Đồ án Thiết kế và chế tạo mô hình máy khắc CNC 3 trục (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế và chế tạo mô hình máy khắc CNC 3 trục (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY KHẮC CNC 3 TRỤC GVHD: ThS. TUỞNG PHUỚC THỌ SVTH : PHẠM THANH SƠN MSSV: 11911009 NGUYỄN VĂN HÃI MSSV: 11911031 PHẠM ANH VŨ MSSV: 11911028 S KL 0 0 4 7 2 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH  KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY KHẮC CNC 3 TRỤC Giảng viên hướng dẫn: ThS TƯỞNG PHƯỚC THỌ Sinh viên thực hiện: PHẠM THANH SƠN MSSV: 11911009 NGUYỄN VĂN HÃI MSSV: 11911031 PHẠM ANH VŨ MSSV 11911028 Lớp: 119110A Khoá: 2012 - 2016 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2016
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH  BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY KHẮC CNC 3 TRỤC Giảng viên hướng dẫn: ThS TƯỞNG PHƯỚC THỌ Sinh viên thực hiện: PHẠM THANH SƠN MSSV: 11911009 NGUYỄN VĂN HÃI MSSV: 11911031 PHẠM ANH VŨ MSSV: 11911028 Lớp: 119110A Khoá: 2012 - 2016 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2016
4. DATN: GVHD: ThS Tưởng Phước Thọ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA TP. HCM VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: Th.S TƯỞNG PHƯỚC THỌ Sinh viên thực hiện: PHẠM THANH SƠN MSSV: 11911021 NGUYỄN VĂN HÃI MSSV: 11911031 PHẠM ANH VŨ MSSV: 11911028 1. Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo máy khắc CNC 3 trục 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: . . . . 3. Nội dung chính của đồ án: - Nghiên cứu kết cấu máy CNC. - Thiết kế kết cấu cơ khí dựa trên chuyển động tạo hình. - Nghiên cứu giải thuật điều khiển máy. - Thực nghiệm và đánh giá kết quả. 4. Các sản phẩm dự kiến Các sản phẩm mẫu chử 2D được khắc trên gỗ 5. Ngày giao đồ án: / /2016 6. Ngày nộp đồ án: / /2016 TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ( Ký, ghi rõ họ tên) ( Ký, ghi rõ họ tên) Được phép bảo vệ (GVHD ký, ghi rõ họ tên) SVTH: Phạm Thanh Sơn _ Nguyễn Văn Hãi _ Phạm Anh Vũ i
5. DATN: GVHD: ThS Tưởng Phước Thọ LỜI CAM KẾT Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY KHẮC CNC 3 TRỤC Giáo viên hướng dẫn: ThS TƯỞNG PHƯỚC THỌ Sinh viên thực hiện: PHẠM THANH SƠN MSSV: 11911009 NGUYỄN VĂN HÃI MSSV: 11911031 PHẠM ANH VŨ MSSV 11911028 Lớp: 119110A Địa chỉ sinh viên: Thủ Đức. Số điện thoại liên lạc: 0989.028.073 Email: nguyenhaivan028@gmail.com Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 20/07/2016 Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 7 năm 2016 Ký tên SVTH: Phạm Thanh Sơn _ Nguyễn Văn Hãi _ Phạm Anh Vũ ii
