BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY PHAY CNC 2,5D Họ tên sinh viên: PHẠM VĂN LONG NGUYỄN TIẾN ĐẠI Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Niên khóa: 2007-2011   NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY PHAY CNC 2,5D Tác giả NGUYỄN TIẾN ĐẠI PHẠM VĂN LONG Khóa luận đệ trình đề để đáp ứng u cầu cấp Kỹ sư ngành Cơ điện tử Giáo viện hướng dẫn: Trưởng môn điện tử Ts Nguyễn Văn Hùng i    LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại Học Nơng Lâm TPHCM Ban Chủ Nhiệm khoa khí công nghệ trường đại học Nông Lâm tất quý thầy cô tạo điều kiện thuận lợi dạy dỗ cho chúng em suốt thời gian học tập trường hoàn thành luận văn Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Hùng Trưởng môn Cơ điện tử, anh Nguyễn Quang Hồng Minh kỹ sư điện cơng ty cơng nghệ T.T Đã tận tình hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em thời gian thực luận văn Chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè giúp đỡ động viên chúng em lúc khó khăn Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2011 Sinh viên thực PHẠM VĂN LONG NGUYỄN TIẾN ĐẠI ii    TÓM TẮT Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mơ hình máy khắc chữ CNC 2,5D” tiến hành công ty Chế tạo máy T.T, thời gian từ ngày 7/3/2011 đến 15/6/2011 Nhiệm vụ đề tài gồm:  Nghiên cứu ứng dụng phần mềm điều khiển máy CNC  Thiết kế mạch drive điều khiển động  Chế tạo mơ hình khí hồn chỉnh máy CNC Đề tài hồn thành tiêu chí đề Vận dụng thành thạo phần mềm điều khiển mang tính chuyên nghiệp iii    MỤC LỤC Trang Trang tựa i Lời cảm ơn ii Tóm tắt iii Mục lục iv Danh sách chữ viết tắt vi Danh sách hình vii Danh sách bảng ix Chương 1.1.  Dẫn nhập 1  1.2.  Mục đích đề tài 1  Chương 2  2.1.  Khảo sát số máy CNC 2,5D: 2  2.1.1.  Cấu trúc hệ thống CNC 3  2.1.2.  Các dạng điều khiển máy CNC 3  2.2.  Tra cứu linh kiện, phần mềm phục vụ cho trình thiết kế: 4  2.2.1.  Giới thiệu phần mềm Mach 3: 4  2.2.2.  Tra cứu linh kiện: 4  2.3.  Bộ truyền vitme trượt: 8  2.4.  Giới thiệu giao tiếp cổng song song 10  2.5.  Động bước: 11  2.6.  Động ac: 14  Chương 18  3.1.  Phương pháp thực đề tài: 18  iv    3.1.1.  Lựa chọn điều khiển: 18  3.1.2.  Lựa chọn thiết bị, vật tư: 18  3.1.3.  Tính tốn chọn động cơ: 18  3.1.4.  Phần mạch giao tiếp công suất 18  3.2.  Phương tiện thực đề tài: 19  3.2.1.  Phần khí: 19  3.2.2.  Phần điện tử: 19  Chương 20  4.1.  Thiết kế chế tạo phần khí: 20  4.1.1.  Yêu cầu thiết kế 20  4.1.2.  Lựa chon mơ hình 20  4.2.  Mô tả thiết kế chế tạo tạo phận 21  4.3.  Các thông số kỹ thuật chung: 26  4.4.  Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy: 26  4.5.  Nguyên lý tổng quát việc điều khiển máy: 27  4.6.  Thiết kế mạch điều khiển động động trục động bước: 28  4.6.1.  Nguyên lý mạch drive điều khiển động bước: 28  4.6.2.  Nguyên lý mạch kết nối cổng song song: 31  4.6.3.  Thiết kế mạch điều khiển động AC: 32  4.7.  Kết chế tạo 33  4.8.  