➢ Ngôn ngữ G-code
G-Code là một ngôn ngữ lập trình trên máy tính được sử dụng trong điều khiển số. G- Code được hỗ trợ bởi máy tính trong việc tự động hoá, được ứng dụng phổ biến trong các máy CNC để điều khiển sự di chuyển của phôi và trục chính, nó cũng thông qua các thiết bị đã có để thông báo hoặc yêu cầu máy CNC tham gia vào quá trình làm việc với hướng di chuyển hay tốc độ di chuyển,…
Ngôn ngữ G-Code cũng giúp điều khiển máy CNC thực hiện được công việc cắt bỏ những phần dư thừa trên bề mặt vật thể để có thể tạo ra được các sản phẩm vừa ý, đúng theo yêu cầu từ trước.
Đôi khi, ngôn ngữ G-Code còn được gọi là ngôn ngữ lập trình G. Hệ điều hành của máy sẽ tự động dịch các bản vẽ, ngôn ngữ viết của con người sang các mã G-Code để máy có thể hiểu và tự hoạt động được.
➢ Tổng quan về board Mach3
Board điều khiển Mach3 là board mạch dùng để thực thi các dòng lệnh G-code thông qua phần mềm Mach3 được tích hợp và xuất ra các tín hiệu cho cơ cấu chấp hành.
- Khai báo tổng quát đầu chương trình.
- Các lệnh di chuyển dao, bắt đầu thời gian gia công sản phẩm. - Các lệnh kết thúc chương trình và quay về đầu chương trình
27 Nhóm lệnh Địa chỉ Ý nghĩa Số hiệu chương trình O Đặt tên chương trình Số thứ tự khối lệnh N Dễ dàng tìm kiếm một khối lệnh bất kỳ Lệnh G G Phương thức di chuyển Kích thước X, Y, Z U, V,W A, B, C I, J, K R Trục chuyển động tịnh tiến chính Trục chuyển động tịnh tiến phụ Trục phụ
Khoảng cách tọa độ tâm cung Bán kính cung tròn Tốc độ chạy dao F Tốc độ trục chính S Chọn dao T Lệnh phụ M Lệnh gọi chương trình con P [18]
28
➢ Phần mềm Mach3
Mach 3 là phần mềm của hãng ArtSoft, ban đầu Mach3 được tạo ra dành cho những người chế tạo máy CNC nhưng sau đó được cải tiến mạnh mẽ một trong những phần mềm điều khiển linh hoạt trong công nghiệp. Mach3 được ứng dụng để điều khiển đa dạng các loại máy CNC: máy tiện, máy phay, máy cắt plasma,…Mach3 có giao diện rất gần gũi với người dùng và dễ sử dụng.
Hình 2.13: Giao diện phần mềm Mach3
- Màn hình điều khiển Mach3 như hình 2.15. Bên trái của màn hình này là phần thể hiện file chương trình chạy với ngôn ngữ G-code.
- Thông thường với các máy công cụ thì file chương trình này được tạo ra bởi các phần mềm trung gian cad/cam.
- Ứng với các máy dùng ứng dụng chuyên biệt người ta cũng viết những phần mềm chuyên dụng đi kèm máy để tạo ra file G-code ứng với đặc điểm riêng của máy đó. - Máy khoan CNC được xây dựng như một ứng dụng chuyên biệt hoạt động bằng ngôn ngữ G-code nên cũng cần một phần mềm với giao diện để có thể dễ dàng tạo ra các chương trình hoạt động.
29
Một số chức năng của Mach3:
- Biến máy tính thành bộ điều khiển CNC.
- Hiển thị G-Code trực quan và có thể điều chỉnh G-code trực tiếp. - Điều khiển được tốc độ trục chính Spindle.
- Điều khiển được nhiều relay đóng cắt. - Hiệu chỉnh được tốc độ của các trục X,Y,Z.
- Tùy biến M-code và Macro bằng cách sử dụng VBscript. - Có khả năng tạo ra xung điều khiển tốc độ động cơ bằng tay. - Có khả năng dùng được với các màn hình cảm ứng.
30
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 3.1. Tiêu chí thiết kế
Đối với máy có cấu trúc như một máy CNC mini cần phải đảm bảo các tiêu chí sau: 1. Mọi chi tiết lắp ghép khi có lỗi phải được tháo lắp một cách dễ dàng thuận tiện
cho công việc bảo trì máy.
2. Tận dụng tối đa những dụng cụ, thiết bị có sẵn trên thị trường để rút ngắn thời gian và tăng độ chính xác khi lắp ráp máy.