6. DATN: GVHD: ThS Tưởng Phước Thọ LỜI CÁM ƠN Nhóm thực hiện không thể theo đuổi và hoàn thành đề tài này nếu không có sự tạo điều kiện và giúp đỡ của những người thân, bạn bè và thầy cô. Vì vậy, nhóm thực hiện vô cùng biết ơn và trân trọng những giúp đỡ dành cho nhóm trong thời gian qua. Nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn đến những người thân trong gia đình, bạn bè xung quanh đã hết lòng quan tâm, giúp đỡ để nhóm có được điều kiện tốt nhất hoàn thành đồ án. Nhóm thực hiện cũng xin được trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy Tưởng Phước Thọ người đã truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu, đã hết sức tạo điều kiện, tận tình hướng dẫn và theo dõi sát sao tiến trình đề tài, từ đó thầy đóng góp những ý kiến kịp thời cũng như động viên nhóm trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài. Nhóm thực hiện xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý thầy cô Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Bộ môn Cơ điện tử và quý thầy cô các khoa thuộc trường Ðại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã trang bị cho nhóm những kiến thức cơ bản, những kinh nghiệm thực tiễn và những kiến thức chuyên môn cũng như đã nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ nhóm trong suốt khóa học và nhất là trong thời gian thực hiện đề tài. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 7 năm 2015 Phạm Thanh Sơn Nguyễn Văn Hãi Phạm Anh Vũ SVTH: Phạm Thanh Sơn _ Nguyễn Văn Hãi _ Phạm Anh Vũ iii
7. DATN: GVHD: ThS Tưởng Phước Thọ TÓM TẮT ĐỒ ÁN Điêu khắc bằng CNC là ngành công nghiệp hiện nay được chú trọng phát triển, là một trong những ngành công nghiệp đang phát triển mạnh mẽ. Công nghệ điêu khắc 2D, 3D tạo ra sản phẩm chất lượng cao, mẫu mã sản phẩm phong phú và đa dạng, nhưng điều quan trọng nhất trong việc sử dụng máy điêu khắc CNC điều khiển số trong ngành chế biến gỗ giúp con người hạn chế được quá trình làm việc thủ công, tạo ra khối lượng sản phẩm lớn. Hiện nay trên thế giới và ngay cả ở Việt Nam các máy điêu khắc CNC được sử dụng trong điêu khắc gỗ rất rộng rãi. Nhưng để có thể trang bị được cho cá nhân một chiếc máy điêu khắc CNC cần phải tốn một số vốn rất lớn. Đề tại này được thực hiện nhằm mục đích nghiên cứu kết cấu, khả năng tối ưu của một chiếc máy CNC, làm nền tảng cho quá trình hoàn thiện và đẩy mạnh nghiên cứu nguyên lý hoạt động, cách thức chế tạo để tạo ra cho mình một chiếc máy điêu khắc CNC có đầy đủ tính năng, hoạt động ổn định và giá thành giảm xuống, phù hợp hơn cho các hộ gia đình sản xuất nhỏ lẽ. SVTH: Phạm Thanh Sơn _ Nguyễn Văn Hãi _ Phạm Anh Vũ iv
8. DATN: GVHD: ThS Tưởng Phước Thọ ABSTRACT Sculpture by CNC is the industry is now focusing on developing, is one of the growing industries strong. Technology 2D sculpture, 3D creates high-quality products, extensive product design and varied, but the most important thing in the use of computer numerically controlled CNC sculpting in wood processing industry to help people term institutional work processes manually, create large product volumes. Currently in the world and even in Vietnam sculpture CNC machines are used in a very wide wooden sculpture. But in order to equip individuals for a CNC machine sculpture should cost a huge amount of capital. This topic is done in order to study structural purposes, optimum ability of a CNC machine, as the basis for process improvement and promote research activity principles, how to make to make to sculpture yourself a CNC machine has a full-featured, stable performance and reduced costs, more suitable for households and small production. SVTH: Phạm Thanh Sơn _ Nguyễn Văn Hãi _ Phạm Anh Vũ v
