Thiết kế và chế tạo máy CNC phay mạch PCB.pdf

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY CNC PHAY
MẠCH PCB
Người hướng dẫn: PGS.TS TRẦN XUÂN TÙY
Sinh viên thực hiện: TRẦN QUANG TÂN
NGUYỄN VĂN DUYỆT
Đà Nẵng, 2017

i
TRƯỜNG ĐẠI HỌCBÁCH KHOA
KHOA…………………………………………
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. Thông tin chung:
1. Họ và tên sinh viên: …………………………………………………………………..
2. Lớp: …………………………… Số thẻ SV: ..……………………………………….
3. Tên đề tài: …………………………………………………………………………….
4. Người hướng dẫn: …………………………. Học hàm/ học vị: ……………………..
II. Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:
1. Về tính cấp thiết, tính mới, khả năng ứng dụng của đề tài: (điểm tối đa là 2đ)
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
2. Về kết quả giải quyết các nội dung nhiệm vụ yêu cầu của đồ án: (điểm tối đa là 4đ)
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
3. Về hình thức, cấu trúc, bố cục của đồ án tốt nghiệp: (điểm tối đa là 2đ)
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
4. Đề tài có giá trị khoa học/ có bài báo/ giải quyết vấn đề đặt ra của doanh nghiệp
hoặc nhà trường: (điểm tối đa là 1đ)
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
5. Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
III. Tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên: (điểm tối đa 1đ)
……………………………………………………………………………………
IV. Đánh giá:
1. Điểm đánh giá: ……../10 (lấy đến 1 số lẻ thập phân)
2. Đề nghị: ☐ Được bảo vệ đồ án ☐ Bổ sung để bảo vệ ☐ Không được bảo vệ
Đà Nẵng, ngày…..tháng…..năm 2017
Người hướng dẫn
DUT.LRCC

ii
KHOA…………………………………………
NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I. Thông tin chung:
1. Họ và tên sinh viên: ……….………………………………………………………….
2. Lớp: …………………….……… Số thẻ SV: ..………………………………………
3. Tên đề tài: …………………………………………….……………………………....
4. Người phản biện: ..………………………….………… Học hàm/ học vị: ………….
II. Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:
TT Các tiêu chí đánh giá
Điểm
tối đa
Điểm
đánh giá
1
Sinh viên có phương pháp nghiên cứu phù hợp, giải quyết đủ
nhiệm vụ đồ án được giao
80
1a
- Tính mới (nội dung chính của ĐATN có những phần mới so với
các ĐATN trước đây).
- Đề tài có giá trị khoa học, công nghệ; có thể ứng dụng thực tiễn.
15
1b
- Kỹ năng giải quyết vấn đề; hiểu, vận dụng được kiến thức cơ bản,
cơ sở, chuyên ngành trong vấn đề nghiên cứu.
- Chất lượng nội dung ĐATN (thuyết minh, bản vẽ, chương trình,
mô hình,…).
50
1c
- Có kỹ năng vận dụng thành thạo các phần mềm ứng dụng trong
vấn đề nghiên cứu;
- Có kỹ năng đọc, hiểu tài liệu bằng tiếng nước ngoài ứng dụng
trong vấn đề nghiên cứu;
- Có kỹ năng làm việc nhóm;
15
2 Kỹ năng viết: 20
2a - Bố cục hợp lý, lập luận rõ ràng, chặt chẽ, lời văn súc tích 15
2b- Thuyết minh đồ án không có lỗi chính tả, in ấn, định dạng 5
3 Tổng điểm đánh giá theo thang 100:
Quy về thang 10 (lấy đến 1 số lẻ)
- Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa: ………………………………………..
………………………………………………………………………………………...
- Câu hỏi đề nghị sinh viên trả lời trong buổi bảo vệ: …………………………………
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
- Đề nghị: ☐ Được bảo vệ đồ án ☐ Bổ sung để bảo vệ ☐ Không được bảo vệ
Đà Nẵng, ngày….tháng….. năm 201…
Người phản biện
DUT.LRCC

iii
KHOA…………………………………………
PHIẾU CHẤM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. Họ tên sinh viên: ...……….…………………………………… Lớp: ……………….
2. Tên đề tài: …………………………………………….……………………………....
..………………………………………………………………………………………..
II.Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:
TT Các tiêu chí đánh giá
Điểm
tối đa
Điểm
Đánh giá
1
Sản phẩm đồ án tốt nghiệp (Thuyết minh đồ án, các
bản vẽ, mô hình, chương trình máy tính...)
50
1a
- Tính mới (nội dung chính của ĐATN có những phần mới
so với các ĐATN trước đây);
- Đề tài có giá trị khoa học, công nghệ; có thể ứng dụng
thực tiễn:
10
1b
- Kỹ năng giải quyết vấn đề; hiểu, vận dụng được kiến thức
cơ bản, cơ sở, chuyên ngành trong vấn đề nghiên cứu;
- Chất lượng nội dung ĐATN (thuyết minh, bản vẽ, chương
trình, mô hình,…);
30
1c
- Có kỹ năng vận dụng thành thạo các phần mềm ứng dụng
trong vấn đề nghiên cứu;
- Có kỹ năng đọc, hiểu tài liệu bằng tiếng nước ngoài ứng
dụng trong vấn đề nghiên cứu;
- Có kỹ năng làm việc nhóm;
10
2 Thuyết trình đề tài: 25
2a
- Nội dung thuyết trình thể hiện được mục đích, phương
pháp, nội dung đã giải quyết và kết quả của đề tài
15
2b
- Kỹ năng thuyết trình, thời gian thuyết trình;
- Chất lượng slides và các công cụ minh họa/ hỗ trợ
10
3 Trả lời câu hỏi: 25
- Vận dụng được kiến thức liên quan để trả lời hoàn chỉnh
các câu hỏi trong khoảng thời gian quy định;
- Tự tin, thể hiện mức độ am hiểu sâu về kiến thức liên quan;
25
4 Tổng điểm đánh giá: theo thang 100
Quy về thang 10 (lấy đến 1 số lẻ)
- Ý kiến khác: ………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………..
Đà Nẵng, ngày tháng năm 201
Họ tên & chữ ký người chấm
DUT.LRCC

iv
KHOA…………………………………………
CÂU HỎI PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. Họ và tên sinh viên: …….….……………………………………………………….
2. Lớp: …………………….….… Số thẻ SV: ..………………………………………
3. Tên đề tài: ……………………………….………….……………………………....
4. Người phản biện: ..……………………..…….………… Học hàm/ học vị: ………
II. Các câu hỏi đề nghị sinh viên trả lời
1. ……………….……………….……..………………………………………………
………………………………………………………………………………………
2. ………………………………………..……………………………………………..
………………………………………………………………………………………
Đáp án: (người phản biện ghi vào khi chấm và nộp cùng với hồ sơ bảo vệ)
1. ……………….……………….……..…………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
2. ………………………………………..…………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Đà Nẵng, ngày …. Tháng …. năm 201…
Người phản biện
DUT.LRCC

