Tài liệu Thiết kế mô hình máy cnc phục vụ giảng dạy

-1- LỜI MỞ ĐẦU Trong tình hình hiện nay, cùng với sự phát triển của nhiều ngành khoa học và công nghệ có liên quan, lĩnh vực nghiên cứu về tự động hóa đã có bước phát triển vượt bậc trong những thập kỷ gần đây. Trong những công trình lớn như nhà máy, xí nghiệp chúng ta thấy rõ hơn vai trò quan trọng của điều khiển tự đông hoặc những ứng dụng tự động trong lĩnh vực dân dụng, có những máy thông minh phục vụ cho những nhu cầu sinh hoạt cho con người. Tất cả những máy móc đó được điều khiển bởi bộ xử lý trung tâm, ở những hệ thống lớn thì bộ xử lý trung tâm là PLC, máy tính công nghiệp… ở những hệ thống xử lý nhỏ hơn thì người ta dùng vi điều khiển. Vấn đề dùng máy móc thay thế con người trong công nghiệp hiện nay rất phổ biến, có thể nói đã giảm phần nào những nguy hiểm mà con người phải thường xuyên tiếp xúc. Máy phay CNC là một trong những thành tựu của tiến bộ khoa học kỹ thuật trên thế giới. Nó ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo máy, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí chính xác và tự động hóa. Sự ra đời của máy CNC đã giải quyết được những nhiệm vụ cấp bách hiện nay là tự động hoá quá trình sản xuất và nhất là sản xuất hàng loạt nhỏ, sản xuất linh hoạt. Máy CNC hiện nay nhập ngoại giá thành rất cao, nên việc mua máy về phục vụ cho việc giảng dạy còn gặp nhiều hạn chế. Nhận thức xu hướng và tầm quan trọng của việc học lý thuyết đi đôi với thực hành giúp cho sinh viên nắm vững kiến thức. Nhóm sinh viên đã quyết định chọn thực hiện đề tài “Thiết Kế Mô Hình Máy CNC Phục Vụ Giảng Dạy”. -2- CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung về máy CNC CNC là viết tắc của Computer Numerical Control điều khiển số bằng máy tính. Máy công cụ CNC là loại máy gia công sử dụng các chương trình đã được lập trình sẵn để gia công các chi tiết. Các chương trình gia công được đọc cùng một lúc và được lưu vào bộ nhớ. Khi gia công, máy tính đưa ra các lệnh điều khiển máy CNC thực hiện các chức năng như: nội suy đường thẳng, nội suy đường tròn, mặt xoắn, mặt parabol. Máy CNC cũng có khả năng bù chiều dài và đường kính dụng cụ. Tất cả các chức năng trên đều được thực hiện nhờ một phần mềm điều khiển đã được cài đặt trên máy tính. Hiện nay các nước trên thế giới đã chế tạo, sản xuất nhiều máy trong lĩnh vực cơ khí nói chung và CNC nói riêng, đặc biệt là Đài Loan, Trung Quốc, Nhật Bản, Cộng Hòa Liên Bang Đức... đã được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực cơ khí 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 cấn thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác. Một số máy CNC hiện đại có thể sản xuất hàng nghìn chi tiết trong vài ngày mà không cần người vận hành. Nó cũng có khả năng tự kiểm tra lỗi sản phẩm bằng các mắt đọc laser, trong trường hợp máy có lỗi trong lúc chạy có thể gọi di động đến cho người vận hành. 