Thiết kế ụ dao và nắp che phoi

Chương 4 : TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MÁY CNC 3 TRỤC

4.1. Thiết kế và lắp đặt các chi tiết:

4.1.7 Thiết kế ụ dao và nắp che phoi

Với mục tiêu bố trí được nhiều ụ chứa dao nhất có nằm ngang trên trục Y với khoảng cách ngang trên bàn máy trục Y là 375 mm, nhóm đã thiết kế, bố trí được 4 dao. Đồng thời đảm bảo việc động cơ trục chính khơng va cham với các dao được bố trí trong ụ. Khoảng cách giữa các tâm dao thích hợp nhất là 41.6 mm

Hình 4.13: Khoảng cách tâm giữa các lổ chưa dao là 41.6 mm

Hình 4.14: Bố trí ụ dao trên bàn máy trục Y

Vịng cao su có tác dụng giữ dao nằm trong ụ dao và đảm bảo khoảng cách kẹp dao của spindle, đảm bảo độ chính xác khi đo chiều dài dao và thay dao.

4.2 Cài đặt và thiết lập hệ điều hành Mach 3

 Thiết lập đơn vị đo: Click menu Config chọn Native Unit

 Thiết lập kết nối với cổng LPT: Click menu Config chọn Port and Pins.

Hình 4.14: Chọn để thiết lập kết nối

Thiết lâp các chân Port: kích hoạt Port #1 bằng cách đánh dấu stick vào ô Port Enabled với Port Address mặc định là 0x378 và chon tần số xung tối đa (thiết lập tần số tối đa 25000Hz).

Thiết lâp địa chỉ cho động cơ bước: Chọn tab Motor Outputs trong hộp thoại Port and Pins. Các chân đầu ra này sẽ là các tín hiệu cấp cho mạch giao tiếp và xuống mạch động cơ để điều khiển các trục động cơ.

Enabled: Dấu stick là kích hoạt, dấu x khơng. Step Pin: là chân điều khiển cấp xung cho trục.

Dir Pin: Địa chỉ cấp xung đảo chiều cho động cơ.

Dir LowActive/Step LowActive: Dấu stick nếu kích xung âm, dấu x nếu kích xung dương. Chân này rất quan trong khi lắp động cơ vào máy ta sẽ chọn được chiều chuyển đông của trục X, Y, Z.

Step lowactive: Xác đinh trạng thái tác động của chân cấp xung cho mạch điều khiển.

Step port: Xác định chân điều kh iển thuộc port nào. Dir port: Thiết lập thông số tương tự cột Step port.

Thiết lâp motor input: ̣ Xác lập các tín hiệu đầu vào cho máy tính, khi máy tính nhận được tín hiệu từ bên ngồi vào lúc đó phần mềm phân tích xử lý sau đó xuất tín hiệu để điều khiển. Có hai cách thiết lập địa chỉ input

 Thiết lâp thiết lập bằng tay: Khi thiết lập cách này, phải nhớ port và chân pin trên mạch nhằm thiết lập cho đúng địa chỉ.

 Thiết lập tự động: Không cần nhớ port và chân pin trên mạch. Nhấn “Automated Setup of Inputs”, chọn tín hiệu đầu vào, sau đó thay đổi trang thái ngõ vào.

Hình 4.17: Thiết lập Input

Thiết lập Output: Dùng để điều khiển các tín hiệu đầu ra, bao gồm động cơ Spindle, hệ thống bơm dầu làm mát, cơng tắc hành trình.

Hình 4.18: Thiết lập Output

Thiết lập Encoder / MPG: Dùng để xác lập thông số động cơ.

Thiết lập Spindle setup: Xác định phương pháp và thơng số điều khiển (tín hiện reply của spindle).

Thiết lập pulley selection: Dùng để xác lập tốc độ quay tối đa cho trục chính (spindle), trong trường vượt quá tốc độ quay cho phép, trục chính sẽ khơng hoạt động, đồng thời phần mềm sẽ thông báo về lỗi tốc độ quay quá cao.

Hình 4.20: Thiết lập tốc độ quay tối đa của Spindle

Hình 4.21: Thiết lập thơng số cho động cơ bước

Step per (step per unit): Số bước trên một đơn vị (mm hoặc inch tùy thuộc vào đơn vị mà người dùng chọn), có nghĩa là số bước động cơ bước phải quay để bàn máy di chuyển được được một mm hoặc inch. Nó phụ thuộc vào động cơ bước và chế độ vi bước mà người dùng đã chọn, loại vít me, tỷ số truyền. Giả sử ta chọn động cơ bước có bước góc là 1.80 tương ứng có 800 bước/ vịng thì số bước trên một đơn vị được tính theo cơng thức:Type equation here.

