- Yêu cầu thiết kế hệ thống Tổng quan về kỹ thuật điều khiển số Các định nghĩa cơ bản về điều khiển số. - 13 2.1.3 Ưu nhược điểm của máy điều khiển số Phân loại theo cấu trúc điều khiển. - 13 2.2.5 Phân loại kiểu điều khiển Nhiệm vụ của máy thiết kế Nguyên lý hoạt động của máy Các thành phần chính của máy Phần điều khiển. - Một số linh kiện khác cần sử dụng trong chế tạo máy cnc vẽ mạch in Bản vẽ tổng thể và mô hình thực tế THIẾT KẾ PHẦN ĐIỀU KHIỂN Yêu cầu hoạt động tự động của máy Các thành phần của hệ thống Phân tích chọn lựa phương án điều khiển Thiết kế điều khiển và kết nối máy tính. - 34 4.5 Giới thiệu về phần điều khiển Giới thiệu về Arduino. - 34 4.4.4 Module điều khiển CNC Shield V3. - Driver điều khiển động cơ bước A4988. - 40 4.5 Xác định, sơ đồ nối dây Các phần mềm cần dùng Phần mềm tạo file mạch in Phần mềm tạo G-code Chương trình điều khiển máy CNC ( Universal Gcode Sender Chương trình điều khiển . - Đoạn chương trình điều khiển giao tiếp giữa máy vi tính và máy CNC. - Chương trình điều khiển chuyển động bàn xoay phôi. - 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. - 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. - 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. - 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. - 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. - So với các máy công cụ điều khiển bằng tay, sản phẩm từ máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung chương trình được đưa vào máy. - Máy CNC vẽ mạch in với hệ thống điều khiển khép kín có khả năng vẽ được những mạch in một cách chính xác. - Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp và thí nghiệm các mạch điều khiển động cơ bước, động cơ Servo, bộ điều khiển chính, cổng truyền thông giao tiếp, gia công toàn bộ các chi tiết và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình máy CNC vẽ mạch in. - Sử dụng bộ điều khiển để điều khiển máy dịch chuyển theo phương X Y và Z. - -Mô hình phải dược điều khiển bởi các phần mềm thông dụng. - -Máy được sữ dụng để vẽ các mạch in trên bo đồng 2.1 Tổng quan về kỹ thuật điều khiển số 2.1.1 Các định nghĩa cơ bản về điều khiển số 2.1.1.1 Điều khiển số Điều khiển số (Numerical Control) là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy dựa trên cơ sở các dữ liệu được mã hóa đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống. - Khâu có bản chất liên tục: Mô tả đối tượng điều khiển. - 2.1.1.2 Hệ thống điều khiển số Là hệ thống mà trong đó các hoạt động được điều khiển là dữ liệu số đưa vào trực tiếp ở một điểm nào đó. - Cấu trúc từng phần của hệ thống điều khiển số: Hình 2.3 Cấu trúc từng phần của hệ thống điều khiển số Gồm 6 thành phần chính: 1. - Hệ điều khiển máy (Machine Control Unit - MCU) được chia làm 2 thành phần. - Bộ so sánh: so sánh giá trị thực của biến ra để chấp hành giá trị với biến vào của hệ điều khiển, sai lệch này có thể biến thành tín hiệu điều khiển. - Được soạn thảo và lưu trữ trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ hoặc đĩa CD) và được đưa vào hệ điều khiển thông qua cửa nạp tương thích. - Được đưa vào hệ điều khiển số thông qua các nút bấm bằng tay trên bảng điều khiển. - Được chuyển tiếp từ bộ nhớ của máy tính điều hành chủ sang hệ điều khiển số của từng trạm gia công. - 2.1.3 Ưu nhược điểm của máy điều khiển số - Có thể bỏ qua các chi tiết mẫu để chép hình. - Dễ dàng điều khiển tập trung toàn bộ quá trình sản xuất của phân xưởng. - Nhược điểm của máy NC là hệ thống điều khiển phức tạp, giá thành đắt. - Tín hiệu điều khiển trong hệ NC là xung điện áp. - Ví dụ hệ thống điều khiển hở sử dụng động cơ bước: SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến Lớp: 15CĐT1 Trang 13 Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử. - Nguyễn Thế Tranh Hình 2.7- Sơ đồ khối hệ điều khiển hở dùng động cơ bước. - 2.2.5.2 Hệ thống điều khiển kín Hệ thống điều khiển kín là hệ thống có mạch phản hồi. - Hình 2.8-Sơ đồ khối hệ điều khiển kín SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến Lớp: 15CĐT1 Trang 14 Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử. - Sự ra đời của đề tài do sự ham thích tìm hiểu về máy CNC, xây đựng được mô hình máy CNC có thể chạy được thông qua sự điều khiển của bộ điều khiển đã