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 câu lệnh do phần mềm CAM (Computer Aided Manufacturing) tạo ra, 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 các sản xuất. -3- Hình 1.1: Máy cắt CNC WD- 1325 do Nhật Bản chế tạo [8] Máy cắt CNC WD1325: là những dòng máy hoạt động bền bỉ, có khả năng chịu được cường độ làm việc cao và liên tục 24/24 trong bất cứ công việc nào từ cắt khắc mica, gỗ .. cho đến những công việc đòi hỏi độ chính xác cao như làm bàn ghế tủ giường , các mặt dựng MDF, phay khắc các chi tiết 3D, các mặt dựng hoa văn chìm nổi .... Ngoài ra máy cắt khắc CNC WD 1325 còn có thể hoạt động tốt trên các vật liệu kim loại như đồng, nhôm, inox, sắt thép.... Điểm đặc biệt nhất là tốc độ chạy không tải cực nhanh giúp cho quá trình ra thành phẩm nhanh hơn gấp 1/3 lần so với các máy thông thường. Song song với việc chạy tải cũng lúc 2-4-6 Spindle để tăng năng suất làm việc của máy. -4- Hình 1.2: Máy điêu khắc CNC 3D suda SD 3025 Máy CNC 3D suda SD 3025: Máy sử dụng để cắt các vật liệu như mi ca, bản nhựa, gỗ, đá nhân tạo, bản nhôm, đồng, ...loại hình sản phẩm đa dạng gồm: bảng hiệu, bia đá, thẻ nhân viên, con dấu, mô hình kiến trúc, tác phẩm nghệ thuật, đồ trang sức, khuôn mẫu công nghiệp, chi tiết hoa văn trên đồ gỗ gia dụng... Thiết kế hai trục độc đáo làm bạn hoàn toàn hài lòng dù khi điêu khắc những hình ảnh tinh xảo hay cắt gọt những chi tiết lớn, nhỏ gọn, bền, dễ sử dụng, tốc độ nhanh gấp 3 lần sản phẩm cùng loại. Thiết kế thân thiện với người sử dụng, thao tác linh hoạt. Công năng siêu mạnh, thích hợp với nhiều loại ứng dụng. -5- Hình 1.3: Máy CNC SG – 1318 Máy CNC SG – 1318: là dòng máy đặc biệt được thiết kế với nhiều tính năng chuyên dùng cho công nghiệp chế biến gỗ, nội thất, cắt khắc phù điêu, đá nhân tạo, bản nhôm, đồng… loại hình sản phẩm đa dạng gồm: bảng hiệu, bia đá, thẻ sinh viên, con dấu, mô hình kiến trúc, tác phẩm nghệ thuật, đồ trang sức, khuôn mẫu công nghiệp, chi tiết hoa văn trên đồ gỗ gia dụng, cắt và khắc trên các vật liệu cứng như sắt, thép, inox với tốc độ cao. Nhỏ gọn, bền, dễ sử dụng, tốc độ nhanh gấp 3 lần sản phẩm cùng loại. Thiết kế thân thiện với người sử dụng, thao tác linh hoạt, tích hợp với nhiều ứng dụng, giá trị kinh tế cao, tiết kiệm vốn đầu tư. -6- Hình 1.4: Máy CNC kingcut X12 do Trung Quốc chế tạo Máy CNC kingcut X12: Là nhãn hiệu hàng đầu trong các máy điêu khắc, thích hợp với các loại hình điêu khắc là một sản phẩm mới lạ, có cấu trúc chức năng mạnh mẽ, dễ dạng sử dụng, hoạt động tốt và bền bỉ, giá cả cạnh tranh. Nó được sử dụng rộng rãi để sử lý hoặc làm các bảng hiệu quảng cáo, phù hiệu, con dấu, tấm bronzing, dấu hiệu các mô hình xây dựng, bảng công cụ sản phẩm gỗ, sản phẩm khuôn mẫu, khuôn mẫu công nghiệp. -7- Hình 1.5: Máy CNC điêu khắc RF-1325D Máy CNC điêu khắc RF-1325D: Là sản phẩm đi đầu trong các dòng máy điêu khắc, thích hợp các loại hình điêu khắc từ nhỏ đến lớn. Tốc độ khắc nhanh, tốc độ cao nhất có thể lên tới 8mm/phút thể hiện ưu thế tuyệt đối trong khắc phù điêu 3 chiều. Độ sắc nét của đường điêu khắc cao, có thể điêu khắc trên một vòng tròn có đường kính 1mm mà không bị biến dạng, gia công trên những vật liệu như: mica, nhựa màu đa lớp, gỗ, cao su, đá thiên nhiên, đá nhân tạo, sắt, thép, gang, bản nhôm đúc, kim loại màu. -8- 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Đối với nhóm sinh viên, đề tài là bước đầu tìm hiểu, thi công sản phẩm mô hình máy