Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phay CNC mini

Đồ án tốt nghiệp sinh viên viện cơ khí bách khoa hà nội Nội dung Chương 1: Tổng quan về máy CNC Chương 2: Sơ đồ hệ thống và các phần tử điều khiển Chương 3: Thiết lập hệ thống điều khiển Chương 4: Lập trình gia công sản phẩm Chương 5: Kết luận

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tính tốn thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phay CNC mini Nguyễn Hồng Dương Duong.nh150758@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Cơ điện tử Giảng viên hướng dẫn: TS Bùi Đình Bá Giảng viên phản biện: TS Hoàng Hồng Hải Bộ mơn: Cơ điện tử Viện: Cơ khí BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHÍA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ) Thông tin sinh viên Họ tên sinh viên: Nông Thanh Tuấn Điện thoại liên lạc: 0397965280 Email: tuan.nt154127@sis.hust.edu.vn Lớp: KT- CĐT 06 – K60 Hệ đào tạo: Chính quy Họ tên sinh viên: Nguyễn Hồng Dương Điện thoại liên lạc: 091002520 Email: duong.nh150758@sis.hust.edu.vn Lớp: KT- CĐT 06 – K60 Hệ đào tạo: Chính quy Họ tên sinh viên: Lê Trọng Đức Điện thoại liên lạc: 0326764516 Email: leducbk97@gmail.com Lớp: KT- CĐT 05 – K60 Hệ đào tạo: Chính quy Đồ án tốt nghiệp thực tại: Bộ môn Cơ điện tử Thời gian làm ĐATN: Từ ngày 01/ 09/ 2020 đến 01/ 01 /2021 Đầu đề thiết kế Tính tốn thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phay CNC mini Các số liệu ban đầu: ● Khơng gian làm việc 300×300×100 mm ● Kích thước phơi lớn nhất: 100×100×40 mm ● Vật liệu gia công: Nhựa ● Chiều sâu cắt: 0.5 mm ● Tốc độ cắt: 500 mm/phút ● Độ xác gia cơng: 0.05mm Nội dung thuyết minh tính tốn: ● Tổng quan máy CNC ● Thiết lập hệ thống điều khiển ● Lập trình gia cơng sản phẩm ● Kết luận Các vẽ ● Bản vẽ sơ đồ điều khiển NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Khoá: K60 Lớp: KT- CĐT Chuyên ngành: Cơ điện tử Tên đề tài tốt nghiệp: Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phay CNC mini NỘI DUNG NHẬN XÉT I II Khối lượng đồ án: Phần thuyết minh Phần vẽ: Ưu điểm đồ án …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… III Nhược điểm đồ án …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… IV Kết luận …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Hà Nội, ngày tháng 01 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn TS Bùi Đình Bá NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Khoá: K60 Lớp: KT- CĐT Chuyên ngành: Cơ điện tử Tên đề tài tốt nghiệp: Tính tốn thiết kế hệ thống truyền động điều khiển cho máy CNC trục NỘI DUNG NHẬN XÉT I Khối lượng đồ án: Phần thuyết minh: Phần vẽ: Ưu điểm đồ án …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… II Nhược điểm đồ án …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… III Kết luận …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Hà Nội, ngày tháng 01 năm 2021 Giáo viên phản biện MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 1.1 Khái quát máy công cụ CNC 2 1.1.1 Sơ lược máy CNC trình phát triển 1.1.2 Cơ sở máy CNC 1.2 Nguyên lý vận hành máy công cụ điều khiển số 1.2.1 Chương trình gia cơng chi tiết 1.2.2 Khối điều khiển 1.2.3 Điều khiển logic 1.2.4 Cấu trúc khối chức hệ CNC 1.3 Hệ thống tính tốn điều khiển 1.3.1 Khái niệm phân loại 1.3.2 Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC 1.3.3 Cấu trúc hệ điều khiển CNC 1.4 Kết cấu khí dùng đồ án 10 1.4.1 Trục vít me 11 1.4.2 Ray dẫn hướng 13 1.4.3 Ổ lăn 13 CHƯƠNG SƠ ĐỒ HỆ THỐNG VÀ CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN 2.1 Sơ đồ hệ thống phần tử hệ thống 15 2.2 Động AC Servo Driver Servo 15 15 2.2.1 Động AC Servo 15 2.2.2 Bộ điều khiển động AC Servo 17 2.3 Biến tần trục 18 2.3.1 Trục điều khiển tốc độ trục 18 2.3.2 Tìm hiểu biến tần 19 2.4 Mạch điều khiển Mach3 V3.22 22 2.4.1 Giới thiệu mạch Mach3 V3.22 22 2.4.2 Đặc điểm mạch Mach3 V3.22 22 2.4.3 Sử dụng mạch Mach3 23 2.5 Các thiết bị điện 26 2.5.1 Cảm biến Home 26 2.5.2 Nút bấm điều khiển tắt mở máy 26 2.5.3 Nút dừng khẩn 26 2.5.4 Đèn báo hiệu 26 2.5.5 Nguồn DC 27 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Cài đặt thông số cho điều khiển động servo 28 28 3.1.1 Động servo 28 3.1.2 Các chân tín hiệu I/O Drive 28 3.1.3 Cài đặt thông số cho điều khiển động Servo 29 3.2 Cài đặt thông số biến tần 34 3.2.1 Spindle 34 3.2.2 Cài đặt thông số cho biến tần 35 3.3 Cài đặt thông số phần mềm Mach3 36 3.3.1 Tính phần mềm Mach3 36 3.3.2 Cài đặt chân tín hiệu 37 3.3.3 Chọn đơn vị đo máy 41 3.3.4 Cài đặt thông số động 42 3.3.5 Các chức 44 CHƯƠNG 4: GIA CƠNG SẢN PHẦM 48 4.1 Thiết kế chi tiết 48 4.2 Q trình gia cơng chi tiết máy phay CNC 50 4.3 Đo đánh giá độ xác chi tiết sau gia công 51 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 52 5.1 Kết đạt được: 52 5.2 Những điểm hạn chế: 52 5.3 Hướng phát triển: 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHỤ LỤC 54 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mơ hình điều khiển DNC Hình 1.2: Mơ hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM Hình 1.3: Cơ sở máy CNC Hình 1.4: Miêu tả trục máy công cụ CNC hệ tọa độ đề Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc khối hệ CNC Hình 1.6 Lưu đồ điểu khiển hệ CNC Hình 1.7 Các bước khâu chuẩn bị chương trình tay Hình 1.8 Lưu đồ lập trình máy Hình 1.9 Cấu trúc hệ CNC Hình 1.10 Kết cấu khí máy CNC 10 Hình 1.11 Trục vít me bi 11 Hình 1.12 Catalog hãng PMI 12 Hình 1.13 Trục trơn dẫn hướng 13 Hình 1.14 Ổ lăn 14 Hình 2.1 Sơ đồ mạch điều khiển máy CNC sử dụng mạch điều khiển Mach3 V3.22 15 Hình 2.2 Động AC Servo 15 Hình 2.3 Cấu tạo động Servo 17 Hình 2.4 Driver động AC Servo 