Nghiên cứu thiết kế và ứng dụng máy CNC trong điêu khắc gỗ 3d

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ISO 9001:2008 NGHIÊN CƢU THIẾT KẾ VÀ ỨNG DỤNG MÁY CNC TRONG ĐIÊU KHẮC GỖ 3D ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ISO 9001:2008 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ỨNG DỤNG MÁY CNC TRONG ĐIÊU KHẮC GỖ 3D ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CƠNG NGHIỆP Sinh viên: Nguyễn Đình Đạt Ngƣời hƣớng dẫn: T.S Nguyễn Trọng Thắng Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc o0o BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Nguyễn Đình Đạt – MSV : 1312102014 Lớp : ĐC1701- Ngành Điện Tự Động Công Nghiệp Tên đề tài : Nghiên cứu thiết kê ứng dụng máy cnc điêu khắc gỗ 3D HIỆM VỤ ĐỀ TÀI Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ( lý luận, thực tiễn, số liệu cần tính toán vẽ) Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính tốn Địa điểm thực tập tốt nghiệp : CÁC CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn thứ nhất: Họ tên : Nguyễn Trọng Thắng Học hàm, học vị : Thạc Sỹ Cơ quan công tác : Trƣờng Đại học dân lập Hải Phịng Nội dung hƣớng dẫn : Tồn đề tài Ngƣời hƣớng dẫn thứ hai: Họ tên : Học hàm, học vị : Cơ quan công tác : Nội dung hƣớng dẫn : Đề tài tốt nghiệp đƣợc giao ngày tháng năm 2017 Yêu cầu phải hoàn thành xong trƣớc ngày 23 tháng năm 2017 Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N Sinh viên Cán hƣớng dẫn Đ.T.T.N Nguyễn Đình Đạt T.S Nguyễn Trọng Thắng Hải Phòng, ngày 23 tháng năm 2017 HIỆU TRƢỞNG GS.TS.NGƢT TRẦN HỮU NGHỊ HẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƢỜI CHẤM PHẢN BIỆN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Đánh giá chất lƣợng đề tài tốt nghiệp mặt thu thập phân tích số liệu ban đầu, sở lý luận chọn phƣơng án tối ƣu, cách tính tốn chất lƣợng thuyết minh vẽ, giá trị lý luận thực tiễn đề tài Cho điểm cán chấm phản biện ( Điểm ghi số chữ) Ngày……tháng…….năm 2017 Ngƣời chấm phản biện (Ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CNC 1.1 KHÁI NIỆM 1.2 NGUYEN LÝ HOẠT DỘNG 1.3 HỆ TỌA ĐỘ VÀ CÁC ĐIỂM GỐC, ĐIỂM CHUẨN 1.4 PHÂN LOẠI 1.5 MỘT SỐ MẤU MAY CNC TRỤC CHƢƠNG THIẾT KẾ MÁY CNC TRỤC ĐIÊU KHẮC GỖ 3D 11 1.6 THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ MÁY CNC TRỤC 11 1.6.1 Kết cấu chung khí máy CNC 11 1.6.2 Thiết kế khung máy, bàn máy cấu chuyển động trục 14 1.6.3 Dao cắt động chuyển động dao cắt 23 1.7 THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN MÁY CNC TRỤC 28 1.7.1 Yêu cầu điện hệ thống máy CNC trục 28 1.7.2 Thiết kế, lựa chọn động truyền động 28 1.7.3 Thiết kế, lựa chọn hệ thống điều khiển 33 1.7.4 Tính tốn độ xác gia cơng 34 1.7.5 Hệ thống bảo vệ 35 1.8 NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ĐÁP ỨNG YÊU CẦU TRONG ĐIÊU KHẮC GỖ 3D 39 1.8.1 Yêu cầu lựa chọn công nghệ phần mềm 39 