tính đã hoàn thành thì phần mềm sẽ xuất ra code NC của quá trình gia công và việc cần làm bây giờ là chuyển code này vào máy CNC sau đó setup dao phôi tọa độ máy và tọa độ phôi để hoàn thành 1 sản phẩm hoàn chỉnh mà không mất quá nhiều công sức Tuy nhiên hầu hết các máy CNC trong nước đều nhập từ các nước phát triển như Đức Nhật Trung quốc nên giá thành còn rất đắt do vậy nhóm tác giả quyết định chọn đề tài là máy CNC được thiết kế và chế tạo đảm bảo độ chính xác và bền vững với hy vọng CNC sẽ ngày càng phổ biến ở Việt Nam để thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY PHAY CNC CỞ NHỎ Người hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Số thẻ sinh viên : Lớp: PGS.TS TRẦN XUÂN TÙY PHAN ĐÌNH NHẬT TIẾN TRẦN QUỐC CƯỜNG 101130184 101130154 13CDT1 Đà Nẵng, 2018 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU v LỜI CẢM ƠN vi LỜI CAM ĐOAN vii CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Khái quát máy công cụ CNC 1.1 Sơ lược CNC 1.2 Đặc điểm phân loại máy CNC 1.3 Nguyên lý vận hành 10 1.4 Cấu trúc khối chức hệ CNC 11 Đề tài máy CNC phay mạch 11 2.1 Lý chọn đề tài 11 2.2 Giới thiệu chung sản phẩm 12 2.3 Sơ đồ phần cứng hệ thống 13 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 14 Lựa chọn phương án di chuyển trục 14 1.1 Phôi cố định 14 1.2 Phôi di chuyển trục Y, dao động di chuyển trục Z 14 1.3 Trục Z cố định, phôi di chuyển 14 1.4 Kết luận 14 Lựa chọn cấu truyền động 14 2.1 Vít me đai ốc 14 2.2 Truyền động đai 15 2.3 Kết luận 16 Các thành phần khí 16 3.1 Vít me 16 3.2 Bánh V-slot 16 3.3 Nhôm Aluminum V-slot 17 3.4 Pad gá động cấu chấp hành 17 3.5 Pulley đai 19 3.6 Dây đai 20 3.7 Ổ bi 20 i 3.8 Động bước (Stepper Motor) 21 3.9 Động trục (Spindle) 24 3.10 Biến tần 25 Tính tốn thiết kế hệ thống 25 4.1 Tính chọn động Spindle động bước 25 4.2 Tính tốn kết cấu máy 30 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN 39 Sơ đồ mạch điện 39 Tổng quan linh kiện mạch: 40 2.1 Arduino Uno 40 2.2 CNC Shield V3 42 2.3 Driver Stepper Motor A4988 43 2.4 Module Relay cách ly quang 46 2.5 Cơng tắc hành trình 47 Kết nối mạch thực tế 47 3.1 Lắp mạch 47 3.2 Mạch thực tế 51 CHƯƠNG 4: PHẦN MỀM VÀ LẬP TRÌNH 52 Phần mềm 52 1.1 Altium Designer 52 1.2 Copper Cam 56 1.3 Arduino IDE 60 1.4 Universal Code Sender 62 1.5 Creo 3.0 68 Lập trình 71 2.1 GRBL 71 2.2 G-code 73 KẾT LUẬN 78 Ưu nhược điểm sản phẩm: 79 Hướng phát triển đề tài: 80 Tài liệu tham khảo 81 ii MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Mơ hình điều khiển DNC Hình 1.2: Mơ hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc khối hệ CNC 11 Hình 1.4: Sơ đồ phần cứng hệ thống 13 Hình 2.1 : Vít me T8 16 Hình 2.2: Bánh V-Slot 16 Hình 2.3 : Nhôm V-slot 20x40 17 Hình 2.4 : Pad gá trục X 17 Hình 2.5 : Pad gá trục Y 18 Hình 2.6 : Pad gá trục Z 18 Hình 2.7 : Pad gá Spindle 18 Hình 2.8 : Pulley GT2 20 tooth 8mm 19 Hình 2.9 : Thơng số kỹ thuật Timing belt GT2 20 Hình 2.10 : Ổ bi F608Z 20 Hình 2.11 : Động bước 21 Hình 2.12: Spindle 24 Hình 2.13: Biến tần dùng cho Spindle AC 25 Hình 2.14: Spindle 300W 26 Hình 2.15: Thông số kỹ thuật K23-K255U 29 Hình 2.16: Cơ cấu trục dẫn động Y 30 Hình 2.17: Biểu độ nội lực trục Y 31 Hình 2.18: Cơ cấu dẫn động trục X 32 Hình 2.19: Biểu đồ nội lực trục X 33 Hình 2.20: Cơ cấu chấp hành trục Z 34 Hình 2.22: Thơng số kỹ thuật đai GT2 37 Hình 3.1: Sơ đồ mạch điện 39 Hình 3.2: Arduino Uno R3 40 iii Hình 3.3: CNC Shield V3 42 Hình 3.4: Sơ đồ mạch nguyên lý Shield 43 Hình 3.5: Driver A4988 44 Hình 3.6: Datasheet A4988 45 Hình 3.7: Kết nối A4988 – CNC Shield – Uno 46 Hình 3.8: Module Relay kênh 46 Hình 3.9: Cơng tắc hành trình SS – 5GL999 47 Hình 3.10: Sơ đồ lắp mạch 48 Hình 3.11: Sơ đồ chân 49 Hình 3.12: Sơ đồ nối jumper 50 Hình 3.13: Mạch thực tế 51 Hình 4.1: Bàn máy 68 Hình 4.2: Trục X 69 Hình 4.3: Trục Y 69 Hình 4.4: Trục Z 70 Hình 4.5: CNC phay mạch 70 Hình 4.6: Mạch phay máy 73 Hình 5.1: Trục x z 78 Hình 5.2: Phía máy 78 Hình 5.3: Bánh xe, pulley dây đai 79 Hình 5.4: Mặt trước máy 79 iv LỜI NÓI ĐẦU Cùng với phát triển ngày mạnh mẽ mà liệt công nghệ số điều khiển tự động, thao tác thủ công, tay, sức lực người, máy móc khí thay cơng cụ điều khiển tự động lập trình sẵn mà dễ dàng thao tác mang lại suất hiệu cao Trước việc gia cơng khí thực hoàn toàn máy : Tiện cơ, phay Việc gia công tốn kèm thời gian xuất không cao để vận hành loại máy đòi hỏi máy phải có thợ Điều đồng nghĩa sản phẩm tạo không nhiều, độ xác khơng cao, dẫn đến hiểu kinh tế không cao Sau thời gian cải tiến máy CNC đời nhằm khắc phục khuyết điểm máy cơ, Công nghệ CNC hiểu nơm na q trình gia cơng điều khiển máy tính Để sử dụng việc bạn cần làm thực q trình gia cơng máy tính phần mềm CAM Sau trình gia cơng máy tính hồn thành phần mềm xuất code NC trình gia công việc cần làm chuyển code vào máy CNC, sau setup dao, phơi tọa độ máy tọa độ phơi để hồn thành sản phẩm hồn chỉnh mà khơng q nhiều công sức Tuy nhiên hầu hết máy CNC nước nhập từ nước phát triển Đức, Nhật, Trung quốc nên giá thành đắt, nhóm tác giả định chọn đề tài máy CNC thiết kế chế tạo đảm bảo độ xác bền vững với hy vọng CNC ngày phổ biến Việt Nam để thúc đẩy q trình cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước Do kinh nghiệm hạn chế thời gian thực đề tài có hạn nên nhóm tác giả cịn nhiều hạn chế thiếu xót, kính mong q thầy thơng cảm đóng góp ý kiến để nhóm tác giả hồn thiện đề tài tốt Nhóm tác giả chân thành cám ơn thầy Trần Xuân Tùy thầy cô khoa khí ngành điện tử nhiệt tình giúp đỡ để tạo điều kiện cho nhóm tác giả hồn thành tốt đề tài Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018 Phan Đình Nhật Tiến – Trần Quốc Cường v LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả muốn gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc đến thầy giáo trường Đại học Bách Khóa Đà Nẵng nói chung thầy giáo khoa Cơ Khí, ngành Cơ Điện Tử nói riêng giúp đỡ truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu giúp cho nhóm tác giả hoàn thành để