2.1.Giới thiệu chức năng mạch CNC.
Dưới đây là hình ảnh mạch:
Hình 3.18 Mạch điều khiển CNC tích hợp step driver
Trên thị trường hiện nay các mạch điều khiển CNC nhưng giá thành khá cao so với thu nhập của sinh viên nên em đã đi đến ý tưởng xây dựng một mạch điều khiển CNC với giá thành rẻ có thể áp dụng vào việc nghiên cứu học tập. Ngồi ra mạch cịn có thể sử dụng điều khiển máy CNC tự chế tại các xưởng vừa và nhỏ.
Mạch điều khiển CNC do em thiết kế có một số đặc điểm sau: - Tương thích hồn tồn với phần mềm Mach3.
- Sử dụng để điều khiển động cơ bước. Mạch có tích hợp bộ điều khiển động cơ bước nên khơng cần thêm driver cho động cơ bước.
- Có thể điều khiển cơng suất mạch thông qua biến trở. - Dịng ra ni động cơ bước tối đa là 3A.
- Nguồn vào 24-36V
Với một mạch điều khiển CNC như trên thì việc nghiên cứu và chế tạo máy CNC trở nên rất đơn giản, kể cả với những bạn sinh viên đam mê nghiên cứu hay những xưởng sản xuất nhỏ lẻ.
Dưới đây là hình ảnh đi dây và bố trí linh kiện trên mạch in. Để thiết kế mạch in em đã sử dụng phần mềm thiết kế mạch điện Proteus 8.0.
2.2.Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển CNC.
Dưới đây là sơ đồ nguyên lý mà em đã thiết kế:
Hình 3.20 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển CNC
Mạch nguyên lý gồm các khối chính sau: 1.Khối đầu vào và ra của tín hiệu.
2.Khối mạch cơng suất. 3.Khối đèn báo
4.Khối nguồn
5.Khối bảo vệ máy tính và bảo vệ mạch. 6.Khối điều chỉnh chế độ điều khiển.
Hình 3.21 Cổng LPT lấy tín hiệu vào mạch từ máy tính cung cấp
Cổng này được kết nối với máy tính thơng qua cap LPT, máy tính vào mạch sẽ giao tiếp 2 chiều thơng qua cổng LPT này, do vậy ta cần có những cách ly quang để bảo vệ máy tính trong trường hợp sảy ra hiện tượng chập điện tại mạch.
Trên máy tính thì địa chỉ cổng LPT là 378H nên muốn Mach3 nhận được mạch CNC thì ta cần nhập địa chỉ cổng trong Mach3 như hình vẽ.
Hình 3.22 Vào cửa sổ thiết lập các chân chức năng trong Mach3
Vào mục Config -> Ports and Pins
Hình 3.23 Giao diện cửa số Engine Configuration Port and Pin
Hình 3.24 Cổng lấy tín hiệu vào từ các thiết bị ngoại vi trên mạch CNC
Mỗi đầu vào gồm hai chân IN+ và IN- . Để sử dụng các cổng IN1 đến IN5 ta cần mắc một nguồn 5V vào hai đầu IN+ và IN- của mỗi cặp chân vào, IN+ là nguồn 5V, IN- là nối đất. Khi mạch ngoài cấp 5V vào hai chân IN+ và IN- đóng thì mạch nhận tín hiệu vào. Tín hiệu vào này sẽ gửi tới chân tương ứng của cổng LPT và cuối cùng là đến phần mềm Mach3.
Để cài đặt cổng vào trong phần mềm Mach3 ta vào Config -> Ports and Pins sau đó chọn Input Signals
Tại cửa sổ này ta chọn tín hiệu ra cần sử dụng. Các đầu vào thường dùng là Estop và Cơng tắc hành trình.
Với đầu vào là Estop, giả sử chọn đầu vào là IN1 ứng với chân 10 của cổng LPT thì ta tích vào Enable ứng với dịng Estop và điền số Pin number là 10 như hình vẽ dưới, mạch khơng để ở chế độ hoạt động ở mức thấp nên ơ Active low để dấu x.
Hình 3.26 Cài đặt cổng vào nút Estop trên Mach3
Với đầu vào là cơng tắc hành trình ta cài đặt như hình vẽ.
