Luận văn thiết kế và thi công máy phay cnc

Do đó em đã lựa chọn đề tài “Thiết kế và thi công máy phay CNC” nhằm vận dụng các kiến thức đã học cũng như có cái nhìn tổng quát về phương thức hoạt động của mô hình máy CNC nói chung v

UNIVERSITY BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ SÀI GÒN

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY PHAY CNC

XÁC NHẬN CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Tp Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 07 năm 2018

CHỮ KÝ CỦA GVHD

XÁC NHẬN CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng 07 năm 2018

CHỮ KÝ CỦA GVPB

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học (2016 – 2018) tại trường đại học Công Nghệ Sài Gòn, cùng

với sự giúp đỡ của quý thầy cô và giáo viên hướng dẫn về mọi mặt từ nhiều phía và nhất là trong thời gian thực hiện đề tài Luận Văn Tốt Nghiệp nên đề tài đã được hoàn thành đúng thời gian quy định

Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến:

Ban Giám Hiệu, quý thầy cô trong trường đặc biệt là các thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử đã tận tình chỉ dẫn và truyền đạt các kiến thức chuyên môn làm cơ sở để nhóm chúng

em thực hiện tốt Luận Văn Tốt Nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn tất khóa học này

Đặc biệt em xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy TS.Nguyễn Đức Thành –

giáo viên hướng dẫn đề tài đã nhiệt tình giúp đỡ và cho em những lời chỉ dạy quý báu, giúp chúng em định hướng tốt trong khi thực hiện Luận Văn Tốt Nghiệp

Tp Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 07 năm 2018

Sinh viên thực hiện Nguyễn Minh Mẫn

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Tên đề tài:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY PHAY CNC

Nội dung của đề tài toàn bộ gồm 6 vấn đề:

1 Tổng quan về bộ điều khiên Arduino, mạch công suất, module CNC Shield V3

2 Thiết kế khung của máy phay gồm 3 trục X,Y, Z

3 Tìm hiều và sử dụng phần mềm nạp code và điều khiển máy phay

4 Sử dung phần mềm để xuất file g-code làm nguyên liệu cho phần mềm điều khiển

5 Thi công xe điều khiển mini

6 Lập trình

MỤC LỤC

XÁC NHẬN CỦA GVHD i

XÁC NHẬN CỦA GVPB ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT ĐỀ TÀI iv

MỤC LỤC v

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề: 1

1.2 Mục tiêu của luận văn tốt nghiệp: 1

1.3 Phạm vi của luận văn: 1

1.4 Sơ đồ khối của máy phay CNC: 2

1.5 Một số máy phay CNC đang có trên thi trường: 2

CHƯƠNG 2: T NG QUAN SƠ LƯ C I N THỨC 4

2.1 Giới thiệu về arduino 4

2.2 Module CNC Shield V3 7

2.3 Module driver điều khiển động cơ A4988 8

2.4 Động cơ bước Nema 10

2.5 Mạch tăng áp DC 150W: 12

2.6 Động cơ 775-150W 13

CHƯƠNG 3: THI T VÀ THI CÔNG 14

3.1 Thiết kế 13

3.1.1 Khối điều khiển 16

3.1.2 Khối động cơ 18

3.1.2 Khối động cơ phay 20

3.2 Thi công 20

3.3 Phần mềm xử lý file và điều khiển máy 22

3.3.1 Phần mềm nạp code 22

3.3.2 Phần mềm xử lý file 23

3.3.3 Phần mềm điều khiển máy CNC 27

3.3.3 Thông số Gcode ban đầu lập trình cho bCNC 28

CHƯƠNG 4: T QUẢ 33

4.1 Ưu điểm và nhược điểm 33

4.2 Kết quả đạt được 33

4.3 Kết quả chưa đạt được 33

4.4 Định hướng phát triển đề tài 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề:

