Ứng dụng công nghệ in 3d, chế tạo máy CNC mini gia công hoàn chỉnh mạch in

Nguyễn Thiên Chương cùng với sự cố gắng của bản thân và những góp ý của bạn bè và đồng nghiệp, sau một khoảng thời gian nghiên cứu, đồ án tốt nghiệp “Ứng dụng công nghệ In 3D, chế tạo

HOÀN CHỈNH MẠCH IN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

HOÀN CHỈNH MẠCH IN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: TS Nguyễn Thiên Chương

Khánh Hòa, Ngày 11 tháng 06 năm 2016

i

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian học tập và rèn luyện tại trường, được sự chỉ bảo và giảng dạy nhiệt tình của thầy cô trong trường cũng như các thầy cô trong bộ môn Cơ điện tử, giúp em tiếp thu được nhiều kiến thức bổ ích là hành trang để

em bước vào tương lai Cho em được gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể quý thầy cô đã giảng dạy và động viên em trong suốt thời gian vừa qua

Nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy TS Nguyễn Thiên Chương cùng

với sự cố gắng của bản thân và những góp ý của bạn bè và đồng nghiệp, sau một

khoảng thời gian nghiên cứu, đồ án tốt nghiệp “Ứng dụng công nghệ In 3D,

chế tạo máy CNC mini gia công hoàn chỉnh mạch in” của em đã hoàn thành

đúng thời hạn được giao

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc nhất đến thầy TS Nguyễn Thiên Chương đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình chỉ

bảo, định hướng chuyên môn giúp em khắc phục kịp thời mọi khó khăn trong quá trình thực hiện, luôn động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để em hoàn thành tốt đề tài này Có được sự trưởng thành như ngày hôm nay, trên hết em xin bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình và người thân đã luôn ủng hộ và động viên em, tạo mọi điều kiện để em yên tâm học tập và rèn luyện bản thân Bên cạnh đó, xin được gửi lời cảm ơn tới bạn bè và động nghiệp, những người luôn quan tâm chia sẻ và động viên trong suốt thời gian học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp Mặc dù đã cố gắng trong quá trình thực hiện nhưng luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và bạn bè

Sinh viên thực hiện

ĐẶNG VĂN BIÊN

ii

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: ĐẶNG VĂN BIÊN

Lớp: 54CDT

MSSV: 54130130

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử

Đề tài: “Ứng dụng công nghệ In 3D, chế tạo máy CNC mini gia công hoàn chỉnh mạch in”

Số trang: 75 Số chương: 4 Tài liệu tham khảo: 3

Hiện vật: 2 quyển báo cáo, 2 đĩa CD, 1 mô hình

NHẬN XÉT

Kết luận:

Khánh Hòa, Ngày…… tháng… năm 2016

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Ký ghi rõ họ tên)

iii

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI

Họ và tên sinh viên: ĐẶNG VĂN BIÊN

Lớp: 54CDT

MSSV: 54130130

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử

Tên đề tài: “Ứng dụng công nghệ In 3D, chế tạo máy CNC mini gia công hoàn chỉnh mạch in”

Số trang: 75 Số chương: 4 Tài liệu tham khảo: 3

Hiện vật: 2 quyển báo cáo, 2 đĩa CD, 1 mô hình

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Kết luận:

Điểm phản biện

Bằng số Bằng chữ

Điểm chung

Bằng số Bằng chữ

Khánh Hòa, Ngày… tháng… năm 2016

CÁN BỘ PHẢN BIỆN

(Ký ghi rõ họ tên)

Khánh Hòa, Ngày… tháng… năm 2016

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

(Ký ghi rõ họ tên)