9. DATN: GVHD: ThS Tưởng Phước Thọ MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỜI CAM KẾT ii LỜI CÁM ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv MỤC LỤC vi DANH MỤC BẢNG BIỂU x DANH MỤC SƠ ĐỒ x DANH MỤC HÌNH ẢNH xi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiii CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1 1.3 Giới hạn của đề tài 2 1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2 1.5 Nội dung nghiên cứu 3 1.6 Phương pháp nghiên cứu 3 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 3 2.1 Tổng quan về máy CNC 3 2.1.1 Khái niệm 3 2.1.2. Lịch sử phát triển của hệ thống máy CNC 3 2.1.3 Những đặc điểm cơ bản của máy CNC 5 2.2 Giới thiệu chung về máy phay CNC 6 2.2.1 Tình hình sử dụng máy CNC ở nước ta 6 2.2.2 Phân loại máy phay CNC 6 2.2.3 Giới thiệu về một số mẫu mã máy phay CNC đang có trên thị trường 7 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8 3.1 Các phương pháp điều khiển số trên máy CNC 8 SVTH: Phạm Thanh Sơn _ Nguyễn Văn Hãi _ Phạm Anh Vũ vi
10. DATN: GVHD: ThS Tưởng Phước Thọ 3.1.1 Điều khiển 2D 8 3.1.2 Điều khiển 21/2D 8 3.1.3 Điều khiển 3D 8 3.2. Cấu trúc tổng thể máy CNC mini 8 3.2.1. Phần điều khiển 9 3.2.2. Phần chấp hành 9 3.3 Hệ trục tọa độ trên máy CNC 10 3.4 Phương pháp nội suy trên máy CNC 11 3.4.1 Nội suy đường thẳng (linear interpolation) 11 3.4.2 Nội suy cung tròn 12 3.4.3 Nội suy đường xoắn ốc (Helical Interpolation) 13 3.4.4 Nội suy parabol (Parabolic Interpolation) 13 3.4.5 Nội suy bậc ba (Cubic) 14 3.5 Cơ sở lập trình NC 14 3.5.1 Một số khái niệm cơ bản 14 3.5.1.1 Chương trình NC 14 3.5.1.2 Lập trình NC 14 3.5.1.3 Định dạng của một chương trình NC 14 CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ 15 4.1 Yêu cầu đề tài 15 4.2 Phương án thiết kế 15 4.2.1 Phương án 1 15 4.2.2 Phương án 2 17 4.2.3 Phương án 3 17 4.3 Chọn phương án 18 CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ 19 5.1 Thiết kế kết cấu phần cơ khí 19 5.1.1 Thiết kế một số chi tiết máy trên phần mềm Solidworks 19 5.1.2 Lắp ráp từng cụm máy 22 5.1.3 Kết cấu tổng thể của máy khắc gỗ CNC 3 trục 27 5.2 Lựa chọn cơ cấu dẫn động 27 5.2.1 Động cơ dẫn động các trục tọa độ 27 5.2.1.1 Động cơ bước (stepping motor ) 27 5.2.1.2 Động cơ một chiều (DC motor) 28 5.2.1.3 Động cơ SERVO 29 SVTH: Phạm Thanh Sơn _ Nguyễn Văn Hãi _ Phạm Anh Vũ vii
