Nghiên cứu thiết kế và chế tạo cánh tay robot phục vụ cho việc tạo mẫu nhanh khắc laser và gia công CNC

TÓM TẮT ĐỀ TÀI Công trình nghiên cứu khoa học này trình bày vê việc chế tạo máy máy in 3D vừa có chức năng tạo mẫu nhanh các chi tiết thiết kế trên máy tính, vừa được tích hợp thêm chức

ĐOÀN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH

KHẮC LASER VÀ GIA CÔNG CNC

LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: Kỹ thuật công nghệ

CHUYÊN NGÀNH: Cơ khí -Tự động hoá

Mã số công trình: ………

(Phần này do BTC Giải thưởng ghi)

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC BẢNG iii

DANH MỤC HÌNH iv

TÓM TẮT ĐỀ TÀI vi

PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 Tính cấp thiết đề tài 1

1.2 Lý do chọn đề tài 4

PHẦN 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 5

PHẦN 3: MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12

3.1 Mục tiêu của đề tài 12

3.2 Phương pháp nghiên cứu 13

PHẦN 4: NỘI DUNG THỰC HIỆN VÀ 14

KẾT QUẢ CÔNG TRÌNH 14

4.1 Thiết kế chế tạo máy 14

4.1.6 Nghiên cứu tính toán phần động học cho cho kết cấu máy 14

4.1.2 Phương thức hoạt động và kết cấu cơ bản của máy khắc laser và CNC 16

4.1.3 Thiết kế khung máy 19

4.1.4 Hệ thống truyền động các trục điều khiển đầu phun .20

4.1.5 Hệ thống động cơ AC servo mitsubishi HF 21

4.1.6 Nguyên lý cơ bản và phương án kết cấu cơ khí của máy 24

4.2 Kết Quả - Thảo Luận 25

4.2.1 Thi công phần điều khiển 25

4.2.2 Kết quả thiết kế và thi công phần cơ khí 34

PHẦN 5: KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

PHỤ LỤC 48

CODE LẬP TRÌNH C VI ĐIỀU KHIỂN & CÁC BẢN VẼ THIẾT KẾ 48

DANH MỤC BẢNG

Bảng 4 1: Thông số kỹ thuật của board Arduino 26Bảng 4 2 : Các thông số cảm biến 33

DANH MỤC HÌNH

Chương 1

Hình 1 1: Thiết kế sản phầm trên các phần mềm CAD 1

Hình 1 2: Kỹ thuật gia công truyền thống không thể gia công được các mẫu phức tạp 2 Hình 1 3: Khắc chữ và logo 2

Hình 1 4: Cắt kim loại bằng laser 3

Hình 1 5: Máy CNC đang làm việc 3

Chương 2 Hình 2 1: Các mặt hàng thủ công mỹ nghệ ứng dụng gia công tạo mẫu, gia công CNC và khắc laser tại doanh nghiệp trong nước 6