1.8.2 Điều khiển thông qua giao diện phần mềm lựa chọn 40 CHƢƠNG THI CÔNG, LẮP ĐẶT VÀ CĂN CHỈNH MÁY CNC TRỤC ĐIÊU KHẮC GỖ 3D 46 3.1 LẮP RÁP, CĂN CHỈNH CÁC KẾT CẤU CƠ KHÍ 46 3.1.1 Căn chỉnh mặt phẳng lắp đƣờng dẫn hƣớng (Linear guide way) 46 3.1.2 Lắp sống trƣợt 46 3.1.3 Chuẩn bị linh kiện 46 3.1.4 Quy trình lắp sống trƣợt 47 3.1.5 Căn chỉnh trục dao cắt 48 3.1.6 Cân chỉnh dao cắt với spin (trục) 48 3.1.7 Cân chỉnh spin với trục z 49 3.1.8 Cân chỉnh trục z với trục y 49 3.1.9 Cân chỉnh trục y trục x 49 3.1.10 Cân chỉnh z với x z với bặt bàn 50 3.2 THI CÔNG ĐẤU NỐI VÀ CẤU HÌNH PHẦN ĐIỆN 51 3.2.1 Mạch điều khiển trung tâm 51 3.2.2 Bộ Diver điều khiển động bƣớc 53 3.2.3 Kết nối mạch điện hệ thống 55 3.3 SẢN PHẨM HOÀN THIỆN 55 CHƢƠNG THỰC HIỆN GIA CÔNG SẢN PHẨM TRÊN MÁY CNC CỦA ĐỀ TÀI 57 4.1 NHẬP FILE MÃ G-CODE GIA CÔNG VÀO PHẦN MỀM 57 4.2 GÁ PHÔI GIA CÔNG LÊN MÁY 58 4.3 BẤM CHẠY MAY 60 4.4 MỘT VAI MẪU SẢN PHẨM GIA CONG TREN MAY CNC SẢN PHẨM CỦA DỀ TAI 61 KẾT LUẬN 64 TAI LIỆU THAM KHẢO 65 LỜI NÓI ĐẦU Ngày khoa học kỹ thuật nói chung cung nhƣ nghành kỹ thuật điên tử nói riêng phát triển có đóng góp nhiều đời sống Nắm đƣợc tầm quan trọng , em nghiên cứu làm đề tài : “ Nghiên cứu thiêt kế, ứng dụng máy CNC điêu khắc tranh gỗ 3D” thầy Nguyễn Trọng Thắng hƣỡng dẫn Nhằm giúp việc giá công họa tiết điêu khắc cung nhƣ chi tiết gia khí đƣợc nhanh xác Những kiến thức lực đạt đƣợc trình học tập trƣờng đƣợc đánh giá qua đợt bảo vệ đồ án tốn nghiệp Em cố gắng tận dụng tất kiến thức học trƣờng với tìm tịi nghiên cứu , để hồn thành tốt đồ án tốt nghiệp Kết sản phẩm đạt đƣợc ngày hôm khơng lớn lao nhƣng thành nhƣng năm học trƣờng thành công e trƣớc trƣờng Đề tài gồm nội dung sau: - CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CNC - CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ MÁY CNC TRỤC ĐIÊU KHẮC GỖ 3D - CHƢƠNG 3: THI CÔNG, LẮP ĐẶT VÀ CĂN CHỈNH MÁY CNC CHẾ TÁC ĐIÊU KHẮC GỖ 3D - CHƢƠNG 4: THỰC HIỆN GIA CÔNG SẢN PHẨM TRÊN MÁY CNC CỦA ĐỀ TÀI CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CNC 1.1 KHÁI NIỆM - CNC viết tắt từ tiếng Anh “Computer Numeric Control” dạng máy NC điều khiển tự động có trợ giúp máy tính, mà phận tự động đƣợc lập trình để hoạt động theo kiện tiếp nối với tốc độ đƣợc xác định trƣớc để tạo đƣợc mẫu vật với hình dạng kích thƣớc yêu cầu, cách sử dụng chƣơng trình viết kí hiệu chun biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thƣờng gọi mã G - Sự xuất công nghệ cách mạng sản xuất công nghiệp, ngành kim loại Sự chuyển động kết hợp ba chiều x-y-z máy CNC giúp thực công việc gia cơng trở nên dễ dàng, nhanh chóng chuẩn xác chƣa thấy, làm giảm thiểu nhiều công sức ngƣời - Việc ứng dụng CNC trở nên rộng rãi sau thời gian ngắn, chủ yếu ngành kim khí điện máy, ngành may mặc, ngành quảng cáo, ngành điện tử, ngành mỹ nghệ…các chất liệu sử