v
TÓM TẮT
Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo máy CNC phay mạch PCB
Sinh viên thực hiện: 1. Trần Quang Tân 2. Nguyễn Văn Duyệt
Số thẻ SV: 1. 101120314 2. 101120337
Lớp: 1. 12CDT1 2. 12CDT2
Đồ án tốt nghiệp là lúc chúng em được áp dụng tất cả những kiến thức sau 5 năm
học ở ngôi trường Bách Khoa, và là dịp để chúng em thu nhận thêm nhiều kiến thức
quý báu trước khi trở thành 1 người kỹ sư.
Với đề tài Thiết kế và chế tạo máy CNC phay mạch PCB, chúng em đã thiết kế một
máy phay CNC cỡ nhỏ với kích thước bao ngoài là 30x30x30, để phay bản mạch có
kích thước tối đa là 9x18cm, máy hoạt động theo cơ cấu chấp hành nối tiếp, cơ cấu
truyền động sử dụng vitme thường và cơ cấu dẫn động sử dụng động cơ bước. Máy sẽ
thược hiện 3 chu trình, đầu tiên máy sẽ thực hiện chu trình khắc mạch với dao khắc đã
được lắp sẵn trên trục chính, tiếp đến máy sẽ thay dao tự động theo G-code đã được
lập trình sẵn, và sử dụng mũi khoan để khoan những lỗ đường kính 1mm trên bản
mạch, sau khi khoan xong máy tiếp tục thay dao tự động và sử dụng mũi dao phay quả
dứa để phay 4 lỗ trên 4 góc bản mạch, và thực hiện chu trình phay cắt bản mạch ra
khỏi phôi ban đầu.
Máy sử dụng 3 động cơ bước để điều khiển các trục x,y,z, 1 động cơ trục chính chạy
bằng nguồn điện 24V DC với tốc độ quay tối đa là 10.000rpm để thực hiện công việc
cắt gọt. Về phần mạch điều khiển, máy sử dụng board Arduino UNO R3 để điều
khiển, kết hợp với board CNC shield V3 là board mở rộng của Arduino UNO R3 dùng
để điều khiển các máy CNC mini. Board CNC Shield có 4 khay dùng để cắm các
module điều khiển động cơ bước A4988, máy sử dụng 1 module Relay 5V DC để
đóng ngắt dòng qua động cơ trục chính.
DUT.LRCC

vi
KHOA…………………………………………
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TT Họ tên sinh viên Số thẻ SV Lớp Ngành
1. Tên đề tài đồ án:
………………………………………………..…………………………………………
…………………………………………………………………………………………..
2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
……………………………………..……………………………………………..……...
...…………………………………………………………………………………………
…..………………………………….…..………………………..………………………
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
a. Phần chung:
TT Họ tên sinh viên Nội dung
b. Phần riêng:
DUT.LRCC

vii
5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
a. Phần chung:
b. Phần riêng:
6. Họ tên người hướng dẫn: Phần/ Nội dung:
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ……../……./201…..
8. Ngày hoàn thành đồ án: ………../……./201…..
Đà Nẵng, ngày tháng năm 201
Trưởng Bộ môn………………………. Người hướng dẫn
DUT.LRCC

viii
LỜI NÓI ĐẦU VÀ CẢM ƠN
Nước ta đang trong giai đoạn tiến hành công nghiệp hoá, hiện đại hóa nền kinh
tế, đến năm 2020 về cơ bản nước ta là một nước công nghiệp, để thực hiện quá trình
đó, ngành cơ khí đóng một vai trò rất quan trọng. Có thể nói đây là ngành then chốt
của nền kinh tế quốc dân và là ngành mũi nhọn trong quá trình phát triển đất nước.
Là sinh viên nghành Cơ điện tử trong quá trình học tập và thực tế, em nhận thấy
hiện nay việc chế tạo các loại máy phục vụ cho công nghiệp nói riêng và các ngành
khác nói chung, là rất cần thiết nhằm: tăng năng suất lao động, chất lượng sản phẩm,
giảm giá thành sản phẩm, cơ giới hóa các công đoạn nặng nhọc, giảm nhẹ sức lao
động cho con người.
Với đồ án Tốt Nghiệp chuyên nghành Cơ Điện Tử chúng em xin được nhận đề
tài Máy CNC phay mạch in, với đề tài này chúng em có thể ứng dụng toàn bộ kiến
thức mình đã học từ năm 1 đến năm 5. Với hy vọng sẽ làm thành công đề tài để đưa nó
vào ứng dụng trong cuộc sống, giúp giảm thời gian và sức lực cho con người.
Để đề tài này đạt kết quả tốt đẹp, em đã nhận được sự hỗ trợ, giúp đỡ của nhiều
cá nhân và tổ chức. Với tình cảm sâu sắc, chân thành, cho phép em được bày tỏ lòng
biết ơn sâu sắc đến tất cả các cá nhân và tổ chức đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá
trình học tập và nghiên cứu đề tài.
Trước hết em xin gởi tới các thầy cô khoa cơ khí trường Đại học Bách Khoa Đà
Nẵng lời chào trân trọng, lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn sâu sắc. Với sự quan tâm,
dạy dỗ, chỉ bảo tận tình chu đáo của thầy cô, đến nay em đã có thể hoàn thành đồ án
tốt nghiệp, đề tài: “Thiết kế và chế tạo máy CNC phay mạch PCB”.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy giáo PGS.TS Trần
Xuân Tùy đã quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn chúng em hoàn thành tốt đồ án này trong
thời gian qua.
Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một sihn viên,
nên đồ án này không thể tránh được những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ
bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô để em có điều kiện bổ sung, nâng cao kiến thức
của mình, và phục vụ tốt hơn công việc thực tế sau này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Đà Nẵng, Tháng 5 năm 2017
Sinh viên thực hiện
Trần Quang Tân
Nguyễn Văn Duyệt
DUT.LRCC

ix
LỜI CAM ĐOAN
Đề tài tốt nghiệp này là công trình do các thành viên trong nhóm đề tài biên soạn.
Tất cả các đoạn văn, ý kiến, quan điểm của người khác sử dụng trong bài đều được
dẫn nguồn và lập danh mục tham khảo ở cuối bài. Bài này chỉ được sử dụng để bảo vệ
tốt nghiệp và không sử dụng để bảo vệ cho 1 học vị nào. Tôi đã đọc quy định của nhà
trường và hiểu rõ đạo văn là một lỗi nghiêm trọng trong học tập, tôi cam kết chấp hành
và sẵn sàng nhận mọi biện pháp xử lý nếu bị phát hiện vi phạm.
Đà Nẵng, Tháng 5 năm 2017
Sinh viên thực hiện
DUT.LRCC

x
MỤC LỤC
TÓM TẮT .....................................................................................................................V
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ......................................................................... VI
LỜI NÓI ĐẦU VÀ CẢM ƠN .................................................................................VIII
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... IX
MỤC LỤC .....................................................................................................................X
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ..................................................................... XI
MỞ ĐẦU.........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC..............................................................3
1.1. Giới thiệu chung về máy CNC .................................................................................3
1.2. Ứng dụng của máy CNC ..........................................................................................4
1.3. Nguyên lý hoạt động và phân loại............................................................................7
1.4. Một số máy phay CNC mini đang có trên thị trường hiện nay................................8
1.4.1. Máy khắc mini CNC 3525 .....................................................................................8
1.4.2. Máy khắc mini CNC 3040 .....................................................................................9
1.4.3. Máy khắc mini CNC 2030 ...................................................................................10
1.4.4. Máy khắc laserbox A4 3W...................................................................................11
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ CẤU ...........................................................................13
2.1. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ................................................................13
2.1.1. Lựa chọn cơ cấu hoạt động của máy...................................................................13
2.1.2. Lựa chọn phương án di chuyển các trục.............................................................14
2.1.3. Kết luận: ..............................................................................................................15
2.2. LỰA CHỌN CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG .............................................................15
2.2.1. Vít me đai ốc........................................................................................................15
2.2.2. Phương án dùng đai. ...........................................................................................17
2.2.3. Kết luận................................................................................................................17
2.3. TÍNH THÔNG SỐ BỘ TRUYỀN CHO CƠ CẤU DẪN HƯỚNG CÁC TRỤC..17
2.3.1. Cơ cấu di chuyển theo trục X và Y ......................................................................17
2.3.2. Cơ cấu di chuyển theo trục Z...............................................................................20
2.3.3. Chọn động cơ bước .............................................................................................21
2.4. CHỌN CƠ CẤU DẪN ĐỘNG...............................................................................22
2.4.1. Động cơ dẫn động các trục tọa độ ......................................................................22
2.4.2. Giới thiệu về động cơ bước .................................................................................23
2.5. TÍNH VÀ CHỌN ĐỘNG CƠ TRỤC CHÍNH.......................................................26
DUT.LRCC

