Khi chế tạo, sửa chữa hoặc chơi laser công suất cao trong khu vực chật hẹp thì bạn cần phải đeo kiếng bảo hộ chống tia laser. Lưu ý các loại kiếng bảo hộ bình thường khơng có tác dụng chống tia laser, bạn phải mua loại kiếng chuyên dụng dành cho laser. [7]
19 Cần chú ý những kí hiệu cảnh báo sự nguy hiểm của tia laser
Hình 2.11 – Những kí hiệu an tồn cần lưu ý
2.3. VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO 2.3.1. Giới thiệu 2.3.1. Giới thiệu
Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế kỷ thứ 9 là King Arduin. Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sư Massimo Banzi, là một trong những người phát triển Arduino, tại trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII). Mặc dù hầu như không được tiếp thị gì cả, tin tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ những lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên. Hiện nay Arduino nổi tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấn Ivrea chỉ để tham quan nơi đã sản sinh ra Arduino.
20
2.3.2. Phân loại
Phần cứng Arduino gốc được sản xuất bởi công ty Italy tên là Smart Projects. Một vài board dẫn xuất từ Arduino cũng được thiết kế bởi công ty của Mỹ tên là
SparkFun Electronics.
Dưới đây là một số phiên bản phần cứng của Arduino đã được sản xuất và thương mại hóa. [11]
Arduino Uno
Đây là Board cơ bản nhất cho người mới bắt đầu. Nó có 14 chân dữ liệu số, có thế cấu hình làm chân lấy tín hiệu vào hoặc xuất tín hiệu ra là tùy bạn. 6 chân tương tự đầu vào 5V, độ phân giải 1024 mức. Tốc độ 16MHz, điện áp vào từ 7~12V, chân số có thể cấp điện áp ra 5V và 1A, nếu bạn điều khiển chân số ra tiêu tốn quá 1A thì Board sẽ bị hỏng. Kích thước Board khoảng 5,5x7cm
21 Arduino Pro
Nhìn chung thiết kế giúp Arduino Uno. Có 2 loại, 3.3V và 5V. Nó khơng được thiết kế chân sẵn nên khi sử dụng bạn có thể hàn trực tiếp nhằm tiết kiệm khơng gian.
Hình 2.14 – Board Arduino Pro
Arduino Nano
Board này có kích thước nhỏ nhất. gồm 14 chân số (6 chân PWM) và 8 chân tương tự. Kích thước khoảng 2x4cm. Nhỏ gọn, dễ lắp đặt ở bất kỳ đâu.
22 Arduino Mega
Có thiết kế hoạt động tương tự Arduino UNO, tuy nhiên có số lượng chân vào ra lớn với 54 chân Số (14 chân PWM), 16 chân tương tự và 4 cổng truyền nối tiếp (RS232) dễ dàng giao tiếp với các board, thiết bị khác. Kích thước 5x10cm
Hình 2.16 - Board Arduino Mega
Arduino Leonardo
Đây là board có thiết kế giống Arduino Micro, sự khác biệt lớn nhất giữa nó và các board khác là nó khơng có cổng USB dành cho việc lập trình. Mọi thứ được đặt trong 1 chip điều khiển, cho phép giao tiếp thông qua cổng COM ảo và cho phép nó giao tiếp với chuột và phím máy tính dễ dàng.
23 Arduino Due
Đây là Board có thiết kế lớn và xấu nhất trong tất cả các Board, nó hoạt động ở điện áp 3.3V. Gồm 54 chân số ( 12 chân tương tự). 4 cổng nối tiếp tương tự Arduino Mega. Nó chạy bộ xử lý 32bit, 84MHz. nó xử lý nhanh hơn gấp 5 lần so với các Board arduino khác. Xử lý chương trình nhanh hơn 10 lần. Vì vậy nó đọc các chân đầu vào và đáp ứng nhanh hơ
Hình 2.18 - Board Arduino Mega
2.3.3. Cấu tạo
Ở đây ta sẽ tập trung tìm hiểu cấu tạo phần cứng của board Arduino Uno R3. Đây là một board cơ bản và thơng dụng bởi giá thành thấp và tính năng tương đối đầy đủ. Phù hơp cho việc nghiên cứu đối với Đồ án “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy
laser CNC điều khiển bằng Arduino”.
24
2.3.4. Phương pháp điều khiển board Arduino Uno
Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM, Atmel 32-bit,..