11. DATN: GVHD: ThS Tưởng Phước Thọ 5.2.2 Kết luận 29 5.3 Giới thiệu về động cơ bước 29 5.3.1 Khái niệm 29 5.3.2 Cấu tạo 30 5.3.3 Hoạt động 31 5.3.4 Ứng dụng 31 5.3.5 Các đặc tính cơ bản của động cơ bước 31 5.3.6 Một số loại động cơ bước 32 5.3.7 Giới thiệu động cơ bước đơn cực 33 5.3.8 Vấn đề trước sự trượt bước 35 5.3.9 Các thông số chủ yếu của động cơ bước 35 5.4 Tính và chọn công suất động cơ điện. 36 5.5 Lựa chọn cơ cấu truyền động 37 5.5.1 Vít me đai ốc 37 5.5.1.1 Vít me đai ốc thường 37 5.5.1.2 Vít me đai ốc bi 38 5.5.2 Phương án dùng đai 39 5.5.3 Kết luận 40 5.6 Tính toán các thông số máy 40 5.6.1 Chọn kiểu lắp đặt và tính lực cắt 40 5.6.2 Tính toán lựa chọn trục vít me, ổ bi đỡ cho trục vít me 41 5.6.2.1 Chọn kiểu bi 42 5.6.3 Tính toán tải trọng 42 5.6.4 Tốc độ quay cho phép 43 5.6.5 Tính toán momen 43 5.6.6 Momen do tải trọng đặt trước 44 5.6.7 Momen do lực ma sát 44 5.6.8 Tính toán ứng suất tác dụng lên trục vít. 44 5.6.9 Tính toán và chọn ray dẫn hướng cho bàn X và bàn Y. 45 5.6.9.1 Tính chọn ray cho bàn X 45 5.6.9.2 Tính chọn ray cho bàn Y 45 5.6.10 Tính toán chọn động cơ 46 5.6.10.1 Tính Momen quy đổi 46 5.7 Chế tạo máy khắc gỗ CNC 3 trục 50 5.7.1 Một số hình ảnh về quá trình gia công chế tạo 50 5.8 Xây dụng hệ thống điều khiển 53 5.8.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển 53 5.8.2 Tính toán, lựa chọn các bộ phận cho hệ thống điều khiển 53 SVTH: Phạm Thanh Sơn _ Nguyễn Văn Hãi _ Phạm Anh Vũ viii
12. DATN: GVHD: ThS Tưởng Phước Thọ 5.8.2.1 Mạch điều khiển trung tâm 53 5.8.2.2 Giới thiệu chung về arduino 54 5.8.2.3 Arduino Mega2560 R3 56 5.8.3 DRIVER (Bộ phận lái động cơ) 60 5.8.3.1 Giới thiệu module Driver TB6560 60 5.8.3.2 Sơ đồ kết nối TB6560 62 5.8.4 Lựa chọn động cơ truyền động 62 5.8.4.1 Vai trò của động cơ bước 63 5.8.4.2 Điều khiển động cơ bước 63 5.8.5 Bộ phần giám sát 64 5.8.6 Bộ điều khiển 64 5.8.6.1 Thiết kế bộ điều khiển 65 5.8.6.2 Mạch Relay 68 5.8.7 Động cơ trục chính 71 5.8.8 Mạch công suất động cơ trục chính 71 5.8.9 Sơ đồ hệ thống điều khiển 72 5.9 Giải thuật điều khiển 74 5.9.1 Chuyễn dữ liệu từ bản vẽ qua G-code 74 5.10 Đọc và xử lý dữ liệu G-code 75 5.10.1 Lưu đồ tra cơ sở dữ liệu 75 5.10.2 Lưu đồ gọi hàm nội suy 76 5.10.3 Lưu đồ thuật toán nội suy lệnh G0 77 5.10.4 Lưu đồ thuật toán nội suy lệnh G1 78 5.10.5 Tính toán trong các hàm nội suy 79 5.10.5.1 Hàm G1 79 5.10.5.2 Hàm G2 79 5.11 Phần mềm điều khiển 80 5.11.1 Phần mềm thiết kế và tạo g-code ArtCAM9 80 5.11.2 Phần mềm điều khiển Grblcontroller3.5.1 81 5.11.3 Phần mềm lập trình Arduino 84 5.11.3.1 Cài đặt Arduino IDE 84 5.11.3.2 Môi trường lâp trình ARDUINO 85 5.11.3.3 Cấu trúc chương trình 85 5.12 Khái quát GRBL 86 5.12.1 Quản lý nhanh 87 5.12.2 Những giới hạn của G-code 88 5.12.3 Các tính năng mới trong v0.9 88 CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 91 SVTH: Phạm Thanh Sơn _ Nguyễn Văn Hãi _ Phạm Anh Vũ ix