Kết khảo nghiệm: 35  TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 39           v        DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT CNC Computer Numerical Control (điều khiển số máy tính) LPT Line Print Terminal COM Communications AC Alternating current DC Direct current A Amper V Volt CAD Computer Aided Desingn CAM Computer Added Manufacturing                         vi      DANH SÁCH CÁC HÌNH   Hình 2.1: Một số máy CNC 2  Hình 2.2: Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống CNC 3  Hình 2.3: Ic L297 cấu tạo bên 4  Hình 2.4: Giản đồ xung điều khiển động bước chạy nửa bước 5  Hình 2.5: Giản đồ xung điều khiển động bước chạy nửa bước 6  Hình 2.6: Ic L298 cấu tạo bên 6  Hình 2.7: Moc 3021 cấu tạo bên 7  Hình 2.8: BTA40 cấu tạo bên 8  Hình 2.9: Ic TCA 785 chức chân 8  Hình 2.10: Cấu tạo hai loại vitme 9  Hình 2.11: Hình dáng trượt trượt 10  Hình 2.12: Sơ đồ chân cổng song song 10  Hình 2.13 Động bước 11  Hình 2.14: Sơ đồ dây động bước pha 12 Hình 2.15: Thứ tự xung điều khiển vào pha 12  Hình 2.16: Cấu tạo động bước phase 12  Hình 2.17: Cấu tạo động bước lưỡng cực 12  Hình 2.18: Cấu tạo động bước đơn cực 13  Hình 2.19: Cấu tạo động bước biến từ trơ 14  Hình 2.20: Cấu tạo động xoay chiều cổ góp 15  Hình 2.21: Cực từ.  16 Hình 2.22: Lá thép phần ứng 16 Hình 2.23: Phiến góp cổ góp 16 Hình 2.25: Ngun lý điều áp xoay chiều tải điện cảm 16  Hình 2.26: Ngun lý điều khiển góc mở việc kích xung dài 17  vii    Hình 4.1: Mơ hình máy 20  Hình 4.2: Bản vẽ chế tạo dọc 21  Hình 4.3: Bản vẽ chế tạo ngang 21  Hình 4.4 Bản vẽ chế tạo đứng 22  Hình 4.5: Bản vẽ chế tạo la đỡ trượt 22  Hình 4.6: Bản vẽ chế tạo doc khung 23  Hình 4.7: Bản vẽ chế tạo ngang khung 23  Hình 4.8: Bản vẽ chế tạo ổ đỡ vitme 23  Hình 4.9: Bản vẽ chế tạo bát chữ L 24  Hình 4.10: Bản vẽ chế tạo giá đỡ motor trục 24  Hình 4.11: Bản vẽ chế tạo bàn kẹp phôi 25                                  viii      DANH SÁCH CÁC BẢNG   Bảng 2.1: Chức chân Ic L297 5  Bảng 2.2: Sơ đồ chân ic L298 7  Bảng 2.3 Chức chân cổng LPT 10  Bảng 2.4: Thứ tự kích chân chế độ full step 13  Bảng 2.5: Thứ tự kích chân chế độ half step 13  Bảng 2.6: Bảng trạng thái xung điều khiển chế độ full step 14  Bảng 2.7: Bảng trạng thái xung điều khiển chế độ half step 14  Bảng 2.8 Bảng trạng thái xung điều khiển động biến từ trở 14                            ix     Nguyên lý mạch hình 4.17 ic L298 tiếp nhận tín hiệu điều khiển từ L297 ngõ vào INPUT1, INPUT2, INPUT3, INPUT4 Sơ đồ khối ic L298 thể hình 2.6, loại ic tích hợp hai cầu H Mạch nguyên lý hình 2.6 bao gồm hai ic L298 Bốn ngõ ic L298 thứ đấu chung theo cặp: OUT1 đấu với OUT4 có tên dây chung OUT1, OUT2 đấu với OUT3 có tên dây chung OUT2 Hai dây chung OUT1 OUT2 đấu với hai đầu cuộn dây động bước lưỡng cực Tương tự cho ic L298 thứ hai hai dây chung OUT3, OUT4 đấu vào hai đầu cuộn dây lại động bước.Theo thứ tự xung ngõ ic L297 hình 2.4 trasistor hai ic L298 kích cách hợp lý để hai cuộn dây động bước kích theo thứ tự xung theo bảng 2.5 Theo cách đấu dây dòng cung cấp cho động bước lên đến 4A ic L298 cung cấp tối đa 2A Hình 4.17: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất dùng Ic L298 30    4.6.2 Nguyên lý mạch kết nối cổng song song:  Sơ đồ mạch nguyên lý trình bày hình 4.18 Các ngõ vào: Estop, X++, X , Y++, Y , Z++, Z đấu chung vào chân 10 cổng LPT (cổng song song) Chúng có chức dừng động khẩn cấp tác động Để bảo đảm bàn máy dao khơng vượt q giới hạn hành trình Các ngõ vào: HOME X, HOME Y, HOME Z đấu vào chân 11,12,13 cổng LPT có chức xác định vị trí zero cho máy Các ngõ ra: S2, D3, S4, D5, S6, D7, S8 đấu vào chân 2, 3, 4, 5, 6, 7, cổng LPT Chúng cách ly thông qua opto để bảo vệ cổng LPT có cố ngắn mạch hay tải Ký tự đầu tên ngõ qui định: S (step), D (direct) chân cấp xung đảo chiều cho động bước Ngõ S8 chân băm xung