iv

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN i

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH vi

DANH MỤC BẢNG ix

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Giới thiệu chung 2

1.1.1 Giới thiệu máy CNC………… ………2

1.1.2 Giới thiệu công nghệ in 3D 2

1.1.3 Công nghệ gia công mạch in bằng máy CNC 3

1.2 Mục tiêu đề tài 3

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4

2.1 Phương pháp nghiên cứu 4

2.2 Yêu cầu hệ thông 4

2.2.1 Yêu cầu phần cứng 4

2.2.2 Yêu cầu phần mềm 4

2.3 Phương án thiết kế 5

2.3.1 Phương án 1 5

2.3.1.1 Phương án thiết kế trục Y 5

2.3.1.2 Phương án thiết kế trục X 5

2.3.1.3 Thiết kế trục Z 7

2.3.1.4 Ưu điểm 7

2.3.1.5 Nhược điểm 7

2.3.1.6 Chế tạo thử nghiệm 8

2.3.1.7 Nhận xét 11

2.3.2 Phương án 2 12

2.3.3 Kết luận 13

2.4 Thiết kế, chế tạo phần cơ khí 13

2.4.1 Cơ sở lí thuyết 13

2.4.2 Thiết kế 13

2.4.2.1 Thiết kế trục X 14

2.4.2.2 Thiết kế trục Y 14

2.4.2.3 Thiết kế trục Z 18

2.4.2.4 Thiết kế đồ gá 19

2.4.3 Chế tạo phần cơ khí 19

2.5 Thiết kế, chế tạo phần điều khiển 22

2.5.1 Cơ sơ lý thuyết 22

2.5.1.1 Mạch điều khiển chính 22

2.5.1.2 Mạch công suất 23

2.5.1.3 Động cơ 23

2.5.1.4 Mạch trung gian 24

v

2.5.2 Thiết kế 24

2.5.2.1 Mạch điều khiển 24

2.5.2.2 Chương trình điều khiển trên arduino 24

2.5.2.3 Chương trình điều khiển trên máy tính 31

a Phần mềm điều khiển máy 31

b Phần mềm đọc file mạch in 32

c Phần mềm xử lý file mạch in 32

Chương 3: THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 33

3.1 Chuẩn bị 33

3.2 Thi công lắp ráp 38

3.2.1 Lắp ráp phần cơ khí 38

3.2.1.1 Lắp ráp trục Y 38

3.2.1.2 Lắp ráp trục X 43

3.2.1.3 Lắp ráp trục Z 45

3.2.2 Lắp ráp phần điê ̣n tử 48

3.3 Cha ̣y thử và kiểm tra đô ̣ ổn đi ̣nh 54

3.3.1 Kiểm tra ma ̣ch điê ̣n 54

3.3.2 Kiểm tra các chi tiết cơ khí 54

3.3.3 Cài đă ̣t các thông số 54

3.3.3.1 Thiết lâ ̣p phần đê ̣m grbl 54

3.3.3.2 Thiết lâ ̣p phần mềm bCNC 55

3.3.3.3 Thiết lâ ̣p phần mềm Flatcam 56

3.3.4 Cha ̣y thử 56

3.3.4.1 Kiểm tra đô ̣ chính xác của máy 56

3.3.4.2 Phay thử ma ̣ch in 59

a Xuâ ́t file ma ̣ch in từ phần mềm orcad.[2] 59

b Xuâ ́t Gcode từ file ma ̣ch in 62

c Xuâ ́t Gcode từ file khoan 65

d Phay ma ̣ch 67

e Khoan ma ̣ch 71

g Că ́t ma ̣ch 73

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 74

4.1 Kết luâ ̣n 74

4.1.1 Kết quả đă ̣t được 74

4.1.2 Kết quả chưa đă ̣t được 74

4.2 Đề xuất 74

4.2.1 Đề xuất phần cứng 74

4.2.2 Đề xuất phần mềm 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

vi

DANH MỤC HÌNH

H2.1 Lắp ráp tru ̣c Y trên phần mềm 5

H2.2 Bàn phay 5

H2.3 Lắp ráp hoàn chỉnh tru ̣c y trên phần mềm 5

H2.4 Lắp ráp tru ̣c X trên phần mềm 6

H2.5 Hình ảnh tru ̣c Z phương án 1 7

H2.6 Lắp thử nghiê ̣m tru ̣c Y 8

H2.7 Lắp thử nghiê ̣m tru ̣c X 9

H2.8 Lắp ráp tru ̣c z 10

H2.9 Phân tích chuyển đô ̣ng tru ̣c Z 11

H2.10 Thiết kế tru ̣c Z theo phương án 2 12

H2.11 Bạc đa ̣n B608zz 13

H2.12 Ty ren M8 13

H2.13 Ốc nối ty ren M8 13

H2.14 Máy khắc remel 13

H2.15 ty trơn M8 13

H2.16 Kích thước đô ̣ng cơ nema17 13

H2.17 Ổ trượt LM8U 13

H2.18 Ba ̉n vẽ chi tiết tam giac 14

H2.19 Bản vẽ bánh răng moto Z 14

H2.20 Bản vẽ bánh răng ty ren 14

H2.21 Bản vẽ chốt giữ ty trơn 14