xi
2.6. THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT CƠ KHÍ.....................................................................27
2.6.1. Một số chi tiết cơ khí được thiết kế......................................................................27
2.6.2. Các loại dao được sử dụng trong đề tài..............................................................33
2.6.4. Máy sau khi hoàn thành phần cơ khí...................................................................35
CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN...........................................36
3.1. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ............................................................................................36
3.2. CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG TRONG ĐỂ TÀI..................................37
3.2.1. Kit Arduino UNO R3 ...........................................................................................37
3.2.2. Board CNC SHIELD V3......................................................................................39
3.2.3. Module A4988 .....................................................................................................40
3.2.4. Module Relay 5V DC...........................................................................................43
3.3. SƠ ĐỒ KẾT NỐI CÁC MODULE........................................................................44
3.4. CÁC PHẦN MỀM ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI .....................................45
3.4.1. Phần mềm Arduino IDE ......................................................................................45
3.4.2. Phần mềm Proteus...............................................................................................46
3.4.3. Phần mềm COPPERCAM ...................................................................................47
3.4.4. Phần mềm GRBL Controller ...............................................................................48
3.5. QUY TRÌNH TẠO RA G-CODE TỪ CÁC PHẦN MỀM....................................49
3.5.1. Lập trình và xuất file Gerber với phần mềm Proteus..........................................49
3.5.2. Chỉnh sửa mạch và tiến hành xuất G-code từ phần mềm CopperCAM..............51
3.5.3. Cài đặt thông số máy và tiến hành điều khiển máy với phần mềm GRBL
Controller ......................................................................................................................55
3.5.4 Một số hình ảnh phôi trước khi gia công và sản phẩm hoàn thiện...............Error!
Bookmark not defined.
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN...........................................................................................58
4.1. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ....................................................................58
4.1.1 Kết quả đạt được của đề tài..................................................................................58
4.1.2 Ưu nhược điểm của đề tài trong quá trình chạy thử............................................58
4.1.2. KẾT QUẢ THU HOẠCH CHO BẢN THÂN ....................................................59
4.2 ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI TRONG TƯƠNG LAI ...........................60
4.2.1 Mục tiêu đặt ra cho đề tài trong tương lai ...........................................................60
4.2.2 Hướng phát triển đề tài trong tương lai...............................................................60
4.3 KẾT LUẬN .............................................................................................................61
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................62
PHỤ LỤC .......................................................................................................................1
DUT.LRCC

xii
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
Hình 1.1 Biểu đồ về quá trình phát triển máy CNC........................................................4
Hình 1.2 Khuôn mẫu được gia công bằng máy CNC......................................................5
Hình 1.3 Máy CNC đang khắc trên gỗ............................................................................6
Hình 1.4 Một sản phẩm 3D được gia công bằng máy CNC............................................6
Hình 1.5 Máy CNC đang gia công những chiếc răng giả ...............................................7
Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của máy CNC Fanuc......................................................7
Hình 1.7 Máy khắc CNC 2535........................................................................................9
Hình 1.8 Máy khắc mini CNC 3040..............................................................................10
Hình 1.9 Máy khắc mini CNC 2030..............................................................................11
Hình 1.10 Máy khắc laserbox........................................................................................12
Hình 2.1 Máy phay CNC hoạt động theo cơ cấu chấp hành nối tiếp............................13
Hình 2.2 Robot hoạt động theo Cơ cấu chấp hành song song.......................................14
Hình 2.3 Vitme bi ..........................................................................................................16
Hình 2.4 Cấu tạo bộ phận di chuyển theo trục X ..........................................................17
Hình 2.5 Cấu tạo bộ phận di chuyển theo trục Y ..........................................................18
Hình 2.6 Cấu tạo bộ phận di chuyển theo trục Z...........................................................20
Hình 2.7 Động cơ bước .................................................................................................25
Hình 2.8 Động cơ DC R775 ..........................................................................................26
Hình 2.9 Đầu gá dao......................................................................................................27
Hình 2.10 Chụp gá dao..................................................................................................28
Hình 2.11 Bàn gá dao ....................................................................................................28
Hình 2.12 Gá gối đỡ trục Y ...........................................................................................29
Hình 2.13 Ray trượt bàn gá dao ....................................................................................29
Hình 2.14 Gá động cơ bước trục Z................................................................................30
Hình 2.15 Gá động cơ trục chính ..................................................................................30
Hình 2.16 Gá động cơ bước trục Y ...............................................................................31
Hình 2.17 Gá gối đỡ trục X ...........................................................................................31
Hình 2.18 Gá động cơ bước trục X ...............................................................................32
Hình 2.19 Ray gá phôi trục Y........................................................................................32
Hình 2.20 Bản vẽ 3D tổng thể máy...............................................................................33
Hình 2.21 Dao khắc mạch .............................................................................................33
Hình 2.22 Dao quả dứa..................................................................................................34
DUT.LRCC

xiii
Hình 2.23 Mũi khoan mạch...........................................................................................34
Hình 2.24 Máy khi đã hoàn thành phần cơ khí .............................................................35
Hình 3.2 Kit Arduino R3...............................................................................................37
Hình 3.3 Board CNC SHIELD V3................................................................................39
Hình 3.4 Module A4988................................................................................................40
Hình 3.5 Sơ đồ kết nối vi điều khiển nói chung với A4988..........................................41
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý Step Driver A4988 ..............................................................42
Hình 3.7 Mạch in driver A4988 ....................................................................................42
Hình 3.8 Module Relay 5V DC.....................................................................................43
Hình 3.9 Sơ đồ kết nối các Module...............................................................................44
Hình 3.10 Logo phần mềm Arduino IDE......................................................................45
Hình 3.11 Giao diện chính của phần mềm Arduino IDE ..............................................45
Hình 3.12 Kiểm tra cổng COM để biết kết nối giữa Arduino và máy tính...................45
Hinh 3.13 Vẽ mạch mô phỏng với phần mềm Proteus..................................................46
Hình 3.14 Mạch layout..................................................................................................46
Hình 3.15 Giao diện khởi động phần mềm CopperCAM .............................................47
Hình 3.16 File G-code được xuất ra từ phần mềm CopperCAM..................................47
Hình 3.17 Giao diện chính của phần mềm GRBL Controller.......................................48
Hình 3.18 Chức năng mô phỏng quá trình gia công trong GRBL Controller...............48
Hình 3.19 Vẽ mạch nguyên lý trên giao diện ISIS của phần mềm Proteus ..................49
Hình 3.20 Chỉnh sửa mạch layout trên giao diện Ares .................................................49
Hình 3.21 Tiến hành xuất file Gerber............................................................................50
Hình 3.22 Chọn thư mục lưu file Gerber ......................................................................50
Hình 3.23 Tiến hành mở phần mềm CopperCAM........................................................51
Hình 3.24 Tiến hành mở gile Gerber.............................................................................51
Hình 3.25 Cài đặt thông số dao .....................................................................................52
Hình 3.26 Tiến hành cho máy chạy dao tự động...........................................................52
Hình 3.27 Cài đặt số lần lập lại đường cắt ....................................................................53
Hình 3.28 Vào Mill để tiến hành xuất G-code ..............................................................53
Hình 3.29 Chọn các tiêu chuẩn xuất G-code mong muốn.............................................54
Hình 3.30 G-code sau khi được xuất ra.........................................................................54
Hình 3.31 Mở phần mềm GRBL và kết nối board Arduino với máy tính ....................55
Hình 3.32 Cài đặt các thông số cơ bản cho máy ...........................................................55
Hình 3.33 Set gốc tọa độ cho máy.................................................................................56
Hình 3.34 Tiến hành mở file G-code.............................................................................56
DUT.LRCC