Hình 3.27 Cài đặt cổng vào cơng tắc hành trình trên Mach3
Ở đây là cài đặt khi cả 6 cữ hành trình được mắc nối tiếp ở chế độ thường đóng, khi một trong các cơng tắc hành trình bị tác động, mạch ngồi bị ngắt, khi đó do để chế độ hoạt động của chân vào là Active low phần mềm sẽ nhận tín hiệu vào khi cơng tắc hành trình bị tác động. Chân vào mà ta sử dụng trên mạch là chân IN2 tương ứng với chân số 11 của cổng LPT.
Hình 3.28 Cổng ra điều khiển động cơ bước trên mạch nguyên lý.
Có tất cả 16 đầu ra tới các động cơ bước để điều khiển 4 trục X, Y, Z và A. Mỗi trục cần 4 tín hiệu a, b, c, d để điều khiển như hình vẽ. Nếu động cơ bước sử dụng là lưỡng cực thì ta mắc lần lượt các pha A, B, C và D của động cơ theo thứ tự lần lượt vào 4 pha ra của một trục trên mạch, ta chỉ cần mắc lần lượt theo đúng thứ tự A, B, C, D mà không cần quan tâm đầu ra của pha A trên mạch có ứng với đầu pha A trên động cơ không, miễn sao là tất cả các động cơ đểu mắc theo một thứ tự để dễ cài đặt trên phần mềm.
Trên Mach3 ta cài đặt tín hiệu điều khiển các trục như sau:
Ta vào Config -> Ports and Pins chọn thanh công cụ Output Signals. Nếu sử dụng các trục X, Y, X thì ta tích Enable vào các dịng tương ứng, các tín hiệu Step và Dir được thiết lập như hình vẽ.
Kết luận chương 3
*Kết quả đạt được :
- Tìm hiểu được ngun lý tín hiệu từ phần mềm Mach3 ra cổng LPT
- Thiết kế thành cơng hệ thống điều khiển mơ hình máy phay CNC điều khiển bằng phần mềm Mach3
- Nghiên cứu và thiết kế mạch thành cơng mạch CNC tương thích với phần mềm Mach3.
*Những hạn chế :
- Hệ thống điều khiển kết nối máy tính qua cổng LPT đã lỗi thời. - Chưa phát triển được hệ thống thay dao tự động vào mơ hình.
- Mạch điều khiển CNC tự thiết kế chỉ điều khiển được động cơ bước với dòng tải tối đa là 3A
- Chưa kiểm nghiệm được độ bền của mạch điều khiển CNC trong điều khiển nhiều bụi tại nhà xưởng.
*Hướng phát triển:
- Chế tạo mạch điều khiển CNC có thể điều khiển động cơ Servo - Thêm chức năng điều khiển trục chính cho mạch CNC.
Hình 4.2 Mơ hình 3D máy phay CNC
I.Chế tạo.
Các thông số ban đầu:
- Kích thước bàn máy: 500 x 400 x 200 mm
- Kích thước phơi gia cơng lớn nhất: 240x300x100 mm
Dựa vào kích thước bàn máy dự tính ban đầu em tính tốn thiết kế khung bàn máy bằng phương pháp hàn. Vật liệu làm khung là thép hộp chữ nhật kích thước
và có kết cấu như hình vẽ.
Hình 4.6 Hình chiếu cạnh mơ hình máy phay
Dẫn hướng: cơ cấu dẫn hướng, cụ thể là thanh dẫn hướng được sử dụng để dẫn hướng chuyển động trong cơ cấu, chịu lực cắt ngang đảm bảo độ chính xác gia cơng.
Hình 4.8 Thanh dẫn hướng vuông của hãng Hiwin
Chúng tôi lựa chọn dẫn hướng của hãng Hiwin, cách tính chọn và kiểm nghiệm được thực hiện theo hướng dẫn kèm theo của hãng.
Hình 4.9 Thơng số chọn ray dẫn hướng
Ta chọn được ray dẫn hướng phù hợp:
Hình 4.10 Catalog ray dẫn hướng HIWIN HGH 15CA
- Truyền động: với kết cấu nhỏ, tải thấp ta chọn sử dụng vít me bi. Vít me bị có nhiệm vụ biến chuyển động quay của động cơ thành tịnh tiến của bàn máy tạo ra lực cắt, vít me bi sẽ chịu lực dọc trục.
Bước của vít me được chọn theo tốc độ di chuyển của bàn. Độ dài vít me được chọn theo kết cấu bàn máy.
Đường kính được chọn dựa theo tải trọng.
Các thông số khác được tùy chọn phù hợp theo hướng dẫn của nhà cung cấp.
Hình 4.11 Đai ốc lắp kiểuFSWC
Chọn vít-me
series: 4R16-10B2-1FSWC Đường kính 16mm
Bước vít 10mm
- Động cơ: chọn sử dụng động cơ step.