13. DATN: GVHD: ThS Tưởng Phước Thọ 6.1 Một số sản phẩm gia công thực nghiệm 91 6.2 Đánh giá, phân tích nguyên nhân và khắc phục lỗi 91 6.2.1 Đánh giá 91 6.2.2 Phân tích nguyên nhân 91 6.2.3 Khắc phục lỗi 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 PHỤ LỤC I DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1: Các thông số thiết kế máy 15 Bảng 5.1: Các thành phần trong máy v1 26 Bảng 5.2: Các thành phần trong máy v2 26 Bảng 5.1: Bảng tiêu chuẩn bước gốc 34 Bảng 5.2: Các thông số kỹ thuật của Arduino Mega 2560 57 DANH MỤC SƠ ĐỒ Sơ đồ 5.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển 53 Sơ đồ 5.2: Sơ đồ nguyên lý driver TB6560 61 Sơ đồ 5.3: Sơ đồ kết nối TB6560 62 Sơ đồ 5.4: Sơ đồ chân IC 555 66 Sơ đồ 5.5: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung 67 Sơ đồ 5.6: Mạch nguyên lý 69 Sơ đồ 5.7: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 71 Sơ đồ 5.8: Sơ đồ hệ thống điều khiển 73 SVTH: Phạm Thanh Sơn _ Nguyễn Văn Hãi _ Phạm Anh Vũ x
14. DATN: GVHD: ThS Tưởng Phước Thọ Sơ đồ 5.9: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển điện điều khiển 3 động cơ bước kết nối 73 máy tính 73 Sơ đồ 5.10: Sơ đồ chuyển đổi dữ liệu 74 Sơ đồ 5.11: Lưu đồ tra cơ sở dữ liệu vào 75 Sơ đồ 5.12: Lưu đồ gọi hàm nội suy 76 Sơ đồ 5.13: Lưu đồ thuật toán nội suy lệnh G0 77 Sơ đồ 5.14: Lưu đồ thuật toán nội suy lệnh G1 78 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Máy CNC XK 7 Hình 2.2: Loại máy phay CNC kiểu Router 7 Hình 3.1: Cấu trúc tổng thể máy CNC mini 9 Hình 3.2: Nội suy đường tròn 13 Hình 3.3: Nội suy xoắn ốc 13 Hình 3.4: Nội suy đường xoắn ốc 14 Hình 4.1: Mô hình máy điêu khắc CNC 16 Hình 4.2: Mô hình máy điêu khắc CNC 17 Hình 4.3: Mô hình máy điêu khắc CNC 18 Hình 5.1: Gá đỡ công tắc hành trình 19 Hình 5.2: Gá đở thanh trượt trục X 19 Hình 5.3: Bệ đở motor 20 Hình 5.4: Bệ đỡ ổ bi vít me 20 Hình 5.5: Bệ đỡ ổ lăn trục Y 21 Hình 5.6: Bệ đỡ ổ lăn trục X 21 SVTH: Phạm Thanh Sơn _ Nguyễn Văn Hãi _ Phạm Anh Vũ xi
15. DATN: GVHD: ThS Tưởng Phước Thọ Hình 5.7: Thanh kết nối bàn nhôm và thanh trượt 22 Hình 5.8: Kết cấu trục Z của máy 22 Hình 5.9: Kết cấu trục X của máy 23 Hình 5.10: Kết cấu trục X, Z 23 Hình 5.11: Kết cấu đầu phay và cụm trục X, Z 24 Hình 5.12: Kết cấu chân máy và trục Y 24 Hình 5.13: Kết cấu bàn máy 25 Hình 5.14: Các chi tiết trong máy 25 Hình 5.15: Mô hình tổng thể máy khắc gỗ CNC 3 trục 27 Hình 5.16: Động cơ bước (Step motor) 27 Hình 5.17: Động cơ DC 28 Hình 5.18: Động cơ servo 29 Hình 5.19: Động cơ bước 30 Hình 5.20: Sơ đồ động cơ bước đơn cực 2 pha 33 Hình 5.21: Vít Me đai ốc thường 37 Hình 5.22: Vít me đai ốc bi 38 Hình 5.23: Đai 39 Hình 5.24: Bệ đỡ động cơ trục Z 50 Hình 5.25: Bệ đỡ ổ lăn trục Y và bệ đỡ động cơ 50 Hình 5.26: Gá đở thanh trượt trục Y và bệ đỡ ổ bi 51 Hình 5.27: Bạc trượt vít me bi 51 Hình 5.28: Mô hình sau khi gia công 52 Hình 5.29: Aduino Mega2560 R3 57 Hình 5.30: Module TB6560 60 SVTH: Phạm Thanh Sơn _ Nguyễn Văn Hãi _ Phạm Anh Vũ xii
