Xây dựng và điều khiển máy phay gỗ cnc 4 trục dùng mach3

HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY GỖ CNC 4 TRỤC DÙNG MACH3 Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hó

GVHD: THS LÊ HOÀNG LÂM SVTH: ĐỖ THẾ SƠN

ĐỒNG VĂN SƠN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Hoàng Lâm

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thế Sơn MSSV: 18151236

Tp Hồ Chí Minh, 30 tháng 12 năm 2022

Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa

XÂY DỰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY GỖ

CNC 4 TRỤC DÙNG MACH3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

XÂY DỰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY GỖ

CNC 4 TRỤC DÙNG MACH3

Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa

Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Hoàng Lâm

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thế Sơn MSSV: 18151236

Đồng Văn Sơn MSSV: 18151235

Tp Hồ Chí Minh, 30 tháng 12 năm 2022

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ

MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ

ĐỘNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

o0o

Tp.HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2022

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên 1: Đỗ Thế Sơn MSSV: 18151236

Họ và tên sinh viên 2: Đồng Văn Sơn MSSV: 18151235

Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Hệ đào tạo: Đại học chính quy – Hệ Đại trà

Khóa: 2018 Lớp: 181511A

I TÊN ĐỀ TÀI

Tên của đề tài: Xây dựng và điều khiển máy phay gỗ CNC 4 trục dùng Mach3

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ môn Tự Động Hoá, Khoa Điện - Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

Thời gian thực hiện: Từ ngày 14/09/20122 đến 30 /12 /2022

II NHIỆM VỤ:

1 Nội dung tìm hiểu:

- Tìm hiểu nguyên lý, hoạt động và cách điều khiển động cơ Servo

- Tìm hiểu về các bộ Driver MR-J2S-20A, MR-J3-20A,MR-J3-40A, MR-JE-40A của hãng Mitsubishi

- Tìm hiểu về biến tần Mitsubishi E700

- Tìm hiểu mạch điều khiển CNC Mach3 USB, phần mềm Mach3

- Tìm hiểu về công nghệ CAM, phần mềm thiết kế CAM và G-CODE

2

Nội dung thực hiện:

- Thiết kế và thi công phần điện

- Giao tiếp được bo mạch CNC Mach3 USB với máy tính qua phần mềm Mach3

- Tính toán và cài đặt các thông số cho Servo trên bộ Driver và mạch CNC Mach3 USB trên phần mềm Mach3

- Điều khiển được các Driver Servo và đáp ứng được các yêu cầu tốc độ thông qua biến tần

- Thiết kế mẫu và xuất file G-CODE, điều chỉnh file G-CODE phù hợp

- Nhận xét và đưa ra hướng phát triển của đề tài

III HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

IV LỜI CAM ĐOAN CỦA SINH VIÊN:

Chúng tôi xin cam đoan đề tài “XÂY DỰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY

GỖ CNC 4 TRỤC DÙNG MACH3” là công trình nghiên cứu của chúng tôi dưới sự

hướng dẫn của ThS Lê Hoàng Lâm

Các số liệu, kết quả trong Đồ án tốt nghiệp là trung thực và không sao chép từ

LỜI CẢM ƠN

Đồ án tốt nghiệp đã được nhóm sinh viên hoàn thành trong thời gian 4 tháng tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Trong thời gian này, nhóm sinh viên đã nhận được sự trợ giúp tận tình từ thầy cô, bạn bè để đồ án được hoàn thành một cách tốt nhất

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Lê Hoàng Lâm, giảng viên khoa Điện – Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đã trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ và giúp đỡ nhóm về mặt ý tưởng, kiến thức, cơ sở vật chất… một cách tận tình, tâm huyết để nhóm có thể hoàn thành đồ án đúng tiến độ với chất lượng khả quan nhất

Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô trong bộ môn Điều khiển

tự động, các thầy cô trong khoa Điện – Điện tử, đã truyền đạt những kiến thức quý báu qua 4 năm học để chúng em có điều kiện hoàn thành tốt đồ án này

Cuối cùng nhóm sinh viên xin cảm ơn chân thành những anh chị đi trước, các bạn bè và gia đình đã ủng hộ, giúp đỡ về tinh thần, kình ngiệm trong suốt quá trình thực hiện đồ án

Nhóm sinh viên

Đỗ Thế Sơn Đồng Văn Sơn

LỜI NÓI ĐẦU

Trong một thời gian khá dài, ngành cơ khí đã tập trung nghiên cứu để giải quyết vấn đề tự động hóa ở các xí nghiệp có quy mô sản xuất lớn (hàng loạt và hàng khối) Nhưng trong thực tế, các xí nghiệp máy có quy mô sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt nhỏ lại là phổ biến ở Việt Nam Do đó, đòi hỏi các xí nghiệp này phải nâng cao về hiệu quả sản xuất năng suất lao động; đều này đã dẫn tới vấn đề nghiên cứu triển khai kỹ thuật tự động có tính linh hoạt cao trong các dây chuyền sản xuất