Ngày nay máy CNC không còn là khái niệm xa lạ tại Việt Nam Máy CNC xuất hiện tại hầu hết các lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là trong công nghiệp Dựa trên nguyên lý hoạt đông của máy CNC các máy phay CNC dần ra đời từ đó công nghệ CNC đang ngày càng quan trọng với việc tạo nên các sản phẩm đạt chất lượng của ngành công nghiệp hỗ trợ Tại Việt Nam, các thiết bị phay CNC công nghiệp đã có mặt trên thị trường trong nhiều năm và phần lớn được cung cấp bởi các nhà sản xuất từ Trung Quốc Các máy phay cho phép gia công các sản phẩm có độ chính xác và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được Nhờ sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật nhiều loại máy ngày nay có thể hoạt động với tốc

độ nhanh trong nhiều giờ liên tục và như vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác

Do đó em đã lựa chọn đề tài “Thiết kế và thi công máy phay CNC” nhằm vận dụng các kiến thức đã học cũng như có cái nhìn tổng quát về phương thức hoạt động của mô hình máy CNC nói chung và máy phay CNC nói riêng, nhằm mục đích ứng dụng các kiến thức đã học cũng như nghiên cứu chế tạo một máy phay có thể khắc trên nhiều loại vật liệu như gỗ, mica,…

1.2 Mục tiêu của luận văn tốt nghiệp:

Thiết kế và thi công máy phay CNC

Tìm hiểu về Arduino, modul CNC Shield V3, về mạch điều khiển động cơ

Lập trình arduino cho máy phay và ứng dụng vào máy phay

Vận dụng kiến thức và kỹ năng đã học để phân tích và giải quyết các vấn đề vừa nêu trong mục tóm tắt đề tài để đưa hoàn thiện sản phẩm thực tế

Đạt được khả năng nhìn nhận, phân tích, tổng hợp và đánh giá và giải quyết vấn đề thỏa mãn yêu cầu:

+ Tính khả thi cao

+ Chi phí phù hợp

+ Đảm bảo độ tính chính xác khi điều khiển

+ Thuận tiện cho việc bảo dưỡng và sửa chữa

1.3 Phạm vi của luận văn tốt nghiệp:

Do điều kiện còn nhiều hạn chế nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu các vấn đề vừa nêu

ở mục tóm tắt đề tài

Máy phay làm việc ổn định

Máy nhỏ gọn với kích thước làm việc 20x30 cm

hả năng ứng dụng cao trong thực tế cao hơn

1.4 Sơ đồ khối của máy phay CNC:

Hình 1.4: Sơ đồ khối máy phay CNC

1.5 Một số máy phay CNC khác đang có trên thị trường

CHƯƠNG 2:

T NG QUAN SƠ LƯ C KIẾN THỨC

2.1 Giới thiệu về arduino

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau Arduino sử dụng dòng vi xử lý 8-bit megaAVR của Atmel với hai chip phổ biến nhất là ATmega328 và ATmega2560 Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8 bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm

đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… hay những ứng dụng khác

2.1.1 Bộ nhớ

Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:

- 32 B bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài B trong số này sẽ được dùng cho bootloader

- 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo khi lập

trình sẽ lưu ở đây hai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM hi mất điện,

dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

- 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây

giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM

2.1.2 Các cổng vào/ra

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối)

Hình 1.1: Arduino Uno R3 Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

- 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive –

RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này

ết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

- Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép xuất ra xung PWM với độ phân giải

8bit (giá trị từ 0 → 28

-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite() Nói một cách đơn giản, có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác

- Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các chức

năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

- LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) hi bấm nút

Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 →

210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chân AREF trên board, có thể để

đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với

độ phân giải vẫn là 10bit

Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

2.1.3 Lập trình cho Arduino

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung Và Wiring lại là một biến thể của C/C++ Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay C/C++ Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu Nếu học tốt chương trình Tin học 11 thì việc lập trình Arduino sẽ dể dàng hơn rất nhiều

Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, cung cấp đến cho

người dùng một môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated

Development Environment)