Steps per unit = 800

𝑛

Trong đó:

 m: microstep

 d: bước ren của vít me (mm hoặc inch).  n: tỷ số truyền động cơ.

Tính tốn thực tế cho máy cnc hiện tại: chọn đơn vị là mm, động cơ bước đã chọn có bước góc 1.80, bước vít me là 5 mm, nên ta có:

Step per unit = 800

5 =160(step/mm).

Gia tốc của động cơ bước nên chọn giá trị lớn để tránh động vượt bước, gây sai số lớn. Thời gian của một bước xung (Step Pulse) có thể chọn 3µs. Thơng thường đối với các bộ driver đáp ứng chậm thì có thể chọn Step Pulse gần với 5µs. Dir Pulse là thơng số thiết lập để bù lại sự mất bước khi động cơ đảo chiều (Dir Pulse ta chọn bằng 3). Nhìn chung, các thơng số về gia tốc, vận tốc, thời gian bước xung và Dir

Pulse được chọn bằng phương pháp thử sai. Ban đầu ta nhập một giá trị tương đối thích hợp cho nó rồi cho động cơ hoạt động, nếu hệ thống gây ra tiếng ồn lớn thì ta cần thay đổi giá trị khác, cứ như thế ta điều chỉnh các giá trị đến khi nào hệ thống hoạt động êm, ít rung động và ít tiếng ồn nhất.

Hình 4.23: Bảng lựa chọn độ phân giải của driver

Hình 4.24: BOB Mach3

Khối giao tiếp máy tính: Hiện nay Mach3 giao tiếp với máy tính thơng qua cổng USB hoặc cổng LPT (cổng LPT là cổng truyền thống được Mach3 sử dụng nhiều hơn).

Cổng usb: Là một chuẩn kết nối tuần tự đa dụng trong máy tính. USB sử dụng để kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính, chúng thường được thiết kế dưới dạng

các đầu cắm cho các thiết bị tuân theo chuẩn riêng với tính năng cắm nóng thiết bị (nối và ngắt các thiết bị không cần phải khởi động lại hệ thống).

Cổng LPT (cổng song song): Có 2 loại là cổng LPT 36 chân và 25 chân nhưng ngày nay cổng 36 chân khơng cịn được sử dụng. Cổng song song 25 chân truyền dữ liệu theo nguyên tắc song song, 8 hàng dữ liệu 1 bit (thành 1 byte) được truyền đồng thời qua 8 dây dẫn kết nối. Cổng LPT sử dụng 3 thanh ghi 8 bit gồm: thanh ghi trạng thái, thanh ghi dữ liệu và thanh ghi điều khiển.

Hình 4.25: Sơ đồ chân cổng LPT

Chân dữ liệu: 8 chân dùng để gởi và nhận data (các chân từ số 2 đến số 9) gọi là Data Port. Dữ liệu trao đổi qua 8 chân này được gói gọn trong 1 byte.

Chân trạng thái: 5 chân dùng để hiển thị tình trạng hoạt động của parallel port: đang bận, đang gởi/nhận thông tin... (các chân số 10,11,12,13 và chân số 15) gọi là Status Port. Dữ liệu trao đổi qua 8 pin này dùng 5 bit cao của byte.

Chân điều khiển: 4 chân dùng để điều khiển gọi là Control Port, là các pin số 1, 14, 16 và 17. Dữ trao đổi qua các chân này dùng 4 bit thấp của byte. 8 chân còn lại được dùng tùy theo ý người sử dụng. Nếu khơng được sử dụng thì chúng sẽ được nối đất.

Hình 4.26: Sơ đồ kết nối tổng quan LPT

Khối output điều khiển driver động cơ bước: Mỗi trục gồm có các tín hiệu: Enable (kích hoạt cho phép điều khiển động cơ), tín hiệu xung Px, Py, Pz, Pa (tín hiệu xung điều khiển), tín hiệu chiều (kích hoạt đảo chiều động cơ).

Khối input: Đưa các tín hiệu cảm biến (cơng tắc hành trình, nút nhấn, ...) lên máy tính để phần mềm sử lý thực hiện các chức năng nhất định.

Khối output: Bao gồm các ngõ ra role và pwm thực hiện các chức năng nhất định do người dùng thiết lập (điều khiển trục chính, điều khiển dung dịch tưới nguội, điều khiển led, …).

Các ngõ cấp nguồn cho mạch: Ngõ vào cấp nguồn chính gồm các chân: GND, 5V, 12V. Chân cấp nguồn cho các ngõ Input: GND, 24V. Ngồi ra, trên mạch cịn có 2 chân nguồn: GND và 5V để phục vụ cho mục đích khác.