Phần mềm để lập trình cho mạch Arduino là phần mềm IDE. Đây là phần mềm mã nguồn mở, và có thể được download từ trang web của Arduino: Arduino.cc . Việc hướng dẫn download và sử dụng phần mềm này sẽ được đề cập đến trong những phần sau. [11]
25
2.3.5. Arduido – Giải pháp tự động hóa hồn hảo và hiện đại
Ứng dụng Arduino vào lập trình, điều khiển hệ thống đã và đang là xu hướng nghiên cứu mới bởi những lý do sau:
Bảng 2.1 – So sánh giữa hệ thống điều khiển truyền thống và Arduino
TT Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển truyền thống
Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển bằng Arduino (Open
Hardware)
1
- Đòi hỏi nhiều kỹ năng
- Hiểu biết chuyên sâu về linh kiện, - Vẽ mạch, hàn mạch,
- Lập trình (khơng có nhiều hỗ trợ sẵn có do module tự thiết kế khơng chuẩn hố)
- Khơng địi hỏi nhiều kỹ năng - Tập trung vào tư duy hệ thống - Lập trình được hỗ trợ bởi nhiều thư viện chuẩn hoá của các module
2 - Thời gian thực hiện ý tưởng khá lâu, dễ nản lòng
- Thời gian thực hiện ý tưởng rất nhanh, tạo hứng thú
3
- Chú trọng nhiều đến chi tiết (linh kiện, chất lượng hàn mạch…) ảnh hưởng đến thời gian phát triển quy mô hệ thống, giảm tính tồn diện
- Tập trung vào hệ thống, có thể thực hiện được các hệ thống phức tạp, toàn diện
4 - Phát triển được các kỹ năng thiết kế mạch, kỹ năng hàn mạch, sửa lỗi
- Phát triển tư duy lập trình, hệ thống
5
- Chỉ dành cho giới chuyên nghiệp, - Dành cho cộng đồng rộng hơn từ giới chuyên nghiệp cho đến khơng chun, thậm chí trẻ em (cấp 1) phát triển được các ứng dụng theo sở thích
26
27
2.4. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA CNC 2.4.1. Khái niệm máy CNC 2.4.1. Khái niệm máy CNC
CNC (Computer Numerical Control) là một dạng máy NC điều khiển tự động có sự trợ giúp của máy tính, mà trong đó các bộ phận tự động được lập trình để hoạt động theo các sự kiện nối tiếp nhau với một tốc độ được xác định trước để có thể tạo ra được mẫu vật với hình dạng và kích thước u cầu. [2]
2.4.2. Trục máy CNC
Để có thể điều khiển chuyển động dụng cụ cắt dọc theo đường hình học trên bề mặt chi tiết cần có một mối quan hệ giữa dụng cụ và chi tiết gia công. Mối quan hệ này có thẻ được thiết lập thơng qua việc đặt dụng cụ và chi tiết gia công trong một hệ tọa độ. Hệ tọa độ Decac được sử dụng làm hệ tọa độ trong máy CNC.
Khi đó khơng gian được giới hạn bởi ba kích thước của hệ tọa độ Decac gắn với máy mà hệ điều khiển máy có thể nhận biết được gọi là vùng gia công. [2]
2.4.3. Nguyên tắc xác định hệ trục tọa độ trên máy CNC
Để xác định các trục toạ độ ta dựa trên quy tắc bàn tay phải, bao gồm ngón giữa, ngón trỏ và ngón cái của bàn tay phải. Ngón cái xác định hướng của trục X, ngón trỏ chỉ trục Y, và ngón giữa chỉ trục Z. [1]
28 Xác định các trục toạ độ của máy NC thông qua nguyên tắc này, đầu tiên ta tưởng tượng ngón giữa nằm trong trục quay chính của máy, đó là trục Z của máy và chiều (+) của trục theo hướng từ trong ra ngồi. Theo đó, ngón cái và ngón trỏ sẽ chỉ phương và chiều của trục X, trục Y. [1]
Trục quay được xác định theo các trục thẳng mà dao cắt quay trên đó. A là trục quay trên trục X, B là trục quay trên trục Y, C là trục quay trên trục Z. Khi nhìn theo chiều (+) của các trục chính thì chiều kim đồng hồ là chiều (+) của các trục quay. [1]
Hình 2.23 - Ba trục quay A,B,C. 2.5. Hệ thống điều khiển máy CNC [1] 2.5. Hệ thống điều khiển máy CNC [1]