H2.22 Bản vẽ bánh răng moto y 15

H2.23 Bánh răng ty ren 15

H2.24 Bản vẽ gá đỡ moto y 15

H2.25 Bản vẽ gá đỡ ty ren y 15

H2.26 Bản vẽ gá đỡ ty trơn trái 15

H2.27 Bản vẽ gá đỡ ty trơn phải 15

H2.28 Bản vẽ đế 16

H2.29 Bản vẽ bàn phay 17

H2.30 Bản vẽ Ổ gắn bàn phay 17

H2.31 Bản vẽ con cha ̣y gắn ốc nối ty ren 17

H2.32 Bản vẽ khung bên trái 17

H2.33 Bản vẽ khung bên phải 17

H2.36 Bản vẽ gá đỡ moto Z 18

H2.37 Bản vẽ Ổ gắn máy phay 18

H2.38 Bản vẽ Ổ gắn máy phay trên 18

H2.39 Bản vẽ đồ gá 19

H2.40 Bản vẽ thanh kẹp đồ gá 19

H2.41 Bản vẽ bọc ốc vít đồ gá 19

H2.42 Hình ảnh chi tiết trước khi cắt lớp 20

H2.43 Hình ảnh sau khi cắt lớp 20

H2.44 Hình ảnh quá trình in 20

H2.45 Hình ảnh một số chi tiết sau khi in 21

H2.46 Arduino uno 22

H2.47 Bô ̣ điề khiển máy 24

vii

H2.48 Mở thư viê ̣ grbl 25

H2.49 Na ̣p chương trình grbl cho arduino 26

H2.50 Giao diê ̣n Universal gcode sender 26

H2.51 Thiết lâ ̣p grbl 27

H2.52 Thiết lâ ̣p $2 28

H2.53 Cài đă ̣t python 2.7 32

H3.1 Lắp ráp các chi tiết phần đế 38

H3.2 Lắp ráp phần đế 39

H3.3 Lắp ráp chân bàn phay và đồ gá 40

H3.4 Lắp bàn phay 41

H3.5 Lắp ráp hoàn chỉnh tru ̣c Y 42

H3.6 Lắp ráp tru ̣c X 43

H3.7 Lắp ráp tru ̣c X vào khung máy 44

H3.8 Lắp ráp gá đỡ đô ̣ng cơ và máy phay 45

H3.9 Lắp ráp khung tru ̣c Z 46

H3.10 Lắp ráp trục Z hoàn chỉnh 47

H3.11 Board CNC shield 48

H3.12 Jumper 48

H3.13 Thiết lâ ̣p chế độ điều khiển 48

H3.14 Hướng gắn A4988 lên board 49

H3.15 CNC shield gắn hoàn chỉnh 49

H3.16 Gă ́n board CNC shield lên arduino 50

H3.17 Gắn qua ̣t tản nhiê ̣t vào hô ̣p bảo vệ 51

H3.18 Ráp ma ̣ch điê ̣n vào hô ̣p bảo vê ̣ 51

H3.19 Bố trí ma ̣ch điê ̣n trên máy 52

H3.20 Nối dây ma ̣ch nguồn 52

H3.21 Nô ́i dây đô ̣ng cơ bước 53

H3.22 Lă ́p hoàn chỉnh máy 53

H3.23 Ca ́c giá tri ̣ thiết lâ ̣p grbl 54

H3.24 Thiê ́t lấp bCNC 55

H3.25 Thiê ́t lâ ̣p đơn vi ̣ đo cho Flatcam 56

H3.26 Kê ́t nối máy với phần mềm 56

H3.27 Ki ́ch thước bản vẽ cha ̣y thử máy 57

H3.28 Ki ́ch thước sau khi phay 57

H3.29 Ki ́ch thước bản vẽ đường tròn 58

H3.30 Ki ́ch thước sau khi phay đường tròn 58

H3.31 Đă ̣t to ̣a đô ̣ gốc cho bản vẽ 59

H3.33 Thiê ́t lâ ̣p đi ̣nh dang file gerber 60

H3.34 Xuất file gerber 61

H3.35 Mơ ̉ file gerber 62

H3.36 File mạch in trên phần mềm Flatcam 62

H3.37 Thiê ́t lâ ̣p đường cha ̣y dao 63

H3.38 Thiê ́t lâ ̣p đô ̣ ăn dao 64

H3.39 Thiê ́t lâ ̣p đô ̣ xâu đường cắt board 64

H3.40 Xuất gcode 65

H3.41 File khoan chân linh kiê ̣n 65

H3.42 Khai ba ́o đô ̣ khoan xâu 66

H3.43 Xuất gcode khoan chân linh kiê ̣n 66

viii

H3.44 Dao phay ma ̣ch 67

H3.45 Mơ ̉ gcode trên bCNC 68

H3.46 Thay đổi to ̣a đô ̣ file 68

H3.47 Thiê ́t lâ ̣p bề mă ̣t thăm do 69

H3.48 Nút điều khiển bằng tay 69

H3.49 Thăm do ̀ bề mă ̣t phôi 70

H3.50 Thiê ́t lâ ̣p bù trừ điểm thăm dò 70

H3.51 Phay ma ̣ch in 71

H3.52 Mu ̃i khoan ma ̣ch 0.6mm 72

H3.53 Khoan ma ̣ch in 72

H3.54 Că ́t ma ̣ch in 73

H3.55 Sa ̉n phâm cuối cùng 73

ix

DANH MỤC BẢNG

B2.1 Thông sô ́ arduino uno 22

B2.2 Ba ̉n thiết lâ ̣p chế đô ̣ hoa ̣t đô ̣ng của A49882 23

B2.3 Thông sô ́ động cơ Nema17 23

B2.4 Danh sa ́ch các chi tiết 33

1

LỜI MỞ ĐẦU

