Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy cnc mini

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY CNC MINI Sinh viên thực : HOÀNG HỮU TÚ Lớp: 53K1-KTĐK&TĐH Giảng viên hƣớng dẫn : ThS HỒ SỸ PHƢƠNG Nghệ An, 05-2017 i TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY CNC MINI Sinh viên thực : HOÀNG HỮU TÚ Lớp: 53K1-KTĐK&TĐH Giảng viên hƣớng dẫn : Th.S HỒ SỸ PHƢƠNG Cán phản biện : T.S ĐẶNG THÁI SƠN Nghệ An, 5-2017 ii LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, với phát triển đất nước theo hướng cơng nghiệp hóa đại hóa 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 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 Cấu trúc đồ án gồm chương: Chương Tổng quan máy CNC Chương Phân tích thiết kế hệ thống máy CNC Chương Chế tạo thi công sản phẩm Trong trình làm hồn thành đồ án, em cố gắng, song không tránh khỏi sai sót, em mong nhận góp ý nhận xét hội đồng bảo vệ để em hồn thiện Xin chân thành cám ơn quý thầy cô Viện Kỹ thuật Công nghệ, đặc biệt giảng viên, ThS Hồ Sỹ Phƣơng tận tình giúp đỡ hướng dẫn để em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn! i TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy CNC mini“ tập trung nghiên cứu hoạt động máy CNC công nghệ gia công tự động Nghiên cứu cách thức điều khiển thuật toán điều khiển máy CNC, từ đến thiết kế, chế tạo máy CNC mini thay làm việc cho Máy CNC mini hoạt động cách tỉ mỉ, xác phù hợp với lý thuyết mô ABSTRACT The plan “Studying, designing and manufacturing CNC mini machines“ focuses on the operation of CNC machines for outomatich machining technology The subject delves info the way of control and control algorithms of CNC machines, from there to desingn and manufacture a mini CNC machine to work insteal of human CNC machines work meticulously, accurately and in accordance with theory and simulation ii MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU i TÓM TẮT ĐỒ ÁN ii Chƣơng TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 1.1 Giới thiệu chung máy CNC .1 1.1.1 Khái niệm .1 1.1.2 Lịch sử phát triển hệ thống máy CNC .1 1.1.3 Những đặc điểm máy CNC 1.2 Các phương pháp điều khiển máy CNC 1.2.1 Điều khiển 2D 1.2.2 Điều khiển 21/2 D 1.2.3 Điều khiển 3D 1.3 Cấu trúc tổng thể máy CNC 1.3.1 Phần điều khiển 1.3.2 Phần chấp hành 1.4 Hệ trục tọa độ máy CNC .5 1.5 Phân loại máy CNC 1.5.1 Dựa vào đặc điểm chuyển động dao cắt: ta có hai loại máy 1.5.2 Dựa vào đặt điểm gia cơng bản: ta có nhóm máy .6 1.6 Giới thiệu loại động bước sử dụng máy CNC 1.6.1 Yêu cầu kỹ thuật động chấp hành (ĐCCH) máy CNC 1.6.2 Giới thiệu số động chấp hành (ĐCCH) máy CNC 1.7 Phần điều khiển 17 1.7 Tổng quan hệ thống điều khiển máy CNC .17 1.7.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển CNC .19 Chƣơng PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY CNC 21 2.1 Cấu trúc tổng thể máy CNC 21 2.2 Phân tích, lựa chọn hệ thống điều khiển .21 2.2.1 Khối cấu điều khiển 21 2.2.2 Khối tín hiệu 31 2.2.3 Khối chương trình điều khiển 38 iii 2.3 Phân tích hệ thống chấp hành .40 2.3.1 Chọn cấu chấp hành 40 Chƣơng CHẾ TẠO VÀ THI CÔNG SẢN PHẨM .44 3.1 Máy CNC plotter 44 3.1.1 Sơ đồ hệ thống máy 44 3.2 Thiết kế chế tạo mơ hình 44 3.2.1 Tiến hành xử lý đâu DvD để lấy phần cần thiết (động bước) 44 3.2.2 Tiến hành ghép hai phần di chuyển đầu DVD để tạo phần di chuyển trục X, trục Y CNC 45 3.2.3 Thiết lập trục Z 46 3.2.4 Hoàn thành khung máy 