Máy công cụ - trung tâm gia công điều khiển bằng chương trình số và kỹ thuật

vi xử lý CNC - đã được sử dụng trong sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt nhỏ đã tạo điều kiện linh hoạt hoá và tự động hoá dây chuyền gia công Đồng thời làm thay đổi phương pháp và nội dung chuẩn bị cho sản xuất

Trong những năm gần đây các máy NC và CNC đã được nhập vào Việt Nam và hiện nay đang hoạt động trong một số nhà máy, viện nghiên cứu và các công ty liên doanh Cũng chính vì thế nên việc nghiên cứu, chế tạo máy CNC đã được nhiều nhà kỹ thuật, kỹ sư Việt Nam đang theo đuổi

Để tổng kết lại những kiến thức đã học cũng như để làm quen với công việc thiết

kế Em đã được nhận đề tài "Xây dựng và điều khiển máy phay gỗ CNC 4 trục dùng MACH3” Vì lần đầu làm quen với công việc thiết kế tổng thể, mặc dù được sự hướng

dẫn của thầy Lê Hoàng Lâm nhưng cũng không tránh khỏi những bỡ ngỡ Hơn nữa, tài liệu phục vụ cho công việc thiết kế còn quá ít, thời gian thực hiện đề tài không nhiều, khả năng còn hạn chế nên chắc trong quá trình thiết kế sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Nên rất mong được sự giúp đỡ và chỉ bảo của các thầy cô