xiv
Hình 3.35 Bật tắt trục chính ..........................................................................................57
Hình 3.36 Tiến hành gia công .......................................................................................57
Hình 3.37 Hệ thống thay dao tự động ...........................................................................60
Hình 3.38 Hệ thống cấp phôi tự động ...........................................................................61
Bảng 2.1 Bảng tiêu chuẩn bước góc của động cơ bước ................................................24
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của board Arduino UNO R3.................................37
DUT.LRCC

xv
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
 CHỮ VIẾT TẮT:
- CNC: Computer Numerical Control
- NC: Numerical Control
- EEPROM: Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory
- SRAM: Static Random Access Memory
- IDE : Integrated Development Environment
- ENABLE: Chân kích hoạt
- LOW : mức thấp
- HIGT: mức cao
- VIN: Vehicle Identification Number
- PWM: Pulse Width Modulation
- SPI: Serial Peripheral Bus
DUT.LRCC

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY CNC PHAY MẠCH PCB 2017
SVTH: Trần Quang Tân – 12CDT1 GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy 1
Nguyễn Văn Duyệt – 12CDT1
MỞ ĐẦU
1. Mục đích thực hiện đề tài
Chúng em hiện đang là sinh viên năm cuối của chuyên ngành Cơ Điện Tử, trong
quá trình học tập từ năm 1 đến năm 5 chúng em được học nhiều môn về điện tử, trong
quá trình học chúng em cũng được thực hành làm các mạch điện để ứng dụng cho đồ
án môn học. Trong quá trình làm các mạch in thủ công thì chúng em gặp rất nhiều khó
khăn, vì làm mạch in thủ công trải qua rất nhiều công đoạn và mỗi công đoạn luôn
tiềm ẩn các rủi ro, vì thế để làm thành công 1 mạch in có thể ứng dụng được thì tốn từ
2 đến 4 mạch phế thải, chưa kể thời gian và công sức bỏ ra rất nhiều.
Vì thế đến năm cuối của chuyên ngành em hy vọng được làm đề tài tốt nghiệp về
máy CNC phay mạch in, để có thể giúp cho công việc làm mạch trở nên dễ dàng hơn,
rút ngắn thời gian và công sức làm mạch khi tất cả đều được thực hiện trên máy móc,
tiếp đến khi làm đề tài này thì cũng là lúc em được ứng dụng tất cả những kiến thức
mà em đã được học trong 5 năm qua tại trường, đề tài là bước “tổng kết và hoàn thiện”
những kỹ năng còn thiếu sót trước khi thực sự trở thành người kỹ sư
2. Mục tiêu đề tài
Qua tìm hiểu, chúng em thấy máy CNC phay mạch PCB là công nghệ rất hay, mới
mẻ được các nước trên thế giới ứng dụng trong sản xuất mạch với số lượng lớn… Ở
trong nước, chỉ có nhập linh kiện, máy móc về lắp ráp để sản xuất, lại chưa áp dụng
rộng rãi do giá thành quá cao. Với mục đích đem những ứng dụng của máy CNC gần
hơn với người Việt Nam, và tạo nên sản phẩm mạch PCB gia công bằng máy CNC giá
rẻ trên thị trường nên chúng em bắt tay vào nghiên cứu chế tạo máy CNC phay mạch
PCB.
Đề tài là bước đầu tìm hiểu, thi công sản phẩm máy CNC thực tế, đồng thời cũng
áp dụng những kiến thức đã được học để giải quyết vấn đề thực tiễn. Thông qua việc
nghiên cứu và làm việc nghiêm túc để rèn luyện tác phong 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 có tính ứng dụng cao,
thích hợp với nhiều loại hình sản xuất, giảm thời gian gia công, tăng độ chính xác và
độ đồng đều sản phẩm, giảm hao phí do sản xuất, giảm giá thành sản phẩm.
DUT.LRCC

3. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm các module, khối chức năng… làm sao để
chúng có thể hoạt động thống nhất, đồng bộ trên một mô hình. Bao gồm các đối tượng
chính sau:
- Board CNC Shiled điều khiển các động cơ bước.
- Arduino UNO R3 và phần mềm lập trình ứng dụng.
- Phần mềm Proteus để thiết kế và mô phỏng mạch nguyên lý, sau đó chuyển sang
layout và xuất file Gerber.
- Phần mền CopperCAM để điều chỉnh thông số dao, tốc độ cắt, đường chạy
dao..v.v..trước khi xuất G-code.
- Phần mềm GRBL Controller để điều khiển máy hoạt động.
- Driver điều khiển động cơ bước.
- Cảm biến cơ học.
 Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu các chức năng cơ bản và có tính ứng dụng cao của
các module chức năng. Và áp dụng chúng vào một sản phẩm thực tế và có tính ứng
dụng cao.
- Phần cứng:
+ Thiết kế toàn bộ khung máy, các chi tiết của máy, gia công các chi tiết cơ
khí. Sử dụng công nghệ in 3D và gia công bằng CNC để tạo ra các chi tiết của
máy.
+ Lắp ráp máy. Setup các chi tiết phần cứng để máy có thể hoạt động được.
- Phần mềm:
+ Máy sử dụng phần mềm GRBL Controller.
+ Thiết kế và vẽ mạch trên phần mềm Proteus.
+ Sau đó xuất sang Gcode bằng phần mềm CopperCAM.
+ Sau đó nạp code đó vào phần mềm GRBL Controller để điều khiển máy
hoạt động.
 Phương pháp nghiên cứu
+ Nghiên cứu lý thuyết về Arduino, lập trình Arduino và các module chức
năng, cảm biến…
+ Nghiên cứu và thiết kế máy trên máy tính và mô phỏng hoạt động.
+ Chạy và kiểm tra trên mô hình thật.
DUT.LRCC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC
1.1. Giới thiệu chung về máy CNC
CNC là viết tắt 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.
 Sơ lược lịch sử phát triển máy CNC
- 1725 Phiếu đục lỗ được dùng để tạo mẫu áo quần.
- 1808 Phiếu đục lỗ trên lá kim loại đượng dùng để điều khiển tự động máy thêu.
- 1863 Tự động điều khiểm chơi nhạc trên piano nhờ bang lỗ.
- 1940 John Parsons đã sáng chế ra phương pháp dùng phiếu đục lỗ để ghi lại các
dữ liệu về vị trí tọa độ đẻ điều khiển máy công cụ.
- 1952 Máy công cụ NC điều khiển số đầu tiên ra đời.
- 1959 Ngôn ngữ APT được đưa vào sử dụng.
DUT.LRCC