Cơ điện tử được nhận định là ngành học không bao giờ cũ và có tầm quan trọng trong sự nghiệp phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa của đất nước Sản phẩm tạo ra là các hệ thống tự động hóa nâng cao năng suất lao động, là cốt lõi của các dây chuyên sản xuất tự động và khép kín

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu, em quyết định chọn đề tài “Ứng dụng

công nghệ In 3D, chế tạo máy CNC mini gia công hoàn chỉnh mạch in” làm

đồ án tốt nghiệp, với mong muốn sau khi hoàn thành sản phẩm được ứng dụng trong phòng thực hành của bộ môn Cơ điện tử để sinh viên khóa sau không phải tốn quá nhiều thời gian cho việc làm mạch in theo cách truyền thống

Việc làm mạch in theo cách truyền thống phải trải qua nhiều công đoạn và tốn nhiều thời gian: In mạch ra giấy, dùng bàn ủi để ủi mạch qua bản đồng, ngâm trong nước để bóc giấy ra khỏi bản đồng và cuối cùng là rửa mạch in bằng hóa chất, sau khi rửa mạch mới tiến hành khoan chân linh kiện Nhưng với đề tài này sản phẩm sau khi hoàn thành là một máy CNC mini gia công hoàn chỉnh mạch

in Sau khi có file thiết kế mạch in chỉ cần xuất ra file mềm đưa vào máy chạy

và sản phẩm nhận được là mạch in đã phay và khoan chân linh kiện, vừa tiết kiệm thời gian mà không cần phải sử dụng đến hóa chất

Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Thiên Chương đã tận tình hướng

dẫn em hoàn thành đề tài này Tuy đề tài đã được hoàn thành nhưng còn nhiều thiếu xót, rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô để đề tài hoàn thiện hơn nữa Xin cảm ơn toàn thể quý thầy cô trong bộ môn Cơ điện tử đã hết lòng chỉ bảo và truyền đạt cho em những kiến thức vô cùng quý báu, tạo điều kiện để

em hoàn thành khóa học

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

ĐẶNG VĂN BIÊN

2

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Giới thiệu máy CNC

Máy CNC (computer numerical controlled) là những công cụ gia công tinh

tế có thể tạo ra những chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệ hiện đại Thuật ngữ CNC liên quan đến một nhóm máy móc lớn sử dụng logic máy tính

để điều khiển các chuyển động và thực hiện quá trình gia công Thiết kế máy CNC hiện đại bắt nguồn từ tác phẩm của John T Parsons cuối những năm 1940

và đầu những năm 1950 Các máy CNC hiện đại hoạt động bằng cách đọc hàng nghìn bit thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính chương trình Để đặt thông tin này vào bộ nhớ, nhân viên lập trình tạo ra một loạt lệnh mà máy có thể hiểu được Chương trình có thể bao gồm các lệnh “mã hóa”, như “M03” – hướng dẫn bộ điều khiển chuyển trục chính tới một vị trí mới hay “G99” – hướng dẫn bộ điều khiển đọc một đầu vào phụ từ một quá trình nào đó trong máy Các lệnh mã hóa là phương thức phổ biến nhất để lập trình một công cụ máy CNC Tuy nhiên, sự tiến bộ trong máy tính đã cho phép các nhà sản xuất công cụ máy tạo ra “lập trình hội thoại” Trong lập trình hội thoại, lệnh “M03” được nhập đơn giản như “MOVE” và “G99” là “READ” Kiểu lập trình này cho phép đào tạo nhanh hơn và nhân viên lập trình không phải nhớ nhiều ý nghĩa của mật mã Tuy nhiên, cần phải lưu ý rằng hầu hết các máy sử dụng lập trình hội thoại vẫn đọc các chương trình mã hóa, do đó ngành công nghiệp vẫn đặt nhiều niềm tin vào dạng lập trình này Bộ điều khiển cũng giúp nhân viên lập trình tăng tốc độ sử dụng máy [1]