CNC phục vụ giảng dạy, đồng thời cũng là bước triển khai những kiến thức đã được học. Thông qua việc nghiên cứu và làm việc nghiêm túc để rèn luyện tác phong, tinh thần khoa học, cũng như hoàn thiện phương pháp tư duy nghiên cứu, giải quyết một vấn đề thực tiễn. Quan trọng hơn, đề tài còn là bước “tổng kết và hoàn thiện” những kỹ năng còn thiếu sót trước khi thực sự trở thành người kỹ sư. Về mặt ứng dụng thực tiễn đề tài là sản phẩm sử dụng trong việc giảng dạy trong nhà trường, trong sản xuất... - Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu: + Nghiên cứu thiết kế khung và bàn may CNC. + Thiết kế bản vẽ, chế tạo mô hình theo kích thước. + Nghiên cứu vi điều khiển PIC. + Thiết kế điều khiển trung tâm, mạch công suất điều khiển động cơ. + Nghiên cứu phần mềm mạch 3. + Lập trình điều khiển máy CNC. + Đảm bảo tính chính xác và ổn định từ thực nghiệm. - Phƣơng pháp nghiên cứu: Xuất phát từ thực tế và mục đích nghiên cứu nêu trên, phương pháp nghiên cứu đề tài được lựa chọn là phù hợp nhất. + Thu thập tài liệu trong và ngoài nước để tìm hiểu cơ sở lý thuyết . + Nghiên cứu ứng dụng các linh kiện có thể thực hiện mô hình. + Thi công mô hình máy CNC bằng máy tiện, thủ công và thực nghiệm. - Những đóng góp mới của đề tài và những vấn đề mà đề tài chƣa thực hiện đƣợc: đề tài có ý nghĩa như những bước đi chập chững tiến lên ngành công nghiệp nghiên cứu chế tạo máy của nước ta, góp phần làm điểm tựa cho các thế hệ sau tiến lên những nấc thang cao hơn của ngành chế tạo máy CNC trong nước nói riêng, của -9- ngành công nghệ và kỹ thuật CNC trên thế giới nói chung. Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu không nhiều, kinh phí còn hạn hẹp nên đề tài còn nhiều hạn chế chưa đưa vào sản xuất trong các công ty và xí nghiệp. - 10 - CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ 2.1 Vi điều khiển PIC18F4520 [5] PIC là họ vi điều khiển chuẩn CMOS 8 bit tiêu thụ ít năng lượng, được chế tạo dựa trên cấu trúc PIC RiSC (Reduced Instruct Set Computers), đây là cấu trúc có tốc độ xử lý cao hơn nhiều so với các vi điều khiển được chế tạo dựa trên cấu trúc CISC (Complex Instruct Set Computers). Bởi vì tần số hoạt động của PIC bằng với tần số của thạch anh, trong khi so với vi diều khiển 8051 thì tần số hoạt động bằng tần số thạch anh chia cho 12. 2.1.1 Đặc trƣng của PIC18F4520  CPU tốc độ cao có 75 cấu trúc lệnh, nếu được cho phép có thể kéo dài đến 83 cấu trúc lệnh.  Hầu hết các cấu trúc lệnh chỉ mất một chu kỳ máy, ngoại trừ lệnh rẽ nhánh chương trình mất hai chu kỳ máy.  Tốc độ làm việc: xung clock đến 40MHz, tốc độ thực thi lệnh 125ns.  Bộ nhớ chương trình ( flash program memory) là 32kbyte.  Bộ nhớ dữ liệu SRAM là 1536 byte.  Bộ nhớ dữ liệu EEPROM là 256 byte.  5 port vào hoặc ra.  4 bộ timer.  1 capture/compare/PWM modules.  1 enhanced capture/ compare/PWM modules.  Giao tiếp nối tiếp : MSSP, enhanced USART.  Cổng giao tiếp song song. - 11 -  13 bộ Analog to Digital module 10 bít.  Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:  Bộ nhớ Flash có khả năng ghi xoá được 100.000 lần.  Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xoá được 1.000.000 lần.  