- 1960 Điều khiển số trực tiếp DNC.
- 1963 Đồ họa máy tính.
- 1970 Máy CNC được đưa vào sử dụng.
- 1980 Điều khiển số phân phối được đưa vào sử dụng.
- CAD/ CAM.
Hình 1.1 Biểu đồ về quá trình phát triển máy CNC
1.2. Ứng dụng của máy CNC
Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát
triển đáng kể về tính chính xác và chất lượng. Việc sử dụng máy CNC trong sản xuất
giúp con người đạt được 3 lời ích cơ bản dưới đây:
- Tự động hóa quá trình sản xuất: Máy CNC không chỉ quan trọng trong ngành
cơ khí mà còn trong nhiều ngành khác như may mặc, điện tử, giày dép, ... Bất cứ máy
CNC nào cũng cải thiện trình độ tự động hóa của doanh nghiệp, người vận hành ít phải
tham gia, thậm chỉ không còn phải can thiệp vào hoạt động của máy khi nó hoạt động.
Sau khi nạp chương trình gia công cho máy, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên
tục cho tới khi kết thúc sản phẩm, và như vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác.
Tiếp theo là máy CNC ít xảy ra hỏng hóc do lỗi vận hành, thời gian gia công được dự
báo chính xác giúp chủ sản xuất có thể tính được chính xác thời gian hoàn thành sản
phẩm, người vận hành không đòi hỏi phải có kỹ năng thao tác (chân tay) cao như điều
khiển máy công cụ truyền thống.
- Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm: Các máy CNC thế hệ mới cho phép
gia công các sản phẩm có độ chính xác và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền
thống không thể làm được giống máy mới. Một khi chương trình gia công đã được
kiểm tra và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo cho “ra lò” hàng loạt sản phẩm phẩm với
chất lượng đồng nhất đến 99%. Điều này rất quan trọng trong sản xuất công nghiệp
quy mô lớn.
DUT.LRCC

- Linh hoạt trong quá trình sản xuất: Chế tạo một chi tiết mới trên máy CNC
đồng nghĩa với nạp cho máy một chương trình gia công mới. Được kết nối với các
phần mềm CAD/CAM, công nghệ CNC trở nên vô cùng linh hoạt giúp các doanh
nghiệp thích ứng với các thay đổi nhanh chóng và liên tục về mẫu mã và chủng loại
sản phẩm của khách hàng.
► Vì những lợi ích to lớn mà máy CNC mang lại cho con người, nên ngày nay việc
sử dụng máy CNC rất rộng rãi trong đời sống thường ngày cũng như trong công
nghiệp, và sau đây là một số ứng dụng cơ bản của máy CNC:
- Máy CNC được sử dụng rộng rãi trong việc gia công khuôn mẫu.
Hình 1.2 Khuôn mẫu được gia công bằng máy CNC
- Có thể tạo ra những sản phẩm đặc sắc và ấn tượng khi cắt hay khắc trên gỗ. Thiết
kế cắt khắc làm bảng hiệu, nhôm, inox, hoặc trên đá, thủy tinh, kính. Ngoài ra có thể
làm thiệp, khung bìa album.Đặc biệt khi dùng máy CNC để cắt các sản phẩm nội thất
sẽ tạo ra được những thành phẩm ấn tượng, đạt tiêu chuẩn, đồng nhất, làm cho khách
hàng tin tưởng hơn. Các vật dụng trang trí như vách ngăn, kệ, cầu thang, tủ đồ, bàn
trang điểm, cổng sắt… trở nên sang trọng và đầy thẩm mỹ hơn nhờ những đường nét
hoa văn đẹp tinh tế được cắt khắc rất đồng đều.
DUT.LRCC

Hình 1.3 Máy CNC đang khắc trên gỗ
- Máy cắt khắc CNC được sử dụng để giúp việc tạo ra những những đường cong
uốn mềm mại hay gấp khúc trở nên dễ dàng hơn, với những mô hình hoặc không gian
3D trở nên tinh tế và sắc nét hơn.
Hình 1.4 Một sản phẩm 3D được gia công bằng máy CNC
- Đặc biệt máy CNC đang dần được sử dụng nhiều trong y học, trong nha khoa
máy CNC được sử dụng để làm niềng răng, gia công răng giả, và răng trồng. Trong
chấn thương chỉnh hình máy CNC dùng để tạo chân tay giả. Trong giải phẫu máy
CNC được dùng để phẫu thuật cắt các khối u, hoặc tia xạ các khối ung thư. Máy phay
DUT.LRCC

CNC còn được sử dụng để gia công khuôn đúc cho các mảnh cấy ghép y học từ những
dữ liệu chụp hình cắt lớp.
Hình 1.5 Máy CNC đang gia công những chiếc răng giả
1.3. Nguyên lý hoạt động và phân loại
Mỗi máy sẽ sử dụng máy tính để điều khiển các bộ phận cơ khí. Các chương trình
này được viết sẵn và sẽ tự động thực thi khi người dùng nhấn nút. Chương trình sẽ
được dịch ra một thứ ngôn ngữ để máy tính có thể hiểu được. Sau đó, máy tính chuyển
lệnh từ các chương trình qua các mạch điện tử đến điều khiển các bộ phận cơ khí.
Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của máy CNC Fanuc
Máy cắt kim
loại
Phần chấp hành
Chi tiết gia công
Phôi
Phần điều khiển
Cơ cấu điều
khiển
Tín hiệu Màn hình hiển
thị
-Vị trí
-Báo lỗi
Chương
trình điều
khiển
Chuyển động
Vận tốc
Bàn phím
điều khiển
DUT.LRCC

 Các máy CNC có thể phần chia theo loại và theo hệ thống điều khiển:
- Theo loại máy cũng tương tự như các máy công cụ truyền thống, chia ra các loại
như máy khoan CNC, máy phay CNC, máy tiện CNC…và các trung tâm gia công
CNC Các trung tâm CNC có khả năng thực hiện gia công nhiều loại bề mặt và sử dụng
nhiều loại dụng cụ khác nhau.
- Phân chia theo hệ điều khiển có thể phân ra các loại:
+ Các máy điều khiển điểm tới điểm ví dụ như: máy khoan, khoét, máy hàn
điểm, máy đột, dập..v.v..
+ Các máy điều khiển đoạn thẳng, đó là các máy có khả năng gia công trong
qua trình thực hiện dịch chuyển theo các trục.
+ Các máy điều khiển đường, bao gồm các máy: máy 2D, máy 3D, điều khiển
2D1/2, điều khiển 4D, 5D.
1.4. Một số máy phay CNC mini đang có trên thị trường hiện nay
1.4.1. Máy khắc mini CNC 3525
Máy khắc mini CNC 3525 toàn bộ khung và bàn được chế tác từ vật liệu nhôm.
Máy nhỏ gọn với kích thước di chuyển X: 350mm; Y: 250mm; Z: 100mm với trọng
lượng khoảng 30kg. Mạch điều khiển và nguồn điện được tích hợp trên khung. Sau khi
cài đặt phần mềm March 3, cài driver, chỉ cần cắm điện và kết nối vào cổng máy in
(cổng 25 pin - Parallel) là có thể sử dụng.
Sản phẩm này có thể sử dụng board mạch chuyển đổi thành cổng USB (sử dụng
phần mềm USB CNC controler, sử dụng được cho laptop)
 Thông số cơ bản:
- Công suất motor khắc (Spindle): ER240 300W
- Step motor: 57 stepper motor 2A
- Driver board: STK672
- Driver board: STK672
- Đầu giữ khoan: ER11 1/8inch = 3.17mm
- Cổng kết nối máy in: Parallel 25pin
- Có nút điều chỉnh tốc độ motor riêng biệt (dùng để chạy bằng tay)
- Có nút dừng khẩn cấp khi máy bị lỗi
- Đặc biệt dùng vít me ball screw 1605 cho tuổi thọ lâu dài và tốc độ nhanh hơn 3-
4 lần so với các loại ren khác.
 Ứng dụng:
- Chế tác các sản phẩm điêu khắc 3D.
- Sữa chữa điện thoại: phay IC, khoan lỗ.
DUT.LRCC