1.1.2 Giới thiệu công nghệ in 3D

1984 Charles Hull phát triển công nghệ có thể tạo ra được một vật thể hữu

hình vật lý 3D từ các dữ liệu số 1986 Charles Hull đặt tên cho công nghệ của

mình là Stereolithography và đăng ký bản quyền phát minh của mình

Charles Hull thành lập công ty 3D System và phát triển máy in 3D thương mại

đầu tiên được gọi là Stereolithography Apparatus (SLA) Cùng năm này các phát minh về LOM, SLS, DTM, EOS cũng được đăng ký bản quyền

1987 3D System phát triển dòng sản phẩm SLA-250, đây là phiên bản máy in

3D đầu tiên được giới thiệu ra công chúng

Năm 1988 Scott Crump phát minh ra công nghệ Fused Depositton Modeling (FDM) 1989 Scott Crump thành lập Stratasys

1991 Helisys bán chiếc máy đầu tiên dùng công nghệ Laminated Object Manufacturing (LOM)

3

1993 Công ty Solidscape được thành lập để chế tạo ra dòng máy in 3d dựa trên

công nghệ in phun , máy có thể tạo ra những sản phẩm nhỏ với chất lượng bề mặt rất cao Năm 1993 Viện Công nghệ Massachusetts Institute of Technology (MIT) đăng ký phát minh “3 Dimensional Printing techniques (3DP)” Công nghệ này giống với công nghệ máy in phun 2D bình thường Đây cũng là khởi điểm của cụm từ ”In 3D”

Năm 2006 Dự án máy in 3D mã nguồn mở được khởi động (Reprap) mục đích

có thể tạo ra những máy in 3D có thể sao chép chính bản thân nó Bạn có thể điều chỉnh hay sửa đổi nó tùy ý nhưng phải tuân theo điều luật GNU General

Public Licence Năm 2008 – Phiên bản đầu tiên của Reprap được phát hành Nó

có thể sản xuất được 50 % các bộ phận của chính mình [2]

1.1.3 Công nghệ gia công mạch in bằng máy CNC

Việc ứng dụng máy CNC để gia công mạch in đã được sử dụng từ lâu Ban đầu các ý tưởng sử dụng máy CNC để gia công mạch in chủ yếu được làm bằng phương pháp thủ công Sau khi thiết kế xong mạch in được xuất ra một file ảnh

và sử dụng phần mềm ArtCam để đọc file ảnh rồi xuất ra mã code để máy CNC

có thể đọc được Ngày nay với sự phát triển của công nghệ phần mềm, các phần mềm thiết kế mạch in hỗ trợ việc xuất ra file mềm bao gồm cả vị trí các lỗ khoan

và các đường mạch in giúp cho việc gia công mạch in bằng máy CNC thuận tiện

và đạt hiệu quả cao hơn

1.2 Mục tiêu đề tài

Vận dụng kiến thức được học và các tài liệu tham khảo, ứng dụng công nghệ

in 3D chế tạo máy CNC mini gia công hoàn chỉnh mạch in phục vụ cho việc học tập

4

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được nghiên cứu theo phương pháp thực nghiệm, phù hợp với yêu cầu thực tế đặt ra Sản phẩm phải được thiết kế đảm bảo dễ dàng vận hành, sửa chữa và lắp ráp Theo đó em tiến hành nghiên cứu các nội dung sau:

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của máy CNC, các chương trình điều khiển máy

và phần mềm xử lý dữ liệu đầu vào cho máy

- Tìm hiểu các mạch điều khiển máy CNC và phần đệm tương ứng, cách điều chỉnh phần đệm để tương thích với máy

- Tìm hiểu một số kiểu dáng máy CNC trong nước và trên thế giới

- Nghiên cứu về các hệ truyền động đai và truyền động bánh răng, phương pháp chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến của máy

- Phương pháp tạo mẫu bằng công nghệ In 3D, tìm hiểu ưu và nhược điểm của các sản phẩm In 3D

2.2 Yêu cầu hệ thống

2.2.1 Yêu cầu phần cứng

Phần cứng là phần cốt của máy, để máy hoạt động chính xác thì phần cứng phải rất chính xác, độ rơ của máy nằm ở mức nhỏ nhất có thể và tuân thủ các yêu cầu về độ bền, tính an toàn và tính thẩm mĩ:

- Đảm bảo vững chắc, không rung, lắc trong quá trình máy hoạt động, các cơ cấu truyền động hoạt động êm không gây tiếng ồn

- Đảm bảo an toàn, không gây tai nạn cho người sử dụng

- Tháo lắp dễ dàng, thuận lợi cho việc sửa chữa và bảo trì máy

- Nhỏ gọn, không quá nhiều chi tiết phụ, đảm bảo kết cấu thẩm mĩ và thích hợp cho việc sử dụng trong phòng thực hành