17 Hình 2.5 Sơ đồ đấu nối với điều khiển Driver 18 Hình 2.6 Diver Servo KINETIX3 100W 18 Hình 2.7 Sơ đồ biến tần gián tiếp 20 Hình 2.8 Biến tần LS M100 20 Hình 2.10 Mạch điều khiển Mach3 V3.22 22 Hình 2.11 Chân tín hiệu điều khiển trục tọa độ Mach3 23 Hình 2.12 Sơ đồ ngun lí điều khiển 24 Hình 2.13 chân tín hiệu đa mục đích 24 Hình 2.14 chân tín hiệu mục đích 25 Hình 2.15 Đầu tín hiệu xung để điều khiển biến tần 25 Hình 2.16 Nút bấm khơng đèn 26 Hình 2.17 Nút dừng khẩn cấp 26 Hình 2.18 Đèn báo hiệu 26 Hình 2.19 Nguồn DC 24V 27 Hình 3.1 Cách đọc thông số động 28 n số bước để động quay vòng l chiều dài bước vit me Velocity: vận tốc trục tính mm/ phút Accleration: gia tốc trục tính mm/ s2 Sau cài đặt chọn SAVE AXIS SETTING để lưu lại Thiết lập tương tự cho trục cịn lại 3.3.5 Các chức Giao diện phần mềm Mach3: trang Program Run Hình 3.31 Các vùng chức giao diện Mach3 Các vùng hiển thị trang Program Run Vùng 1: Hiển thị file Gcode, cho phép theo dõi lệnh chạy Vùng 2: Hiển thị tọa độ máy phím chức liên quan Vùng 3: Mơ q trình gia cơng Vùng 4: Các phím chức thao tác với file gia công Vùng 5: Cài đặt dụng cụ Vùng 6: Hiển thị tốc độ trục XYZ phím điều chỉnh tốc độ Vùng 7: Hiển thị tốc độ trục phím điều chỉnh tốc độ Các thao tác với file gia công (vùng 4) 46 Hình 3.32 Thao tác với file gia cơng Cycle Start: Bắt đầu chạy chương trình tiếp tục chạy chương trình Feed Hold: Tạm dừng chương trình, dùng trường hợp cho máy tạm dừng sau muốn chạy tiếp lệnh chạy dở Stop: Dừng chương trình, tương tự Feed Hold chạy tiếp chương trình cách nhấn Cycle Start chương trình bỏ qua lệnh chạy mà bắt đầu chạy từ dòng lệnh Reset: Dừng khẩn cấp, reset nút khởi động điều khiển ngừng điều khiển, nút reset chọn điều khiển máy Edit G- Code: Chỉnh sửa mã G- code file gia công Recent File: Mở file gia cơng chạy gần Close G- Code: Đóng file gia công mở Load G-Code: Chọn file gia công Set next line: Chọn dịng lệnh mà chương trình bắt đầu chạy từ Run From here: Chạy chương trinh dòng lệnh chọn Set next line Rewind: Trở file gia công Single BLK: Lựa chọn chạy dòng Code một, lựa chọn tính bên cạnh chuyển thành màu vàng, tắt tinh muốn máy chạy hết lệnh file gia công Reverse Run: Chức chạy ngược mã G- Code tạm dừng chương trình, máy chạy ngược lại Tọa độ máy (vùng 2) 47 Hình 3.33 Tọa độ máy REF ALL HOME: Di chuyển trục điểm gốc máy HOME Zero X,Y,Z: Đặt tọa độ trục tương ứng OFFLINE: Chạy mô chương trinh máy tính (khơng truyền tín hiệu điều khiển xuống máy cnc, máy cnc không chạy) GOTO ZERO: Di chuyển trục điểm O (X0, Y0, Z0) Machine Coord: Thay đổi hiển thị tọa độ theo gốc máy- theo gốc chương trinh Soft Limits: Bật tắt tinh giới hạn hành trình ảo Scale: Tỉ lệ chạy tương ứng trục, mặc định Tốc độ di chuyển trục XYZ trục (vùng 6,7) 48 Hình 3.34 Tốc độ di chuyển