Đang tải... (xem toàn văn)
Quy trình chế tạo máy CNC tự chế, phục vụ nhu cầu gia công đồ mỹ nghệ cũng như cắt gọt chi tiết cơ khí.
i NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Họ tên: Trần Văn Châu Lớp: 50CKCD Chuyên ngành: Công nghệ Cơ Điện Tử Mã ngành: Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo hệ thống chấp hành mô hình máy phay CNC” Số trang: 102 Số chương: 4 Tài liệu tham khảo: 12 Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02CD, 01 mô hình Nhận xét Kết luận: Nha Trang, ngày… tháng … năm… Cán bộ hướng dẫn (Kí và ghi rõ họ tên) ii NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Họ tên: Trần Văn Châu Lớp: 50CKCD Chuyên ngành: Công nghệ Cơ Điện Tử Mã ngành: Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo hệ thống chấp hành mô hình máy phay CNC” Số trang: 102 Số chương: 4 Tài liệu tham khảo: 12 Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02CD, 01 mô hình Nhận xét . . . . Kết luận: . . . Điểm phản biện Nha Trang, ngày… tháng … năm… Cán bộ phản biện (Kí và ghi rõ họ tên) Nha Trang, ngày … tháng … năm … Chủ tịch hội đồng (Kí và ghi rõ họ tên) Điểm chung Bằng số Bằng chữ iii LỜI NÓI ĐẦU Trong công cuộc đổi mới đất nước, với mục tiêu chiến lược Công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, nhằm đưa nền kinh tế phát triển với tốc độ cao nhằm sánh vai cùng với các quốc gia phát triển trên thế giới, trong đó lĩnh vực tự động hóa đóng vai trò rất quan trọng. Cơ - Điện tử là ngành khoa học tổng hợp liên ngành của cơ khí chính xác, điện tử, điều khiển và tư duy hệ thống trong thiết kế và phát triển sản phẩm. Đây là ngành rất quan trọng và không thể thiếu trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại. Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ điều khiển kỹ thuật số và điều khiển bằng máy tính vào trong các lĩnh vực công nghiệp đang trở nên ngày càng phổ biến đặc biệt là việc ứng dụng các máy CNC. Điều này dẫn đến việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các máy điều khiển số là một điều tất yếu trong công cuộc công nghệp hóa hiện đại hóa đất nước. Theo xu hướng đó, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công máy CNC là một việc vô cùng cấp thiết, để từ đó có thể thực hiện cải tiến các máy công cụ truyền thống vẫn còn đang tồn tại ở một số cơ sở sản xuất trở thành máy CNC với một giá thành chấp nhận được trong điều kiện nền công nghiệp còn non kém như ở nước ta. Hơn nữa, những công trình nghiên cứu như thế này còn cho phép ta nắm bắt được những công nghệ đang được sử dụng trong những máy CNC do các tập đoàn công nghiệp hàng đầu thế giới sản xuất; để từ đó có thể làm chủ được những chiếc máy này một cách toàn diện hơn. Từ những cơ sở trên, chúng em quyết định chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo hệ thống chấp hành mô hình máy phay CNC” làm đề tài nghiên cứu. Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Văn Hùng và các thầy trong bộ môn Cơ điện tử đã giúp đỡ trong suốt thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn, và kính chúc Quý thầy dồi dào sức khỏe. Nha Trang, tháng 6 năm 2012 Sinh viên thực hiện TRẦN VĂN CHÂU iv MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU . iii MỤC LỤC . iv DANH MỤC HÌNH . vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .1 1.1.GIỚI THIỆU CHUNG .2 1.1.1. Giới thiệu sơ lược về CAD 2 1.1.1.1. Khái niệm về CAD. .2 1.1.1.2. Công cụ của hệ thống CAD .2 1.1.1.3. Lợi ích của CAD. 2 1.1.1.4. Tương lai của CAD. 3 1.1.2.Tổng quan về máy CNC 3 1.1.2.1.Sự ra đời và phát triển của máy CNC .3 1.1.2.2.Máy CNC ngày nay 5 1.1.2.3. Hiệu quả kinh tế của máy CNC .6 1.2. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI MÁY CNC ĐANG DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP HIỆN NAY .7 1.2.1. Máy khoan CNC (Drilling Machine). 7 1.2.2. Máy phay CNC (Milling Machine) 7 1.2.3. Máy tiện CNC (Turning Machine) .8 1.2.4. Máy doa CNC (Boring Machine) .9 1.2.5. Máy mài CNC (Grinding Machine) .10 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .11 2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12 2.2. CÁC KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 13 2.2.1. Các khái niệm máy CNC .13 2.2.1.1. Định nghĩa máy và trục máy .13 2.2.2.2. Cấu trúc hệ trục máy CNC 13 2.2.2.3. Tọa độ quy chiếu .15 2.2.2. Phân loại hệ thống điều khiển máy CNC .16 2.2.2.1. Phân loại theo dạng điều khiển 16 2.2.2.2. Phân loại theo cấu trúc điều khiển .17 v 2.2.2.3. Phân loại theo kiểu điều khiển 18 2.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .20 2.3.1. Các phương án thiết kế .20 2.3.1.1. Phương án 1 .20 2.3.1.2. Phương án 2 .21 2.3.1.3. Phương án 3 .22 2.3.1.4. Kết luận .23 2.3.2. Phân tích, lựa chọn động cơ và trục vít me 23 2.3.2.1. Động cơ dẫn động hai trục chính X, Y và trục Z 23 2.3.2.3. Bộ truyền, biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến 26 2.3.2.2. Động cơ phay 27 2.3.3. Thiết kế, chế tạo phần cơ khí .28 2.3.3.1. Vật liệu chế tạo máy phay CNC 28 2.3.3.2. Thiết kế, chế tạo máy phay CNC 32 2.3.3. Giới thiệu về bộ truyền trục vít me – bi. 35 2.3.4. Thiết kế, chế tạo phần điều khiển 39 2.3.4.1. Động cơ bước (stepping motor) 39 2.3.4.2. SƠ LƯỢC VỀ NGÔN NGỮ AUTOLISP .49 2.3.4.3. Giới thiệu về Vi điều khiển AVR 51 2.3.4.4. Truyền thông 62 2.3.4.5. Sơ lược các linh kiện dùng trong mạch .65 2.3.4.5. Sơ đồ nguyên lý động cơ bước 68 2.3.4.6. Thiết kế mạch. .68 2.3.5. Sơ đồ giải thuật 74 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ .82 3.1.CHUẨN BỊ 83 3.1.1.Phần khung 83 3.1.2. Bộ phận dẫn động, dẫn hướng .83 3.1.3.Phần động cơ và bộ phận truyền động 83 3.1.4.Dây điện, tấm phíp đồng, mũi phay… 83 3.2.THI CÔNG VÀ LẮP RÁP 83 3.2.1. Thi công mạch 83 3.2.1.1. Vẽ mạch in .84 vi 3.2.1.2.In mạch lên bảng đồng .84 3.2.1.3.Hàn linh kiện và kiểm tra mạch 85 3.2.1.4.Lắp mạch vào hộp 85 3.3. SẢN PHẨM THỰC TẾ 86 3.3.1.Hình ảnh các mạch 86 3.3.2.Các chi tiết cơ khí 86 3.3.3.Hệ thống mô hình 89 3.4.CHO CHẠY THỬ VÀ KIỂM NGHIỆM ĐỘ ỔN ĐỊNH .92 3.4.1.Kiểm tra trước khi đưa vào hoạt động 92 3.4.1.1.Kiểm tra nguồn .92 3.4.1.2.Kiểm tra mạch điều khiển 92 3.4.1.3.Kiểm tra phần cơ khí 93 3.4.1.4.Kiểm tra động