Hình 2 2: Máy in 3D bán trên thị trường với giá 2,600$ 7

Hình 2 3: CubeX bán trên thị trường với giá 1,999$ 7

Hình 2 4: Lĩnh vực giáo dục 7

Hình 2 5: Lĩnh vực sản xuất 8

Hình 2 6: Lĩnh vực kiến trúc xây dựng 8

Hình 2 7: Lĩnh vực giải trí 9

Hình 2 8 Với máy in 3D Scara các mẫu thiết kế được chế tạo rất nhanh chóng 10

Chương 4 Hình 4 1: Các thông số của robot scara 14

Hình 4 2: Sơ đồ nguyên lý cắt bằng laser 16

Hình 4 3: Phương thức chuyển động máy CNC 17

Hình 4 4: Mô hình kết cấu máy CNC đơn giản 18

Hình 4 5: Kết cấu robot scara trong công nghiệp 19

Hình 4 6: Mẫu kết cấu khung cơ khí máy tham khảo 19

Hình 4.7: Mô hình bản vẽ 3D bản in 20

Hình 4.8 Trục Vít me ổ bi truyền động và dẫn hướng 21

Hình 4.9: Động cơ AC servo mitsubishi HF 22

Hình 4.10: Bên trong của một động cơ bước 23

Hình 4.13: Hình đầu phun di chuyển theo Gcode phức tạp 25

Hình 4 14: Sơ đồ khối điều khiển tổng quan 25

Hình 4 15: Hình dạng thực tế của broad điều khiển chính 26

Hình 4 16: Mạch chuyên lý khối giao tiếp với máy tính 27

Hình 4 17: Khối tạo nguồn 3.3V 27

Hình 4 18: Khối điều khiển chính 28

Hình 4 19: Mạch nguyên lý và mạch layout toàn board 29

Hình 4 20: Mạch nguyên lý driver step motor 30

Hình 4 21: Mạch layout stepper driver 31

Hình 4 22: Mạch nguyên lý board công suất 31

Hình 4 23: Mosfet 32

Hình 4 24: Nguyên lý hoạt động của mosfet 32

Hình 4 25: Mạch layout board công suất đầu nhiệt 33

Hình 4 26: Cảm biến nhiệt độ thử nghiệm 33

Hình 4 27: Điện trở nhiệt và nguyên lý 34

Hình 4 28: Bản thiết kế phần khung hoàn chỉnh 35

Hình 4 29: Đầu dùn nhựa 35

Hình 4 30: Cụm đùn nhựa lắp trên máy 36

Hình 4 31: Các chi tiết của đầu phun thiết kế 36

Hình 4 32: Hình dáng thi công đầu nhiệt chức năng in 3D 37

Hình 4 33: Bồ đỡ đầu phun in 3D, khắc laser và cắt phay CNC 38

Hình 4 34: Tia laser được ứng dụng nhiều trong công nghiệp 39

Hình 4 35: Đầu tạo tia laser được sử dụng trong mô hình 39

Hình 4 36: Đầu khắc phay CNC được sử dụng trong mô hình thực hiện chức năng phay 39

Hình 4 37: Mô hình hoàn chỉnh 40

Hình 4 38: Kết quả mô hình thực hiện in 3D trên máy in 41

Hình 4 39: Mô hình in thử khi lắp đầu khắc laser 41

Hình 4 40: Mô hình cơ khí khi lắp động cơ vào thân máy 42

Hình 4 41: Mô hình cơ khí cố định đầu cắt CNC 42

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Công trình nghiên cứu khoa học này trình bày vê việc chế tạo máy máy in 3D vừa có chức năng tạo mẫu nhanh các chi tiết thiết kế trên máy tính, vừa được tích hợp thêm chức năng khắc laser công suất nhỏ để khắc hình dạng mong muốn và vừa có thể

tự động tự động tực hiện quá trình gia công phay cơ khí chi tiết khi thay đổi kết cấu đầu trục chính

Máy có kết cấu cơ khí được thiết kế và tính toán động học dựa trên động học của Robot Scara đảm bảo việc chuyển động nội suy phức tạp Quá trình tính toán được ứng dụng trong việc thiết kế và chế tạo cơ khí để hoàn thiện mô hình máy sao cho đảm bảo đạt độ chính xác cao, đáp ứng đầy đủ yêu cầu thực tiễn và hoàn toàn có khả năng ứng dụng vào thực tế Mô hình đã hoàn thành và có thể thực hiện chức năng tạo mẫu nhanh chi tiết, vừa khắc hình dạng mong muốn sử dụng tia laser và kết hợp gia công phay CNC tự động

Hiện nay, máy in 3D là công nghệ mới và mang lại nhiều giá trị thúc đẩy phát triển nhiều ngành như cơ khí, xây dựng, y học… trong tương lai có thể thay thế dần phương pháp gia công cơ, hạn chế ô nhiễm môi trường, rút ngắn thời gian tạo mẫu mới Việc kết hợp máy in 3D với cắt chức năng khắc laser và phay CNC góp phần cho người sử dụng có thể ứng dụng một máy nhưng thực hiện nhiều ứng dụng trong quá trình sản xuất cũng như việc học tập và đào tạo tại trường phổ thông, đại học trong nước

PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tính cấp thiết đề tài

Hiện nay, trên thế giới các ngành công nghiê ̣p sản xuất đã và đang rất phát triển với trình độ ngày càng tiên tiến Lượng hàng hóa sản xuất ngày mô ̣t tăng cao theo nhu cầu thi ̣ trường, các sản phẩm không ngừng thay đổi mẫu mã và được suất hàng loa ̣t Điều này kéo theo mô ̣t yêu tố quan trọng không kém trong sản xuất hàng hóa công nghiê ̣p hàng loa ̣t hiê ̣n đa ̣i chính là ta ̣o mẫu nhanh Viê ̣c ta ̣o mẫu nhanh để nhanh chóng chuyển từ ý tưởng thiết kế ra vâ ̣t thể thâ ̣t là rất quan tro ̣ng Hiê ̣n ta ̣i có rất nhiều công nghê ̣ ta ̣o mẫu nhanh khác nhau mỗi công nghê ̣ đều có những ưu nhược điểm riêng

Hình 1 1: Thiết kế sản phầm trên các phần mềm CAD

Mu ̣c đích của các phương pháp ta ̣o mẫu nhanh là ta ̣o ra các mẫu ý tưởng, các mô hình đánh giá thử nghiê ̣m thiết kế nhằm mô phỏng hoa ̣t đô ̣ng Cũng có thể hiểu sản phẩm ta ̣o mẫu nhanh giống như là mô ̣t bản vẽ phác thảo 3 chiều của sản phẩm Nó sẽ là rất cần thiết để nhà sản xuất đánh giá tính thẩm mỹ, phát hiê ̣n các lỗi thiết kế trước khi đi vào sản xuất hàng loa ̣t để tung ra thi ̣ trường Máy in 3D ra đời để giải quyết những khó khăn của người thợ tạo mẫu, nhà thiết kế để làm tiền đề cho sản xuất công nghiệp Quá trình ta ̣o một mẫu công nghiê ̣p với máy in 3D không hao tốn quá nhiều nguyên vâ ̣t liê ̣u, máy không qua cồng kềnh to lớn và đă ̣c biêt có thể ta ̣o những chi tiết

nô ̣i suy bên trong phức ta ̣p, hơn hẳn những máy gia công cơ khí khổng lồ tạo mẫu