trục Tốc độ trục (cửa sổ Feed Rate) FRO: Tốc độ Feedrate: Tốc độ thiết lập Rapid FRO, FRO %, nút + -: Tăng giảm tốc độ chạy Nút Reset: Đặt lại tốc độ chạy mặc định Tốc độ trục (cửa sổ Spindle Speed) Spindle CW F5: Bật tắt động trục chinh RPM: Tốc độ đo encoder S- ov: Tốc độ Spindle Speed: Tốc độ thiết lập SRO %, nút + -: Tăng giảm tốc độ chạy Nút Reset: Đặt lại tốc độ chạy mặc định Nhập liệu G- Code thủ công: trang MDI Nhập G- Code cần chạy vào Input, sau nhấn Enter để chạy 49 Hình 3.35.Trang MDI Điều khiển trục tay (MPG MODE) Bấm phím Tab để hiển thị MPG MODE CycleJog Step: Khoảng cách di chuyển cho bước (ở chế độ di chuyển bước) Slow Jog Rate: Cài đặt tốc độ di chuyển trục Button Jog: Các phím di chuyển trục Chế độ di chuyển binh thường: bấm phím di chuyển trục, trục di chuyển với tốc độ thiết lập mục Slow Jog Rate Chế độ di chuyển bước: bấm tổ hợp phím Ctrl phím di chuyển Chế độ di chuyển với 100% tốc độ: bấm tổ hợp phím Shift phím di chuyển CHƯƠNG 4: GIA CÔNG SẢN PHẦM 4.1 Thiết kế chi tiết Yêu cầu độ xác độ dài gia cơng 50 Hình 4.1 u cầu độ xác độ dài sau gia công Thiết kế 2D chi tiết Hình 4.2 Kích thước chi tiết Thiết kế chi tiết 3D phần mềm Catia 51 Hình 4.3 Thiết kế chi tiết Catia Cài đặt gốc phơi: Hình 4.4 Cài đặt gốc phơi Cài đặt kích thước phơi 52 Hình 4.5 Cài đặt phơi Chi tiết sau phay mơ sau: Hình 4.6 Chi tiết sau phay mơ Sau hồn tất thiết lập đường tiến dao, tiến hanh xuất file gia công trực tiếp phần mềm Catia 4.2 Quá trình gia cơng chi tiết máy phay CNC ● Chọn phơi nhựa có kích thước 51x52x21 ● Gá kẹp phôi bàn máy eto kẹp ● Kết nối máy tính với mạch mach3 nạp G Code ● Lấy gốc phôi: cách di chuyển đầu dao vị trí mặt phơi 53 ● Gia công phay ● Chi tiết sản phẩm sau gia cơng: Hình 4.7 Chi tiết sau gia cơng phay 4.3 Đo đánh giá độ xác chi tiết sau gia công Dụng cụ đo: thước kẹp có độ chia 0.02mm Kết đo chi tiết sản phẩm sau gia công sử dụng : - Dao phay ngón d = 6mm có lưỡi cắt Tốc độ quay trục S = 3000 v/ph Vận tốc tiến dao vào dao F=300mm/ph, gia công F=630mm/ph hay L= 0.21mm/vịng hay L= 0.05mm/vịng/lưỡi cắt 54 Hình 4.8 kết đo chi tiết sau gia công phay Đánh giá kết đo chi tiết sản phẩm sau gia cơng - Sai số hình học đồ dài gia công vượt quy định đặt áp dụng chế độ cắt có tốc độ tiến dao lớn yêu cầu đặt Sai số xảy tốc độ tiến dao lớn => lượng gia công lưỡi cắt lớn => lực cản lớn Kết đo chi tiết sản phẩm sau gia công sử dụng : - Dao phay ngón d = 6mm có lưỡi cắt Tốc độ quay trục S = 3000 v/ph Vận tốc tiến dao vào dao F=150mm/ph, gia cơng F=450mm/ph hay L= 0.15mm/vịng hay L= 0.038mm/vịng/lưỡi cắt 55 Hình 4.9 kết đo chi tiết sau gia công phay Đánh giá kết đo chi tiết sản phẩm sau gia công: - Sai số hình học đồ dài gia cơng nằm quy định đặt áp dụng chế độ cắt có tốc độ tiến dao nhỏ yêu cầu đặt Sai số xảy tốc độ tiến dao nhỏ => lượng gia công lưỡi cắt nhỏ => lực cản nhỏ Kết đo chi tiết sản phẩm sau gia công sử dụng : - Dao phay ngón d = 6mm có lưỡi cắt Tốc độ quay trục S = 3000 v/ph Vận tốc tiến dao vào dao F=150mm/ph, gia công F=300mm/ph hay L= 0.1mm/vịng hay L= 0.025mm/vịng/lưỡi cắt 56 Hình 4.10 kết đo chi tiết sau gia công phay Đánh giá kết đo chi tiết sản phẩm sau gia cơng: - Sai số hình học đồ dài gia công nằm quy định đặt áp dụng chế độ cắt có tốc độ tiến dao nhỏ yêu cầu đặt Sai số xảy tốc độ tiến dao nhỏ => lượng gia công lưỡi cắt nhỏ => lực cản nhỏ 57 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 5.1 Kết đạt được: - Tính tốn thiết kế hệ thống điều khiển thành cơng cho máy phay CNC mini - Máy chạy ổn định độ xác mức độ vừa phải - Thực phay gia công số sản phẩm thực máy 5.2 Những điểm hạn chế: - Máy gia cơng vật liệu có độ cứng vừa phải gỗ nhựa - Tốc độ chạy dao chưa cao chưa cao - Chưa có phận thay dao - Chưa có phận làm mát - Hành trình bàn máy cịn nhỏ 5.3 Hướng phát triển: - Thay hệ thống dẫn hướng trục Y từ trục dẫn hướng thành hai trục dẫn hướng nhằm tăng độ cứng khí gia cơng - Chế tạo phần khí đồng xác để gia cơng vật liệu có độ cứng cao - Sử dụng dụng cụ đo để đánh giá chi tiết sai số độ vng góc trục XYZ 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí tập 1,2, Nhà xuất Giáo dục, 2006 [2] Catalog ổ lăn SKF [3] PMI, Ballscrews/ Linear Guideway/ Mono Stage Genaral Catalog [4] G T T V Dịch, Giáo trình Cơng nghệ CNC, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2004 [5] N N Đào, Giáo trình CAD-CAM-CNC, NXB Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh [6] Đờ án tốt nghiệp: Tính tốn thiết kế hệ thống truyền động điều khiển cho máy CNC trục - Đinh Văn Lĩnh - ngành Cơ điện tử Đại học Bách Khoa Hà Nội 2020 [7] Bách khoa toàn thư mở Wikimedia [8] Hướng dẫn setup drive website: http://www.marketotomasyon.com/UserFiles/File/RS_Automation/Servo_Drive/ CSD5/CSD5_index_Manual.pdf [9] Hướng dẫn setup biến tần website: https://www.seva-tec.de/media/pdf/f5/58/72/SEVA-LS-M100-Manual-Frequency -Inverter.pdf 59 PHỤ LỤC - Phụ lục 1: Bản vẽ mạch đấu dây tủ điện máy CNC - Phụ lục 2: Sơ đồ thuật toán điều khiển 60 ... tiến hanh thực đề tài: ? ?Tính tốn thiết kế hệ thống điều khiển cho máy CNC trục”, đề tài tập trung vào phần thiết kế hệ thống điều khiển Vì phần khí trình bày điểm cốt lõi hệ thống truyền động Đồ... 1.2.2 Khối điều khiển 1.2.3 Điều khiển logic 1.2.4 Cấu trúc khối chức hệ CNC 1.3 Hệ thống tính toán điều khiển 1.3.1 Khái niệm phân loại 1.3.2 Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC 1.3.3... trình điều khiển Hình 1.6 Lưu đồ điểu khiển hệ CNC Chương trình điều khiển đưa vào thiết bị tính tốn điều khiển, tạo tín hiệu điều khiển hệ truyền động điện tự động Cấu trúc thiết bị tính tốn điều