- Mạch điều khiển hoạt động ổn định, đảm bảo luôn hoạt động ở mức độ vừa phải, không vượt quá công suất tối đa của mạch

- Các kết nối dây điện phải đảm bảo chắc chắn và được bọc cẩn thận, tránh trường hợp bị ảnh hưởng do tác động của môi trường

- Nguồn điện cần được kết nối chính xác và an toàn, không gây chập mạch trong quá trình sử dụng

2.2.2 Yêu cầu phần mềm

Phần mềm là phần đưa ra các điều hướng để máy hoạt động, trực tiếp điều khiển máy thông qua các mạch điện tử và động cơ Để máy hoạt động chính xác yêu cầu phần mềm phải đảm bảo chính xác về các thông số điều khiển, giao diện

dễ sử dụng, đẹp mắt và thuận tiện trong việc cài đặt và thiết lập các thông số, tương thích với phần lớn các hệ điều hành phổ biến ở Việt Nam

Động cơ được gá cố định, sử dụng truyền động bánh răng có tỉ số truyền 1:1

để truyền động cho thanh ren M8 Bàn phay sử dụng ổ trượt LM8U và ốc nối ty ren

H2.1 Lắp ráp tru ̣c Y trên phần mềm H2.2 Bàn phay

H2.3 Lắp hoàn chỉnh tru ̣c Y

6

2.3.1.2 Phương án thiết kế trục X

Để gia công mạch in đòi hỏi máy phải có độ chính xác cao và mức độ rung, lắc rất nhỏ, dựa vào những yêu cầu đó em quyết định thiết kế trục X gồm 2 thanh trượt và một thanh ren truyền động được bố trí theo dạng khối trụ tam giác

Phần trục X gồm 4 ở trượt LM8U và 1 ốc nối ty ren M8 được gắn vào chi tiết khối tam giác giúp cho trục X vững chắc và di chuyển chính xác hơn Phần cơ cấu truyền động của trục X tương tự như trục Y sử dụng truyền động bánh răng

có tỉ số truyền 1:1 Chuyển động quay của động cơ được truyền cho Ty ren chuyển động này tác động lên ốc nối ty ren được chuyển thành chuyển động tịnh tiến theo hướng song song với ty ren

H2.4 Lắp tru ̣c X trên phần khung

7

2.3.1.3 Thiết kế trục Z

Trục Z là phần kết nối trực tiếp với máy phay chịu ảnh hưởng rung lắc rất mạnh của máy phay nên cần được thiết kế có khả năng chịu lực tốt và triệt tiêu được rung lắc của máy phay, giúp đầu dao di chuyển chính xác Về kết cấu phần trục Z cũng được thiết kế gồm 2 thanh trượt và 1 ty ren và bố trí theo kết cấu khối tam giác tương tự như trục X Cơ cấu truyền động bánh răng với tỉ số truyền 15/8

- Với thiết kế này động cơ và thanh ren sẽ di chuyển còn ốc nối ty ren sẽ được giữ cố định ở chi tiết tam giác gắn giữa trục X và trục Z

9

- Lắp ráp trục X

H2.7 Lắp ráp tru ̣c X

10

- Lắp ráp trục Z và nối dây

H2.8 Lắp ráp truc Z và nối dây

11

2.3.1.7 Nhận xét

Sau khi Chế tạo phiên bản thử nghiệm theo phương án 1 đưa ra, khi chạy thử phần trục X và trục Y hoạt động tương đối tốt và đạt yêu cầu đề ra Tuy nhiên phần trục Z khi di chuyển xuống gặp phôi khả năng ăn xuống phôi kém do kết cấu truyền động của thanh ren chưa tốt, khi mũi khoan gặp bề mặt phôi do lực cản của bề mặt phôi nên ty ren bị trượt ra khỏi ổ bi và chuyển động xuống một cách độc lập mà không mang theo đầu mũi khoan đi xuống

a Trạng thái bình thường

b Chuyển động xuống khi không gặp phôi c Khi gặp phôi

H2.9 Phân ti ́ch chuyển đô ̣ng tru ̣c Z theo phương án 1

12

2.3.2 Phương án 2

Qua quá trình chạy thử với phiên bản thử nghiệm theo phương án một với những ưu và nhược điểm trên em quyết định thiết kế lại trục Z để khắc phục nhược điểm, giúp máy hoạt động tốt hơn