thiết kế. - được điều khiển bằng arduino UNO R3 thông qua chương trình điều khiển là Grbl ( hoặc Mach 3).Phôi sẽ được định vị trên SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến Lớp: 15CĐT1 Trang 15 Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử. - Nguyễn Thế Tranh bàn máy, File Gcode sẽ dc nạp vào phần mềm Grbl, bộ xử lý sẽ phân tích code và đưa ra tin hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành tiến hành gia công trên phôi đã được định vị để tạo ra sản phẩm. - các thông số trong quá trình gia công sẽ được người điều khiển thiết lập trên phần mềm Grbl và sẽ được hiển thị trên màn hình điều khiển (màn hình máy tính) trong quá trình gia công chi tiết. - 2.4 Các thành phần chính của máy 2.4.1 Phần điều khiển Phần điều khiển của máy CNC mini gồm chương trình điều khiển và thiết bị điều khiển. - Chương trình điều khiển: là phần mềm trên máy tính có nhiệm vụ đọc chương trình, thực hiện các biến đổi cần thiết để đưa tín hiệu điều khiển xuống mạch điều khiển, nó bao gồm cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh. - Cơ cấu điều khiển: mạch điều khiển và mạch công suất có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ máy tính, thực hiện các biến đổi cần thiết để điều khiển được cơ cấu chấp hành và kiểm tra sự hoạt động của cơ cấu chấp hành thông qua các cảm biến liên hệ ngược (công tắc hành trình). - 2.4.2 Phần chấp hành Phần chấp hành bao gồm toàn bộ khung máy, bàn máy, các động cơ và các cơ cấu chạy dao truyền động trên máy vẽ CNC mini, nó nhận tín hiệu từ bộ driver điều khiển tạo ra các chuyển động chạy dao đúng như bản vẽ. - Không có hiện tượng tự quay, tự hãm khi ngắt tín hiệu điều khiển. - Công suất điều khiển nhỏ. - Dễ điều khiển vô cấp. - Dãy điều khiển tốc độ rộng. - Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết. - Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. - Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định. - Không giống như động cơ thông thường cứ cắm điện vào là quay liên tục, servo chỉ quay khi được điều khiển với góc quay nằm trong khoảng bất kì từ 0o - 180o. - Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. - Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. - Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. - Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơ servo RC (radio- controlled). - Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điều khiển bằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi. - Nếu tải đặt vào động cơ tăng, bộ điều khiển sẽ tăng dòng tới cuộn dây động cơ giúp SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến Lớp: 15CĐT1 Trang 28 Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử. - Đông cơ servo hoạt động không trùng khớp với lệnh điều khiển bằng động cơ bước. - Nguyễn Thế Tranh CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ PHẦN ĐIỀU KHIỂN 4.1 Yêu cầu hoạt động tự động của máy - Máy CNC được biết đến như một công cụ có khả năng tự động hóa cao, điều khiển theo một chương trình định sẵn.Do vậy,yêu cầu về khả năng hoạt động tự động là cực kỳ cần thiết.Mạch điều khiển và chương trình điều khiển là những thành phần thiết yếu trong việc đảm bảo quá trình vận hành của máy. - Về cơ bản, hệ thống điều khiển máy CNC vẽ mạch in do nhóm thiết kế bao gồm những thành phần chính sau. - sau khi thiết kế các sản phẩm, thông qua chương trình điều khiển máy tính gửi tín hiệu điều khiển đến mạch trung tâm. - Mạch điều khiển trung tâm: nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính, gửi các tín hiệu điều khiển tương ứng đến từng mạch driver. - Động cơ DC vẽ: nhận tín hiệu điều khiển thực hiện quá trình vẽ vật liệu. - Quá trình hoạy động của hệ thông dưới tác động của bộ phận điều khiển như sau: Chương trình gia công chi tiết được xuất dưới dạng file G.code sẽ được nạp vào chương trình điều khiển (chương trình điều khiển được sử dụng là Grbl controller 3.6.1). - Thông qua chương trình điều khiển, máy tính gửi tính hiệu điều khiển đến mạch trung tâm.Mạch trung tâm sẽ gửi các tính hiệu điều khiển tương ứng đến các mạch driver để thực hiện quá trình điều khiển các động cơ bước của các trục. - Mạch arduino kết hợp với Module CNC Shield V3 và module điều khiển động cơ bước A4988 giúp ta có thể điều khiển