dụng CNC để gia công là: sắt, inox, đồng, nhôm, mica, gỗ, MDF - Một máy CNC thƣờng bao gồm thành phần sau:  Khung máy kết cấu khí, cấu chuyển động  Các động dẫn truyền chuyển động di chuyển trục động khoan  Mạch lực (mạch công suất) điều khiển động  Mạch điều khiển  Phần mềm điều khiển máy CNC  Đề tài nghiên cứu vấn đề máy CNC, tập trung vào thiết kế chế tạo máy cắt CNC trục thử nghiệm điêu khắc gỗ 3D - Sau lắp đặt chỉnh xác trục, bƣớc kiểm tra cấu chấp hành 3.2 THI CÔNG ĐẤU NỐI VÀ CẤU HÌNH PHẦN ĐIỆN 3.2.1 Mạch điều khiển trung tâm - Mạch điều khiển trung tâm có chức nhận lệnh từ máy tính để điều khiển tồn hoạt động hệ thống nhƣ: điều khiển mạch driver động bƣớc, điều khiển động khoan thông qua biến tần Hình ảnh mạch điều khiển trung tâm đƣợc thể hình 3.9 n : Mạch điều khiển trung tâm - Chi tiết cổng kết nối mạch điều khiển: đƣợc thể hình 3.10 n : Chi tiết cổng kết nối nút mạch điều khiển 51 - Các cổng giắc kết nối gồm:  Giắc chân nhận nguồn nuôi cho mạch điều khiển: Giắc dùng để đấu nối nguồn cung cấp cho cụm mạch cách ly quang Nếu ta không sử dụng công tắc giới hạn nút dừng khẩn cấp, bỏ qua khơng cần đấu nối nguồn  Dãy công tắc giới hạn hành trình trục X, Y, Z: Các chân từ 16 lần lƣợt có chức giới hạn trục X+, X-, Y-, Z+, (Z-), Y+ Khi đấu nối yêu cầu cần đấu song song với cơng tắc hành trình với tụ 100nF để tăng tính kháng nhiễu  Giắc chân kết nối với nút dừng khẩn cấp emergency: tiếp điểm nút dừng khẩn cấp tiếp điểm thƣờng đóng để tăng khả kịp thời đáp ứng đƣợc tính tin cậy  cụm giắc chân điều khiển driver động bƣớc, chức cụm chân điều khiển nhƣ sau: Chân điều khiển hƣớng DIR, chân cung cấp điện A nốt (anode) chung Ka tốt (Cathode) chung cho chân điều khiển (chọn Anode chung hay Cathode chung phụ thuộc vào jum), chân cung cấp xung điều khiển động bƣớc với chi kỳ xung nhỏ 12us PUL+, PUL- DIR  Cụm giắc chân điều khiển động gia công (động khoan) thông qua điều khiển biến tần  Cổng cắm cáp kết nối với mạch điều khiển tay: Khi kết nối với mạch điều khiển tay điều khiển tiến lùi trục tọa độ X, Y, Z Chức cụ thể chân giắc nhƣ sau: o Chân 1: X-, quay ngƣợc trục X o Chân 2: X+, quay tiến trục X o Chân 3: Y-, quay lùi trục Y o Chân 4: Y+, quay tiến trục Y o Chân : Z-, quay lùi trục Z 52 o Chân 6: Z+, quay tiến trục Z o Chân 7: A-, quay lùi trục A o Chân 8: A+, quay tiến trục A o Chân 9: GND, chân mát o Chân 10: 5V, chân nguồn o Chân 11: RST, nút phục hồi (reset) hệ thống o Chân 12: Chân phản hồi tốc độ o Chân 13: S, hệ thống đèn o Chân 14: P, đèn nguồn o Cổng kết nối với máy tính thơng qua USB o Ngồi cịn có cụm giắc cắm chân điều khiển đƣợc thiết bị số, thiết bị sử dụng để điều khiển hệ thống bơm nƣớc làm mát hay quạt gió… 3.2.2 Bộ Diver điều khiển động bƣớc - Mạch driver điều khiển động bƣớc mạch điều khiển cung cấp công suất để quay động bƣớc, truyền chuyển động cho