tài cách tốt Lời cám ơn đặc biệt trân trọng xin gửi đến thầy Trần Xuân Tùy, với tận tâm tận tình với kiến thức, kinh nghiệm thầy giúp nhóm tác giả dễ dàng cơng việc hoàn thành đề tài, mở rộng tầm hiểu biết, kiến thức kỹ năng, điều vơ q giá khơng riêng cho nhóm tác giả quãng thời gian thực đề tài mà cịn hành trang, vũ khí khơng thể thay cho chặn đường công việc tương lai Bên cạnh với hỗ trợ từ gia đình, bạn bè người xung quanh ln nguồn động lực to lớn giúp nhóm tác giả vượt qua khó khăn trở ngại Lời cuối nhóm tác giả xin chân thành kính chúc quý thầy cô, bạn bè thật nhiều sức khỏe thành đạt Chân thành cám ơn! Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018 Phan Đình Nhật Tiến – Trần Quốc Cường vi LỜI CAM ĐOAN Kính gửi: - Trường Đại Học Bách Khoa – ĐH Đà Nẵng Khoa Cơ khí Nhóm tác giả xin cam đoan nội dung đồ án chép đồ án hay cơng trình trước Mọi giúp đỡ đồ án cám ơn, thơng tin trích dẫn đồ án ghi nguồn gốc rõ rang phép cơng bố Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018 Phan Đình Nhật Tiến – Trần Quốc Cường vii Thiết kế, chế tạo máy phay CNC cỡ nhỏ GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Khái quát máy công cụ CNC 1.1 Sơ lược CNC Điều khiển số (Numerical Control) đời với mục đích điều khiển q trình cơng nghệ gia cơng 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 đặt biệt tạo nên chương trình làm việc thiết bị hay hệ thống Lịch sử phát triển NC bắt nguồn từ mục đích qn hàng khơng vũ trụ mà yêu cầu tiêu chất lượng máy bay, tên lửa, xe tăng,… cao Ngày nay, lịch sử phát triển NC trải qua q trình phát triên khơng ngừng với phát triển lĩnh vực vi xử lý từ bit, bit,… đạt 32 bit cho phép hệ sau cao hệ trước mạnh mẽ khả lưu trữ xử lý Hình 1.1: Mơ hình điều khiển DNC SVTH: Phan Đình Nhật Tiến Trần Quốc Cường Thiết kế, chế tạo máy phay CNC cỡ nhỏ GVHD: PGS.TS Trần Xn Tùy Hình 1.2: Mơ hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM 1.2 Đặc điểm phân loại máy CNC Phân loại theo cách tổng quát máy CNC có đặc điểm sau: - Truyền động: Thủy lực, khí nén điện,… - Phương pháp điều khiển: Tọa độ hay quỹ đạo,… Hệ thống định vị: Định vị kích thước tuyệt đối định vị nối tiếp - Các vịng lặp điều khiển: Vịng hở, vịng kín, vịng nửa kín,… Số trục tọa độ: trục, trục, trục,… Theo chức máy cơng cụ CNC máy cơng cụ vạn năng, chia thành nhóm sau: - Nhóm máy tiện: Máy tiện trong, tiện ngồi phơi quay, cắt ren ngồi,… - Nhóm máy khoan, doa để khoan, doa phơi,… Nhóm máy phay để phay chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo bề mặt góc đa dạng khoan, phay doa Thay đổi nguyên công cách thay dụng cụ cắt, có nghĩa cần lần gá kẹp - Nhóm máy mài để gia cơng tinh Nhóm bao gồm máy mài trục, mài lỗ, mài phẳng, mài răng, mài rãnh then, mài dụng cụ,… Nhóm trung tâm gia công: Khoan, phay, tiện doa,… - SVTH: Phan Đình Nhật Tiến Trần Quốc Cường Thiết kế, chế tạo máy phay CNC cỡ nhỏ GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy kéo, vít-me để chuyển đổi chuyển động xoay thành