16. DATN: GVHD: ThS Tưởng Phước Thọ Hình 5.31: Sơ đồ nối dây của hãng Oriental 63 Hình 5.32: IC 555 65 Hình 5.33: Mạch Layout 68 Hình 5.34: Mạch tạo xung thực nghiệm 68 Hình 5.35: Mạch Layout 70 Hình 5.36: Mạch relay thực nghiệm 70 Hình 5.37: Motor encoder 71 Hình 5.38: Sơ đồ Layout mạch công suất 72 Hình 5.39: Mạch công suất động cơ trục chính 72 Hình 5.40: Dao diện phần mềm tạo G-code ArtCAM9 80 Hình 5.41: Dao diện điều khiển máy CNC Grbl controller 3.5.1 81 Hình 5.42: Giao diện khi đã kết nối với Arduino 82 Hình 5.43: Hộp thoại cài đặt các thông số cho máy 83 Hình 5.44: Bộ phận theo giỏi đường chạy dao 84 Hình 5.45: Arduino IDE 85 Hình 6.1: Gia công chữ CTD11 91 Hình 6.2: Gia công chữ HCMUTE 91 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CNH-HDH Công Nghiệp Hóa – Hiện Đại Hóa CNC Computer Numerical Controlled NC Numerical Controlled MIT Viện công nghệ Massachusetts ISO International Organization for Standardization LAN Local Area Network SVTH: Phạm Thanh Sơn _ Nguyễn Văn Hãi _ Phạm Anh Vũ xiii
17. DATN: GVHD: ThS Tưởng Phước Thọ WAN Wide Area Network DIY Do It YourSelf CPU Central Processing Unit CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor SRAM Static Random Access Memory DIR Direction PWM Pulse Width Modulation EEPROM Electrically Erasable EPROM Erasable Programmable Read – Only Memory DXF Drawing Interchange Format SRAM Static Random Access Memory RAM Random Access Memory ROM Read Only Memory I2C Inter-Integrated Circuit GRBL FimeWare mã nguồn mở USART Universal Synchronous/ Synchronous Receiver/ Transmitter CAM Computer Aided Manufacturing CAD Computer Aided Engineering MCU Micro Controller Unit SVTH: Phạm Thanh Sơn _ Nguyễn Văn Hãi _ Phạm Anh Vũ xiv
18. DATN: GVHD: ThS Tưởng Phước Thọ CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài - Ngày nay cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên thế giới đang phát triển với tốc độ nhanh chóng, không ngừng vươn tới những đỉnh cao mới, trong đó có những thành tựu về kỹ thuật tự động hóa sản xuất. Điều này càng khẳng định vai trò quan trọng của công nghệ tự động trong chiến lược CNH – HDH nền kinh tế nước ta. Đây là một việc hết sức có ý nghĩa , tạo ra khả năng phát triển kinh tế với tốc độ cao, vững chắc và lâu dài. Ở các nước có nền công nghiệp tiên tiến, việc tự động hóa trong sản xuất và điển hình là tự động hóa trong ngành cơ khí chế tạo máy đã được thực hiện từ nhiều thập niên trước đây. Và đối với việt nam chúng ta thì kỹ thuật điều khiển tự động ngày càng được phổ biến rộng rãi và có sự phát triển vượt bậc. - Một trong những vấn đề quyết định của tự động hóa ngành cơ khí chế tạo, chế biến gỗ là kỹ thuật điều khiển số và công nghệ trên các máy điều khiển số, điển hình là các máy điều khiển số như NC, CNC được dùng phổ biến ở các nước phát triển. Trong những năm gần đây NC và CNC đã được nhập vào việt nam và hiện nay đang được hoạt động trong một số nhà máy, viện nghiên cứu và các công ty liên doanh. Tuy nhiên chủng loại máy rất hạn chế và giá thành cao. Do đó việc nghiên cứu kiến thức cơ bản về tự động hóa và mở rộng các lĩnh vực ứng dụng trở nên rất cần thiết trong công cuộc CNH – HDH đất nước ta hiện nay, giúp làm chủ công nghệ và ứng dụng trong kỹ thuật sản xuất để giảm giá thành và tính cạnh tranh. 