2.1.4 Một số thông số của Arduino

Vi điều khiển ATmega328 (họ 8bit)

Điện áp hoạt động 5V – DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động 16 MHz

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V – DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

CNC shield V3 là board mở rộng của arduino UNO R3 dùng để điều khiển

các máy CNC mini Board có 4 khay dùng để cắm các module điều khiển động cơ

bước A4988, khi đó board có thể điều khiển 3 trục X, Y, Z và thêm 1 trục thứ 4 tùy

chọn trên máy CNC mini

Tương thích GRBL (mã nguồn mở chạy trên Arduino UNO R3 để điều khiển

máy CNC mini)

2.3 Module driver điều khiển động cơ A4988

A4988 là một trình điều khiển động cơ vi bước hoàn chỉnh với việc tích hợp bộ dịch cho hoạt động dễ dàng Sản phẩm này hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động của động cơ bước lưỡng cực như: Full, Half, ¼, 1/8 và 1/16

Hình 2.3a: Module A4988

Thông số kỹ thuật:

Công suất ngõ ra lên tới 35V và ± 2A

Bao gồm một bộ điều khiển chỉnh dòng cố định chạy giữa 2 chu kỳ, thời gian mà máy chạy không dòng rất nhỏ hoặc phân rã

Hình 2.3b: Sơ đồ nối dây với motor

ết nối giữa A4988 với Arduino

Hình 2.3c: Arduino với A4988 và động cơ bước

2.4 Động cơ bước Nema size 42x35

Động cơ bước Nema size 42x35 là động cơ bước cở nhỏ được dùng nhiều

trong các loại máy CNC như: máy laser, máy vẽ, máy phay CNC mini, máy in 3D,…

Nguyên lý hoạt động và điều khiển:

hác với các động cơ thông thường, động cơ bước cần phải cấp xung đến các đầu dây vào theo thứu tự nhất định thì động cơ mới có thể hoạt động Để có được xung điều khiển theo tuần tự cấp vào các dây, mỗi động cơ bước cần có 1 driver chuyên dụng để điều khiển nó Vấn

đề nguyên tắc vào điều khiển các xung liên tiếp hay gián đoạn cho các dây vào của động cơ bước hoạt động đưuọc

Trước tiên ta xét 1 động cơ bước kiểu lai đơn cực 6 dây ra, đây là loại độngc ơ được sử dụng trong chết tạo mô hình thực tế Các thành phần động cơ gồm có:

Nam châm vĩnh cửu có 1 cặp cực Bắc-Nam(N-S)

Stator 200 răng(độ phân giải của động cơ là 1.8 độ), được lái bởi 1 cặp cuộn dây A2 và B1-B2

A1-Hình 2.4b Bố trí các cuộn dây trong động cơ bước lai đơn cực

Hình 2.4c Cấu tạo rotor của động cơ bước lai đơn cực

Cấu tạo của rotor gồn có 2 cực Bắc-Nam bố trí dọc theo trục của rotor Hai cực đưuọc đặt lệch nhau 1 răng hi cực A-A1 có được cấp điện sao cho cực A là cực Bắc và A1 là cực Nam, khi đi cực A sẽ hút cực Nam trên của rotor về gần nhất, đồng thời cực Bắc trên rotor sẽ

xa cực A nhất vì có sự bố trí lệch nhau 1rawng trên rotor Các rang trên A và A1 cũng không được bố tri đố xứng mà chúng lệch nhau 1 răng vậy nên khi cực Bắc của rotor xa A nhất thì nó lại gần A1 nhất, còn cực Nam của rotor gần A nhất thì nó lại xa A1 nhất như vậy lực hút giữa rotor và stator là lớn nhất Rotor luôn được giữu vị trí cố định trong từ trường của stator tạo ra sao cho tại cùng một bản cực trên stator thì 1 cực của rotor gần đó nhất còn cực còn lại thì xa nhất hi cuộc A-A1 bị ngắt điện đồng thời cuộn B-B1 đưuọc cấp điện, khi đó từ trường của stator bị lệch đi 3 răng bằng với khoảng chênh lệch giữa cặp A-A1 và B-B1, từ trường này sẽ kéo rotor quay lệch đi 1 răng.Cứ tuần tự cấp điện như vậy, ta sẽ tạo ra từ trường quay quanh trục của rotor và kéo rotor quay hết vòng