- Phay, khoan mạch in.
- Khắc chữ.
- Vật liệu sử dụng phù hợp: nhựa, gỗ hoặc các vật liệu mềm. Có thể sử dụng
chạm/khắc cho nhôm, đồng.
Hình 1.7 Máy khắc CNC 2535
Máy khắc mini CNC 3040 toàn bộ khung và bàn được chế tác từ vật liệu nhôm công
nghiệp. Máy nhỏ gọn với kích thước di chuyển X:300mm; Y:400mm; Z:100mm, trọng
lượng khoảng 45kg. Mạch điều khiển và nguồn điện được thiết kế tách rời. Sau khi cài
đặt phần mềm Mach3, cài driver, chỉ cần cắm điện và kết nối vào máy tính là có thể sử
dụng.
- Công suất motor khắc (Spindle): 1500W - Giải nhiệt bằng nước
- Step motor: loại dual shaft 1.5A
- Driver board: Mach3 5 trục cổng LPT (cổng máy in)
- Đầu giữ khoan: ER11, collet 3.17 hoặc 6mm
- Cổng kết nối: LPT - 25 chân
- Hộp điều khiển: Nguồn cấp điện cho Driver 24V-10A, Driver dùng chip Toshiba
THB7128 4A (hoặc TB6600 4A), biến tần 1 pha 220V 1.5KW
- Đặc biệt dùng vít me ball screw 1605, bước vít 5mm, tuổi thọ lâu dài so với các
loại ren khác.
- Khối lượng tĩnh: 45kg
DUT.LRCC

 Ứng dụng:
- Khắc chữ.
chạm/khắc cho nhôm, đồng.
Hình 1.8 Máy khắc mini CNC 3040
Máy khắc mini CNC 2030 được chế tác từ vật liệu nhựa PVC (khung, bàn). Máy
nhỏ gọn với kích thước di chuyển X:200mm; Y:300mm; Z:80mm, trọng lượng khoảng
20kg. Mạch điều khiển và nguồn điện nằm tách rời.
- Công suất motor khắc (Spindle): 300W, 12 - 48V, tốc độ 3000 - 12000RPM
- Step motor: 42 stepper motor
- Main board: Mach3 CNC 5 trục
- Đầu giữ khoan: ER11 1/8inch = 3.17mm
- Cổng kết nối máy in: Parallel 25pin
- Kích thước: D x R x C = 410 x 310 x 330mm
- Khoảng chạy: X:200mm, Y:300mm, Z:80mm
 Ứng dụng:
DUT.LRCC

- Khắc chữ.
chạm/khắc cho nhôm, đồng (giới hạn)
Hình 1.9 Máy khắc mini CNC 2030
1.4.4. Máy khắc laserbox A4 3W
Máy khắc laserbox A4 3W có thể dùng để in bất kỳ hình ảnh nào từ file điện tử. Với
phần mềm chuyên dụng, dễ dàng sử dụng, sẽ giúp bạn sáng tác nhiều sản phẩm hình
ảnh, chữ, mã số, logo lên các vật liệu gỗ, nhựa, da..v.v..
 Thông số cơ bản
- Kích thước: DxRxC = 520 x 500 x 170mm.
- Có tích hợp nút tạm dừng, tắt nguồn trên khung.
- Adapter cấp nguồn 12V 5A.
- Cáp Mini port USB kết nối máy tính (có thể dùng cho Win XP, Win7 hoặc cao
hơn).
- Phần mềm chuyên dụng laser, nhiều tính năng, sử dụng đơn giản. Có thể nạp file
thiết kế (đuôi .nc) từ bên ngoài vào để tạo nhiều sản phẩm khắc độc đáo theo cách
riêng của người sủ dụng.
- Đặc biệt điểm nổi bật của máy là tốc độ nhanh, có thể chạy đến 2000mm/min,
chạy chữ lớn không bị nhiễu bước.
DUT.LRCC

Hình 1.10 Máy khắc laserbox
DUT.LRCC

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ CẤU
2.1. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
2.1.1. Lựa chọn cơ cấu hoạt động của máy
Qua tìm hiểu trên mạng và một số sách báo, chúng em đã lựa chọn ra 2 loại máy
hoạt động theo 2 cơ cấu khác nhau, và cả 2 đều phù hợp với mục đích của đề tài đặt ra.
- Cơ cấu chấp hành nối tiếp: Gồm nhiều khâu nối tiếp bằng nhiều kiểu khớp,
thường là khớp quay và khớp lăng trụ. Một đầu cơ cấu chấp hành được gắn với nền và
đầu kia chuyển động tự do mà trong không gian, do đó thường gọi là cơ cấu chấp hành
vòng hở. Khâu cố định được gọi là đế, và đầu tự do có gắn bộ kẹp tay máy được gọi là
bộ tác động cuối.
Hình 2.1 Máy phay CNC hoạt động theo cơ cấu chấp hành nối tiếp
- Cơ cấu chấp hành song song: Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy
động được nối tiếp với giá cố định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi
là số chân.Thường số chân bằng số bậc tự do, được điều khiển bởi nguồn phát động
đặt trên cố định hoặc ngay trên chân. Chính lý do này mà các Robot song song đôi khi
gọi là các Robot có hệ. Các cơ cấu tác động điều khiển tải ngoài, nên cơ cấu chấp hành
song song thường có khả năng chịu tải lớn.
DUT.LRCC

Hình 2.2 Robot hoạt động theo Cơ cấu chấp hành song song
 Kết luận :
Trong phạm vi đề tài này, với mục tiêu chế tạo một máy Phay CNC giá thành rẻ, với
các tiêu chí gọn nhẹ, tốc độ di chuyển vừa phải, để khi cần có thể dùng làm thiết bị thí
nghiệm, hoạt động ổn định, không rung khi chạy ở tốc độ cao, thì chúng em đã chọn
phương án thiết kế theo cơ cấu nối tiếp.
2.1.2. Lựa chọn phương án di chuyển các trục
2.1.2.1. Phương án phôi cố định
Trục Y chuyển động trên bệ máy, trục X chuyển động trên trục Y, trục Z chuyển
động trên trục X.
- Đặc điểm: để trục Y có thể trượt được trên bệ đỡ vừa nâng được các trục X và Z
thì nó thường phải có kết cấu vũng chắc và có các thanh rằng ngang, để toàn bộ phần
trượt Y không bị vênh. Xộc xệch khi di chuyển. Đồng thời 2 tấm đỡ 2 bên phải đủ độ
dày để khi cắt vào trục trượt của bệ đỡ thì khớp trượt không bị rơ, đảm bảo trượt ổn
định và không sai số.
- Trục X trượt trên trục Y có gắn các hệ số các thanh trượt, cơ cấu truyền động,
động cơ, tất cả các bộ phận này chuyển động cùng với trục Y.
DUT.LRCC