Cũng giống với các hệ thống tạo mẫu nhanh khác, đầu vào cho mô hình là tập tin định dạng STL, phần mềm sẽ chia mô hình thành các lớp Máy 3D sẽ in các lớp bằng các nhựa kết dính lại với nhau Để in, đầu phun nhựa rải một lớp vật liệu theo hình ảnh cắt ngang (lát cắt) của chi tiết Sau mỗi lớp hoàn tất, piston sẽ dịch xuống hành trình bằng chiều dày lớp vật liệu trước đó để quá trình lặp lại cho các lớp tiếp theo Thực chất đây là công nghệ tạo lớp tuỳ theo các đặc điểm của vật liệu và dạng hình học của vật thể Sai số tạo hình không những phụ thuộc vào cách cắt lớp, độ dày phân lớp, mức

di chuyển tạo độ dày từng lớp, mà quan trọng hơn là phần mềm xử lý khi được cập nhật thông tin về độ dày thực tế Vì vậy việc nâng cao độ chính xác tạo hình vẫn được quan tâm nhiều nhất

Việc tạo mẫu nhanh sẽ rất có nhiều khuyết điểm là không thể tạo những vật lõm hay hình dạng đẹp, sắc sảo như logo trên mẫu Như vậy, thường khi tạo mẫu cũng nên

áp dụng phương pháp gia công bằng tia laser để tạo các logo lên sản phẩm Ứng dụng tia Laser phát triển rất nhanh, nó đã xâm nhập vào nhiều ứng dụng trong cuộc sống và sản xuất

Hình 1 2: Kỹ thuật gia công truyền thống không thể gia công được các mẫu phức tạp

Hình 1 3: Khắc chữ và logo

Laser còn có thể thay thế các phương pháp gia công cổ điển như gia công bằng cơ… độ chính xác rất cao

Hình 1 4: Cắt kim loại bằng laser

Tuy nhiên máy gia công bằng tia laser chỉ có thể thực hiện việc gia công thường

áp dụng gia công cắt đứt chi tiết hay khắc hình thông thường Máy gia công laser không thể tạo các hình dạng 3D phức tạp như đầu dao cắt máy CNC Hiện nay, máy CNC đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất ở nước ta Đặc biệt, trong ngành cơ khí lĩnh vực tự động hoá và cơ khí chính xác, việc nghiên cứu ứng dụng các máy CNC tạo điều kiện cho quá trình tự động hoá, linh hoạt hoá các dây chuyền sản xuất là rất quan trọng đang được các doanh nghiệp và các trường đạo tạo

kỹ thuật quan tâm

Hình 1 5: Máy CNC đang làm việc

Như vậy với những ưu điểm và khuyết điểm của ba loại máy in 3D, máy khắc laser và máy CNC chúng ta có thể kết họp lại những ưu điểm để tạo ra một máy có giá thành phù hợp vừa đáp ứng được nhu cầu cần thiết của việc nghiên cứu, tạo mẫu 3D, ứng dụng sản xuất hay học tập là điều rất cần thiết

1.2 Lý do chọn đề tài

Việc chế tạo thành công máy in 3D rất thuận lợi cho quá trình học tập, nghiên cứu cho sinh viên, học sinh, doanh nghiệp sản xuất Bên cạnh những ưu việt đặc biệt của máy in 3D cũng có những khuyết điểm như: sản phẩm in ra chưa được sắc nét, kích thước vật thể in ra còn nhỏ, hiệu suất không cao, thời gian tạo mẫu lâu

Để khắc phục được những khuyết điểm của máy in 3D và có những tính năng ưu việt không xa lạ với chúng ta là máy khắc laser Máy khắc laser gia công ra những sản phẩm chi tiết đạt độ chính xác cao, thời gian gia công nhanh, tiết kiệm được chi phí Một điều cần quan tâm là máy in 3D và máy khắc laser có cùng nguyên lý hoạt động

là điều khiển qua lập trình máy tính, sự di chuyển các trục Ox, Oy và Oz kết hợp đầu phun (máy in 3D) và đầu khắc (máy khắc laser) cũng gần như máy CNC là gia công là sản xuất ra các sản phẩm bề mắt 3D phức tạp, chi tiết có kích thước nhỏ, độ chính xác cao, khối lượng gia công cắt gọt lớn do đầu dao cắt có hiệu suất cao