Flash/Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ hàng 100 năm.  Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm. 2.1.2 Những đặc trƣng về giao tiếp ngoại vi  Hai bộ timer/counter 8 bit với bộ đếm dồn riêng biệt, và một chế độ so sánh.  Một bộ timer/counter 16 bit với bộ đếm dồn riêng biệt, một chế độ so sánh và chế độ thu nhận giá trị tức thời.  Hỗ trợ đầy đủ các nguồn ngắt trong và ngoài.  Bộ đếm thời gian thực có thể chạy từ bộ dao động riêng biệt.  Hỗ trợ 2 kênh PWM.  Hỗ trợ 13 kênh ADC 10 bit.  Hỗ trợ giao tiếp I2C.  Hỗ trợ giao tiếp SPI.  Hỗ trợ giao tiếp USB.  Hỗ trợ giao tiếp Ethernet.  Hỗ trợ giao tiếp CAN.  Hỗ trợ giao tiếp LIN.  Hỗ trợ giao tiếp IRDA.  DSP những tính năng xử lý tính hiệu số. - 12 - 2.1.3 Những tính năng đặc biệt  Được tích hợp bộ dao động RC nội điều chỉnh được giúp hoạt động không cần thạch anh ngoài.  Watchdog timer với bộ dao động trong.  Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xoá được 1.000.000 lần.  Chức năng bảo mật mã chương trình .  Chế độ SLEEP.  Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau. 2.1.4 Sơ đồ chân Pic18F4520 hỗ trợ 3 kiểu chân: PDIP, TQFP, MLFP. Trong đồ án này sử dụng IC có kiểu chân PDIP. - 13 - Hình 2.1: Sơ đồ chân của PIC18F4520 2.1.5 Mô tả các chân  VDD: chân cấp mức điện áp 5V.  VCC: chân nối đất.  PortA ( RA5…RA0): là port xuất nhập 6 bit hai chiều có điện trở kéo lên bên trong (có thể chọn cho từng bit). Ngoài ra các chân portA còn có chức năng đặc biệt. - 14 - Chân port Chức năng khác RA5 AN4- ngõ vào ADC4 RA4 Input, output RA3 AN3- ngõ vào ADC3 VREF chân tham chiếu tín hiệu analog của bộ A/D mức 5V RA2 AN2- ngõ vào ADC2 VREF chân tham chiếu tín hiệu analog của bộ A/D mức 0V RA1 AN1- ngõ vào ADC1 RA0 AN0- ngõ vào ADC0  PortB (RB7...RB0): là port xuất nhập 8 bit hai chiều có điện trở kéo lên bên trong (có thể chọn cho từng bit). Ngoài ra các chân portB còn có chức năng đặc biệt. Chân port Chức năng khác RB7 Input, output RB6 Input, output RB5 Input, output RB4 AN11- ngõ vào ADC11 RB3 CCP2- chân PWM kênh số 2 RB2 AN8- ngõ vào ADC8 INT2 – ngõ vào ngắt ngoài kênh số 2 - 15 - RB1 AN10- ngõ vào ADC10 INT1- ngõ vào ngắt ngoài kênh số 1 RB0 AN12- ngõ vào ADC12 INT0- ngõ vào ngắt ngoài kênh số 0  PortC (RC7...RC0): là port xuất nhập 8 bit hai chiều có điện trở kéo lên bên trong (có thể chọn cho từng bit). Ngoài ra các chân portB còn có chức năng đặc biệt. Chân port Chức năng khác RC7 RX- ngõ vào dữ liệu USART RC6 TX- ngõ ra dữ liệu USART RC5 SDO (bus của chuẩn SPI) RC4 SDI (bus của chuẩn SPI) RC3 SCK (một bus chuẩn của SPI) RC2 CCP1 chân PWM chân số 1 RC1 CCP2 chân PWM chân số 2 RC0 Chân input, output thường  PortD (RD7...RD0): là port xuất nhập 8 bit hai chiều có điện trở kéo lên bên trong (có thể chọn cho từng bit). - 16 -  PortE (RE2...RE0): là port xuất nhập 3 bit hai chiều có điện trở kéo lên bên trong (có thể chọn từng bit). Ngoài ra các chân portB còn có chức năng đặc biệt. Chân port Chức năng port RE2 AN7- ngõ vào ADC7 RE1 AN6- ngõ vào ADC6 RE0 AN5- ngõ vào ADC5  MCLR: ngõ vào Reset, khi chân này xuống mức thấp trong thời gian dài hơn độ dài xung nhỏ nhất thì vi điều khiển bị reset ngay cả khi không có xung clock chạy. - 17 - 2.1.6 Cấu trúc của PIC18F4520 Hình 2.2 : Cấu trúc bên trong PIC18F4520 - 18 - 2.2 Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình C  Ngôn ngữ lập trình C do Dennis Ritchie tạo lập vào năm 1972 tại Bell Telephone Laboratories. Mục đích ban đầu của ngôn ngữ này là để thiết kế hệ điều hành UNIX.  