Về mặt tổng quát, các máy CNC trong công nghiệp đều được điều khiển theo một nguyên tắc nhất định. Dữ liệu điều khiển được đọc vào từ chương trình có sẵn trên máy hoặc do chính người sử dụng nhập vào từ giao tiếp bàn phím. Các dữ liệu này được giải mã và hệ thống điều khiển xuất ra các tập lệnh để điều khiển các cơ cấu chấp hành thực hiện các lệnh theo yêu cầu của người sử dụng. Trong khi các cơ cấu chấp hành thực hiện các lệnh đó, kết quả về việc tực hiện được mã hóa ngược lại và phản hồi về hệ điều khiển máy, các kết quả này được so sánh với các tập lệnh được gửi đi. Sau đó hệ thống điều khiển có nhiệm vụ bù lại các sai lệch và tiếp tục gửi đến các cơ cấu chấp hành cho đến khi thông tin về kết quả thực hiện phản hồi trở lại “khớp” với thông tin được gửi đi. [1]
29
Hình 2.24 - Truyền dữ liệu trong vịng kín. 2.5.1. Phần cứng của hệ thống điều khiển máy CNC [4] 2.5.1. Phần cứng của hệ thống điều khiển máy CNC [4]
Trong một máy CNC bất kỳ, dù đơn giản hay phức tạp đều có sự hiện diện của các phần cứng cơ bản sau. [1]
Bộ xử lý trung tâm (CPU)
30 Bộ nhớ
Một số bộ nhớ mở rộng được sử dụng: ROM, EEPROM, RAM. Hệ thống truyền dẫn (BUS)
Hệ thống CNC đòi hỏi sự liên hệ giữa CPU và các bộ phận khác trong hệ thống. Thiết bị truyền dẫn của CNC chính là BUS. Có thể hiểu BUS là hệ thống các đường giao thông làm nhiệm vụ truyền dẫn thông tin từ CPU đến các bộ phận khác và ngược lại. Dưới đây là sơ đồ khối thể hiện vị trí vai trị của BUS trong hệ thống điều khiển CNC. [1]
31
2.5.2. Phần mềm.
Những bộ điều khiển CNC hiện đại giống như những chiếc máy tính chuyên dụng dùng để điều khiển máy cơng cụ. Cũng như những chiếc máy tính khác, NC cần một hệ điều hành, đôi khi được coi như là một phần mêm hệ thống. Chúng được thiết kế riêng cho một loại máy, và mục đích cuối cùng là để điều khiển, bởi vì đặc tính động học và điều khiển của mỗi loại mày là khác nhau. Phần mềm này điều khiển mọi chức năng hệ thống, những chương trình con, đồ hoạ giả lập hay q trình gia cơng nếu có. [1]
2.6. NGUN TẮC LẬP TRÌNH GIA CƠNG TRÊN MÁY CNC [3]
Các thao tác gia công của máy CNC được thực hiện thơng qua một đoạn chương trình. Đoạn chương trình này mơ tả chi tiết trình tự của các bước gia công, theo một thứ tự để tạo ra sản phẩm như ý. Bộ điều khiển NC thực thi các lệnh gia cơng dựa trên những dữ liệu mà nó nhận được, những thơng số gia cơng có thể nằm ngay trên những dữ liệu nhận được hay nằm trong bộ nhớ của bộ điều khiển.
Một điều rất quan trọng mà các bộ NC phải tuân theo, đó là phải đi theo một dạng lập trình đã được chuẩn hố, dựa trên một văn bản do hiệp hội chuẩn hoá quốc tế (ISO) đề ra. Ở Hoa Kỳ, chủ yếu theo chuẩn EIA RS244 hoặc RS358.
2.6.1. Cấu trúc chương trình
Một chương trình gia cơng bao gồm nhiều dòng lệnh. Mỗi dòng lệnh bao gồm các ký tự và con số đi theo mỗi ký tự. Số lượng ký tự trong mỗi dòng lệnh là ko cố định. Mỗi dòng lệnh thường bắt đầu bằng ký tự N và một con số liền sau đó dùng để chỉ thứ tự dịng lệnh trong chương trình.
2.6.2. Những chức năng hỗ trợ
Trước khi máy thực hiện những chuyển động và gia công, những thông số về hình dáng và cơng nghệ phải được nhập vào bộ điều khiển. Sau đó các thơng tin sẽ được tính tốn và đưa ra các chức năng thích hợp.
32 - Vị trí điểm đến.
- Hướng chạy dao. - Chương trình gia cơng.