trục chuyển động X,Y,Z máy CNC Mạch driver điều khiển động bƣớc yêu cầu phải chắn, tin cậy, cung cấp dòng điện đủ cho động bƣớc hoạt động Ảnh driver điều khiển 01 động bƣớc đƣợc đóng vỏ hộp chắn thể hình 3.11 n : Hình ảnh đóng hộp mạch driver động bƣớc 53 - Mạch điều khiển động bƣớc dùng cho loại động bƣớc: 42/57/86 2pha dây, có dịng tải 4A/42VDC Thơng số mạch nhƣ sau:  Nguồn đầu vào 9V - 42V  Dòng cấp tối đa 4A  Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao  Có tích hợp đo q dịng q áp - Cách đấu nối điều khiển:  DC+: Nối với nguồn điện từ - 40VDC  DC- : Điện áp (-) âm nguồn  A+ A -: Nối vào cặp cuộn dây động bƣớc  B+ B- : Nối với cặp cuộn dây lại động  PUL+: Tín hiệu cấp xung dƣơng điều khiển tốc độ (+5V)  PUL-: Tín hiệu cấp xung âm điều khiển tốc độ (-)  DIR+: Tín hiệu cấp xung dƣơng điều khiển hƣớng (+5V)  DIR-: Tín hiệu cấp xung âm điều khiển hƣớng  Tín hiệu cho phép hoạt động ENA+ ENA – - Khi sử dụng ta cài đặt cƣờng độ dòng điện phù hợp cho ứng dụng Bảng 3.1 thể cƣờng độ dòng điện cài đặt Bảng 3.1: Cài đặt cƣờng độ dịng điện 54 - Ngồi ta cài đặt chế độ bƣớc chuyển động cho xung nhịp PUL nhận đƣợc, bảng cài đặt đƣợc thể bảng 3.2 Bảng 3.2: Cài đặt vi bƣớc cho driver 3.2.3 Kết nối mạch điện hệ thống - Toàn hệ thống điện sau đấu nối đƣợc thể hình 3.15 n 3.3 : Hệ thống điện máy CNC SẢN PHẨM HỒN THIỆN - Sau hồn tất thi cơng phần khí phần điện máy, ta đƣợc kết cấu tổng thể máy đƣợc thể hình 3.16 - Máy có thơng số tính nhƣ sau:  Máy gia cơng hình sản phẩm có kích giới hạn: 600x800mm  Cơng suất tiêu thụ máy 1,5Kw  Độ xác gia công: đạt 0,1mm 55  Tốc độ chạy dao: 5m/phút  Tốc độ động trục chính: 24.000 V/phút  Có khả phay tạo định hình biên dạng 2D, gia công điêu khắc chìm theo thiết kế, có khả cắt chữ  Tự động hóa sản xuất: Chỉ cần đƣa file đồ họa vào máy, cài đặt thông số nhấn nút chạy Sau thời gian định, máy cho sản phẩm hồn chỉnh khơng cần can thiệp ngƣời vận hành  Máy có kết cấu vững chắc, bền, đẹp, làm việc thuận tiện Hình 3.16: Hình ảnh tổng thể máy 56 CHƢƠNG THỰC HIỆN GIA CÔNG SẢN PHẨM TRÊN MÁY CNC CỦA ĐỀ TÀI 4.1 NHẬP FILE MÃ G-CODE GIA CÔNG VÀO PHẦN MỀM - Trong phần mềm gia công, ta mở menu file, chọn Import G-code (hình 4.1), sau đƣờng dẫn để ta chọn file mã G-code cần gia cơng (hình 4.2) Hình 4.1: Nhập file Import G-code Hình 4.2: Chọn file Import G-code theo đƣờng dẫn 57 - Sau nhập đƣợc file G-Code ảnh 3D sản phẩm cần gia công đƣợc thị giao diện phần mềm, ví dụ đƣợc thể nhƣ hình 4.3 Hình 4.3: Hình 3D sản phẩm cần gia cơng 4.2 GÁ PHƠI GIA CƠNG LÊN MÁY - Sau phần mềm sẵn sàng, ta thực gá phôi cần gia công lên máy Yêu cầu gá phôi phải đảm bảo phôi đƣợc gắn chắn cân đối, cho không bị xê dịch máy chạy gia công Sau gá phôi chắn, ta thực điều khiển mũi khoan tới bị chí ban đầu, để chuẩn bị gia cơng 58 Hình 4.4: Gá phơi gia cơng vào máy - Bƣớc tiếp