3. Đảm bảo được tính thẩm mỹ khi sản phẩm đưa ra thương mại hóa và đảm bảo độ an toàn cho người sử dụng. Ví dụ: thiết kế phần cover cho toàn bộ máy,,,
4. Vì máy có cấu trúc như là một máy CNC mini do đó cần thiết kế trục Z ( trục công tác ) có thể thay đổi một cách linh hoạt vì khi thay đổi ta được cỗ máy tương tự chỉ khác nhau ở chức năng đầu công tác. Ví dụ: thay đầu viết thành đầu khắc lazer ta có được máy khác lazer…
3.2. Yêu cầu thiết kế
1. Vùng hoạt động của máy theo (X,Y) phải bao quát được vùng của hộp Box, mạch điện trên A4, miếng Phoenix…
2. Để đảm bảo an toàn cho hệ thống trong lúc làm việc cần phải có các công tác hành trình báo hiệu quá giới hạn và công tác hành trình được đặt chìm để đảm bảo độ thẩm mỹ.
3. Chi phí thiết kế phải phù hợp đối với đồ án Tốt Nghiệp.
4. Máy hoạt động một ngày 8 tiếng và tốc độ đánh chữ đạt 10-20mm/s.
3.3. Thông số đầu vào của máy
- Với các sản phẩm máy đánh lên có kích thước theo (x, y) lần lượt là miếng Phoenix UTC-TM8 (76, 118) mm, bìa cứng A4 (210, 297) mm, vỏ Box (90, 145) mm. Bên cạnh đó còn một số vật liệu khác với những yêu cầu đặc biệt khác như vị trí và diện tích đánh quá nhỏ.
- Hầu hết các kí tự - kí hiệu được đánh lên có cỡ chữ 5, trên nền diện tích dưới 1 cm2 với font Time New Roman chữ đơn được thiết kế trên phần mềm Cad.
31
3.4. Lựa chọn phương án
❖ Phương án 1: Truyền động Cartesian – XZ
Trong kết cấu này bàn in sẽ dịch chuyển theo phương Y, đầu bút sẽ dịch chuyển theo phương XZ.
➢ Ưu điểm
- Kết cấu đơn giản, dễ thi công.
- Chi phí rẻ, độ cứng vững tương đối cao.
➢ Nhược điểm
- Độ chính xác của mẫu in không cao.
- Do bàn in di chuyển nên dễ làm cho những lớp in đầu tiên dễ bị dịch chuyển làm sai lệch mẫu in.
- Do khối lượng các cơ cấu di động lớn nên quán tính lớn, dễ rung động và gây tiếng ồn.
32
❖ Phương án 2: Sử dụng kết cấu delta, dùng truyền động đai.
➢ Ưu điểm
- Các kết cấu di động nhỏ nên quán tính máy nhỏ, di chuyển êm. - Độ cứng cứng khá cao, có thể in được vật có chiều cao lớn. - Độ chính xác và thời gian in nhanh hơn kết cấu Cartesian – XZ .
➢ Nhược điểm
- Khổ máy lớn, gây khó khăn cho quá trình di chuyển khó căn chỉnh bàn máy. - Giá thành cao hơn mẫu máy sử dụng kết cấu Cartesin – XZ.
Hình 3.2: Kết cấu delta
❖ Phương án 3: Truyền động Cartesian – XY
Trong kết cấu này bàn in sẽ dịch chuyển theo phương Z, đầu công tác dịch chuyển theo phương XY. 2 trục XY sử dụng bộ truyền đai theo cơ cấu CoreXY, trục Z sử dụng bộ truyền vít me - đai ốc.
➢ Ưu điểm
- Kết cấu đơn giản, dễ lắp đặt.
- Có thể in với tốc độ cao hơn so với kết cấu Cartesian – XZ và tương đương với kết cấu delta.
- Các kết cấu di động nhỏ nên quán tính nhỏ, máy hoạt động êm hơn. - Độ chính xác tương đương hoặc cao hơn máy delta.
➢ Nhược điểm
33
- Kích thước máy có thể hơi lớn và cồng kềnh.
Hình 3.3: Truyền động Cartesian – XY
Lựa chọn phương án:
Dựa vào ưu và nhược điểm Nhóm đã quyết định sử dụng phương án 3 – Cartersian XY.
3.5. Lựa chọn động cơ 3.5.1. Động cơ bước
➢ Ưu điểm
- Thích hợp với các bộ điều khiển số. Với khả năng điều khiển số trực tiếp ngày nay động cơ step được ứng dụng rất là phổ biến trong thực tế.
- Khi điều khiển step thì không cần mạch phản hồi encoder, khiến cho phần điều khiển trở nên đơn giản hơn mà vẫn đảm bảo đủ độ chính xác.