46 3.2.5 Tiến hành lắp ráp mạch điều khiển 47 3.3 Phần mềm điều khiển 47 3.3.1 Phần mềm Benbox .47 3.3.2 Cài đặt thông số cho phần mềm Benbox 48 3.4 Tiến hành lập trình kiểm tra hoạt động trục X 51 3.4.1 Tiến hành nối dây kiểm tra hoạt động trục X 51 3.5 Tiến hành lập trình kiểm tra hoạt động trục Y 52 3.6 Lưu đồ giải thuật chuyển dộng 53 3.7 Tiến hành cho máy hoạt động .53 3.7.1 Thiết kế hình vẽ 53 KẾT LUẬN 55 Kết đạt 55 Kết chưa đạt 55 Hướng phát triển đề tài 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC .57 iv DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1: Cấu tạo động bước nam châm vĩnh cửu 10 Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý làm việc động nam châm vĩnh cửu .10 Hình 1.3: Động bước có từ trở thay đổi 11 Hình 1.4: Cấu tạo động hỗn hợp .13 Hình 1.5: Cấu trúc động lai .13 Hình 1.6: Kết cấu thực tế động lai .13 Hình 1.7: Sơ đố khối hệ thống điều khiển hở dùng động bước 17 Hình 1.8: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín .18 Hình 1.9: Cấu tạo phần cứng điều khiển CNC .19 Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc tổng thể máy CNC 21 Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch Arduino Uno R3 .21 Hình 2.3: Cổng vào Arduino Uno R3 25 Hình 2.4: Giao diện lập trình Arduino 26 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý mạch Driver A4988 27 Hình 2.6: Sơ đồ kết nối dây A4988 với động bước 28 Hình 2.7 Mạch CNC shield 29 Hình 2.8: Sơ đồ lắp ráp 30 Hình 2.9: Vị trí cổng COM mainboard máy tính 31 Hình 2.10: Sơ đồ chân cổng nối tiếp .32 Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch 32 Hình 2.12: Cáp chuyển đổi giao tiếp USB sang COM 33 Hình 2.13: Bảng so sánh tín hiệu chân ổ cắm 25 36 chân .35 Hình 2.14: Khối chương trình điều khiển 38 Hình 2.15: Giao diện phần mềm 39 Hình 2.16: Thư viện tích hợp phần mềm 40 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống máy CNC 44 Hình 3.2: Trục X, Y lấy từ ổ đĩa .44 Hình 3.3: Lắp Ráp trục X, Y 45 Hình 3.4: Thiết kế trục Z 46 Hình 3.5: Khung máy 46 v Hình 3.6: Mạch điều khiển 47 Hình 3.7: Màn hình giao diện phần mềm benbox 47 Hình 3.8a: Thơng số cài đặt phần mềm Benbox .48 Hình 3.8b: Thơng số cài đặt phần mềm Benbox .49 Hình 3.9a: Thiết kế hình vẽ 49 Hình 3.9b: Thiết kế chữ 50 Hình 3.9c: Thiết kế hình vẽ 50 Hình 3.10a: Sơ đồ nối dây test động .51 Hình 3.10b: Sơ đồ nối dây test động 51 Hình 3.11: Thuật tốn điều khiển trục X .52 Hình 3.12: Thuật toán điều khiển trục Y 52 Hình 3.13: Lưu đồ giải thuật chuyển dộng 53 Hình 3.14: Thiết kế hình vẽ 53 Hình 3.15a: Sản phẩm sau vẽ 54 Hình 3.15b: Sản phẩm sau vẽ 54 vi Chương TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 1.1 Giới thiệu chung máy CNC [6] 1.1.1 Khái niệm Máy CNC (Computer Numerical Controlled) máy cơng cụ, điều khiển theo chương trình định sẵn Các liệu cung cấp dạng lệnh 1.1.2 Lịch sử phát triển hệ thống máy CNC 1949- Mẫu máy NC MIT (Viện công nghệMassachusetts) thiết kế chế tạo theo đặt hàng Không lực Hoa kỳ, để sản xuất chi tiết phức tạp xác máy bay 1952- Chiếc máy phay đứng trục điều khiển số hãng Cincinnati Hydrotel trưng bày MIT 1960- Máy NC sản xuất sử dụng công nghiệp - Các điều khiển số dùng đèn điện tử nên tốc độ xử lý chậm, cồng kềnh tiêu tốn nhiều lượng - Chương trình chứa băng bìa đục lỗ, khó hiểu khơng sửa chữa - Giao tiếp người - máy khó khăn khơng có hình, bàn phím 1970- Các linh kiện bán dẫn sử dụng phổ biến công