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Xác nhận của GVHD

ThS Lê Hoàng Lâm

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỜI CẢM ƠN iii

LỜI NÓI ĐẦU iv

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH ix

DANH MỤC BẢNG xii

DANH MỤC VIẾT TẮT xiii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 1

1.3 Phương pháp nghiên cứu 1

1.4 Đối tượng nghiên cứu 1

1.5 Giới thiệu bố cục chương 2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Tổng quan về CNC 3

2.1.1 Khái niệm 3

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 3

2.1.3 Phân loại máy CNC 3

2.1.4 Ưu điểm và nhược điểm của máy CNC 5

2.2 Tổng quan về AC Servo 6

2.2.1 Khái niệm 6

2.2.2 Cấu tạo 7

2.2.3 Ứng dụng 8

2.3 Giới thiệu phần cứng 9

2.3.1 Driver servo MR-J2S-20A 9

2.3.2 Driver servo MR-J3-A 10

2.3.3 Driver servo MR-JE 11

2.3.4 Bo mạch Mach3 CNC USB 12

2.3.5 Động cơ trục chính Spindle 14

2.3.6 Biến tần Mitsubishi E700 15

2.3.7 Cảm biến APM-D3B1 17

2.3.8 Relay trung gian 18

2.3.9 Thiết bị đóng cắt CP30-BA 19

2.3.10 Bộ lộc nhiễu 19

2.3.11 Máy biến áp 20

2.3.12 Bộ nguồn chuyển đổi 21

2.3.13 Cầu dao khối (MCCB) 22

2.3.14 Cầu nối dây (Terminal) mở rộng 23

2.4 Giới thiệu phàn mềm 23

2.4.1 Phần mềm Mach3 23

2.4.2 CNC CAM và G-CODE/ M-CODE 24

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 26

3.1 Yêu cầu thiết kế 26

3.2 Giới thiệu mô hình 26

3.3 Thiết kế phần cơ khí 27

3.4 Thiết kế phần điện - điều khiển 28

3.4.1 Sơ đồ một sợi: thể hiện tổng quan của mô hình 28

3.4.2 Sơ đồ đấu dây mạch động lực 28

3.4.3 Sơ đồ đấu dây của driver MR-J3-40A và Servo 29

3.4.4 Sơ đồ đấu dây của driver MR-J3-20A và Servo 29

3.4.5 Sơ đồ đấu dây của driver MR-JE-40A và Servo 29

3.4.6 Sơ đồ đấu dây của driver MR-J2S-20A và Servo 30

3.4.7 Sơ đồ đấu dây của board Mach3 31

3.4.8 Bản vẽ tủ điện 32

3.4.9 Bản vẽ chi tiết tủ điện 32

3.5.Thiết kế mô hình trên phần mềm Solidwork 33

3.6.Tóm tắt quá trình thi công 35

CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN 40

4.1 Tóm tắt nguyên lý điều khiển máy vận hành tự động 40

4.2 Tính toán và cài đặt thông số 4 trục trên 4 bộ Driver 41

4.3 Cài đặt thông số cho biến tần 46

4.4 Cấu hình thông số điều khiển trên phần mềm Mach3 46

4.4.1 Giao diện phần mềm Mach3 46

4.4.2 Cài đặt thông số trên phần mềm Mach3 51

4.5 Thiết kế mẫu và xuất file G-CODE 57

4.6 Vận hành máy 62

4.7 Sản phẩm 63

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 63

5.1 Phần cơ khí 64

5.2 Phần điện 64

5.3 Sản phẩm 65

CHƯƠNG 6 NHẬN XÉT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 66

6.1 Nhận xét 66

6.2 Hướng phát triển đề tài 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2 1 Máy khoan CNC 4

Hình 2 2 Máy phay CNC 4

Hình 2 3 Máy cắt CNC 5

Hình 2 4 Máy mài CNC 5

Hình 2 5 Bộ động cơ AC Servo 6

Hình 2 6 Cấu tạo của động cơ AC servo 7

Hình 2 7 Driver servo MR-J2S-20A 9

Hình 2 8 Driver servo MR-J3-A 10

Hình 2 9 Driver servo MR-JE-40A 11

Hình 2 10 Bo mạch Mach3 CNC USB 12

Hình 2 11 Bản vẽ sơ đồ phân bố linh kiện trên mạch CNC Mach3 USB 13

Hình 2 12 Bo mạch Mach3 USB sau khi kết nối 13

Hình 2 13 Động cơ trục chính Spindle 15

Hình 2 14 Biến tần Mitsubishi E700 15

Hình 2 15 Cấu tạo của biến tần 16

Hình 2 16 Cảm biến APM-D3B1 17

Hình 2 17 Relay khối Panasonic 18

Hình 2 18 Relay khối omron 18

Hình 2 19 Thiết bị đóng ngắt CP30-BA 19

Hình 2 20 Bộ lọc nhiễu WYFTH20T1BD Woonyoung 20

Hình 2 21 Máy biến áp NESB300AE21 21

Hình 2 22 Bộ nguồn Omron S8VS-24024A 21

Hình 2 23 MCCB NF 30-SP 22

Hình 2 24 Các terminal (cầu nối dây) lắp ghép có khả năng mở rộng 23

Hình 2 25 Giao diện phần mềm Mach3 23

Hình 2 26 Vài phần mềm CAM thông dụng 25

Hình 3 1 Mô hình máy CNC 4 trục khắc gỗ 26

Hình 3 2 Các trục của máy CNC 27

Hình 3 3 Sơ đồ một sợi 28

Hình 3 4 Sơ đồ mạch động lực 28

Hình 3 5 Sơ đồ đấu dây của driver MR-J3-40A và Servo 29

Hình 3 6 Sơ đồ đấu dây của driver MR-J3-40A và Servo 29

Hình 3 7 Sơ đồ đấu dây của driver MR-JE-40A và Servo 30

Hình 3 8 Sơ đồ đấu dây của driver MR-J2S-20A và Servo 30

Hình 3 9 Sơ đồ đấu dây của mạch điều khiển – 1 31

Hình 3 10 Sơ đồ đấu dây của mạch điều khiển – 2 31

Hình 3 11 bản vẽ tủ điện 32

Hình 3 12 bản vẽ chi tiết tủ điện 32

Hình 3 13 Thiết kế bàn gá phôi trên Solidwods 33

Hình 3 14 Thiết kế thanh trượt trên Solidwods 33

Hình 3 15 Thiết kế mặt sau thanh trượt trên Solidwods 34

Hình 3 16 Thiết kế bàn thép trên Solidwods 34

Hình 3 17 Thiết kế mô hình trên Solidwords 35

Hình 3 18 Mô hình của khoá trước 35

Hình 3 19 Mô hình sau khi tháo gỡ 36

Hình 3 20 Phôi nhôm chưa gia công 36

Hình 3 21 Bàn gá phôi khi được gia công 37

Hình 3 22 2 thanh trượt sau khi được gia công 37

Hình 3 23 Lắp ráp cơ cấu 38

Hình 3 24 Mô hình sau khi lắp ráp xong 38

Hình 3 25 Quá trình lắp đặt tủ điện 39

Hình 3 26 Tủ điện sau khi hoàn thành 39

Hình 4 1 Mô tả sơ lược quá trình điều khiển 40

Hình 4 2 Hệ tọa độ các trục máy CNC 41

Hình 4 3 Các lựa chọn nhận xung của Driver 41

Hình 4 4 Vị trí của Tỉ số Gear trong sơ đồ điều khiển tín hiệu 42

Hình 4 5 Giao diện phần mềm Mach 3 47

Hình 4 6 Tab điều khiển thủ công 48

Hình 4 7 Tab cài đặt 49

Hình 4 8 Tab kiểm soát toàn bộ tín hiệu của bo mạch MACH3 50

Hình 4 9 Chế độ MPG/JOG 51

Hình 4 10 Chọn lựa Driver điều khiển 52

Hình 4 11 Các lựa chọn cấu hình trong phần mềm 52

Hình 4 12 Lựa chọn tần số phát xung 100 kHz tại Tab Port Setup and Axis Selection 53