Những ý tưởng nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một chiếc máy có thể kết hợp những

ưu điểm ba chức năng của máy in 3D, máy khắc laser và máy phay CNC là rất khả thi

và hoàn toàn có thể thực hiện được Trong tương lai, dự đoán máy nếu được đầu tư nghiên cứu có thể ứng dụng trong các lĩnh vực nghiên cứu học tập của sinh viên hiện nay, thực hiện gia công các chi tiết có kích thước lớn, đòi hỏi yêu cầu thẩm mỹ, kỹ thuật cao, hạ chi phí sản xuất và giá thành sản phẩm mang lại nhiều giá trị cho xã hội

là điều quan trọng nhất trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước hiện nay

Do vậy, tôi quyết định chọn đề tài:

“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT PHỤC VỤ

CHO VIỆC TẠO MẪU NHANH, KHẮC LASER VÀ GIA CÔNG CNC”

PHẦN 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng quan đề tài

Thách thức đă ̣t ra là công nghê ̣ in 3 chiều , khắc laser và gia công CNC vẫn là

mô ̣t phát kiến khá mới mẻ và phức ta ̣p Làm sao để ta ̣o mẫu nhanh mô ̣t cách hiê ̣u quả, thân thiê ̣n với người dùng, phù hợp với thi ̣ hiếu, nhu cầu và giá thành hợp lý Từ những thực tiễn công nghiê ̣p khả quan đó, việc thiết kếm tính toán và chế tạo máy in 3D vừa có chức năng tạo mẫu nhanh các chi tiết thiết kế trên máy tính Trên bộ phận đầu đùn máy in 3D có thiết kế đặc biệt có thể thay đổi đầu đùn nhựa máy in 3D thành đầu khắc laser có công suất nhỏ để khắc hình dạng mong muốn Ngoài chức năng in 3D, khắc laser máy còn có thể tự động tự hiện quá trình gia công mạch điện tử chi tiết khi thay đổi đầu trục gia công mạch in

2.2 Tình hình trong nước:

Đã xuất hiện nhiều doanh nghiệp có sản xuất chế tạo và kinh doanh mặt hàng công nghệ tạo mẫu nhanh, máy gia công CNC và máy khắc laser nhưng với giá thành tương đối cao Bên cạnh đây là một khía cạnh khoa học mới chưa được nghiên cứu và phát triển phổ biến hay gần như là hoàn toàn mới lạ

Thực tế cho thấy ta ̣o mẫu nhanh công nghiê ̣p vẫn chưa phát triển trong nước và đây là sản phẩm mới trong khuôn khổ đề tài khoa học, công nghệ cấp nhà nước về phát triển công nghệ phục vụ công nghiệp Đa phần ta ̣o mẫu từ các máy gia công cơ hoă ̣c chi là bản mẫu 3D trên máy tính thông qua các phần mềm vẽ 3D Do vậy cần thúc đẩy thương mại và nội địa hóa sản xuất sao cho các doanh nghiệp Việt Nam biết

và ứng dụng một cách hiệu quả hơn bên cạnh các máy gia công mạch in và máy khắc laser hiện tại đã ứng dụng nhiều ở doanh nghiệp trong nước

Hình 2 1: Các mặt hàng thủ công mỹ nghệ ứng dụng gia công tạo mẫu, gia công

CNC và khắc laser tại doanh nghiệp trong nước

Hiện nay các lĩnh vực ứng dụng của máy CNC trong nước khá đa dạng và phong phú Các sản phẩm do máy CNC tạo ra trong nước tập trung các lĩnh vực dùng để chế tạo ra các máy móc, thiết bị và dây chuyền sản xuất phục vụ toàn bộ các ngành kinh tế khác như: công nghiệp nặng (đóng tàu, khai thác mỏ, điện, dầu khí, thiết bị vận chuyển như ô tô, tàu hoả,…), công nghiệp nhẹ (dệt may, đóng giày, thực phẩm,…), công nghiệp quốc phòng (dây chuyền sản xuất vũ khí, thuốc nổ,…), công nghệ thông tin (dây chuyền sản xuất vi mạch điện tử, lắp ráp máy tính và thiết bị viễn thông,…), các thiết bị dùng cho giáo dục và đào tạo, các thiết bị y học…

Máy CNC và khắc laser cũng có thể dùng hiện nay tại các doanh nghiệp Việt ứng dụng để tạo ra các sản phẩm thông dụng và sản phẩm công nghệ cao được sử dụng trong cuộc sống và trong công nghiệp: khuôn mẫu dùng để tạo ra các chi tiết bằng nhựa dùng trong cuộc sống hàng ngày, các chi tiết để cấy và chế tạo các ống nano, các chi tiết bằng vật liệu sinh học để thay thế xương trong y học, các đồ gá dùng trong sản xuất chíp điện tử…