Ngồi ra cũng cần đưa thêm các thơng số cơng nghệ như loại dao dùng gia công, tốc độ trục quay, hướng quay, tốc độ chạy dao. Những chức năng hỗ trợ được dùng cho mục đích này, thường dùng các ký tự F, H, M, S, và T. Còn lại D, E, L, P là những ký tự còn dư cho lập trình, dùng cho những bộ điều khiển khác nhau, của các hãng khác nhau.
2.6.3. Hệ tọa độ tuyệt đối – Tọa độ tương đối
Thơng số hình dạng có thể được nhập ở dạng tuyệt đối hay tương đối, và cả hai đều được chấp nhận ở các máy NC ngày nay.
33
2.7. CHƯƠNG TRÌNH GIA CƠNG NC [2]
Một chương trình gia cơng NC là tồn bộ tất cả các lệnh cần thiết giúp cho máy CNC tiến hành công việc gia công chi tiết, được mô tả một cách cụ thể và được chuẩn hố trong chương trình CNC cơ bản là hệ máy FANUC và hệ máy FAGOR. Tùy thuộc vào nơi sản xuất các bộ điều khiển, có các quy định cụ thể, đặc trưng. Thơng thường vào kích thước cụ thể, đặc trưng. Thơng thường việc vào kích thước biểu thị theo đơn vị inch hoặc mm, ở đây chỉ trình bày cho trường hợp hệ mm.
Nội dung của chương trình được tạo thành từ các khối lệnh, mơ tả q trình hoạt động của máy gia cơng theo từng dịng lệnh trong khối. Mỗi khối mơ tả cho một bước gia cơng hình học hoặc một chức năng gia công cụ thể. Các khối của các bước gia công liền nhau được xếp liên tiếp nhau, và cách nhau bởi mã lệnh kết thúc khối (End of block)
Mỗi khối được lập bởi các ký tự chữ và số gọi là chương trình gia cơng, được lưu trong bộ nhớ máy tính được định dạng theo quy định, là tập hợp các dòng lệnh.
Một dòng lệnh được viết liên tục với các khối mã lệnh, giữa các khối mã lệnh khơng có khoảng trắng.
Một loạt các dòng lệnh liên tiếp cấu thành nên khối chương trình, tập hợp các khối chương trình là tồn bộ chương trình gia cơng. Chương trình sẽ gởi các yêu cầu đến máy tính, bộ điều khiển trung tâm, trực tiếp vận hành máy hoặc thu nhận thơng tin phản hồi.
Mục đích là gởi tiếp các tín hiệu, yêu cầu đến hệ thống điều khiển máy cơng cụ.
Nó xác định các thơng số tốn học liện quan đến sự di chuyển của các thành phần của máy, điều khiển sự di chuyển của đầu phun theo các trục, tốc độ di chuyển của đầu phun, sự phát tia Plasma ..v.v…
34 Thơng tin dịng lệnh được bắt đầu với một mã lệnh và các số liền sau đó, với mỗi thay đổi của các số mới sẽ được truyền vào bộ điều khiển.
Những số kết hợp với mã lệnh N thường gia tăng từ 5 đến 10 đơn vị, cho phép ta có thể chèn thêm các dòng lệnh khác khi cần thiết với các đối số đi kèm mã lệnh N lúc này nằm trong khoảng giữa hai đối số liên tiếp.
2.7.1 Mã lệnh G cơ bản
Mã lệnh G báo hiệu bắt đầu một hàm chức năng. Khi sử dụng mã lệnh này, nó báo hiệu sự thay đổi hoạt động. Có hai loại mã lệnh G: cho phép (modal) và không cho phép( nonmodal).
Mã lệnh G loại cho phép: được lưu trong bộ nhớ chương trình cho đến khi một mã lệnh G khác cùng loại được gọi, mã lệnh sau sẽ hủy bỏ mã lệnh trước trong chương trình điều khiển.
Bảng 2.2 – Mã lệnh G-code
Mã lệnh G Chức năng
G00 Đặc tính điều khiển điểm, chạy nhanh G01 Nội suy thẳng
G02 Nội suy vòng G03 Nội suy vịng G04 Thời gian duy trì G17 Chọn mặt phẳng tọa độ G18 Chọn mặt phẳng tọa độ G19 Chọn mặt phẳng tọa độ G20 Hệ đơn vị inch G21 Hệ đơn vị met G41 Chọn hướng di chuyển
35 G42 Chọn hướng di chuyển