Hình 4 13 Thiết lập thông số ngõ phát xung cho 4 trục tại Tab Motor Outputs 53

Hình 4 14 Thiết đặt thông số ngõ vào tại tab Input Signals 54

Hình 4 15 Thiết đặt thông số ngõ ra tại Tab Output Signals 54

Hình 4 16 Thiết đặt thông số ngõ ra Spindle tại Tab Spindle Setup 55

Hình 4 17 Nhập thông số motor tuning cho trục X 56

Hình 4 18 Nhập thông số motor tuning cho trục Y 56

Hình 4 19 Nhập thông số motor tuning cho trục Z 56

Hình 4 20 Nhập thông số motor tuning cho trục A 57

Hình 4 21 File tạo phôi 58

Hình 4 22 Gốc toạ độ 58

Hình 4 23 Độ dày phôi 58

Hình 4 24 Kích thước dao 59

Hình 4 25 Set Thông số Collect 59

Hình 4 26 Cài đặt tốc độ 60

Hình 4 27 Cài đặt phương thức phay 60

Hình 4 28 Mô phỏng quá trình chạy dao 61

Hình 4 29 Xuất G-code 61

Hình 4 30 Chỉnh sửa G-code trên Cimco Edit 62

Hình 4 31 Quá trình khắc phôi 62

Hình 4 32 Edit G-CODE 63

Hình 4 33 Sản phẩm 63

Hình 5 1 Mô hình CNC 4 trục 64

Hình 5 2 Tủ điện 64

Hình 5 3 Sản phẩm 65

DANH MỤC BẢNG

Bảng 4 1 Bảng tóm tắt tính toán thông số cho 4 trục 46Bảng 4 2 Bảng cài đặt thông số cho biến tần E700 46Bảng 4 3 Cài đặt thông số 4 trục trong Motor Tuning 57

DANH MỤC VIẾT TẮT

STT VIẾT TẮT ĐẦY ĐỦ

1 CNC Computer Numerical Control

2 MDI Manual Data Input

3 CAM Computer-Aided Manufacturing

4 CAE Computer-Aided Engineering

5 MPG Manual Pulse Generators

6 PLC Programmable Logic Controller

7 USB Universal Serial Bus

15 MIT Massachusetts Institute of Technology

16 PNP Positive Negative Positive

17 NPN Negative Positive Negative

18 Config Configuration – Cấu hình

19 JOG Jogging

20 RPM Revolution Per Minute

21 NO Normal Open – Trạng thái thường hở của tiếp điểm

22 NC Normal Close – Trạng thái thường đóng của tiếp điểm

23 EIA Electronic Industries Alliance

36 Deg Degree

37 MCCB Molded Case Circuit Breaker

38 MCB Miniature Circuit Breaker

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Động cơ Servo đã và đang đóng một vai trò rất quan trọng trong ngành công nghiệp điều khiển tự động Cùng với sự phát triển không ngừng của nền công nghiệp, các ngành khoa học kỹ thuật cao thì ngày càng có những yêu cầu cao hơn về chất lượng

và năng suất lao động như là: độ chính xác của sản phẩm, tốc độ hoạt động của máy móc, khả năng đáp ứng với tần suất cao của hệ thống,…Động cơ Servo có khả năng đáp ứng được những yêu cầu khắt khe ấy, bởi thế các hệ thống tự động trong các nhà máy hiện nay đều sử dụng động cơ Servo trong hoạt động của mình, chẳng hạn như: cánh tay robot, máy CNC, dây chuyền lắp ráp, …

CNC là những động cơ có khả năng chạy chính xác và khả năng điều khiển phối hợp các động cơ một cách linh hoạt với nhau để tạo ra sản phẩm với tốc độ và độ chính xác cao nhất Trong đó động cơ Servo với những ưu điểm như tốc độ quay nhanh, moment lớn, độ chính xác cao… nên đã được sử dụng phổ biến trong các máy CNC

Với việc muốn tìm hiểu, nghiên cứu về cách thức hoạt động và cách điều khiển động cơ Servo, cụ thể là trên máy CNC nhóm sinh viên đã quyết định chọn đề tài ”Xây dựng và điều khiển máy CNC 4 trục dùng MACH3” với các trục sử dụng động cơ Servo,

để có thể tìm hiểu, nghiên cứu rõ hơn về cách thức hoạt động của động cơ Servo nói riêng và máy CNC nói chung

1.2 Mục tiêu của đề tài

Phay được sản phẩm theo đúng hình dạng và kích thước vật mẫu đã thiết kế

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Nhóm đã tìm hiểu về máy CNC qua những thông tin trên internet, các sách báo

có nội dung về CNC và các quan sát thực tế bên ngoài Cùng với đó, nhờ sự hướng dẫn của giảng viên đã giúp nhóm chúng tôi có những hướng nghiên cứu rõ ràng hơn để có thể hoàn thành đề tài

1.4 Đối tượng nghiên cứu

Cơ khí:

- Cơ cấu các trục vitme (trục X,Y, Z) gắn trực tiếp với động cơ Servo hoặc thông qua hộp số (trục A)

- Các chi tiết phần cứng khác: mặt bàn phay, khối đế máy, chốt định vị, van kẹp phôi

Điều khiển:

- Driver servo MR-J2S-20A, MR-J3-40A, MR-J3-20A, MR-JE-40A điều khiển động cơ Servo

- Bo mạch CNC Mach3 USB điều khiển bằng phần mềm Mach3

- Biến tần Mitsubishi E700

1.5 Giới thiệu bố cục chương

Phần còn lại của đề tài có nội dung như sau:

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương này sẽ giúp chúng ta khái quát được đề tài như: đặt vấn đề, mục tiêu đề tài, phương pháp nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này sẽ trình bày các kiến thức liên quan như: CNC, Servo, bo mạch CNC Mach3 USB, phần mềm Mach3, G-CODE và các thiết bị khác dùng

để hỗ trợ điều khiển CNC

Chương 3: Thiết kế và thi công mô hình

Chương này sẽ trình bày chi tiết từ việc thi công mô hình, lắp đặt các thiết

bị, bố trí trong tủ điện

Chương 4: Điều khiển

Chương này sẽ trình bày về chi tiết các bước để điều khiển máy CNC có thể thực hiện theo yêu cầu từ việc thiết lập các thông số và xuất G-CODE ra phần mềm Mach3 để thực hiện quá trình gia công

Chương 5: Nhận xét và hướng phát triển đề tài

Chương này sẽ trình bày các kết quả đạt được khi thực hiện đề tài, sau đó

sẽ kết luận khi hoàn thành mô hình cũng như tạo ra sản phẩm, cuối cùng đưa ra hướng phát triển đề tài

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về CNC

2.1.1 Khái niệm

CNC (Computer Numerical Control) là một dạng máy điều khiển bằng máy tính với mục đích sản xuất các bộ phận phức tạp bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G Quá trình điều khiển để máy di chuyển theo các hướng thẳng và cong bất kì được điều khiển bằng máy tính công nghiệp hoặc điều khiển chuyên dụng Máy CNC có thể làm việc trong không gian 2D, 3D,…Để máy CNC hoạt động được, cần phải nạp chương trình vào hệ thống vi tính thông minh Máy vi tính có nhiệm vụ xử lý và điều khiển các bộ phận của máy như đầu cắt, tốc độ cắt, biên độ cắt,… theo chương trình có sẵn để gia công sản phẩm

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Mỗi loại máy CNC sẽ có những cấu tạo riêng nhưng đều sẽ có 2 phần cơ bản sau:

- Phần chấp hành: Đế máy, thân máy, bàn máy, bàn xoay, trục vít me bi, ổ tích dụng cụ, cụm trục chính và băng dẫn hướng

- Phần điều khiển: các loại động cơ, các hệ thống điều khiển và máy tính trung tâm

Nguyên lý hoạt động:

- Máy CNC khi hoạt động sẽ di chuyển trên 3 trục X, Y, Z theo tọa độ

- Khi máy CNC được khởi động và thực hiện các lệnh cắt, trục Z sẽ di chuyển lên xuống theo khoảng cách được cài đặt Đầu cắt ( trục Z) sẽ nhận nguồn năng lượng

từ bộ nguồn để xuyên thủng vật liệu

- Lúc này bàn máy sẽ giữ chặt sản phẩm để máy di chuyển trên các thanh ray theo trục X và Y để tạo ra các đường cắt trên vật liệu

2.1.3 Phân loại máy CNC

Trong công nghiệp, máy CNC sẽ có những chức năng và chủng loại khác nhau

Vì vậy, có nhiều tiêu chí để phân loại những máy CNC khác nhau

- Theo loại máy CNC: máy khoan, máy tiện, máy phay, máy ép,

- Theo phương pháp truyền động: truyền động điện, thủy lực, khí nén

- Theo phương pháp điều khiển: điều khiển điểm, điều khiển đoạn, điều khiển theo đường cắt( máy 2D, máy 3D)

- Theo phương pháp thay dao: thay dao bằng tay, phương pháp tự động kiểu vôn-ve

rơ Theo hệ điều hành: Fanuc, Siemens, Fagor, EMCO,…

- Theo số lượng trục của máy

- Theo kích cỡ và trọng lượng máy

Một số loại máy CNC trong công nghiệp:

Hình 2 1 Máy khoan CNC

Hình 2 2 Máy phay CNC

- Độ chính xác cao: Các máy CNC thông thường có độ chính xác máy là 0.001mm do đó có thể đạt được độ chính xác cao hơn

- Tốc độ cắt cao: Nhờ cấu trúc cơ khí bền chắc của máy, Những vật liệu cắt hiện đại như gốm oxit hay kim loại cứng có thể sử dụng tốt hơn

- Tiết kiệm, rút ngắn thời gian gia công

- Tính linh hoạt cao trong lập trình nên tiết kiệm được thời gian chỉnh máy, tính kinh tế cao trong việc gia công hàng loại các sản phẩm nhỏ

- Chi phí dừng máy nhỏ

- Giá thành đo kiểm tra giảm, tiêu hao do kiểm tra ít

- Thời gian hiệu chỉnh máy nhỏ

- Có thể gia công hàng loạt

Nhược điểm:

- Giá thành để chế tạo máy cao chỉ phù hợp mục đích sử dụng với mục đích lâu dài và sản phẩm có mẫu mã không thay đổi nhiều

- Giá thành bảo dưỡng, sửa chữa máy cao

- Khó vận hành và thay đổi người đứng máy do việc sử dụng máy cần qua đào tạo kỹ lưỡng cũng như cần có hiểu biết chuyên sâu về máy CNC

moment, vị trí của động cơ hay các kết cấu cơ khí đi kèm đạt được như mong muốn thông qua khả năng hồi tiếp tín hiệu từ encoder về driver điều khiển

Hệ thống Servo là một hệ thống truyền động điều khiển hồi tiếp vòng kín, nhận tín hiệu và thực hiện một cách nhanh chóng và chính xác theo lệnh từ Controller (PLC, Arduino, Mach3, …)

2.2.2 Cấu tạo

AC Servo Motor thực chất là 1 động cơ xoay chạy bằng điện 3 pha, hoạt động dựa trên nguyên lý nam châm vĩnh cửu như các loại động cơ trong máy bơm hay máy quạt Điểm khác biệt của AC Servo Motor so với các động cơ thông thường là nó được tích hợp nhiều công cụ điện tử và cảm biến để truyền thông tin và điều khiển như: bộ khuếch đại, bộ điều khiển, bộ mã hóa và màn hình Điều này làm tăng khả năng chính xác cũng như dễ dàng điều khiển của động cơ

Hình 2 6 Cấu tạo của động cơ AC servo

Cấu tạo bộ Servo: AC Servo Motor được cấu tạo từ 3 bộ phận chính:

- Bộ điều khiển:

Bao gồm màn hình, nút bấm, các thiết bị tiếp nhận và phát đi thông tin Bộ điều khiển của AC Servo Motor có chức năng tiếp nhận các thông tin về tốc độ,

vị trí, moment được truyền về sau đó hiển thị trên màn hình chính Từ đó, người dùng

có thể dễ dàng tùy chỉnh các thông số hoặc thiết lập PLC để động cơ hoạt động 1 cách thích hợp với từng loại hình công việc Động cơ Servo thường gắn với Vitme hoặc hộp

số giảm tốc

- Bộ khuếch đại Servo:

Thường được gắn chung với bộ điều khiển để tạo thành 1 khối Bộ khuếch đại có chức năng tiếp nhận thông tin dưới dạng code từ bộ mã hóa sau đó chuyển

về bộ điều khiển để hiển thị trên màn hình Ngoài ra, chức năng chính của bộ này là liên tục sửa đổi kết quả thực tế để giảm mức chênh lệch sau đó ra lệnh cho động cơ hoạt động Đây chính là tính năng chính mang lại sự khác biệt của AC Servo Motor, khả năng tự động hóa cực cao mang lại tính chính xác mà ta có thể thấy từ những sản phẩm của máy cắt CNC

- Thiết bị dò và dẫn động:

Tách rời và được nối với 2 bộ trên bằng dây dẫn, đây là trái tim của AC Servo Motor Gồm 2 phần, động cơ và bộ mã hóa Động cơ của nó được cấu tạo từ Rotor và Stator, bao gồm cuộn dây dẫn thứ cấp (nhôm hoặc đồng), nam châm, phanh điện từ, trục dẫn động hoạt động theo nguyên lý ứng dụng nam châm vĩnh cửu

Bộ mã hóa hay còn gọi là Encoder sẽ tiếp nhận thông tin từ động cơ rồi chuyển về dạng

mã hóa (code) sau đó truyền đi để xử lý và ngược lại

Động cơ servo có 3 chế độ điều khiển: điều khiển vị trí, điều khiển tốc độ và điều khiển moment Tùy thuộc và mục địch sử dụng mà người dùng lựa chọn chế độ điều khiển phù hợp nhất Ở chế độ điều khiển vị trí, servo có khả năng điều khiển chính xác đến đơn vị micromet

2.3 Giới thiệu phần cứng

2.3.1 Driver servo MR-J2S-20A

Servo Mitsubishi MR-J2S-20A là dòng Servo Mitsubishi cơ bản, đáp ứng được hầu hết các yêu cầu của 1 ứng dụng cần dùng Servo như: Điều khiển vị trí, Điều khiển tốc độ, Điều khiển lực căng…

Hình 2 7 Driver servo MR-J2S-20A

1 – Display: dùng để hiển thị các trạng thái của servo và cảnh báo các lỗi cho người sử dụng biết

2 – Operation section: bao gồm 4 nút nhấn để thiết lập các trạng thái của servo

là MODE, UP, DOWN, SET

MODE: dùng để thay đổi các chế độ

UP, DOWN: dùng để thay đổi các chế độ hiển thị hoặc dữ liệu trong mỗi chế độ SET: dùng để thiết lập cho parameter

3, 4 – CN1A, CN1B: cổng kết nối tín hiệu điều khiển I/O

5 – CN2: cổng kết nối Encoder

6 – CN3: cổng kết nối RS-422/RS-232C

7 – Main circuit terminal block: dùng để kết nối nguồn và động cơ servo

• Thông số kỹ thuật:

- Điện áp nguồn cấp: 3 pha 200 – 230VAC hoặc 1 pha 230VAC

- Điện áp ra: 3 pha 200 – 230VAC

- Công suất: 200W

- Độ phân giải encoder: 17 bit (131072 xung/ vòng)