- Trên trục Z có bắt các cơ cấu bắt động cơ chạy di chuyển bút vẽ. Trục Z trượt
trên trục X nên trên bộ phận trượt trục X có các thanh trượt, động cơ, cơ cấu truyền
động cho trục Z.
- Trên bệ đỡ có các thanh trượt trục Y và phôi cần gia công.
2.1.2.2. Phương án phôi di chuyển trên trục Y, trục chính di chuyển theo trục X và Z.
 Đặc điểm:
- Phần cố định bao gồm khung máy ( hay bệ đỡ), các trục trượt, động cơ và cơ cấu
truyền động của trục X và trục Y gắn cố định và khung máy.
- Trục X và trục Y đều trượt trên các thanh trượt gắn cố định ở khung, trục Z trượt
trên trục X, nên trên trục X có gắn các thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động của
trục Z.
2.1.2.3. Phương án trục Z cố định, phôi di chuyển
 Đặc điểm
- Trục X di chuyển trên bệ máy, trục Y di chuyển trên trục X, trục Z cố định.
2.1.3. Kết luận:
Với mục đích sử dụng mô hình thí ngiệm, giảng dạy, và quá trình nghiên cứu chế
tạo không quá khó mà máy vẫn đạt những yêu cầu đề ra nên nhóm chọn phương án
phương án phôi di chuyển trên trục Y, dụng cụ gia công di chuyển theo trục X và Z.
2.2. LỰA CHỌN CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG
Có 2 phương án chính là dùng vit me đai ốc và dùng đai.
2.2.1. Vít me đai ốc
2.2.1.1. Vít me đai ốc thường
- Vít me được gắn đồng trục với động cơ, khi động cơ quay, vít me quay, động cơ
và vít me gắn cố định, làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vít me. Đai ốc thì
được gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động ( trục X, Y, Z).
- Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vit, một
vòng quay của động cơ sẽ làm đai ốc di chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít,
vì vậy tốc độ di chuyển của bộ phận trượt ở phương án này là chậm và có độ chính xác
khi chuyển động không cao vì có độ rơ của đai ốc. Dùng động cơ bước có bước góc
càng nhỏ và trục ren có bước ren càng nhỏ thì độ chính xác di chuyển càng cao.
- Một số ưu điểm khác là tạo ra lực đẩy lớn khi gia công mẫu vật. Phương án này
được dùng trong các máy CNC công nghiệp, gia công các loại vật lệu cứng, kích thước
lớn.
DUT.LRCC

2.2.1.2. Vít me đai ốc bi.
- Đây là dạng vít me đai ốc thay vì ma sát trượt thông thường tiếp xúc giữa vitme
và đai ốc thông qua các viên bi, được chuyển thành ma sát lăn. Điều này đem đến một
ưu điểm là chỉ cần một lực quay rất nhỏ đã có thể làm cho đai ốc chuyển động.
- Độ chính xác di chuyển cao do không có độ rơ giữa vitme và đai ốc.
Hình 2.3 Vitme bi
- Trên đây là kết cấu của bộ truyền vít me đai ốc bi. Tuy có kết cấu đa dạng nhưng
các thành phần chủ yếu của bộ truyền bao gồm: vít me; đai ốc ; các viên bi; và rãnh
hồi bi .
- Vấn đề quan tâm trong bộ truyền vitme – đai ốc bi đó là dạng profin răng vit me
và đai ốc, profin răng vít me dạng chữ nhật và hình thang là chế tạo đơn giản hơn cả
nhưng khả năng chịu tải kém. Để tăng khả năng chịu tải, người ta tăng bề mặt làm việc
bằng cách chế tạo profin dạng tròn.
- Một vấn đề cũng rất quan trọng trong kết cấu của bộ truyền đó là kết cấu của
rãnh hồi bi, rãnh hồi bi có thể là dạng ống, hoặc là dạng theo lỗ khoan trong đai ốc
hoặc là dạng rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp.
- Rãnh hồi bi dạng ống có nhược điểm là tăng kích thước bộ chuyền, độ bền mòn
của đầu ống thấp, kẹp chặt ống có độ tin cậy không cao.
- Rãnh hồi bi theo lỗ khoan trên đai ốc có ưu điểm là kết cấu gọn và tính công
nghệ tốt song khả năng tách thành nhiều nhóm hồi bị khó khăn.
- Rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp: là dạng hồi bi được dung nhiều hơn cả, có
kích thước gọn nhất, không bị mòm nhanh, độ tin cậy cao và chiều dài rãnh hồi bi lớn.
DUT.LRCC

2.2.2. Phương án dùng đai.
- Hai đầu của đai được dặt vừa vào hai puli có cùng kích thước răng với đai. Một
cái bắt chặt vào trục động cơ, còn cái còn lại bắt vào trục quay tự do ở phía dọc theo
chiều của trục được dẫn động. Một phần của đai được gắn chặt với bộ phận của phần
trượt. khi động cơ quay, toàn bộ đai dịch chuyển và kéo theo các bộ phận đó di
chuyển.
- Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ động cơ và đường kính của puli, một
vòng của trục động cơ sẽ làm bộ phận trượt di chuyển một đoạn bằng với chu vi của
puli (thường là 20 – 30 mmm). Rõ ràng phương án này có tốc độ di chuyển nhanh hơn
rất nhiều.
- Nhưng đổi lại, độ chính xác di chuyển sẽ thấp có thể những sai lệch khi gia công.
Và lực đẩy nhỏ nên khi gặp tải lớn sẽ bị trượt bước hoắc dãn đai.
2.2.3. Kết luận
- Với mục đích sử dụng mô hình thí nghiệm, giảng dạy, nhưng máy vẫn hoạt động
êm và nhanh, đạt đủ các yêu cầu đã đặt ra nên nhóm chọn phương án phương án Vít
me đại ốc thường. Đảm bảo được các yêu cầu một máy CNC ở mức độ mô hình ứng
dụng học tập.
2.3. TÍNH THÔNG SỐ BỘ TRUYỀN CHO CƠ CẤU DẪN HƯỚNG CÁC TRỤC
2.3.1. Cơ cấu di chuyển theo trục X và Y
2.3.1.1. Tính toán trục dẫn hướng
a. Cấu tạo
Hình 2.4 Cấu tạo bộ phận di chuyển theo trục X
DUT.LRCC

Hình 2.5 Cấu tạo bộ phận di chuyển theo trục Y
b. Tính toán gần đúng trục
- Thanh dẫn có tác dụng dẫn hướng cho đầu phay đi theo đúng hướng đã đặt ra, vì
2 thanh chịu tác dụng lực ngang nhau và có tác dụng như nhau nên khi tính sức bền ta
chỉ cần tính trên một thanh và suy thanh còn lại.
- Thanh dẫn chịu tác dụng của trọng lượng: động cơ, bộ phận phay..v.v..
- Trọng lượng của toàn bộ hệ thống mà trục chịu tác dụng là 3kg nên ta có:
P=30 (N)
- Chọn thanh dẫn là bằng vật liệu thép C45 có chiều dài là 280mm.
- Áp dụng công thức 7.3 trang 117 ( tài liệu [1]) để tính đường kính trục tại tiết
diện nguy hiểm.
 