Vì kết cấu ở phương án 1 cho động cơ di chuyển cùng với thanh ty ren tuy đơn giản, nhỏ gon và dễ lắp ráp nhưng nhược điểm quá lớn, ở phương án này e quyết định thiết kế trục Z theo kết cấu như trục X và Y Động cơ sẽ được lắp cố định còn ốc nối ty ren sẽ chuyển động để đưa máy phay chuyển động lên xuống

a Gá gắn động cơ b Chi tiết tam giác gắn kết XYZ

c Gá gắn máy phay dưới d Gá gắn máy phay trên

H2.10 Thiết kế mới tru ̣c Z

13

2.3.3 Kết luận

Sau qúa trình thiết kế và lắp ráp phân tích trên phần mềm, kết hợp chế tạo

thử nghiệm Em quyết định chế tạo máy CNC mini có phần trục X và Y như đã đưa ra ở phương án 1 và trục Z ở phương án 2

2.4 Thiết kế, chế tạo phần cơ khí

2.4.1 Cơ sở lí thuyết

Việc thiết kế phần cơ khí cần được chuẩn hóa với các chi tiết cơ khí cần mua trên thị trường để đảm bảo sau khi thiết kế các chi tiết được lắp ráp ăn khớp với nhau Đo và tìm hiểu kích thức các chi tiết cơ khí là cơ sở để thiết kế Ngoài ra khi thiết kế cần căn cứ vào khả năng chịu lực của chi tiết, đặc điểm của các dạng kết cấu cơ khí

H2.15 Thanh ren Đường kính 8mm

H2.11 Bạc đạn B608zz:

Đường kính ngoài: 22mm

Đường kính trong: 8mm

H2.12 Ty ren M8 Bước ren 1.25mm H2.13 Ốc nối ti ren M8 Đường kính ngoài: 12mm

H2.14 Máy khắc Dremel

Đường kính vở ngoài 50mm

Tốc độ 10000 đến 37000 v/p

H2.15 Ti trơn M8 Đường kính 8mm

H2.16 Kích thước động cơ bước nema17

H2.17 Ổ trượt LM8U

Đường kính ngoài: 15mm

16 H2.28 Đế

17

H2.29 Bàn phay

H2.30 Ổ gắn bàn phay H2.31 Con chạy gắn ốc nối ti ren

H2.32 Khung bên trái

H2.33 Khung bên phải

18

2.4.2.3 Thiết kế trục Z

H2.34 Bánh răng mô tơ Z H2.35 Bánh răng trục Z

H2.38 Ổ gắn máy phay trên

20

2.4.3 Chế tạo phần cơ khí

Các chi tiết cơ khí được chế tạo bằng công nghệ in 3D, nguyên liệu sử dụng

là nhựa in 3D PLA Sau khi thiết kế các chi tiết 3D trên phần mềm solid works

và lưu với định dạng STL, file được đưa vào phần mềm Repetier – Host để cắt lớp và tiến hành in

H2.42 Trước khi cắt lớp H2.43 Sau khi cắt lớp

H2.44 Quá trình in

21 H2.45 Một số chi tiết sau khi in

22

2.5 Thiết kế, chế tạo phần điều khiển

2.5.1 Cơ sơ lý thuyết

23

2.5.1.2 Mạch công suất

Mạch công suất sử dụng Driver A4988 điều khiển động cơ bước dòng tối đa 2A Có các cấp điều khiển full bước, nửa bước, 1/4, 1/8 và 1/16 bước Một vài thông số kỹ thuật theo: http://www.kht.com.vn cung cấp

- Điện áp hoạt động 3,3v - 5v

- Điện áp điều khiển (VMOT) 8v - 35v

- 5 chế độ điều khiển động cơ bước: full, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16

- Kích thước 15(W) x 20(L) x 2(H) mm

2.5.1.3 Động cơ

Động cơ sử dụng cho máy là động cơ bước Nema17, mỗi bước là 1.8 độ, dòng điện hoạt động 1.5A

Một vài thông số của động cơ bước Nema17 theo taotac.com

B2.2 Thiết lập chế độ điều khiển

B2.3 Thông số động cơ bước Nema17

24

2.5.1.4 Mạch trung gian

Để đơn giản trong việc kết nối giữa Arduino và các driver, em sử dụng mạch CNC Shield tương thích với Arduino Uno Trên mạch có 4 khay cắm driver A4988 để điều khiển động cơ, có rắc cắm chọn chế độ điều khiển

2.5.2 Thiết kế

2.5.2.1 Mạch điều khiển

Vì tất cả các mạch cần để chế tạo máy đều có trên thị trường nên em quyết định đặt mua để giảm thời gian thiết kế và lắp ráp mạch