cơ 95 3.4.2.Cấp dữ liệu cho vi điều khiển .95 3.4.3.Mô hình lúc hoạt động 96 3.4.3.1.Mô hình lúc reset về vị trí 0 .96 3.4.3.2.Mô hình lúc phay đường thẳng 97 3.4.3.3.Mô hình lúc phay hình tròn 98 3.4.3.4.Mô hình lúc phay đường cong bất kỳ .98 3.4.3.5.Sản phẩm hoàn chỉnh .99 3.5.BẢNG THÔNG SỐ SAU KHI CHẠY THỬ HỆ THỐNG .100 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT .101 4.1. KẾT LUẬN .102 4.2. ĐỀ XUẤT .102 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Máy khoan CNC 7 Hình 1.2. Máy phay CNC 8 Hình 1.3. Máy tiện CNC 9 Hình 1.4. Máy doa ngang CNC .10 Hình 1.5. Máy mài đứng CNC 10 Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát 12 Hình 2.2. Quy tắc bàn tay phải. .14 Hình 2.3. Hệ tọa độ Descartes. 14 Hình 2.4. Ví dụ về việc xác định chiều dương cho các trục quay .15 Hình 2.5. Hai phương án chuyển động dụng cụ song song trục của hệ tọa độ .16 Hình 2.6. Phương án chuyển động dụng cụ nghiêng góc 45° .16 Hình 2.7. Phương án chuyển động dụng cụ theo đường thẳng .17 Hình 2.8. Sơ đồ khối hệ điều khiển hở dùng động cơ bước 18 Hình 2.9. Sơ đồ khối hệ điều khiển kín .19 Hình 2.10. Mô hình thiết kế 1 máy CNC. .20 Hình 2.11. Mô hình thiết kế 2 máy CNC. .21 Hình 2.12 Cơ cấu trượt 21 Hình 2.13. Mô hình thiết kế 3 máy CNC. .22 Hình 2.14.Cơ cấu trượt bằng ổ trượt bi .22 Hình 2.15 .Động cơ bước 24 Hình 2.16. .Động cơ Servo 24 Hình 2.17 động cơ điều khiển trục Z .25 Hình 2.18. Kết cấu vít me –bi chuyên dùng cho máy CNC 26 Hình 2.19. Động cơ phay .27 Hình 2.20. Thép hình hộp 28 Hình 2.21. Thép ống 29 Hình 2.22. Que hàn 29 Hình 2.23. Các loại bulông – đai ốc 30 Hình 2.24. Kết cấu ổ lăn 31 Hình 2.25. Một số loại ổ lăn 31 Hình 2.26. Một số loại thanh trượt, ổ trượt trên thị trường. 31 viii Hình 2.27. Khung dưới của máy .32 Hình 2.28. Khung dưới của máy .32 Hình 2.29. Trục Z 33 Hình 2.30. Trục dẫn hướng .33 Hình 2.31. Cơ cấu trượt .33 Hình 2.32. Cơ cấu giữ 34 Hình 2.33. Cơ cấu cố định động cơ .34 Hình 2.34. Khớp nối 34 Hình 2.35. Cơ cấu dẫn động động cơ phay tịnh tiến theo trục Z 35 Hình 2.36. Quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi .36 Hình 2.37. Profin ren nửa tròn .37 Hình 2.38. Rãnh hồi bi kiểu ống 38 Hình 2.39. Rãnh hồi bi theo lỗ khoan trong đai ốc Rãnh hồi bi nối giữa hai vòng ren kê tiếp nhau được bô trí trên máng lót đặc biệt .38 Hình 2.40. Rãnh hồi bi theo lỗ khoan trong đai ốc. 39 Hình 2.41. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu 41 Hình 2.42. Sơ đồ cấu trúc động cơ bước nam châm vĩnh cửu 2 pha. .42 Hình 2.43. Động cơ bước biến từ trở ba pha, bốn cặp cực 43 Hình 2.44. Cấu trúc trong động cơ lai. 44 Hình 2.45. Cách quấn dây trong động cơ lai .45 Hình 2.46. Kết cấu thực tế của động cơ lai. 45 Hình 2.47. Đồ thị quan hệ giữa momen – tần số bước 47 Hình 2.48. Giản đồ thời gian – điều khiển động cơ bước. 48 Hình 2.49. Cấu trúc bộ nhớ của AVR .52 Hình 2.50. Thanh ghi 8 bit .53 Hình 2.51. Register file .53 Hình 2.52. Cấu trúc bên trong của AVR .55 Hình 2.53. Cấu trúc chân trong PORT của Vi điều khiển AVR .55 Hình 2.54. Thanh ghi DDRA 56 Hình 2.55. Thanh ghi PORTA .56 Hình 2.56. Thanh ghi PINA 56 Hình 2.57. Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 8bit .57 ix Hình 2.58. Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 16 bit 57 Hình 2.59. Thanh ghi TCCR0 .58 Hình 2.60. Thanh ghi TCNT0 .59 Hình 2.61. Thanh ghi 0CR0 59 Hình 2.62. Thanh ghi mặt nạ ngắt .59 Hình 2.63. Thanh ghi cờ ngắt 59 Hình 2.64. Sơ đồ thời gian của chế độ so sánh .60 Hình 2.65. Sơ đồ chân của ATMEGA 32 61 Hình 2.66. Hình dạng bên ngoài của ATMEGA32 .62 Hình 2.67. Tín hiệu tương đương của UART và RS232 .62 Hình 2.68. Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp. .63 Hình 2.69. Cấu tạo và hình dáng của Diode bán dẫn. .66 Hình 2.70. Ký hiệu của Transistor .66 Hình 2.71. Transistor .66 Hình 2.72. Linh kiện Opto .67 Hình 2.73. Linh kiện IRF540 67 Hình 2.74. Rơle 8 chân 67 Hình 2.75. Sơ đồ nối dây trong động cơ bước đơn cực 2 pha .68 Hình 2.76. Nguồn máy tính .68 Hình 2.77. Nguồn nối giữa nguồn máy tính với vi điều khiển 69 Hình 2.78. Nguồn nối giữa nguồn máy tính với mạch công suất 69 Hình 2.79. Sơ đồ mạch vi điều khiển và các header kết nối .70 Hình 2.80. Sơ đồ mạch Max232 70 Hình 2.81. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước 1(trục X) .71 Hình 2.82. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước 2(trục Y) .71 Hình 2.83. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước 3(trục Z) 72 Hình 2.84. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ phay 73 Hình 2.85. Mạch kết nối công tắc hành trình 73 Hình 2.86. Sơ đồ mạch layout .74 Hình 2.87. Minh họa thuật toán Bresenham 74 Hình 2.88. Lưu đồ giải thuật toán Bresenham .76 Hình 2.89 Lưu đồ giải thuật toán Bresenham vẽ đường cong bất kỳ 77 Hình 2.90. Lưu đồ giải thuật toán trên CAD .78 x Hình 2.91. Lưu đồ giải thuật tách đoạn bằng autolisp 79 Hình 2.92 Lưu đồ giải thuật trên VB .80 Hình 2.93. Lưu đồ giải thuật trên VDK .81 Hình 3.1. Vẽ mạch in trên Layout plus .84 Hình 3.2.In mạch lên bảng đồng .84 Hình 3.3. Hàn linh kiện .85 Hình 3.4. Kiểm tra mạch .85 Hình 3.5. Lắp mạch vào hộp .85 Hình 3.6. Hình ảnh máy phay CNC 86 Hình 3.7. Mạch điều khiển chính 86 Hình 3.8. Bu lông 86 Hình 3.9. Ổ trượt .87 Hình 3.10. Trục dẫn hướng .87 Hình 3.11. Vitme bi .88 Hình 3.12. Khớp nối mềm .88 Hình 3.13. Hệ thống trục Y .89 Hình 3.14. Hệ thống trục X .90 Hình 3.15. Hệ thống trục Z 91 Hình 3.16. Toàn bộ hệ thống .91 Hình 3.17. Kiểm tra nguồn 92 Hình 3.18. Kiểm tra mạch điều khiển 93 Hình 3.19. Kiểm tra công tắc hành trình .93 Hình 3.20. Canh chỉnh trục Y 94 Hình 3.21. Kiểm tra và vệ sinh vitme 94 Hình 3.22. Kiểm tra động cơ phay 95 Hình 3.23. Thiết kế hình cần gia công trên Auto CAD .96 Hình 3.24. Giao diện VB khi load dữ liệu xong 96 Hình 3.25. Mô hình ở vị trí 0 .97 Hình 3.26. Mô hình đang phay đường thẳng .97 Hình 3.28. Mô hình đang phay đường cong bất kỳ .98 Hình 3.29. Sản phẩm sau khi gia công 99 . . Điểm phản biện Nha Trang, ngày… tháng … năm… Cán bộ phản biện (Kí và ghi rõ họ tên) Nha Trang, ngày … tháng … năm … Chủ tịch hội. Hình 2.70. Ký hiệu của Transistor .66 Hình 2.71. Transistor .66