- Loại động cơ servo tương thích: HC-KFS23, HC-KFS23B

- Giao tiếp: RS232

- Chức năng điều khiển bao gồm: tốc độ, vị trí, và mô-men xoắn

- Phương pháp điều khiển: điều chế xung PWM, điều chỉnh dòng điện

- Khả năng kết nối mạng CC-Link hoặc SSCNE

- Hãng sản xuất: Mitsubishi

2.3.2 Driver servo MR-J3-A

Hình 2 8 Driver servo MR-J3-A

1 – CN1: cổng kết nối tín hiệu điều khiển I/O

2 – CN2: cổng kết nối Encoder

3 – CN3: cổng kết nối RS-422

4 – CN5: cổng kết nối giao tiếp USB

5 – CN6: cổng kết nối màn hình analog

6,7 – CNP1, CNP2 : cổng kết nối nguồn cho mạch công suất chính

8 – CNP3: cổng kết nối mạch điều khiển với động cơ servo

9 – CN4: cổng kết nối pin

• Thông số kỹ thuật:

- Điện áp nguồn cấp: 3 pha 200 – 230VAC hoặc 1 pha 230VAC

- Điện áp ra: 3 pha 200 – 230VAC

- Công suất: 200W, 400W

- Độ phân giải encoder: 18 bit (262144 xung/ vòng)

- Loại động cơ servo tương thích: HF- MP23, HF-KP23

- Giao tiếp: RS232, USB

- Chức năng điều khiển bao gồm: tốc độ, vị trí, và mô-men xoắn

- Phương pháp điều khiển: điều chế xung PWM, điều chỉnh dòng điện

- Hãng sản xuất: Mitsubishi

2.3.3 Driver servo MR-JE

Hình 2 9 Driver servo MR-JE-40A

1 – display: hiển thị trạng thái hoạt động của servo và cảnh báo lỗi

2 – operation section: bao gồm 4 nút nhấn để thiết lập các trạng thái của servo là MODE, UP, DOWN, SET

MODE: dùng để thay đổi các chế độ

UP, DOWN: dùng để thay đổi các chế độ hiển thị hoặc dữ liệu trong mỗi chế độ SET: dùng để thiết lập cho parameter

3 – CN3: cổng kết nối thông tin USB giúp kết nối với máy tính

4 – CN1: cổng kết nối tín hiệu điều khiển I/O

5 – CN2: cổng kết nối encoder

6 – CNP1: cổng kết nối nguồn hoạt động và điều khiển

• Thông số kỹ thuật:

- Điện áp nguồn cấp: 3 pha 200 – 240VAC hoặc 1 pha 240VAC

- Điện áp ra: 3 pha 170VAC

- Công suất: 400W

- Độ phân giải encoder: 17 bit (131072 xung/ vòng)

- Loại động cơ servo tương thích: HF-KN43, HG-KN43

- Giao tiếp: RS422,USB

- Chức năng điều khiển bao gồm: tốc độ, vị trí, và mô-men xoắn

- Phương pháp điều khiển: điều chế xung PWM, điều chỉnh dòng điện

Có 4 ngõ vào IN1, IN2, IN3, IN4 và 4 ngõ ra OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 Toàn

bộ ngõ vào và ra được cách ly quang đảm bảo an toàn tuyệt đối

Hình 2 11 Bản vẽ sơ đồ phân bố linh kiện trên mạch CNC Mach3 USB

Hình 2 12 Bo mạch Mach3 USB sau khi kết nối

• Thông số kỹ thuật:

- Mạch MACH3 USB

- Giao tiếp với máy tính qua cổng kết nối USB

- Nguồn sử dụng: 5VDC lấy từ máy tính Nếu cấp nguồn cao hơn có thể làm cháy mạch

- Tần số xung tối đa: Gồm có 7 chọn lựa 25, 35, 45, 60, 65, 75 và cao nhất là 100 kHz

- Điều khiển được 4 trục máy CNC (X, Y, Z, A) sử dụng cho động cơ servo và động cơ bước

- Số ngõ vào: 4 ngõ IN1, IN2 IN3, IN4 cách ly OPTO Mach 3 còn cho ta khả năng mở rộng thêm 15 chân input

- Số ngõ ra: 4 ngõ OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 cách ly IC đệm

Hình 2 13 Động cơ trục chính Spindle

2.3.6 Biến tần Mitsubishi E700

Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động

cơ và thông qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí Biến tần sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự dòng điện đặt vào các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay động cơ

Hình 2 14 Biến tần Mitsubishi E700

2.3.6.1 Cấu tạo của biến tần

Hình 2 15 Cấu tạo của biến tần

f : tần số điện áp đầu vào động cơ

s : hệ số trượt

P : số cực

Đầu tiên, máy biến tần sẽ nhận dòng điện từ nguồn trực tiếp, có thể là dòng điện

1 pha hoặc 3 pha … Sau đó dòng điện này đi vào các tụ điện và nhờ có bộ chỉnh lưu(AC – DC) sẽ được chuyển thành nguồn điện 1 chiều bằng phẳng Việc này đòi hỏi nguồn điện đầu vào phải là nguồn có tần số và điện áp cố định, thông thường là 380V và 50Hz Máy biến tần có khả năng điều chỉnh tần số về 0Hz hoặc tăng lên 400Hz (một số loại đặc biệt có thể điều chỉnh tần số lên đến 590Hz thường được sử dụng trong công nghiệp nặng)