2.3 Tình hình trên thế giới:

Công nghệ tạo mẫu nhanh đã và đang phát triển không ngừng trên thế giới với hàng loạt các sản phẩm được nâng cấp và cải tiến từng ngày [8] Hàng loạt các tên tuổi các dòng sản phẩm 3D printer ra đời như Reprap, Ultimaker, MakerBot, Cubify Cube

Hình 2 2: Máy in 3D bán trên thị trường với giá 2,600$

Hình 2 3: CubeX bán trên thị trường với giá 1,999$

Tạo mẫu nhanh có nhiều ứng dụng đa dạng cho nhiều lĩnh vực như giáo dục,sản xuất xây dựng, giải trí, y học

Lĩnh vực Giáo dục:

Hiện thực hóa mọi mẫu ý tưởng tù đơn giản đến phức tạp 1 cách chính xác, tạo những chi tiết, mô hình trực quan rất phù hợp cho phát triển giáo duc, phát triển khả năng tư duy trong thiết kế

Hình 2 4: Lĩnh vực giáo dục

ý tưởng với đối tác

Lĩnh vực công nghiệp Giải trí:

Từ lâu đúc nhựa đã là cốt lõi của việc tạo hình các sản phẩm đồ chơi, vật dụng giải trí Tuy nhiên những không đúc mẫu với các chi tiết phức tạp luôn là khó khăn trong ngành công nghiệp này Máy in 3D ra đời đã nhanh chóng và đơn giản hóa khả năng tạo các loại khuôn đúc phức tạp cho các vật liệu, thiết bị giải trí

Hình 2 7: Lĩnh vực giải trí Đúc khuôn vỏ mỏng:

Đúc khuôn vỏ mỏng là một quá trình đúc chính xác để chế tạo là những chi tiết

có hình dáng sắc cạnh từ các hợp kim Hiệu quả chủ yếu khi áp dụng phương pháp tạo mẫu nhanh trong công nghệ đúc khuôn vỏ mỏng là khả năng tạo ra mẫu có độ chính xác cao, chi phí thấp và thời gian để tạo mẫu ngắn

Chế tạo dụng cụ:

Người ta ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong chế tạo dụng cụ như điện cực trong gia công tia lửa điện, chế tạo các khe hở hoặc ruột của khuôn phun nhựa, ống dẫn hệ thống điều hòa nhiệt độ…

Hình 2 8 Với máy in 3D Scara các mẫu thiết kế được chế tạo rất nhanh chóng

Hiện nay, để thiêt kế và chế tạo máy in 3D trên thế giới và ở Việt Nam có thể cần

có máy công cụ CNC, máy khắc laser Việc chế tạo ra máy công cụ tự động CNC đã đạt tới trình độ rất cao Máy CNC được nghiên cứu và đầu tư để tạo ra các loại máy móc thiết bị, dây chuyền sản xuất để phục vụ tất cả các ngành công nghiệp khác Có thể phân loại các máy CNC như sau:

- Các máy CNC dùng để cắt gọt kim loại bằng dụng cụ cắt (theo công nghệ truyền thống): máy phay CNC, máy tiện CNC, các trung tâm tiện và phay CNC, máy mài CNC

- Các máy CNC dùng để gia công theo công nghệ phi truyền thống: máy xung tia lửa điện, máy cắt dây tia lửa điện, máy cắt bằng Plasma, cắt bằng Laser, máy tạo mẫu nhanh RP

- Các máy CNC dùng để gia công biến dạng bằng áp lực: máy đột tự động theo chương trình, máy cán, máy ép, máy dập điều khiển số

- Các máy CNC chuyên dụng phục vụ cho các ngành công nghiệp sản xuất hàng loạt hoặc đặc biệt: sản xuất phụ tùng ô tô, đồ tiêu dùng, sản xuất vũ khí, hoá chất độc hại…

Ứng dụng CNC để gia công là rất cần thiết để phát triển cơ khí giúp thỏa mãng công nghệ và tự động hóa sản xuất nâng câo năng xuất sản xuất

2.4 Vấn đề tồn tại và hướng giải quyết vấn đề

Vấn đề tồn tại lớn nhất ở các máy cơ khí là độ chính xác cao thì giá thành cũng cao, không thể kết hợp nhiều chức năng trên một máy trong khi chức năng gần như tương tự Kết cấu các máy CNC còn khá phứt tạp cần có máy gọn nhẹ phù hợp cho nghiên cứu học tập và sản xuất vừa thực hiện tạo mẫu, kết hợp khắc laser nhưng vẫn

có thể thực hiện việc gia công cơ khí một cách cơ bản

Hướng giải quyết:

Máy chế tạo nên có khả năng kết hơp được nhiều chức năng in 3D, khắc laser trên cùng máy

Thiết kế cơ khí đảm bảo thực hiện ba chức năng và kết cấu đầu điều khiển linh hoạt, có thể tháo lắp đễ dàng và tay đổi 3 chức năng: in 3D, khắc laser và phay CNC một cách nhanh gọn, đễ dàng