Để chọn được động cơ, ta cần tính được tải đặt lên động cơ khi hoạt động từ đó suy ra được momen cần thiết.
Từ tốc độ yêu cầu ta tính ra được tốc độ vòng quay của động cơ. Như vậy với hai thong số momen và tốc độ ta có thể chọn ra được động cơ.
II. Lập trình gia cơng sản phẩm.
Hình 4.12 Quy trình thiết kế và gia cơng sản phẩm trên mơ hình máy phay CNC
Bước 1: Lập trình trên Notepad hoặc dùng các phần mềm CAD/CAM để có file
Gcode.
Hình 4.13 Lập trình tay trên Notepad
Bước 2: Nạp chương trình vừa có được vào phần mềm Mach3. Ta vào file-> load
Gcode hoặc nháy vào load Gcode trên giao diện điều khiển. Phần mềm Mach3 có thể nhận các file *.txt từ Notepad và file *.nc từ phần mềm CAM.
Hình 4.15 Các cách để nạp chương trình gia công vào phần mềm điều khiển.
Bước 3: Lấy gơc phơi. Ta di chuyển bàn máy về vị trí góc phơi. Chú ý đến hướng
dương của các trục X và Y sao cho phù hợp với gốc phôi đã chọn trong khi lập trình. Sau đó trên phần mềm Mach3 ta nháy phím RESET rồi đưa các trục tọa độ về 0.0
Hình 4.17 Khung điều khiển các trục tọa độ.
Bước 4: Kiểm tra lại máy và chạy chương trình gia cơng.
Hình 4.18 Khung điều khiển q trình gia cơng
Ta nháy Cycle Start để bắt đầu chạy chương trình. Stop để tạm dừng chương trình. Khung Feed Rate để tăng hoặc giảm tốc độ nội suy.
Dưới đây là một số hình ảnh quá trình chế tạo mơ hình và một số sản phẩm mà nhóm em đã thực hiện gia cơng trên mơ hình máy phay CNC.
- Thực hiện gia công được một số sản phẩm thực trên máy. *Những điểm hạn chế:
- Máy mới chỉ gia cơng được những vật liệu có độ cứng vừa phải như gỗ và nhưa. - Chưa có bộ phận thay dao.
- Sử dụng động cơ bước để truyền động các trục nên có hiện tượng trượt bước khi quá tải.
- Chưa có bộ phận làm mát.
- Hình trình của các bàn máy cịn nhỏ. *Hướng phát triển:
- Thay động cơ bước bằng động cơ Servo để hệ máy chính xác hơn.
- Chế tạo phần cơ khí đồng bộ và chính xác hơn để có thể gia cơng các vật liệu có độ cứng cao hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1].Giáo trình Cơng nghệ CNC - GS TS Trần Văn Dịch, NXB khoa học và kỹ thuật Hà nội 2004.
[2].Giáo trình CAD-CAM-CNC –Nguyễn Ngọc Đào – NXB Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP HCM
[3].How to make your own CNC machine - Nguồn internet
http//www.buildownCNC.com
[4]. Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Đỗ Xuân Thụ ,NXB giáo dục
[5]. Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển hệ thống thay dao tự động cho
máy CNC – Phạm Quang Khải –Ngành cơ điện tử ĐH Bách Khoa Hà Nội 2013.
[6].Luận văn thạc sĩ : Nghiên cứu khảo sát và nâng cao chất lượng chuyền động
cho bàn máy CNC- Tạ Minh Tiến – Ngành tự động hóa, Đại học Thái Nguyên 2004.
[7].Thông tin máy CNC và mạch điều khiển CNC trên website: http//www.thegioiCNC.com
[8].datasheet các IC L297, L298, 74HC245 – datasheet do nhà sản xuất cung cấp. [9]. Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ - Tạ Duy Liêm, Nhà xuất bản. [10]website: http://.www.machviet.com/
Khoa học và Kỹ thuật.
Phụ Lục
-Phụ lục 1 .Bản vẽ sơ đồ tín hiệu điều khiển toàn hệ thống máy phay CNC. -Phụ lục 2.Bản vẽ sơ đồ điều khiển tồn hệ thống mơ hình máy phay CNC. -Phụ lục 3.Bản vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển CNC.
-Phụ lục 4.Bản vẽ sơ đồ nguyên lý các IC trong mạch điều khiển CNC. -Phụ lục 5.Lưu đồ q trình thiết kế và gia cơng sản phẩm.