2.5 Mạch tăng áp DC 150W điều khiển động cơ phay

Mạch tăng áp DC 150W được sử dụng để tăng điện áp DC với đầu vào tối thiểu 10VDC, đầu ra tối đa có thể tăng lên đến 35VDC, mạch có công suất lên đến 150W và biến trở tùy chỉnh dễ dàng phù hợp cho nhiều ứng dụng cần tăng áp DC khác nhau

Hình 2.5: Mạch tăng áp 150W

2.6 Động cơ DC 775 150W

Động cơ DC 775 150W sử dụng nguồn 12v - 12A, có khả năng tùy biến cho nhiều ứng dụng khác nhau nhƣ: máy bơm, máy cƣa, máy cắt, máy khoan, xe điện, động cơ cho máy phay mini,

Hình 2.6: Động cơ 775 150W

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

3.1 Thiết kế:

Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ kết nối toàn hệ thống

Hình 3.1a: Sơ khối máy CNC

Chức năng các phần từ trong hệ thống bao gồm (máy tín, nguồn, mạch Arduino UNO R3,

CNC shield V3, module A4988, động cơ bước, mạch tăng áp, động cơ phay)

Máy tính: có chức năng xuất mã Gcode cho khối điều khiển, sử dụng phần mềm điều khiển máy phay

Nguồn: có chức năng cung cấp điện cho toàn hệ thống

Mạch Arduino UNO R3: là khối điều khiển có chắc năng đọc mã Gcode và điều khiển động cơ bước thông qua driver A4988

CNC Shield V3: là boar mở rộng của Arduino UNO R3 dùng để điều khiển các máy CNC Boar có 4 khay để cắm các module điều khiển động cơ bước A4988 khi đó boar có thể điều khiển 3 trục X, Y, Z và thêm 1 trục thứ 4 tùy chọn trên các máy CNC mini

Module A4988: có thể dùng cho RepRap trong máy in 3D kèm với boar Ramps 1.4 Dùng với boar CNC shield V3 cho máy CNC mini hoặc dùng điều khiển động cơ bước

Động cơ bước: có chức năng biến đổi chuyển động tròn thành chuyển động thẳng Mạch tăng áp: có chức năng tăng điện áp từ 12VDC lên 35VDC cho motor phay Motor Phay: Có chức năng cắt đứt cacsc bền mặt phay

Hình 3.1b: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy CNC

Hình 3.1c: Sơ đồ thiết kế đấu dây là kết nối linh kiện

3.1.1 Khối điều khiển

Sử dụng boar Arduino với CNC shield kết nối với nhau theo trình tự hướng núm công tắc reset của boar CNC shield về phía cổng kết nối của Arduino và phần cấp nguồn của CNC shield về ngược lại Sauk hi đã kết nối Arduino và CNC shiled xong, tiến hành gắn các jumper cho các trục trên CNC shield theo thứ tự từ trên xuống vì điều khiển động cơ bước 1.8

độ nên phải dùng 3 jumper tại mỗi trục khi điều khiển thì động cơ bước sẽ nhận 200 xung để quay 1 vòng 360 độ và làm việc đúng yêu cầu

Sau đó kết nối A4988 với CNC shield theo trình tự hướng biến trở có sẳn trên A4988

về hướng trục Z và các jumper theo mỗi trục vì chân Enable của A4988 và Enable của CNC shile ở từng trục phải được kết nối với nhau

Hình 3.1.1a Arduino và CNC shield

Hình 3.1.1b Cách kết nối và định hình A4988