Kết cấu máy dạng robot song song được ứng dụng trong công nghiệp có ưu điểm thực hiện nội suy tốt và có khả năng nội suy đường thẳng, đường cong và đạt độ chính xác cao

Giá thành chế tạo phù hợp, chi phí đầu tư thấp nhưng làm được nhiều chức năng

là ưu tiên hàng đầu

PHẦN 3: MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Mục tiêu của đề tài

Từ những vấn đề tồn tại, đề tài nghiên cứu phải có các mục tiêu cơ bản sau:

- Chế tạo mô hình có chức năng như một máy in 3D có thể in ra vật thể bằng nhựa PLA từ các bản thiết kế trên các phần mềm mô phỏng và thiết kế 3D bằng phương pháp FFF (Fused Filament Fabrication) Máy in 3D điều khiển bằng chương trình số NC (Numerical control), máy có thể đọc được G-code để vừa thực hiện chức năng in 3D, vừa khắc khi kết hợp đầu khắc laser công suất 2000mW để khắc vật liệu mềm, vừa chức năng như máy phay CNC khi thay đầu phun mực máy in thành đầu cắt quay tốt độ cao

- Ứng dụng thuật toán điều khiển robot song song vào điều khiển máy in 3D

để đạt được độ chính xác yêu cầu khi gia công in 3D có sai số từ 0.05 đến 0.1mm

- Khả năng gia công tạo hình in 3D, khắc laser hay cắt CNC được các chi tiết kích thước từ dài x rộng x cao trong khoảng từ 150x150x200mm

- Thiết kế và thi công phần cơ khí để hoàn thiện mô hình máy đảm bảo các chức năng in, khắc cắt các vật liệu nhẹ Tiến hành chế tạo và lắp ráp hoàn thiện

mô hình máy in 3D với độ chính xác cao

- Thiết kế, ứng dụng mạch điện và hệ thống mã nguồn mở Ardiuno cơ sở để thực hiện quá trình điều khiển các động cơ các trục công tác X,Y, Z và đầu đùn nhựa E để tạo hình vật thể theo thuật toán của robot song song

- Thiết kế thi công hệ thống điện điều khiển, lắp đặt các cử hành trình an toàn khi vận hành, hệ thống kiểm soát nhiệt độ cho đầu phun và đế nhiệt, hệ thống quạt làm mát đầu phun v v…

- Ứng dụng các phần mềm cắt lớp sẵn có như Slic3r, CURA…để xuất mã code cho máy in hoạt động, các phần mềm Match3 để xuất chương trình điều khiển máy in 3D thành máy khắc laser hay cắt phay CNC

G-3.2 Phương pháp nghiên cứu

- Xác định rõ đối tượng nghiên cứu của đề tài là máy in 3D điều khiển bằng chương trình số dựa trên G-code, không chỉ thực hiện chức năng in 3D mà còn

có thể khắc và cắt như một máy CNC khổ nhỏ

- Người nghiên cứu tập trung nghiên cứu thiết kế, thi công hệ thống cơ khí,

hệ thống điều khiển cho máy in 3D, nhưng phù hợp chức năng khắc laser và cắt CNC

- Phương pháp xây dựng mô hình trên phần mềm thiết kế Solidwork

- Nghiên cứu lập trình và ứng dụng kho mã nguồn mở để Ardiuno xây dựng

và phát triển hệ thống điều khiển chính xác vị trí đầu đùn nhựa PLA cho máy in 3D, nghiên cứu ứng dụng khả năng cắt vật liệu của tia laser và chọn đầu khắc tốc

độ phù hợp đảm bảo khối lượng không quá nặng để cắt vật liệu như máy CNC

- Phương pháp tham khảo và tra cứu tài liệu qua thư viện, Internet…

PHẦN 4: NỘI DUNG THỰC HIỆN VÀ

KẾT QUẢ CÔNG TRÌNH 4.1 Thiết kế chế tạo máy

4.1.6 Nghiên cứu tính toán phần động học cho cho kết cấu máy

4.1.2 Phương thức hoạt động và kết cấu cơ bản của máy khắc laser và CNC

Nguyên lý cơ bản của máy khắc laser về mặt động học hoàn toàn giống máy in 3D Kết cấu di chuyển cũng là sự tịnh tiến theo ba phương.Tuy nhiên, quá trình đùn nhựa được thay bằng quá trình cắt cắt bằng tia laser có thể được mô tả như sau:

Hình 4 2: Sơ đồ nguyên lý cắt bằng laser

Một chùm tia năng lượng cao được sinh ra bởi máy phát laser sẽ được tập trung lên bề mặt chi tiết gia công nhờ hệ thống thấu kính Chùm tia này đốt nóng vật liệu và tạo nên một vùng vật liệu nóng chảy cục bộ, thường có đường kính nhỏ hơn 0,5mm) Phần vật liệu nóng chảy bị đẩy ra khỏi vùng gia công bởi một dòng khí có áp lực cao, đồng trục với chùm tia laser Đối với một số loại vật liệu thì dòng khí này làm tăng tốc