Hình 4.27: Các ngõ cấp nguồn và các chân của mạch Mach 3

Vì CPU máy tính thơng thường chỉ có một cổng kết nối LPT nên chỉ có thể kết nối được với một mạch Mach3 chính. Muốn kết nối thêm mạch mở rộng cho máy tính, người dùng phải cài đặt thêm card PCI.

Hình 4.29: Card PCI

Khi cắm Card vào trên màn hình sẽ xuất hiện thông báo Windows đã nhận diện một phần cứng mới đã cắm vào máy tính. Chọn Cancel để tắt thơng báo này đi và tiến hành cài driver cho card CPI thông qua đĩa driver kèm theo.

4.3 Hướng dẫn sử dụng Mach 3

Hình 4.31: Giao diện chính

Trang thái điều khiển chạy chương trình và load G-code. Gồm các khối nút điều chỉnh, thông số dụng cụ cắt, khung toa độ.

 Cycle Start: Chạy chương trình tự động.

 Feed Hold: Dừng chuyển động các trục trừ trục chính

 Stop: Dừng chuyển động của các trục bao gồm trục chính (nhấn cycle start khi muốn chạy tiếp chương trình)

 Reset: khi đang chạy chương trình thì nút reset đóng vai trị như nút EStop Khi chương trình gặp lỗi thì cần nhấn nút reset để đưa hệ thống sẵn sàng hoạt động trở lại.

 Edit G-Code: Chỉnh sửa G-code.

 Recent File: Những file G-code đã chạy trong mach3.  Close G-code: Đóng chương trình

 Load G-code: Load chương trình vào mach3. Set next line: Chạy dịng G- code kế tiếp.

 Line: Nhập dòng G-code cần chạy tiếp.

 Run from here: Chạy từ dòng G-code đã nhập trên dòng Line.  Rewind: Đưa chương trình về dịng line 0.

 Reverse Run: Chạy lại điểm ban đầu

 MDI (ALT-2)

Cho phép người dùng nhâp và thưc hiện từng dịng G-code trong ơ input. Người dùng cũng có thể tạo chương trình G-code thơng qua trang này bằng cách nhấn Start teach, nhập lệnh G-code vào ô input, sau khi hoàn thành chương trình nhấn Stop teach để lưu lại chương trình Nhấn Load/Edit 0 để load chương trình vào Mach 3.

Hình 4.32: Giao diên MDI

 Tool Path (ALT-4)

Thể hiện đường chạy dao và tọa độ

 Offsets (ALT-5)

Nhập các thông số work offset và thiết lập các thơng số cần thiết cho dao.

Hình 4.34: Giao diện Offset

 Setting (ALT-6)

Tùy chỉnh theo nhu cầu người dùng.

 Diagnostics (ALT-7)

Hiện thị tồn bộ thơng tin về máy bao gồm: Tọa độ, work offset, tool offset, đường chạy dao, tốc độ, tín hiệu các chân Input-Output.

Hình 4.36: Giao diện Diagnotics

4.4 Hệ thống điều khiển bằng tay Manual

4.4.1 Lựa chọn bảng điều khiển và khối hiển thị

 Bảng điều khiển

Lựa chọn phương án thiết kế bảng điều khiển: Yêu cầu đặt ra của bảng điều khiển:

 Bảng điều khiển phải cơ bản cho phép thực hiện các thao tác sau:  Có nút nhấn bắt đầu, tạm dừng, dừng chương trình NC đang chạy.  Có nút bấm dừng khẩn cấp Emegency-Stop để ngắt hoàn toàn hệ thống khi gặp sự cố.

 Có nút bấm cho phép bật/tắt van khí 3/2 kết nối với máy nén khí để đập nhả dao.

 Nút bật/tắt đèn LED.

 Có nút bật/tắt CPU máy tính.

 Phương án 1:

Mua bảng điều khiển có sẵn trên thị trường, sau đó thiết kế lại cho phù hợp với yêu cầu sử dụng.

Ưu điểm: bảng điều khiển đầy đủ các nút chức năng, đèn báo, dễ dàng cho việc sử dụng.

Nhược điểm: Yêu cầu mở rộng kết nối input/output

Nếu mua cũ thì chất lượng khơng ổn định và giá bán vẫn khá cao.

Hình 4.37: Giá tham khảo một số bảng điều khiển trên thị trường

Thiết kế một bảng điều khiển với đầy đủ các nút chức năng: E-stop, Start, ... và gắn thẳng vào thân máy

Ưu điểm: Tự thiết kế và chế tạo nên chi phí sẽ thấp hơn mua mới, đáp ứng được đầy đủ các chức năng cần thiết.