động cơ bước dễ dàng qua Arduino. - 4.2 Các thành phần của hệ thống - Để thiết lập một hệ thống điều khiển khiển đảm bảo yêu cầu. - Nguyễn Thế Tranh + Đối tượng điều khiển: Động cơ bước các trục X,Y và động cơ servo + Cơ cấu tác động: Module điều khiển động cơ bước + Cơ cấu chấp hành: Động cơ trục chính + Bộ phận điều khiển: Mạch điều khiển (Arduino UNO) và chương trình điều khiển (GRBL Controller) 4.3 Phân tích chọn lựa phương án điều khiển - Để thiết kế phần điều khiển cho đề tài “Thiết kế máy CNC vẽ mạch in” mà nhóm được giao. - Chỉ với hơn 100 ngàn đồng, người dùng đã có thể sở hữu một board Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác và điều khiển chừng đấy thiết bị. - Thế mạnh của Arduino so với các nền tảng vi điều khiển khác. - Những ứng dụng nổi bật của Arduino là: máy in 3D, robot, game tương tác, điều khiển ánh sáng, kích hoạt chụp ảnh tốc độ cao. - Nguyễn Thế Tranh + Định vị GPS, nhắn tin SMS, và nhiều thứ thú vị khác 4.4 Thiết kế điều khiển và kết nối máy tính Chọn phương án điều khiển: Sử dụng cổng USB: USB có những đặc trưng sau đây: Cho phép mở rộng 127 thiết bị kết nối cùng vào một máy tính thông qua một cổng USB duy nhất (bao gồm các hub USB). - Nguyễn Thế Tranh Hình 4.3 - Arduino UNO R3 -Một vài thông số của Arduino UNO R3 : Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi chân 30 mA I/O Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB SRAM 2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) SVTH: Nguyễn Thế Tri & Nguyễn Văn Chiến Lớp: 15CĐT1 Trang 35 Đồ án Tổng hợp Cơ Điện Tử. - Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 - Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau. - -Vi điều khiển : +Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8 bit AVR là ATmega8 , ATmega168 , ATmega328. - +Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino UNO sử dụng vi điều khiển ATmega328 với giá khoảng 90.000đ. - +Ngoài việc dùng cho board Arduino UNO, bạn có thể sử dụng những IC điều khiển này cho các mạch tự chế. - Vì sao ? Vì bạn chỉ cần board Arduino UNO để lập trình cho vi điều khiển. - IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này. - RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ. - +Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiển ATmega328. - +Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển. - +Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển. - +Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển. - Nguyễn Thế Tranh 4.4.4 Module điều khiển CNC Shield V3 -Board Arduino 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 mô đun điều khiển động cơ bước A4988, khi đó board có thể điều khiển3 trục X, Y, Z và thêm một trục thứ 4 tùy chọn trên các máy CNC mini. - Driver điều khiển động cơ bước A4988 - Module điều khiển động cơ bước A4988 là một trình điều khiển động cơ vi bước hoàn chỉnh với việc tích hợp bộ dịch cho hoạt động dễ dàng. - Nguyễn Thế Tranh - Mạch điều khiển điều chỉnh bên trong được cung cấp nhằm cải thiện hoạt động của bộ PWM để giảm việc tiêu thụ điện. - Đáp ứng nhanh, điều khiển trực tiếp qua máy tính dễ dàng. - Phải có phần mềm để điều khiển các driver thông qua giao tiếp cổng USB hay LPT của máy tính. - 4.5 Xác định, sơ đồ nối dây -Kết nối phần cứng (Arduino UNO R3 + CNC Shield + A4988) để điều khiển động cơ bước dẫn động các trục X,Y và Z. - -Phần mềm tạo G-code để chạy máy CNC thì chúng em dùng Aprie 8.5 4.6.3 Chương trình điều khiển máy CNC ( Universal Gcode Sender 1.0.8. - Các khu vực còn lại trên giao diện gồm một bảng điều khiển và bảng lệnh, cùng một phần chuyên điều chỉnh thông số chính xác. - Nguyễn Thế Tranh Để điều khiển máy tính từ xa, TeamViewer là lựa chọn được nhiều người lựa chọn nhất bởi khả kết nối nhanh và chế độ bảo mật tốt, bên cạnh đó TeamViewer còn hỗ trợ hoạt động trên nhiều nền tảng khác nhau. - Ngoài ra, Universal Gcode Sender tích hợp công cụ G-code Visualizer có khả năng kết nối phần mềm qua điện thoại smartphone và máy tính bảng, gửi thông tin điều khiển và phản hồi tới máy CNC. - 4.7 Chương trình điều khiển: 4.7.1. - Đoạn chương trình điều khiển giao tiếp giữa máy vi tính và máy CNC Chương trình điều khiển Arduino sử dụng để điều khiển “máy phay CNC 3 trục” đòi hỏi độ chính xác rất cao