2.3.6.2 Thông số kỹ thuật của biến tần Mitsubishi E700

Nguồn cấp: 1 pha 200-240VAC, 50/60Hz; 3 pha 200-240VAC, 50/60Hz

Công suất: 1 pha: 0,1-2,2kW, 3 pha: 0,1 – 15kW

Dòng điện: 1 pha: 0.8 (0.8) – 11 (10) A, 3 pha: 0.8 (0.8) – 60 (57) A

Phương pháp điều khiển: Soft-PWM control/high carrier frequency PWM control (V/Fcontrol, Advanced magnetic flux vector control, General-purpose magnetic flux vector control, Optimum excitation control are available)

Ngõ vào: Analog, Digital

Ngõ ra: Open collector hở, Relay

Chức năng bảo vệ: Động cơ, quá dòng tức thời, quá tải, quá áp, thấp áp, mất áp, quá nhiệt, quá nhiệt điện trở phanh, ngăn chặn sụt

Chức năng chính: Thiết lập tối đa, tối thiểu tần số, lựa chọn đầu vào rơ le nhiệt ,chức năng tự động dò tốc độ động cơ khi mất nguồn sử dụng cảm biến tốc độ, tích hợp sẵn bộ điều khiển PID, liên kết máy tính (RS-485)…

Truyền thông : Hỗ trợ các chuẩn truyền thôngPU,USB, Modbus-RTU, Profibus, CC-Link, CAN open và SSCNET III

Cấp bảo vệ: IP00 (Mở lắp biến tần), IP20 (Đóng lắp)

- Ngõ ra: NPN Open collector (0V), NC (thường đóng)

2.3.8 Relay trung gian

Relay trung gian là một thiết bị điện tử có chức năng chuyển mạch tín hiệu điều khiển và khuếch đại chúng với kích thước nhỏ Trong sơ đồ điện, relay được lắp ở vị trí trung gian Cụ thể hơn, relay nằm giữa thiết bị điều khiển công suất nhỏ và thiết bị điều khiển công suất lớn Khi có dòng điện chạy qua relay, dòng điện này sẽ chạy qua cuộn dây bên trong và tạo ra một từ trường hút Từ trường hút này tác động lên một đòn bẩy bên trong làm đóng hoặc mở các tiếp điểm điện và như thế sẽ làm thay đổi trạng thái của relay

Hình 2 17 Relay khối Panasonic

• Thông số kỹ thuật:

- Điện áp điều khiển: 24VDC

- 8 chân, 2 cặp tiếp điểm 5A

- Nhiệt độ làm việc: -55oC – 70oC

Hình 2 18 Relay khối omron

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp điều khiển: 24VDC

- Điện áp chuyển mạch: 380VAC hoặc 125VDC

- Dòng điện cuộn hút: 5A

Hình 2 20 Bộ lọc nhiễu WYFTH20T1BD Woonyoung

Hình 2 21 Máy biến áp NESB300AE21

- Công suất: 0.3 kVA

2.3.12 Bộ nguồn chuyển đổi

Công dụng: chuyển đổi điện áp: AC/DC to DC

Hình 2 22 Bộ nguồn Omron S8VS-24024A

• Thông số kỹ thuật:

- Số đầu ra: 1

- Công suất đầu ra: 240W

- Điện áp định mức đầu ra: 24 VDC

- Dòng điện định mức đầu ra: 10A

- Nguồn cấp: 1 pha 100 240 VAC, 80 370 VDC

- Tần số đầu vào định mức: 50 Hz, 60 Hz

2.3.13 Cầu dao khối (MCCB)

- MCCB là một cầu dao tự động dạng khối sử dụng để đóng ngắt các dòng điện

từ 1 pha, 2 pha đến 3 pha khi có các sự cố như quá tải, ngắn mạch và mạch điện bị sụt

áp Nếu như aptomat tép MCB có dòng định mức thấp, thường ứng dụng ở các công trình dân dụng, thì MCCB là thiết bị có dòng định mức cao lên đến 1000A được dùng rộng rãi hơn, từ các công trình công nghiệp đến công trình dân dụng, nhất là mạng điện

- AC Breaking capacity (kA rms) IEC60947-2 Icu/Ics

+ 230V: 5/2 + 400V: 5/2 + 440V: 2.5/1 + 500V: 2.5/1

2.3.14 Cầu nối dây (Terminal) mở rộng

Terminal được sử dụng và giúp ích rất nhiều trong việc nối dây Việc kiểm soát các kết nối và tạo ra 1 hệ thống đấu nối dây đúng kỹ thuật và thẩm mỹ, dễ dàng kiểm soát và kiểm tra Các terminal được sử dụng trong mô hình này là loại có dòng điện

Hình 2 25 Giao diện phần mềm Mach3