Kết luận: Vì sản phẩm là mơ hình máy phay 3 trục phục vụ cho học tập và nghiên cứu là chủ yếu, chỉ có thể dùng để phay vật liệu phi kim và kim loại mềm (gỗ, mica, nhựa, nhôm, ...). Cũng không yêu cầu nhiều về chế độ điều khiển bằng tay. Đồng thời giao diện bảng điều khiển chương trình Mach 3 đã cung cấp đầy đủ cấp các nút chức năng cần thiết cho q trình vận hành thơng qua các phím tắt trên bàn phím máy tính. Do đó, lựa chọn bảng điểu khiển theo hướng phương án 2 nhưng làm theo hướng đơn giản, lượt bỏ các nút điều khiển

Hình 4.38: Bảng điều khiển của máy

4.4.2 Thiết kế và lắp đặt tủ điện:

Bảng điều khiển và tủ điện bao gồm các thành phần sau:

STT Tên thiết bị Số

lượng Tính năng Thơng số cơ bản

01 Máy vi tính (PC) hệ điều hành Window XP trở lên 1 Dùng để làm nền tảng chạy chương trình điều khiển Mach3 Core dual 2.3Ghz - Ram 1GB - Win XP

02 Driver Stepper Motor TB6600 3 Mạch đọc xung tín hiệu từ BOB giải mã để điều khiển các động cơ bước truyền động Kích thước danh nghĩa: 92x52 mm Chip chuyên dụng THB7128 Dòng tối đa 3A

các trục của máy 03 Nguồn 24V-15A 1 Cấp nguồn ni chính cho dirver động cơ bước. Kích thước danh nghĩa: 250x110x70mm Input 220V-50Hz Output 24V-15A 04 Công tắc xoay 1 Công tắc nguồn 12V cung cấp cho board Mach3 Input: 220V-50Hz Output: 12V-1A 05 Nút dùng khẩn cấp E-stop 1 Dùng để dừng khẩn cấp khi xảy ra sự cố Vật liệu: Nhựa Nút bấm có giữ trạng thái 06 1 Cấp khí nén 07 1 Mạch công suất, điều khiển động cơ không chổi than

Điên áp:5-36 V Công suất: 350W

08

(BOB) Mach3 mở rộng

1 Mở rộng input đáp ứng cho máy

Bảng 4.7. Các thiết bị của tủ điện

Yêu cầu tủ điện:

 Thiết kế nhỏ gọn, bố trí hợp lý.

 Dễ dàng kết nối, tháo lắp, sửa chữa, nâng cấp về sau.

 Các yêu cầu về an toàn điện: cách điện, tiếp đất, chống nhiễu, … Giá thành phải chăng.

 Trước tiên cần xác định những thiết bị được lắp đặt trong tủ điện:  3 driver dùng để điều khiển các trục.

 Bộ nguồn 24 V.  Bob Mach 3.  Replay.

4.4.3 Lưu đồ giải thuật thay dao tự động

Hình 4.57: Sơ đồ thay dao tổng quan

Từ lưu đồ nhóm đã tìm hiểu nhiều nguồn tài liệu cũng như tham khảo các máy trên thị trường để hiểu sâu về ngơn ngữ lập trình. Thơng qua đó có thể giải thích được q trình thay dao thơng qua đoạn code. Trong phần mêm Mach3 có hỗ trợ ngơn ngữ lập trình macro, nên từ lưu đồ giải thuật, sẽ lập trình để máy thay dao tự động như ý muốn. Có thể nói đây là phần khó nhất của đề tài vì u cầu độ chính xác và tỉ mỉ rất cao, nhóm đã trải qua rất nhiều lần thử nghiệm thay đổi nhiều cách thức để cuối cùng đưa ra một chương trình thay dao có thể nói là chính xác và mượt mà nhất có thể .

Chương 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯƠC, KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ

5.1 Kết quả đạt được

Sau một thời gian dài thực hiện đề tài nhóm đã đạt được những nội dung công việc sau:

- Thiết kế chế tạo thành công máy CNC thay dao tự động

- Có thể vận hành trơn tru, gia công được các chi tiết thành sản phẩm

- Có thể tiến hành gia cơng áp dụng thay dao tự động 4 dao trên một lần gia công sản phẩm

- Bố trí máy và các hệ thống điện, phần điều khiển thành 1 cụm như máy cơng nghiệp có trên thị trường

5.2 Sản phẩm ban đầu:

Chương 6: KẾT LUẬN

6.1. Phần cơ khí

Nhóm đã thiết kế, gia cơng và lựa chọn các chi tiết theo tiêu chuẩn nên thuận tiên cho việc lắp láp máy. Hồn thiện phần khung cơ khí của máy. Phần cơ khí máy hồn chỉnh với khả năng di chuyển của ba trục. Máy cứng vững khi gia công các chi tiết bằng gỗ, mica, nhựa, kim loại màu….

Hoàn thành phần cơ thay dao tự động cho ổ dao trên máy. Các thông số thực tế của máy:

 Tốc độ gia công tối đa: F = 1500 mm/ph