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Việc ứng dụng ứng dụng các thành tựu về tự động hóa vào các dây chuyền sản xuất ngày càng phổ biến. Nó không những mang lại năng suất, độ chính xác cao, an toàn cho công nhân mà nó còn mở rộng sản xuất, cụ thể là việc ứng dụng máy tính, các bộ vi xử lý trong việc điều khiển các máy công cụ và các quá trình sản xuất như: máy phay CNC, máy tiện CNC, máy mài CNC, máy cắt dây CNC, máy điêu khắc gỗ CNC với xu thế như vậy việc nghiên cứu ứng dụng tự động hóa trong các quá trình gia công cơ khí, chế biến gỗ ngày càng rộng rãi. SVTH: Phạm Thanh Sơn_Nguyễn Văn Hãi_Phạm Anh Vũ 1
19. DATN: GVHD: ThS Tưởng Phước Thọ - Quá trình gia công các sản phẩm từ gỗ là một quá trình phức tạp cần độ chính xác cao, đặc biệt là gia công các hình dạng 3D, chữ nỗi. Ngày xưa việc điêu khắc gỗ ở nước ta chủ yếu được thực hiện bằng tay, ngày nay việc điêu khắc đã có máy móc thực hiện, nhưng số lượng máy rất hạn chế và giá thành cao. Máy móc chỉ được sử dụng ở các công ty, doanh nghiệp lớn, còn ở các hộ gia đình thì chưa có vì giá thành của những chiếc máy này khá đắt tiền. Việc ra đời của máy khắc gỗ CNC mini 3 trục là một giải pháp cho các hộ gia đình đam mê về ngành điêu khắc gỗ. Một chiếc máy điêu khắc gỗ CNC mini ra đời với giá thành rẻ, linh hoạt, nhỏ gọn, tự động hóa là vấn đề thiết yếu của nền công nghiệp sản xuất gỗ cho các hộ gia đình hiện nay. - Với việc điều khiển số máy khắc gỗ CNC này sẽ có các ý nghĩa sau:  Linh hoạt trong việc gia công các sản phẩm gỗ.  Tăng năng suất chế tạo sản phẩm.  Trên cơ sở của máy khắc gỗ CNC có thể xây dựng nên một hệ thống sản xuất gỗ hoàn toàn tự động. 1.3 Giới hạn của đề tài Do thời gian thực hiện đề tài có hạn, nhóm tác giả tập trung khảo sát một số loại hình dạng cơ bản và phương pháp gia công các hình dạng đó. Khảo sát một số máy khắc gỗ CNC hiện có trên thị trường và thực hiện thiết kế, tính toán và chế tạo máy khắc gỗ CNC 3 trục phục vụ cho việc khắc chữ trên gỗ và các bức tranh đơn giản. 1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Việc ứng dụng tự động hóa vào sản xuất của các nước trên thế giới ngày càng được đẩy mạnh. Ở Việt Nam việc ứng dụng tự động hóa sản xuất củng được đẩy mạnh nhưng chủ yếu ở các ngành sản xuất cơ khí, còn về mảng chế biến các sản phẩm từ gỗ thì còn hạn chế, đặc biệt là ở các hộ gia đình. Vì vậy việc nghiên cứu và chế tạo một chiếc máy khắc gỗ CNC 3 trục nhỏ gọn, giá thành thấp là rất cần thiết đối với các hộ gia đình sản xuất nhỏ lẻ. Với mục đích đẩy mạnh ứng dụng tự động hóa vào trong sản xuất nhằm tăng năng suất, giảm giá thành sản phẩm, giúp ngành sản xuất gỗ nhỏ lẻ phát triển và góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế nước nhà. Đồng thời việc SVTH: Phạm Thanh Sơn_Nguyễn Văn Hãi_Phạm Anh Vũ 2