theo, ta thực reset tọa độ ban đầu vị trí (0,0,0) phần mềm - Để reset tọa độ, ta điều khiển cho mũi dao tới vị trí ban đầu mong muốn, sau nhập tay ô tọa độ trục X,Y,Z Các trục tọa độ ta cho giá trị 0, sau ấn Enter Lúc này, vị trí mũi dao đƣợc mặc định tọa độ (X,Y,Z)=(0,0,0) Dựa vào tọa độ gốc này, hệ thống tính tọa độ lệch để điều khiển di chuyển mũi dao 59 Hình 4.5: Reset tọa độ gốc ban đầu 4.3 BẤM CHẠY MAY - Sau thực đầy đủ quy trình phầm mềm gá lắp phôi vào máy chắn, tiến hành cho chạy máy việc ấn nút Run giao diện điều khiển Hình 4.6: Bấm chạy máy 60 Hình 4.7: Hình ảnh mũi khoan gia công - Khi gia cơng hết chƣơng trình mã G-Code, máy tự động dừng lại Ta đƣợc sản phẩm điêu khắc - Kết sản phẩm cho thấy toàn hệ thống máy chạy tốt, cho ta sản phẩm gia công đạt chất lƣợng cao 4.4 MỘT VAI MẪU SẢN PHẨM GIA CONG TREN MAY CNC SẢN PHẨM CỦA DỀ TAI 61 Hình 4.10: Kết gia cơng mẫu Hình 4.11: Kết gia cơng mẫu 62 Hình 4.12: Kết gia cơng mẫu Hình 4.13: Kết gia công mẫu 63 KẾT LUẬN Thời gian thực với tạo điều kiện giúp đỡ thầy Nguyễn Trọng Thắng em thực thành công đề tài “Nghiên thiết kế ứng dụng máy CNC điêu khắc gỗ 3D” Các công việc thực bao gồm: Thiết kế, thi công chỉnh định máy CNC trục ứng dụng điêu khắc gỗ 3D Do thời gian có hạn kinh nghiệm thân chƣa có với giúp đỡ thầy nhà trƣờng giúp em hồn thành nhiệm vụ Qua em xin cảm ơn thầy giáo dìu dắt em năm học vừa qua Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện-Điện tử dạy dỗ trang bị cho em kiến thức chuyên ngành quý giá Em cố gắng tiếp thu kiến thức không ngừng học hỏi để áp dụng vào cơng việc thực tế sau Hải Phịng,ngày 20 tháng năm 2017 Sinh viên Nguyễn Đình Đạt 64 TAI LIỆU THAM KHẢO GS N Nguyễn Đắc Lộc (1999)- Sổ tay Công nghệ chế tạo máy - tập 1,2,3- XB Khoa học Kỹ thuật Ngô Diên Tập (1999)- Đo lường điều k iển máy tín - Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Ngô Diên Tập (2001)- Lập trình ghép nối máy tính Window Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Trịnh Chất, Lê Văn Uyển - Tính tốn thiết kế hệ dẫn động k íNXB Giáo dục Các Website: www.pmi-amt.com, www.Hiwin.com, www.skf.com, www.alibaba.com, www.anilam.com 65 ... 15-30 °C 60 % 10 CHƢƠNG THIẾT KẾ MÁY CNC TRỤC ĐIÊU KHẮC GỖ 3D 1.6 THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ MÁY CNC TRỤC 1.6.1 Kết cấu chung khí máy CNC 1.6.1.1 Thân máy đế máy - Thân máy đế máy thƣờng đƣợc chế tạo... QUAN VỀ CNC - CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ MÁY CNC TRỤC ĐIÊU KHẮC GỖ 3D - CHƢƠNG 3: THI CÔNG, LẮP ĐẶT VÀ CĂN CHỈNH MÁY CNC CHẾ TÁC ĐIÊU KHẮC GỖ 3D - CHƢƠNG 4: THỰC HIỆN GIA CÔNG SẢN PHẨM TRÊN MÁY CNC CỦA... CHƢƠNG THIẾT KẾ MÁY CNC TRỤC ĐIÊU KHẮC GỖ 3D 11 1.6 THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ MÁY CNC TRỤC 11 1.6.1 Kết cấu chung khí máy CNC 11 1.6.2 Thiết kế khung máy, bàn máy cấu chuyển động trục