C là ngôn ngữ lập trình mạnh và mềm dẻo nên nó đã được rất nhiều người sử dụng. Khắp nơi người ta đã bắt đầu dùng nó để viết mọi loại chương trình. Tuy nhiên, các tổ chức khác nhau đã bắt đầu sử dụng các version khác nhau của C và đã phát sinh nhiều sự khác nhau trong các thao tác làn cho người lập trình phải đau đầu. Để khắc phục vấn đề này, năm 1983 viện tiêu chuẩn quốc gia của Mỹ đã thành lập mọt ủy ban để đề ra một định nghĩa chuẩn cho ngôn ngữ C, được gọi là ANSI Standard C.  Hạn chế duy nhất của C chính là sự hạn chế trong tư duy trừu tượng của chính người lập trình mà thôi. C được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, như thiết kế các hệ điều hành, các bộ soạn thảo văn bản, đồ họa và thậm chí là các chương trình dịch cho các ngôn ngữ khác.  C là một ngôn ngữ bình dân được nhiều người lập trình chuyên nghiệp dùng. Bằng chứng là đã có rất nhiều chương trình dịch khác nhau và nhiều tiện ích kèm theo.  C là ngôn ngữ chuyển đổi được tức là một chương trình C được viết cho hệ máy tính có thể được dịch và được chạy trên một hệ thống khác mà chỉ cần thay đổi chút ít hoặc không thay đổi gì cả.  C là ngôn ngữ ngắn gọn, nó chỉ bao gồm một số các từ khóa làm cơ sở để tạo ra các câu lệnh của ngôn ngữ. 2.3 Giới thiệu về PIC C Compiler [5] - 19 - Hình 2.3: Giao diện chính của PIC C Compiler Đây là phần mềm biên dịch C cho MCU PIC dễ thao tác, cò nhiều tiện ích khá lý thú, đơn giản dễ quản lý và trên tất cả đó là dễ đào tạo hướng dẫn người khác làm theo nó. PIC C Compiler rất hiệu dụng và đã tích hợp nhiều thư viện hỗ trợ lập trình rất thiết thực. Ngoài ra PIC C Compiler còn có khả năng tự động sinh mã tùy theo cấu hình ban đầu của người sử dụng nên giảm công sức lập trình đi rất nhiều. Nạp cho PIC18F4520 thông qua chương trình nạp Burn-E_Programmer. - 20 - Hình 2.4: Giao diện chƣơng trình nạp Burn-E_Programmer 2.4 Vít me 2.4.1 Giới thiệu chung Truyền động vitme-bi là loại truyền động biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến và ngược lại, thường dùng nhất là biến chuyển động quay của trục vitme thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc. Loại truyền động này khác với truyền động vít đai ốc ở chỗ có thêm các con lăn là các bi cầu nhờ đó ma sát trong truyền động vitme-bi là ma sát lăn (hình 1). Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều hãng sản xuất bộ truyền vitme-bi, nhưng giá thành khá cao. Mặt khác các hãng chỉ cung cấp phương pháp tính chọn vitme-bi theo các sản phẩm của mỗi hãng, mà không cung cấp các tài liệu đi vào nghiên cứu tính toán lý thuyết và tính thiết kế trên cơ sở ứng suất và tuổi thọ. Cùng với việc chưa có tài liệu tiến hành nghiên cứu sản xuất loại truyền động này. Bài báo này giới thiệu kết quả xây dựng phương pháp tính toán thiết kế và lựa chọn truyền động vitme-bi trên cơ sở lý thuyết về ứng