Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử

Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử  GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến Lớp: 15CĐT1 Trang 1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................3 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ............................................................4 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .............................................................................................5 1.1. Giới thiệu sơ lược về ý tưởng – lý do chọn đề tài : ..............................................5 1.2 Khái niệm máy CNC và giới thiệu về máy CNC vẽ mạch in................................5 1.2.1 Tổng quan về máy CNC, đặt vấn đề........................................................................... 5 1.2.2 Khái niệm máy CNC.................................................................................................... 6 1.3 Tổng quan về máy CNC trong và ngoài nước.......................................................7 1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước................................................................. 7 1.3.2 Các máy móc và sản phẩm tương tự........................................................................... 8 1.3.3 Mục đích nghiên cứu.................................................................................................... 8 1.3.4 Mô tả đề tài: Thiết kế mô hình máy CNC vẽ mạch in ............................................... 8 1.3.5 Phân loại mô hình máy CNC....................................................................................... 9 1.3.6 Các đặc trưng của máy CNC vẽ mạch in..................................................................10 1.3.7 Ứng dụng.....................................................................................................................10 1.3.8 Hướng giải quyết ........................................................................................................10 1.3.9 Những yêu cầu chung của mô hình máy CNC.........................................................10 PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH MÁY THIẾT KẾ MÁY......................................................11 2.1. Yêu cầu thiết kế hệ thống ...................................................................................11 2.1 Tổng quan về kỹ thuật điều khiển số...................................................................11 2.1.1 Các định nghĩa cơ bản về điều khiển số....................................................................11 2.1.2 Phương pháp truyền thông tin đầu vào .....................................................................13 2.1.3 Ưu nhược điểm của máy điều khiển số ............................................................13 2.2.4 Phân loại theo cấu trúc điều khiển.............................................................................13 2.2.5 Phân loại kiểu điều khiển ..........................................................................................13 2.2 Nhiệm vụ của máy thiết kế ..................................................................................15 2.3 Nguyên lý hoạt động của máy .............................................................................15 2.4 Các thành phần chính của máy...........................................................................16 2.4.1 Phần điều khiển...........................................................................................................16 2.4.2 Phần chấp hành..........................................................................................................16 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH CỦA MÁY ........................................................18 3.1 Phân tích, chọn phương án, kích thước và quy mô của mô.................................18 3.1.1 Phân tích chọn phương án..........................................................................................18 Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử  GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến Lớp: 15CĐT1 Trang 2 3.1.2.Kích thước và quy mô của mô hình ..........................................................................18 3.2 Tính toán thiết kế các thành phần của máy .........................................................19 3.2.1 Cơ cấu dẫn hướng.......................................................................................................19 3.2.2 Cơ cấu truyền động.....................................................................................................20 3.2.3 Các loại động cơ sử dụng...........................................................................................21 3.2.3. Tính toán động cơ cho cơ cấu xoay phôi. ................................................................29 3.2.4 Một số linh kiện khác cần sử dụng trong chế tạo máy cnc vẽ mạch in..................30 3.3 Bản vẽ tổng thể và mô hình thực tế .....................................................................31 THIẾT KẾ PHẦN ĐIỀU KHIỂN .................................................................................32 4.1 Yêu cầu hoạt động tự động của máy ...................................................................32 