để điều khiển tốc độ cho động AC 31    Hình 4.18 Mạch kết nối cổng song song 4.6.3 Thiết kế mạch điều khiển động AC:  Sử dụng ic TCA 785, ic có chức phát điểm khơng điều chỉnh góc mở Triac từ – 1800  Mạch nguyên lý hình 4.19 Hình 4.19: Mạch điểu khiển động ac  Trong đó, ic PC 817 thực chức cách ly băm xung điều khiển chân xuất tín hiệu PWM từ LPT để tạo điện áp trung bình thay đổi Khi thay đổi điện áp vào chân 11 control voltage (chân điện áp điều khiển) ngõ có xung kích thời điểm khác dẫn đến việc thời gian mở triac bị thay đổi 32    4.7 Kết chế tạo 4.7.1 Phần khí: Chế tạo hồn chỉnh phần khí hình 4.20 Gia công gối đỡ trục vitme tương đối đồng tâm Truyển động tử động qua vitme đến đai ốc tương đối nhẹ Gắn trượt vitme đạt độ song song tương đối theo yêu cầu chuyển động Gia cố phần khung đạt độ cứng vững nhằm giảm độ rung vận hành máy Thực calibrate phần mềm Mach để bù trừ sai số cộng dồn chế tạo khí Hình 4.20: Mơ hình máy 4.7.2 Phần mạch kết nối cổng song song: Mạch thực song kết hình 4.21 Thực mạch đạt độ ổn định vận hành Ngõ cấp đủ số xung theo tính tốn phần mềm 33    Hình 4.21: Mạch giao tiếp 4.7.3 Phần công suất động bước: Phần công suất tản nhiệt hợp lý đảm bảo ic hoạt động phạm vi nhiệt độ cho phép Vì động phải hoạt động với moment cao máy gia công chi tiết Hình 4.22: Mạch động bước 4.7.4 Mạch tổng hợp, biểu diễn hình 4.22 Hình 4.23: Mạch tổng hợp 34    4.8 Kết khảo nghiệm:  Khắc chữ H với kích thước 52 x 41 mm hình 4.24 Hình 4.24: Chữ H gia cơng  Thời gian thưc phút  Độ xác (-0,1 - +0,1) mm  Khắc chữ H nhỏ với khích thước 32 x 21 mm, minh họa hình 4.25 Hình 4.25: Gia cơng chữ H nhỏ 35     Thời gian thực 40 giây  Độ xác (-0,1 - +0,1) mm  Khắc chữ A kích thước 55 x 40 mm  Thời gian thưc phút 10 giây  Độ xác (-0,1 - +0,1) mm  Tất lần thử khắc mica va có sai số khơng đổi 36    Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết luận:  Sau thời gian làm đề tài, chúng em hoàn thành xong yêu cầu đặt nghiên cứu chế tạo thành cơng mơ hình máy khắc chữ 2,5 D Cụ thể hoàn thành phần sau:  Thiết kế thành công khung máy cho mơ hình  Nghiên cứu áp dụng phần mach3 để điều khiển cho mơ hình  Phần điện thiết kế mạch điều khiển cho trục 5.2 Đề nghị Trong thời gian làm luận văn chúng em có vài kiến nghị sau  Cải thiện phần khí nhằm giảm thời gian phay, nâng cao độ xác  Mở rộng hoạt động máy phay 3D cách chạy file (tập tin) hậu xử lý xuất từ phần mềm proengineer, mastercam…  Hồn thiện tính thẩm mỹ, nghiên cứu thiết lập giao diện riêng dễ dàng sử dụng quản lý giám sát để sản phẩm thương mại hóa 37    TÀI LIỆU THAM KHẢO GS.TS Trần Văn Địch (2004), Công nghệ CNC, nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 269 trang Trần Hữu Quế (2000), Vẽ kỹ thuật khí, nhà xuất giáo dục, 184 trang Ngô Diên Tập (2005), Lập trình ghép nối máy tính Windows, nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 504 trang Geoff Williams, 2003.CNC robotics build your own workshop bot, the McGrawHill company, NewYork, USA, 311 pages Artsoft, 2003 Using Mach Mill, Mach developers Network, 157 pages Trang web:  http://codientu.com  http://dientuvietnam.net  http:// google.com  http://www.machsupport.com  http://alldatasheet.com 38    PHỤ LỤC Giao diện Mach 3: Bao gồm nút lệnh điều khiển chương trình G code điều khiển phần cứng Giao diện thẻ Program Run: Chức số nút lệnh:    Reset(Emergency): ngắt tức hoạt động