➢ Nhược điểm
- Phạm vi ứng dụng là ở vùng công suất nhỏ và trung bình. Việc nghiên cứu nâng công suất động cơ bước đang là vấn đề rất được quan tâm hiện nay.
34
3.5.2. Động cơ một chiều DC
➢ Ưu điểm
- Momen xoắn lớn, giá thành rẻ.
➢ Nhược điểm
- Đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp. - Phải có mạch hồi tiếp mới nâng cao độ chính xác.
3.5.3. Động cơ servo ➢ Ưu điểm - Có moment xoắn lớn - Tốc độ đáp ứng nhanh, độ chính xác cao ➢ Nhược điểm - Driver phức tạp - Giá thành cao
- Điều khiển phức tạp, đòi hỏi người vận hành phải có trình độ chuyên môn cao.
Kết luận:
Với những ưu điểm về chi phí, độ chính xác, tính linh hoạt và hiệu quả thì chúng tôi chọn động cơ step để nghiên cứu và đưa vào trong đồ án.
3.6. Lựa chọn kết cấu trục Z
Có 2 đề xuất cho kết cấu trục Z: cơ cấu vít me - đai ốc và cơ cấu thủy thực khí nén đều có thể tạo ra chuyển động nâng lên và hạ xuống đầu bút. Tuy nhiên, cả hai cơ cấu cũng đều có những ưu và nhược điểm khác nhau.
➢ Cơ cấu thủy lực khí nén
- Ưu điểm
• Nguyên lý hoạt động đơn giản do đó việc điều khiển chúng cũng trở nên dễ dàng.
• Dễ thay thế và sửa chữa khi có lỗi xảy ra. - Nhược điểm
• Tiếng động khi hoạt động lớn.
35
• Luôn có 1 khoảng delay nhất định khi thay đổi chiều chuyển động.
Hình 3.4 : Hệ thống thủy lực[19]
➢ Cơ cấu vít me-đai ốc
- Ưu điểm
• Hoạt động chính xác, êm và ổn định.
• Chi phí lắp đặt không quá đắt đỏ so với hệ thống khí nén.
• Không có khoảng delay như hệ thống khí nén. - Nhược điểm
• Điều khiển hệ thống phức tạp hơn hệ thống khí nén.
• Khó khăn hơn trong vấn đề bảo trì khi có lỗi xảy ra.
Kết luận: Với những ưu và nhược điểm của cả hai cơ cấu cùng với mục đích phục
vụ cho việc học tập và làm đồ án thì cơ cấu vít me - đai ốc là sự lựa chọn hợp lý nhất.
3.7. Lựa chọn cơ cấu dẫn động trục X,Y
“Máy đánh nhãn tự động” có cấu trúc tương đồng như máy CNC kết hợp với phần lựa chọn phương án ở mục trên thì bộ truyền động đai răng được sử dụng cho trục X,Y.
Chọn cơ cấu dẫn hướng: Cùng với kết cấu của khung máy là nhôm định hình nguyên
36
trượt V-slot mang lại hiệu suất làm việc cao với ma sát lăn tạo ra trên bề mặt không đáng kể. Do đó nó sẽ mang lại hiệu quả làm việc hiệu quả, ổn định và chính xác.
Dây đai răng GT và bulley tạo nên bộ truyền đai với chi phí thấp, hoạt động êm, dễ lắp đặt đồng thời chi phí bảo dưỡng cũng thấp.
3.8. Mô hình dự kiến ban đầu
37
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 4.1. Tiêu chí thiết kế
Đối với tủ điện
1. Đảm bảo dễ dàng theo dõi, sử dụng và sửa chữa đối với người vận hành thông qua đèn báo, nút nhấn vật lý.
2. Kích thước tủ vừa đủ để bao phủ các thiết bị của máy, đảm bảo tương quan giữa máy và tủ sao cho đạt độ thẩm mỹ cao.
Đối với các thiết bị khác
1. Sử dụng những thiết bị tiêu chuẩn có sẵn trên thị trường giúp cho quá trình thay thế chúng một cách dễ dàng.
2. Chi phí vừa phải, phù hợp với đồ án Tốt Nghiệp.
4.2. Yêu cầu thiết kế
1. Dễ dàng thi công và lắp ghép.
2. Bảo trì và thay thế nhanh chóng, giúp rút gắn thời gian.
4.3. Thiết kế và tính toán cơ khí 4.3.1. Thiết kế khung máy 4.3.1. Thiết kế khung máy
Với độ dày để đánh Terminal 5-7 mm theo trục Z và chiều rộng, chiều dài tương ứng là 76 mm và 118 mm và đánh mạch điện trên tờ A4 thì ta chỉ cần dùng nhôm định hình tiêu chuẩn (20x40x50)x2 và (20x40x46)x2 để tạo ra không gian làm việc là (350, 350).