4.2 Các thành phần của hệ thống...............................................................................32 4.3 Phân tích chọn lựa phương án điều khiển ...........................................................33 4.4 Thiết kế điều khiển và kết nối máy tính .......................................................................34 4.5 Giới thiệu về phần điều khiển..............................................................................34 4.5.1 Giới thiệu về Arduino.................................................................................................34 4.4.4 Module điều khiển CNC Shield V3..........................................................................40 4.4.5. Driver điều khiển động cơ bước A4988 ..................................................................40 4.5 Xác định, sơ đồ nối dây ......................................................................................41 4.6 Các phần mềm cần dùng......................................................................................42 4.6.1 Phần mềm tạo file mạch in.........................................................................................42 4.6.2 Phần mềm tạo G-code................................................................................................42 4.6.3 Chương trình điều khiển máy CNC ( Universal Gcode Sender 1.0.8) ...................42 4.7 Chương trình điều khiển:.....................................................................................43 4.7.1. Đoạn chương trình điều khiển giao tiếp giữa máy vi tính và máy CNC ..............43 4.7.2. Chương trình điều khiển chuyển động bàn xoay phôi. ..........................................51 Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử  GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến Lớp: 15CĐT1 Trang 3 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển, vì vậy việc ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến vào sản xuất nhằm tạo ra những sản phẩm có năng suất, chất lượng cao, mà giá thành chấp nhận được ngày càng trở nên cần thiết, đặc biệt đối với những nước đang phát triển như Việt nam. Đóng góp vào sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ trong thời gian gần đây, tự động hoá sản xuất có vai trò rất quan trọng. Nhận thức được điều này, trong chiến lược công nghiệp hoá và hiện đại hoá nền kinh tế, công nghệ tự động được ưu tiên đầu tư phát triển. Ở các nước có nền công nghiệp phát triển, tự động hoá các ngành kinh tế kỹ thuật trong đó có cơ-điện tử đã được thực hiện từ những năm trước đây. Một trong những vấn đề quyết định của tự động hoá ngành cơ khí chế tạo là kĩ thuật điều khiển số và công nghệ trên các máy điều khiển số. Các máy công cụ điều khiển số được dùng phổ biến ở nước phát triển như NC và CNC trong những năm gần đây đã được nhập vào Việt nam và được sử dụng rộng rãi tại các viện nghiên cứu và các công ty liên doanh. Máy công cụ điều khiển số hiện đại (máy CNC) là các thiết bị điển hình cho sản xuất tự động, đặc trưng cho ngành cơ khí tự động.Vậy để làm chủ được công nghê cần làm chủ được các thiết bị quan trọng và điển hình. Trong đề tài đồ án tổng hợp Cơ Điện Tử, mục tiêu trước tiên mà em hướng tới là chế tạo được mô hình máy CNC vẽ mạch in PCB hoạt động ổn định với sai số nhỏ, sau đó chúng em hướng tới khắc phục dao động, sai số và nâng cao tính tự động của máy như khả năng thay dao tự động, hệ thống cấp phôi tự động... Tuy nhiên do kinh nghiệm còn hạn chế và thời gian thực hiện có hạn, nên đồ án của em còn những thiếu xót, và mục tiêu ổn định dao động và thiết kế modun thay dao tự động và hệ thống cấp phôi tự động chúng em chưa thể hoàn thiện.Chúng em mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô để hoàn thiện hơn để tài. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Đặc biệt, cảm ơn thầy Nguyễn Thế Tranh đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành đồ án này! Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử  GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến Lớp: 15CĐT1 Trang 4 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. Đà Nẵng , ngày tháng năm 2018 Giáo viên hướng dẫn Thầy Nguyễn Thế Tranh Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử  GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến Lớp: 15CĐT1 Trang 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Giới thiệu sơ lược về ý tưởng – lý do chọn đề tài : Với thời đại phát triển ngày nay , đứng trước thời kì công nghiệp hóa , hiện đại hóa đang diễn ra khắp mọi nơi trên thế giới , từ châu lục nay sang chậu lục kia , từ nước kém phát triển cho đến nước phát triển , hiện đại . Với sự phát triển tốc độ đó , thì máy móc ngày càng được sử dụng nhiều trong sản xuất , đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa , đang diễn ra với tốc độ mạnh mẽ , cùng với đó là sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp. Với máy CNC thì các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác do con người thực hiện được giảm thiểu. Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát triển đáng kể về chính xác và chất lượng. Kỹ thuật tự động của CNC giảm thiểu các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các công việc khác. Ngoài ra còn cho phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác. Trong môi trường sản xuất, một loạt các máy CNC kết hợp thành một tổ hợp, gọi là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận. Máy CNC ngày nay được điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM, vì thế một bộ phận hay lắp ráp có thể trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần các bản vẽ in của từng chi tiết. Có thể nói CNC là các phân đoạn của các hệ thống robot công nghiệp, tức là chúng được thiết kế để thực hiện nhiều thao tác sản xuất (trong tầm giới hạn). Dựa trên các ưu điểm của máy CNC cùng với sự phát trển của ngành công nghiệp chế tạo, chúng em quyết định nguyên cứu thiết kế và chế tạo mô hình máy phay CNC loại nhỏ với các chức năng cơ bản của một máy CNC dựa trên những kiến thức đã được học và nghiên cứu tại trường. 1.2 Khái niệm máy CNC và giới thiệu về máy CNC vẽ mạch in 1.2.1 Tổng quan về máy CNC, đặt vấn đề Tự động hóa quá trình sản xuất là một trong những yêu cầu bức xúc hiện nay đối với các doanh nghiệp sản xuất trong và ngoài nước ở hầu hết các lĩnh vực. Đối với lĩnh vực sản xuất cơ khí thì đây cũng là một trong những yêu cầu cấp thiết nhằm tiến đến “tăng năng suất, nâng cao chất lượng, hạ giá thành sản phẩm”. Nhiều doanh nghiệp đã và đang đầu tư để đổi mới công nghệ, ứng dụng công nghệ cao, công nghệ tiên tiến trong sản xuất. Tuy nhiên, do hạn chế về khả năng tự nghiên Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử  GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến Lớp: 15CĐT1 Trang 6 cứu công nghệ mới, năng lực vốn đầu tư gặp có nhiều khó khăn dẫn đến chậm đổi mới công nghệ. Hiện nay nhu cầu về máy CNC phục vụ công nghiệp và các ngành sản xuất khác là rất lớn, doanh nghiệp thiết kế máy trong nước chỉ đáp ứng một phần nhỏ. Chủ yếu là nhập khẩu máy CNC mới từ nước ngoài về hay nhập máy cũ (seconhand) về. Đối với quá trình khắc CNC thì việc tiếp xúc trực tiếp tại chỗ làm việc là cực kỳ tốn thời gian mất an toàn và ảnh hưởng tới sức khỏe: môi trường bị ô nhiễm nặng (bột gỗ, ) nguy hiểm cho mắt, da, phổiTai nạn lao động nhiều, tốn thời gian rất nhiều để hoàn thành xong một sản phẩm Nên điều khiển gián tiếp là biện pháp hiệu quả nhất. Máy sẽ được đặt trong môi trường kín sẽ đảm bảo an toàn lao động cho công nhân. Trong tình hình hội nhập với nền kinh tế thế giới cùng với sự cạnh tranh gắt gao từ các nhà sản xuất nước ngoài. Điều này đòi hỏi các nhà sản xuất trong nước cần phải nâng cao năng lực cạnh tranh của sản phẩm hơn nữa bằng cách cải tiến và đầu tư máy móc, trang thiết bị an toàn, bảo vệ sức khỏe công nhân để phục vụ sản xuất. Đặc biệt là trong tình hình lao động hiện nay, nguồn lao động có tay nghề trong ngành cơ khí đang thiếu hụt trầm trọng. Chính vì điều này mà hiện nay vấn đề đặt ra là: để phát triển ngành sản suất cơ khí trong nước thì việc trang bị các máy móc tự động phục vụ một phần cho công việc trong quá trình sản xuất là vô cùng quan trọng. Ngoài các lý do như trên thì việc thiết kế, chế tạo và sử dụng thiết bị CNC còn là tiền đề cho việc phát triển lĩnh vức cơ khí tự động hóa trong sản xuất. Hưởng ứng phong trào thiết kế máy CNC phục vụ trong nước của nước ta. 1.2.2 Khái niệm máy CNC CNC (Computer Numerical Control) xuất hiện vào khoảng đầu thập niên 1970 khi máy tính bắt đầu được dùng ở các hệ điều khiển máy công cụ thay cho NC, Numerical Control (Điều khiển số ). CNC đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc với mục đích sản xuất( có tính lặp lại) các bộ phận kim khí( hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi mã G. CNC được phát triển cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950 ở trong phòng thí nghiệm Servomechanism của trường MIT. Trước khoảng thời gian này, các chương trình NC thường phải được mã hoá và xử lý trên các băng đục lỗ, hệ điều khiển các trục máy chuyển động. Cách này đã cho thâý nhiều bất tiện, chẳng hạn khi sửa chữa, hiệu chỉnh chương trình, băng chóng mòn, khó lưu trữ, truyền tải, dung lượng bé...Hệ điều khiển CNC khắc phục các nhược điểm trên nhờ khả năng điều khiển máy bằng cách đọc hàng loạt ngàn bit thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ, cho phép giao tiếp, truyền tải và xử lý, điều khiển các quá trình một cách nhanh chóng, chính xác. Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử  GVHD: ThS. Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến Lớp: 15CĐT1 Trang 7 Hình 1.1 Máy CNC dùng trong công nghiệp Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp. Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác do con người thực hiện được giảm thiểu. Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát triển đáng kể về chính xác và chất lượng. Kĩ thuật tự động của CNC giảm thiểu các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các công việc khác. Ngoài ra còn cho phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác. Trong môi trường sản xuất, với nhiều loại máy CNC được ra đời nhầm đáp ứng nhu cầu của thị trường và trong đó có máy khắc gỗ CNC, nhầm đáp ứng về việc gia công gỗ một cách hiệu quả và chính xác. 1.3 Tổng quan về máy CNC trong và ngoài nước 1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 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 vẽ CNC, máy tiện CNC, các trung tâm tiện và vẽ 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