nghiệp - Máy NC gọn hơn, tốc độ xử lý cao hơn, tiêu tốn lượng hơn, - Các băng đục lỗ sau thay băng đĩa từ, - Tính sử dụng máy NC chưa cải thiện đáng kể, máy tính ứng dụng CNC = Computer Numerical Control Đầu 1970, máy CNC đời: - Các điều khiển số máy cơng cụ tích hợp máy tính thuật ngữ CNC đời Máy CNC ưu việt máy NC thông thường nhiều mặt - Tốc độ xử lý cao, kết cấu gọn, - Ưu điểm quan trọng chúng tính sử dụng, giao diện với người dùng thiết bị ngoại vi khác Các máy CNC ngày - Có hình, bàn phím nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin với người dùng - Nhờ hình, người dùng thơng báo thường xun tình trạng máy, cảnh báo báo lỗi nguy hiểm xảy ra, mơ để kiểm tra trước q trình gia cơng, - Có thể làm việc đồng với thiết bị sản xuất khác robot, băng tải, thiết bị đo, hệ thống sản xuất - Có thể trao đổi thơng tin mạng máy tính loại, từ mạng cục (LAN) đến mạng diện rộng (WAN) Internet Hiện máy công cụ CNC phát triển ứng dụng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực sống nhiều nước giới Cùng với phát triển vượt bậc công nghệ vi xử lý, trung tâm điều khiển máy CNC đại điều khiển vi xử lý Nhờ tốc độ xử lý phần tử mà nhịp độ làm việc máy CNC ghép với chúng khơng bị thay đổi Có thể coi đời máy CNC cách mạng lớn lĩnh vực khí chế tạo máy, phần tử vô quan trọng hệ thống sản xuất linh hoạt Nó góp phần thúc đẩy q trình tự động hóa nhằm thay vai trị người trình sản xuất 1.1.3 Những đặc điểm máy CNC Khả tự động hố cao Năng suất gia cơng cao, thời gian phụ ( thay dao, chạy không, …) giảm Khả đạt độ xác cao, tính ổn định cao Có khả tập trung nguyên công cao, khả gia công nhiều bề mặt lần gá So với máy điều khiển tự động theo chương trình cứng (cam, cữ hành trình, trục gài bi…) máy CNC có tính linh hoạt cao việc lập trình, tiết kiệm thời gian điều chỉnh máy đạt tính xác cao với sản xuất hàng loạt nhỏ Một ưu điểm bậc khác có máy CNC phương thức làm việc với hệ thống xử lý thơng tin “điện tử – số hóa” Phương thức cho phép nối ghép với hệ thống xử lý số phạm vi quản lý xí nghiệp Đồng thời tạo điều kiện cho việc ứng dụng kỹ thuật quản lý đại thông qua mạng liên kết cục ( LAN) hay mạng liên thông (WAN) Máy cơng cụ CNC có nhiều ưu điểm so với máy vạn cịn có nhược điểm là: + Khơng thích hợp với việc gia cơng chi tiết đơn giản 3.6 Lƣu đồ giải thuật chuyển dộng Hình 3.13: Lƣu đồ giải thuật chuyển động 3.7 Tiến hành cho máy hoạt động 3.7.1 Thiết kế hình vẽ Vào phần mềm benbox tiến hành chọn hình vẽ cần vẽ Hình 3.14: Thiết kế hình vẽ 53 - Tiến hành cài đặt thông số cần thiết - Vào Carve Mode chọn chế độ Outline - Chọn cổng kết nối - Cho máy hoạt động Sản phẩm sau máy vẽ xong Hình 3.15a: Sản phẩm sau vẽ Hình 3.15b: Sản phẩm sau vẽ 54 KẾT LUẬN Kết đạt đƣợc - Nắm rõ công nghệ tự động hóa phát triển máy CNC - Đã chế tạo, lắp ráp hoàn chỉnh máy CNC mini Các chuyển động tịnh tiến theo phương X, Y, Z Kết cấu máy gọn nhẹ, phù hợp với mơ hình thử nghiệm, học tập giảng dạy - Biết cách sử dụng cách mạch điều khiển, mạch giao tiếp, driver điều khiển động bước - Biết cách sử dụng phần mềm Benbox để điều khiển máy CNC - Biết cách lập trình cho Arduino để lập trình điều khiển ba trục máy CNC mini Kết chƣa đạt đƣợc - Do vấn đề thời gian khó khăn lúc thi cơng dẫn đến số ý tưởng chưa hoàn thành Sản phẩm hoàn thành viết, vẽ khổ giấy nhỏ, điều khiển chiều quay động bước thông qua chiều qua encoder Mong khóa sau phát triển thêm Hƣớng phát triển