chuyển động thẳng, thông số trung gian cho chuyển đổi • Cách tính thơng số: - Số xung = [(số vi bước) x (số xung động xoay vòng) / (kiểu chuyển động)] x giảm tốc (nếu có) + Trong đó: - Số vi bước: khả chạy vi bước động mà bạn thiết lập (với DRV8825 cao vi bước 32, với A4988 TB6560 cao 16) - Số xung động xoay vòng: với động có bước 1.8 độ để xoay vịng (360 độ) cần số xung là: 3600/1.80 = 200 xung • Kiểu chuyển động: - Với chuyển động sử dụng bánh đai – dây đai GT2 = số Puli x Với chuyển động sử dụng vít-me = bước vít-me Bộ giảm tốc: động gắn trực tiếp vào cấu chuyển động thằng giá trị khơng cần quan tâm (bằng 1), bạn sử dụng giảm tốc với độ giảm lần số xung phải nhân lên nhiêu lần • Ví dụ: - Máy sử dụng động bước 1.8 độ, driver A4988, chọn vi bước 16 không sử dụng giảm tốc - Chuyển động gắn với puli 20 đai GT2: số xung = 16 x 200 / (20 x 2) = 80 Chuyển động gắn với vít-me T8: số xung = 16 x 200 / = 400 • $110, $111, $112: chọn tốc độ di chuyển lớn cho trục X, Y, Z tương ứng Nên chọn cho động chạy mượt (riêng trục Z không nên chọn chạy nhanh) • $120, $121, $122: chọn gia tốc di chuyển lớn cho trục X, Y, Z tương ứng.Nếu chọn gia tốc nhỏ khó đạt tốc độ tối đa, chọn cao chạy động dễ bị sốc trượt bước • $130, $131, $132: chọn hành trình gia cơng (vùng khơng gian cho phép làm việc) Sau thiết lập xong nhấn vào Save để lưu lại Mở Tab Machine Control lên, nhập vài Step size khoảng cách cần thử (ví dụ 10mm) nhấn vào X+, X-, Y+, Y-, Z+, Z- để xem kết quả, sai kiểm tra lại thơng số $100, $101, $102 SVTH: Phan Đình Nhật Tiến Trần Quốc Cường 67 Thiết kế, chế tạo máy phay CNC cỡ nhỏ - GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy Lưu ý: thông số lưu eeprom Arduino, khơng bị tắt điện cài lại firmware, sau cài firmware phải vào kiểm tra thiết lập lại cho mạch Arduino cài GRBL vào lấy thơng số cũ để chạy tiếp 1.5 Creo 3.0 - Là phần mềm thiết kế, lập trình chế tạo 3D phổ biến quen thuộc với sinh viên nay, với công cụ chuyên dụng thư viện mở phong phú tư liệu giúp việc thiết kế 3D trở nên dễ dàng - đơn giản hết Thiết kế lắp ráp mơi trường Creo Hình 4.1: Bàn máy SVTH: Phan Đình Nhật Tiến Trần Quốc Cường 68 Thiết kế, chế tạo máy phay CNC cỡ nhỏ GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy Hình 4.2: Trục X Hình 4.3: Trục Y SVTH: Phan Đình Nhật Tiến Trần Quốc Cường 69 Thiết kế, chế tạo máy phay CNC cỡ nhỏ GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy Hình 4.4: Trục Z Hình 4.5: CNC phay mạch SVTH: Phan Đình Nhật Tiến Trần Quốc Cường 70 Thiết kế, chế tạo máy phay CNC cỡ nhỏ GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy Lập trình 2.1 GRBL - Vì sử dụng mã nguồn mở nên nhóm tác giả unpack số thư viện quan trọng • Thư viện config.h (Tùy chọn chế độ cho CNC) #define DEFAULTS_GENERIC // Tùy chỉnh mặc định, sử dụng Resetting EEPROM, thay đổi cấu hình tùy chỉnh vào defaults.h #define BAUD_RATE 115200 //Serial baud rate #define CPU_MAP_ATMEGA328P // Arduino Uno CPU #define HOMING_CYCLE_0 (1