Khung máy là bộ phận quan trọng, chịu lực lớn nhất và đảm bảo độ chính xác của máy nên yêu cầu độ chính xác khi gia công cao. Yêu cầu phải đảm bảo về kích thước của các thanh nhôm, độ vuông góc khi lắp ghép. Các thanh nhôm định hình được cắt bằng máy cưa tay với dung sai 2 – 3mm, sau đó được đưa lên máy phay CNC để phay phẳng 2 đầu nhằm đảm bảo kích thước và độ phẳng. Các thanh nhôm được lắp ghép với nhau bằng bát ke góc nhôm và bu lông lục giác.
38
Hình 4.1: Bulong, ke góc, con trượt
Chân máy được lắp thêm 4 chân đế cao su nhằm làm giảm rung động khi máy hoạt động.
Hình 4.2: Nhôm profile
4.3.2. Thiết kế cụm trục Z
Lựa chọn kiểu lắp:
Có 3 kiểu lắp trục vít thường được sử dụng : fixed – fixed, fixed – support,fixed – free. 1. Kiểu fixed – fixed hai đầu vitme được cố định, với kiểu lắp này đạt độ cứng vững cao,
chịu được tải trọng cao giảm sự rung động của trục Z, tuy nhiên kết cấu phức tạp, khó lắp đặt.
39
Hình 4.3: Kiểu lắp vít me fixed – fixed
2. Kiểu fixed – support một đầu vít me được gắn ổ bi, kiểu lắp này có độ cứng vững thấp hơn so với kiểu fixed – fixed, khả năng chịu tải trung bình.
Hình 4.4: Kiểu lắp vít me fixed – support
3. Kiểu fixed – free một đầu vitme để tự do, kiểu lắp này có kết cấu đơn giản nhất, dễ lắp đặt, chịu tải trọng thấp tương đương với kiểu fixed – support, độ cứng vững thấp hơn kiểu fixed – fixed.
40
Hình 4.5: Kiểu lắp vít me fixed – free
Kết luận: Đối với kết cấu bàn in của máy do khoảng dịch chuyển nhỏ, tải trọng đặt trên
bàn máy nhỏ nên ta lựa chọn kiểu fixed – free để dễ lắp đặt.
41
4.3.3. Tính toán bộ truyền trục Z
Hình 4.7: Cụm trục Z 2D
1-Bút in nhãn 2-Đồ gá đầu bút 3-Trục vít 4-ổ lăn 5-Động cơ
Thông số đầu vào:
- Khối lượng bút in: 10 g.
- Tốc độ vòng trên trục: 𝑁𝑚𝑎𝑥 = 700 𝑣/𝑝ℎ. - Moment xoắn: 0.43 N.m
- Hệ số ma sát trơn bề mặt: 𝜇 = 0,1. - Khối lượng đồ gá đầu bút: 𝑀 = 300g.
1. Một số đặc điểm của bộ truyền
Ta thấy trong quá trình nâng bút, lực dọc trục Fa tác dụng lên bộ truyền này là tổng khối lượng của (1) + (2).
42
Đặc điểm của bộ truyền:
Hình 4.8: Bộ truyền vít me- đai ốc
➢ Ưu điểm:
- Cấu tạo đơn giản, chịu lực lớn, dịch chuyển chậm. - Kích thước nhỏ, gọn.
- Thực hiện được các dịch chuyển cần độ chính xác cao. - Điều khiển một cách dễ dàng.
➢ Nhược điểm:
- Hiệu suất thấp do ma sát trên ren. - Chóng mòn.
2. Chọn vật liệu trục vít và đai ốc
Ngoài yêu cầu về độ bền, vật liệu làm vít cần có độ bền mòn cao và dễ gia công.
− Vật liệu vít: Thép 45.
− Vật liệu đai ốc: Đồng. Ta có khối lượng các chi tiết là:
− Khối lượng trục vít - đai ốc: 280(g).
− Khối lượng đầu bút: 10 (g).
− Khối lượng đồ gá đầu bút: 300(g).
𝑚 = 280 + 10 + 300 = 590 (𝑔)
Lấy khối lượng trục vít và các chi tiết khác là 𝑚 = 600(𝑔).
Ta có lực dọc trục 𝐹𝑎 tác dụng lên bộ truyền trục vít là tổng khối lượng của đồ gá đầu bút