Địa chỉ mua cnc shield và động cơ nema17: http://mme.vn/

Địa chỉ mua Driver A4988 và ổ trượt LM8U: https://taotac.com/

2.5.2.2 Chương trình điều khiển trên arduino

Arduino hỗ trợ thư viện mã nguồn mở và được cộng đồng arduino phát triển rất mạnh trên toàn thế giới Liên quan đến điều khiển máy CNC bằng Arduino

có GRBL là dự án mã nguồn mở và hoàn toàn miễn phí, tương thích với Arduino Uno và mạch trung gian CNC shield Đường dẫn để tải về dự án GRBL

https://github.com/grbl/grbl/tree/master/grbl

Sau khi tải về sao chép vào thư viện của Arduino ide để mở và nạp cho Arduino, dùng universal Gcode sender để thiết lập các thông số cho grbl Đường dẫn tải Arduino ide và universal Gcode sender

https://www.arduino.cc/en/Main/Software

https://github.com/winder/Universal-G-Code-Sender

H2.47 Bô ̣ điều khiển máy

25

Ngoài ra cần cài thêm java để có thể sử dụng được phần mềm Universal gcode sender Tải java tại trang chủ java: https://java.com/en/download

Sau khi mở thư viện GRBL, kết nối Arduino với máy tính vào tool chon board

là Arduino uno, trong Port chọn cổng COM tương ứng với arduino, sau đó bấm vào Upload để nạp chương trình cho arduino

H2.48 Mở thư viện grbl

26

Sau khi nạp chương trình cho arduino mở universal gcode sender để thiết lập các thông số cho máy cnc

H2.49 Nạp chương grbl cho arduino

H2.50 Giao diện Universal gcode sender

28

- $0: thời gian mỗi xung cấp tới động cơ bước, tính bằng micro giây Mỗi một động cơ có đặc tính thông số thời gian kéo dài của xung điện áp khác nhau Quy tắc điều chỉnh là giảm thời gian mỗi xung xuống càng thấp càng tốt miễn là động cơ chạy ổn định Giá trị mặc định là 10 us

- $1: thời gian đợi để tắt động cơ, tính bằng mili giây Sau khi động cơ hoàn thành xong một chuyển động hoặc dừng hẳn, mạch điều khiển vẫn tiếp tục cấp điện cho động cơ trong thời gian ứng với giá trị $1 Nếu muốn để mạch điều khiển luôn luôn cấp nguồn cho động cơ (động cơ luôn ở chế độ được cấp điện), đặt giá trị $1 = 255 Thông thường với những máy sử dụng đai GT2, có thể đặt giá trị $1 = 255, tuy nhiên khi đó động cơ có thể nóng hơn bình thường một chút

- $2: thiết lập đảo mức điện áp tín hiệu điều khiển động cơ bước Chức năng này

sử dụng để đảo ngược mức tín hiệu (5V hoặc 0V) của tín hiệu điều khiển động

cơ Thông thường thiết lập này không cần sử dụng tới trừ trường hợp với một vài driver đặc biệt

H2.52.Thiết lập $2

dụ muốn đảo hướng chuyển động của trục Y, ta sửa giá trị $3 = 2

- $4: thiết lập đảo ngược tín hiệu kích hoạt động cơ cho tất cả các trục Thông thường thiết lập này không cần sử dụng và có thể để mặc định $4 = 0

- $5: thiết lập đảo ngược tín hiệu kích hoạt Endstop (cảm biến giới hạn hành trình máy) cho tất cả các trục Nếu $5 = 0, mạch điều khiển sẽ xem tín hiệu kích hoạt Endstop là mức 0 (0V) Nếu $5 = 1, mạch điều khiển sẽ xem tín hiệu kích hoạt Endstop là mức 1 (+5V)

- $6: thiết lập đảo ngược tín hiệu kích hoạt cảm biến dò bề mặt phôi Khi sử dụng chức năng dò bề mặt phôi (kiểm tra độ cao các điểm trên bề mặt phôi để

bù lại khi gia công), nếu $6 = 0 mạch điều khiển sẽ xem tín hiệu kích hoạt đầu

dò là mức 0 (0V) Nếu $6 = 1 mạch điều khiển sẽ xem tín hiệu kích hoạt đầu dò

là mức 1 (+5V) Lưu ý, khi đặt $6 = 1, cần phải bổ sung thêm một trở nối đất cho chân tín hiệu đầu dò

- $10: thiết lập phản hồi trạng thái của máy khi đang chạy:

Machine Position (vị trí máy); Work Position (vị trí gia công); Planner Buffer (bộ nhớ đệm lưu các bước gia công tiếp theo); RX Buffer (bộ nhớ đệm nhận tín hiệu); Limit Pins (trạng thái các chân tín hiệu Endstop) Cách sử dụng: ví dụ nếu muốn mạch điều khiển chỉ gửi về thông số Machine Position và Work Position, đặt giá trị: $10 = 1+2 = 3