20. DATN: GVHD: ThS Tưởng Phước Thọ nghiên cứu, chế tạo máy khắc gỗ CNC 3 trục làm tiền đề hoàn thiện máy trong tương lai. 1.5 Nội dung nghiên cứu - Đề tài này tập trung nghiên cứu, khảo sát các loại máy gia công gỗ nhằm có giải pháp thiết kế mô hình máy khắc gỗ CNC 3 trục. Trong quá trình thiết kế, nhóm tác giả đã thiết kế phần cơ khí sử dụng phần mềm Solidworks 2014, nghiên cứu và thiết kế hệ thống điện, hệ thống điều khiển cho máy khắc gỗ CNC 3 trục. 1.6 Phương pháp nghiên cứu - Tham khảo các tài lieu trên internet, sách báo về các máy khắc gỗ và phương pháp gia công hiện có. - Tham khảo một số máy khắc gỗ hiện có trong nước và trên thế giới. - Sử dụng phần mềm solidworks 2014 thiết kế phần cơ khí - Sử dụng phần mềm Visual Studio 2008 thiết kế giao diện điều khiển và giám sát - Sử dụng Arduino Mega2560 điều khiển mô hình - Sử dụng thư viện mã nguồn mở GRBL cho Arduino2560 - Sử dụng động cơ bước tạo chuyển động cho các trục của máy - Sử dụng các Driver điều khiển động cơ bước TB6560 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Tổng quan về máy CNC 2.1.1 Khái niệm Máy CNC (Computer Numerical Controlled) là máy công cụ, điều khiển theo một chương trình định sẵn. Các dữ liệu được cung cấp dưới dạng tập lệnh. 2.1.2. Lịch sử phát triển của hệ thống máy CNC - Năm 1949: Mẫu đầu tiên của máy NC (Numerical Controlled) do MIT (Viện công nghệ Massachusetts) thiết kế và chế tạo theo đặt hàng của Không lực Hoa kỳ, để sản xuất các chi tiết phức tạp và chính xác của máy bay. - Năm 1952: Chiếc máy phay đứng 3 trục điều khiển số của hảng Cincinnati SVTH: Phạm Thanh Sơn_Nguyễn Văn Hãi_Phạm Anh Vũ 3
21. DATN: GVHD: ThS Tưởng Phước Thọ Hydrotel được trưng bày tại MIT. - Những năm 1960: + Máy NC được sản xuất và sử dụng trong công nghiệp. + Các bộ điều khiển số đầu tiên dùng đèn điện tử nên tốc độ xử lý chậm, cồng kềnh và tiêu tốn nhiều năng lượng. + Chương trình được chứa trong các băng và bìa đục lỗ, khó hiểu và không sửa chữa được. + Giao tiếp người - máy rất khó khăn vì không có màn hình, bàn phím. - Năm 1970: + Các linh kiện bán dẫn được sử dụng phổ biến trong công nghiệp + Máy NC gọn hơn, tốc độ xử lý cao hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn, + Các băng đục lỗ sau này được thay bằng băng hoặc đĩa từ, + Tính năng sử dụng của các máy NC vẫn chưa được cải thiện đáng kể, cho đến khi máy tính được ứng dụng. - Đầu những năm 1970, máy CNC (Computer Numerical Control) ra đời: Các bộ điều khiển số trên máy công cụ được tích hợp máy tính và thuật ngữ CNC ra đời. Máy CNC ưu việt hơn máy NC thông thường về nhiều mặt. - Tốc độ xử lý cao, kết cấu gọn, - Ưu điểm quan trọng nhất của chúng là ở tính năng sử dụng, giao diện với người dùng và các thiết bị ngoại vi khác. Ưu điểm của các máy CNC ngày nay: - Có màn hình, bàn phím và nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin với người dùng. - Nhờ màn hình, người dùng được thông báo thường xuyên về tình trạng của máy, cảnh báo báo lỗi và nguy hiểm có thể xảy ra, có thể mô phỏng để kiểm tra trước quá trình gia công, - Có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác như robot, băng tải, thiết bị đo, trong hệ thống sản xuất. - Có thể trao đổi thông tin trong mạng máy tính các loại, từ mạng cục bộ (LAN) đến mạng diện rộng (WAN) và Internet. SVTH: Phạm Thanh Sơn_Nguyễn Văn Hãi_Phạm Anh Vũ 4
22. S K L 0 0 2 1 5 4