Vùng vật liệu bị nóng chảy cục bộ được di chuyển dọc theo bề mặt chi tiết theo một quỹ đạo và vì thế sinh ra vết cắt Chuyển động này được có thể thực hiện bằng cách di chuyển chùm tia laser hội tụ nhờ hệ thống gương phản xạ hoặc chuyển động cơ khí tấm vật liệu theo hai phương X-Y trên bàn máy CNC Cũng có máy thiết kế cả hai loại chuyển động này, khi đó chùm tia laser được di chuyển theo một phương và chi tiết gia công được di chuyển theo phương còn lại Các hệ thống tự động hóa hoàn toàn cho phép cắt được các hình dáng 3D

Cũng như máy khắc laser, chuyển động tịnh tiến các trục kết hợp đầu gia công cắt gọt để tạo hình chi tiết gia công 3D

Hình 4 3: Phương thức chuyển động máy CNC

Ngày nay, các máy trang bị điều khiển NC vẫn còn thông dụng đây là hệ điều khiển đơn giản với số lượng hạn chế kênh thông tin Trong hệ điều khiển NC, các thông số hình học của chi tiết gia công và các lệnh điều khiển được cho dưới dạng dãy các con số Hệ điều khiển NC làm việc theo nguyên tắc sau đây: sau khi mở máy thứ nhất và thứ hai được đọc Chỉ sau quá trình đọc kết thúc, máy mới bắt đầu thực hiện lệnh thứ nhất, trong thời gian này thông tin của lệnh thứ hai nằm trong bộ nhớ của hệ thống điều khiển Sau khi hoàn thành việc thực hiện lệnh thứ nhất máy bắt đầu thực

hiện lệnh thứ hai lấy từ bộ nhớ ra Trong khi thực hiện lệnh thứ hai, hệ điều khiển thực hiện lệnh thứ ba được đưa vào chỗ bộ nhớ mà lệnh thứ hai vừa được giải phóng ra

Hình 4 4: Mô hình kết cấu máy CNC đơn giản

Lựa chọn phương án thiết kế máy kết hợp phải thỏa mãn yếu tố:

Cơ khí máy phải có kích thước vừa phải, chuẩn mẫu ta ̣o ra phải phù hợp với chuẩn mẫu công nghiê ̣p Không cần thiết quá to và cũng không được quá nhỏ Sao cho sản phẩm mẫu phải trực quan thể hiên được như bản thiết kế

Phần mềm phải đảm bảo có thể truyền tải tất cả các đi ̣nh da ̣ng sản phẩm 3D từ các file hình vẽ 3D dưới đuôi STL

Phần điê ̣n tử phải đảm bảo chất lượng ổn đi ̣nh cao, nhằm duy trì máy hoa ̣t đô ̣ng với công suất tốt nhất và bền lâu

Có giá thành thấp hơn giá thành thấp hơn ngoài nước nhưng đảm bảo chất lượng ngang bằng

Các chi tiết máy có thể dễ dàng thay thế và tìm thấy chi tiết thay thế không khó khăn và giá thành không cao

Có thể tận dụng máy vào công việc khác ( điều này liên quan trực tiếp đến việc kinh doanh sản phẩm chế tạo ra)

Dễ dàng di chuyển cũng như vận chuyển đi xa

Do vậy tôi chọn phướng án thiết kế theo phương pháp điều khiển theo kiểu Robot Scara Đây là phương án dễ chế tạo, giá thành rẻ, kết cấu cơ khí đơn giản nhưng vẫn đảm bảo được yêu cầu kết hợp nhiều

Hình 4 5: Kết cấu robot scara trong công nghiệp

Phương án chọn kết cấu dạng robot scara đáp ứng tót các yêu cầu đặt ra như tốc

độ di chuyển, khả năng cứng vững chi tiết

4.1.3 Thiết kế khung máy

Phần khung được thiết kế có độ cứng vững đủ để đỡ các chi tiết, bàn máy, các động cơ, các cơ cấu truyền động và các thanh dẫn trượt v.v Phần khung không những cứng vứng mà còn phải đảm bảo đủ lớn để gia công các vật thể vừa và nhỏ

Hình 4 6: Mẫu kết cấu khung cơ khí máy tham khảo

Ngoài ra phần khung cũng phải hài hòa và tuân thủ một số quy tắc khi thiết kế

để đảm bảo mỹ quan và có thể hoạt động lâu dài, ổn định

Hình 4.7: Mô hình bản vẽ 3D bản in

Một mô hình hoàn chỉnh bao gồm phần khung với ống đùn nhựa, cuộn nhựa, bàn máy, các cảm biến, điện trở nhiệt, các hệ thống đèn báo hiển thị, động cơ 3 trục X,