tất động cơ, chương trình RESET lại từ đầu Sau tải G-code ta phải nhấn nút để phần mềm điều khiển cắt phôi Nút nhấn xảy cố nguy hiểm cần phải dừng hoạt động tất động cơ(chập mạch, máy gây va đập xung quanh di chuyển…) Sau nhấn reset cần phải đưa máy điểm tham chiếu (cài lại hệ tọa độ cắt) G-code: Hiển thị mã lệnh G lập trình NC ý nghĩa chúng M-code: Hiển thị mã lệnh M lập trình NC ý nghĩa chúng 39                       Cycle Start : Khi chương trình cắt tải lên vùng Gcode ta nhấn nút máy tự động chạy theo chương trình G-code Có nhấn tổ hợp phím Alt-R để máy bắt đầu chạy Feed Hold : nhấn nút đầu cắt ngừng di chuyển nhấn nút Cycle Start để chuyển động máy tiếp tục Xài nút gặp cố cần phải dừng chuyển động Stop : dừng chương trình cắt Edit G-code: Điều chỉnh G-code hành Khi có chương trình cắt đơn giản ta lập trình trực tiếp cách nhấn vào nút Recent File: load chương trình cắt gần Close G-code: Đóng G-code vùng G-code Load G-code: load chương trình cần cắt lên vùng G-ocde Set next line: cài đặt dòng cắt sau ta nhấn Cycle Start Nhấn nút set next line nhập số dòng vào Run from here: Sau nhập dòng để bắt đầu cắt tiếp ta nhấn nút hệ thống tự động chạy tới dòng ta muốn cắt tiếp chờ nhấn Cycle Start Khi ta nhấn Cycle Start hệ thống xuất hộp thoại Preperational Move to hỏi ta có muốn di chuyển đến tọa độ câu lệnh trước khơng Rewind Ctrl-W: trở đầu chương trình Single BLK: chế độ chương trình thực thi dao dừng sau block chương trình (Câu lệnh) Chức giúp ta kiểm tra khối lệnh M1 Option Stop: Dùng kết hợp với lệnh M01 chương trình để dừng chương trình có chọn lựa Khi nút chọn chương trình dừng gặp câu lệnh M01 Nếu nút khơng chọn dù chương trình gặp lệnh M01 khơng dừng Để tiếp tục chương trình cắt ta chọn Cycle Start Auto tool zero: trở điểm thay điện cực đặt Remember: nhớ vị trí làm vị trí thay điện cực nhấn nút return Return: trở điểm thay điện cực Khi nhấn nút xuất hộp thoại hệ thống hỏi ta có bật Spindle(đầu căt) khơng Jog ON/OFF Ctrl-Alt-J: tắt mở chức chạy tay, chế độ chọn đèn Jog ON/OFF sáng lên Zero X, Zero Y: Cài đặt tọa độ zero cho trục ứng với tọa độ cắt hành Offline: nút chọn đèn offline sáng lên Mach khóa tất di chuyển trục Machine Coord’s: nút sáng lên lúc Mach hiển thị tọa độ trục tọa độ tuyệt đối 40    Khai báo ngõ điều khiển động bước, động ac; ngõ vào nhận tín hiệu từ cơng tắc hành trình cơng tắc phát vị trí home Hình 6.1 Khai báo ngõ thẻ motor output Hình 6.2 Khai báo ngõ vào thẻ motor input Cho phép ngõ hoạt động 41    Cài đặt thơng số để điều khiển tốc độ trục (động ac):                   Calibrate máy cách cấp xung cho động bước kéo bàn máy Khi bàn máy dịch chuyển đoạn tương ứng với số xung vừa cấp Chỉ cần khai báo thông số: số xung độ dịch chuyển thực tế, phần mềm tự động tính toán đưa số xung cần thiết để động chuyển động xác.  Vùng khai báo để bắt đầu calibrate:                      42    Sau có số xung phải nhập vào ô steps per (số xung đơn vị), nhập vào tốc độ, gia tốc thích hợp, thời gian trì xung.                            Lần lượt calibrate cho trục x,y,z.  Ta tạo chương trình hậu xử lý 2.5D phần mềm sheetcam.                      43    Một số hình ảnh                     44    ... động ba trục servo ac, dc hoăc động bước  Bộ truyền động hộp số, vitme đai ốc, răng, trượt, dây dai  Bàn máy mang phơi gia cơng  Phản hồi encoder, high sensor cảm biến tiệm cận hay đơn giản