đề tài - Thay động bước động AC Servo để sai số hơn, đạt xác động Servo điều khiển dạng vịng kín có tín hiệu phản hổi từ Encoder - Thiết kế chế tạo máy CNC mini viết, vẽ khổ giấy to - Phát thêm đề tài chế tạo máy CNC mini khác như: máy khắc, máy tiện, máy phay… 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách tham khảo [1] Nguyễn Xuân Chánh – Lê Băng Sương, Vật lý với khoa học công nghệ đại (2003), Nhà xuất giáo dục [2] Kỷ yếu hội nghị khí khoa học cơng nghệ tồn quốc khí lần thứ IV năm 2015 phần I phần II Nhiều tác giả, Nhà sản xuất đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh 2015 Các trang Web tham khảo [3] Diễn đàn điện tử Việt Nam : http://dientuvietnam.net [4] Diễn đàn giới : http://thegioicnc.com [5] Linh kiện điện tử : http://banlinhkien.com [6] http://google.com 56 PHỤ LỤC Code Arduino #include #include #define LINE_BUFFER_LENGTH 512 // Vị trí Servo cho Lên Xuống const int penZUp = 80; const int penZDown = 40; // Servo chân PWM const int penServoPin = 6; // nên cho động bước const int stepsPerRevolution = 20; // Tạo đối tượng để điều khiển servo Servo penServo; // Khởi tạo stepper cho trục X Y sử dụng chân Arduino Stepper myStepperY(stepsPerRevolution, 2,3,4,5); Stepper myStepperX(stepsPerRevolution, 8,9,10,11); /* khai báo biến struct point { float x; float y; float z; }; // vị trí bút struct point actuatorPos; // vẽ cài đặt float StepInc = 1; int StepDelay = 0; 57 int LineDelay = 50; int penDelay = 50; // sử dụng phác thảo để đo lường chiều dài // Tính bước mm Nhập vào float StepsPerMillimeterX = 6.0; float StepsPerMillimeterY = 6.0; // Vẽ giới hạn robot, tính mm float Xmin = 0; float Xmax = 40; float Ymin = 0; float Ymax = 40; float Zmin = 0; float Zmax = 1; float Xpos = Xmin; float Ypos = Ymin; float Zpos = Zmax; // lệnh đặt thơng số để có đầu boolean verbose = false; * void setup() - Initialisations void setup() { // Thiết lập Serial.begin( 9600 ); penServo.attach(penServoPin); penServo.write(penZUp); delay(200); // Đặt di chuyển đến vị trí mặc định ban đầu 58 Serial.println("Mini CNC Plotter alive and kicking!"); Serial.print("X range is from "); Serial.print(Xmin); Serial.print(" to "); Serial.print(Xmax); Serial.println(" mm."); Serial.print("Y range is from "); Serial.print(Ymin); Serial.print(" to "); Serial.print(Ymax); Serial.println(" mm."); } * void loop() - Main loop void loop() { delay(200); char line[ LINE_BUFFER_LENGTH ]; char c; int lineIndex; bool lineIsComment, lineSemiColon; lineIndex = 0; lineSemiColon = false; lineIsComment = false; while (1) { // Tiếp nhận nối tiếp - chủ yếu từ Grbl, thêm dấu chấm phẩy hỗ trợ while ( Serial.available()>0 ) { c = Serial.read(); if (( c == '\n') || (c == '\r') ) { if ( lineIndex > ) { line[ lineIndex ] = '\0'; // End of line reached // Line is complete Then execute! // Terminate string if (verbose) { 59 Serial.print( "Received : "); Serial.println( line ); } processIncomingLine( line, lineIndex ); lineIndex = 0; } else { // Empty or comment line Skip block } lineIsComment = false; lineSemiColon = false; Serial.println("ok"); } else { if ( (lineIsComment) || (lineSemiColon) ) { // Vứt bỏ tất ký tự nhận xét if ( c == ')' ) lineIsComment = false; // End of comment Resume line } else { if ( c = LINE_BUFFER_LENGTH-1 ) { Serial.println( "ERROR - lineBuffer overflow" ); lineIsComment = false; lineSemiColon = false; 60 } else if ( c >= 'a' && c