Y, Z, đầu phun và các hệ thống truyền dẫn động được bố trí hợp lý lên khung máy một cách chắc chắn

4.1.4 Hệ thống truyền động các trục điều khiển đầu phun

Hệ thống truyền trục dẫn hướng trục vít, vít me và ổ bi được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển số đặc biệt là trong các máy CNC Ưu điểm chính xác

và mômen truyền cao Có thể tính toán chính xác với mỗi bước đi điều khiển trên động

cơ bước, nhờ đó thích hợp cho các thuật toán nội suy với G-code

Hình 4.8 Trục Vít me ổ bi truyền động và dẫn hướng

Đối với truyền động bằng trục vít, động cơ được nối trực tiếp với trục vít thông qua khớp nối, khi động cơ quay kéo theo trục vít quay, làm cho phần công tác gắn vào trục vít tịnh tiến dọc theo trục

Với việc xác định được bước vít cùng số vòng mà động cơ quay được ta có thể tính toán chính xác khoản dịch chuyển dọc trục của phần công tác.Nhờ vậy có thể đễ dàng tính toán nội suy để điều khiển đầu phun Cùng với ưu điểm đã nêu trên, truyền động trục vít cũng có một số nhược điểm như giá thành cao, khó gia công v v

Thanh dẫn truyền được sử dụng để dẫn động và cố định cho phần công tác trên trục vít, khống chế bậc tự do xoay của phần công tác trên trục vít Làm cho cơ cấu truyền động vít me thêm cứng vững và chính xác hơn khi gia công Thanh dẫn phải được gia công để đạt độ bóng cao để giảm ma sát, bề mặt không được có vết rạng nứt hay cong vênh Nếu thanh dẫn không được lựa chọn kỹ có thể dẫn đến sai số cho toàn

hệ thống và hệ thống sẽ không hoạt động được lâu dài

4.1.5 Hệ thống động cơ AC servo mitsubishi HF

Động cơ servo là cơ bắp của hệ thống điều khiển chuyển động Chúng cung cấp lực cần thiết để di chuyển các thiết bị theo yêu cầu của ứng dụng Bạn hãy dừng con trỏ tại mỗi hình vẽ để xem mô tả

Nhiều người nghĩ rằng động cơ servo là thiết bị hoạt động độc lập Nhưng trên thực tế, động cơ servo không thể hoạt động nếu không được ghép nối với một hệ thống các thiết bị hoạt động đồng thời để đạt được quá trình điều khiển chuyển động mong muốn

Trong bài này, chúng ta sẽ nghiên cứu xem động cơ điện hoạt động như thế nào và sự khác biệt giữa các dạng động cơ điện bao gồm động cơ servo công nghiệp

- Động cơ điện là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành lực cơ học

Đối với hầu hết các dạng động cơ điện thông dụng, lực cơ học này là lực chuyển động quay Lực chuyển động quay tạo ra bởi động cơ dùng để thực hiện công việc nào đó Các ví dụ về ứng dụng công nghiệp cho động cơ điện bao gồm: khoan, nghiền, băng chuyền, quạt, bơm, robot…

Hình 4.9: Động cơ AC servo mitsubishi HF.

Động cơ điện AC servo dòng điện đi qua cuộn dây stator càng lớn, từ trường tạo ra càng mạnh Dòng điện cao có nghĩa là công suất lớn (đơn vị tính là watt) và công suất lớn sẽ sinh ra mô men lớn

Nhìn chung, số Kilowatt (công suất) trên một dải tốc độ vòng/phút (RPM) và công suất nguồn của một động cơ servo càng cao, mô men động cơ sinh ra càng lớn

Trong các ứng dụng thực tế, vấn đề được xem xét trước tiên đó là điện áp nguồn ở nơi triển khai ứng dụng Sau đó dựa vào mô men tính toán và tốc độ vòng/phút (RPM) theo yêu cầu kỹ thuật, chúng ta sẽ tiến hành lựa chọn sơ bộ loại động cơ servo

Hình 4.10: Bên trong của một động cơ bước

Để động cơ đạt được góc quay càng mịn thì số răng rotor và số cực stator phải được tăng lên

Hình 4 11: Cấu tạo động cơ bước và cách điều khiển

Hầu hết các động cơ AC servo đều cần có nguồn điện cấp tương thích với thiết

kế của động cơ servo Bộ điều khiển động cơ servo thực hiện chức năng này Bộ điều khiển cung cấp nguồn cho động cơ servo đúng lượng, đúng thời điểm để điều khiển vị trí, tốc độ và mô men tương ứng với các đầu vào từ bộ điều khiển chuyển động, phản hồi từ bộ mã hóa xung vòng quay và từ bản thân động cơ servo

Các chức năng khác của bộ điều khiển bao gồm:

Truyền thông với bộ điều khiển chuyển động