3
4
0,1(1 )
td
M
d
 


(2.1)
 Trong đó:
- Mtd= (Mu
2
+ 0,75 Mx
2
) = 2100 N.mm (2.2)
+ Mu =15.140= 2100 N.mm
 0
x
M 
-
0
0
d
d
  
: 0
d
=0 do trục đặc
DUT.LRCC

- Với vật liệu trục là thép 45, nên ta có giới hạn bền
2
600( / )
b N mm
 
. Tra bảng
7.2 (trang 119[1]), có   2
50( / )
N mm
 
. Thay vào công thức trên, ta có được:
3
2100
7.4
0,1.50
D  
mm (2.3)
=> Lấy theo đường kính trục tiêu chuẩn d=10(mm)
c. Kiểm nghiệm độ bền
- Ta có : 3 3
10
98
32 32
d
W
 
 
  
(2.4)
=>Ứng suất pháp:
Mu
W
  
2100
21,4
98

(N/mm2
)
Ta có ứng suất cho phép   2
50( / )
N mm
 
=>  
 

(Thỏa mãn điều kiện bền)
2.3.1.2 Tính chọn bộ truyền vít me đai ốc
- Chọn trục vít là vật liệu thép C45 có chiều dài là 280mm có  ch= 300(N/mm2
)
- Áp dụng công thức 7.3 trang 117 ( tài liệu [1]) để tính đường kính trục tại tiết
diện nguy hiểm.
 
3
4
0,1(1 )
td
M
d
 


(2.5)
 Trong đó:
- Mtd= (Mu
2
+ 0,75 Mx
2
) = 2439 N.mm (2.6)
+ Mu =15.140= 2100 N.mm
+
/ 3.60 10.60
1433 .
2 . 2.3,14.200
x
P
M N mm
n

  
-
0
0
d
d
  
: 0
d
=0 do trục đặc
- Với vật liệu trục là thép 45, nên ta có giới hạn bền
2
600( / )
b N mm
 
. Tra bảng
7.2 (trang 119[1]), có   2
50( / )
N mm
 
. Thay vào công thức trên, ta có được:
3
2439
7.8
0,1.50
D  
mm (2.7)
=> Lấy theo đường kính trục tiêu chuẩn d=9(mm)
DUT.LRCC

 Kiểm nghiệm độ bền
- Ta có : 3 3
9
71
32 32
d
W
 
 
  
(2.8)
=>Ứng suất pháp:
Mu
W
  
2439
34
71

(N/mm2
) (2.9)
Ta có ứng suất cho phép   2
50( / )
N mm
 
=>  
 

(Thỏa mãn điều kiện bền)
- Chọn chiều cao ren h=1mm.
- Chọn gối đỡ vòng bi có đường kính d=10mm.
2.3.2. Cơ cấu di chuyển theo trục Z
2.3.2.1 Tính toán trục dẫn hướng
a. Cấu tạo
Hình 2.6 Cấu tạo bộ phận di chuyển theo trục Z
DUT.LRCC

b. Tính toán trục gần đúng
Thanh dẫn và vít me có tác dụng đưa đầu phay đi theo đúng hướng đã đặt ra, chịu
tác dụng của trọng lượng: động cơ DC, đầu phay, động cơ bước.
Trọng lượng của toàn bộ hệ thống:
P = 20 (N)
Vì các thanh có tác dụng như nhau và chịu tải như nhau nên ta chỉ tính sức bền vật
liêu trên 1 thanh của chi tiết.
c. Kiểm nghiệm độ bền
Điều kiện bền đối với vật liệu dòng theo công thức 3.9 tài liệu [1] ta có:
+ max[ z] (+)  [ ]k
+ max[ z] (-)  [ ]n
Với:
- max z
(-)
= max N(-)
/ F = 200KN/ m2
- max z
(+)
= max N(+)
/ F = 0KN/ m2
Ứng suất nén cho phép của thép 45 là [ ]n= 21000KN/m2
Như vậy ta có:
max[ z] (-)  [ ]n (2.10)
Trục thỏa mã điều kiên bền khi nén.
Như vậy ta chọn trục có d = 10mm
Và chiều cao h=1mm
2.3.3. Chọn động cơ bước
Chọn tổng khối lượng cao nhất của tải là 3kg, khi đó bàn máy có thể chạy đạt đến
vận tốc tối đa là 0.1m/s trong vòng 1 giây.
v= v0 + at (2.11)
Với v0 =0 thay số vào ta tính được a = 0,1 m/s2
Ta có: F = ma = 3x0,1=0,3 (2.12)
Chọn trục vít me có đường kính 1cm, vận tốc=0,1m/s, vận tốc góc của trục vít là:
W = v/r (2.13)
= 0,1/0,005 = 20 rad/s = 191 vg/p
Số vòng quay sơ bộ của động cơ:
nsb = 191 vg/p
- Ta chọn động cơ có tốc độ quay 200 vg/p.
- Công suất động cơ
DUT.LRCC

Công suất cần thiết: Pct = F.v/1000 (2.14)
= (0,3x0.1)/(1000).
=
5
3.10
KW
= 0.03 W
- Ta chọn động cơ Nema 17 stepper motor với các thông số như sau.
+ Công suất 10 (w)
+ Nguồn 24 (v) - Bước 1,8
2.4. CHỌN CƠ CẤU DẪN ĐỘNG
2.4.1. Động cơ dẫn động các trục tọa độ
2.4.1.1. Động cơ bước (stepping motor).
 Ưu điểm:
- Khi dùng động cơ bước không cần mạch phản hồi cho cả vi điều khiển vị trí và
vận tốc .
- Thích hợp với các thiết bị điều khiển số. Với khả năng điều khiển số trực tiếp,
động cơ bước trở thành thông dụng trong các thiết bị cơ điện tử hiện đại.
- Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC.
 Nhược điểm:
- Phạm vi ứng dụng là ở vùng công suất nhỏ và trung bình. Việc nghiên cứu nâng
công suất động cơ bước đang là vấn đề rất được quan tâm hiện nay.
- Hiệu suất động cơ bước thấp hơn các loại động cơ khác.
2.4.1.2. Động cơ một chiều (DC motor).
 Ưu điểm:
- Momen xoắn lớn, giá thành rẻ.
- Đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp.
- Phải có mạch phản hồi thì mới nâng cao độ chính xác.
2.4.1.3. Động cơ SERVO:
 Ưu điểm:
- Momen xoắn lớn, có cả 2 loại AC và DC.
- Tốc độ đáp ứng nhanh, độ chính xác cao.
- Driver phức tạp, giá thành cao.
2.4.1.4. Kết luận
 Với các ưu điểm của động cơ bước ta chọn động cơ bước làm động cơ dẫn động
các trục tọa độ với các thống.
DUT.LRCC

2.4.2. Giới thiệu về động cơ bước
2.4.2.1. Khái niệm
Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa
số động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến
đổi các tính hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các
chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của roto có khả năng cố định roto vào
các vị trí cần thiết.
2.4.2.2. Cấu tạo
Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai động cơ: Động cơ một
chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm sóc công suất nhỏ.
2.4.2.3. Hoạt động
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 từ đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định.
Tổng số góc quay của roto tương ứng với tầng số chuyển mạch, cũng như chiều quay
và tốc độ quay của roto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
2.4.2.4. Ứng dụng
Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành
hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số. Động cơ
bước được ứng dụng nhiều trong các ngành Tự động hóa, chúng được ứng dụng trong
các thiết bị cần điều khiển chính xác. Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển các trục của
máy CNC, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển các cơ cấu lái
phương và chiều trong máy bay, trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử
dụng cho các loại ở đĩa cứng, ở đĩa mềm, máy in..v.v..
2.4.2.5. Giới thiệu động cơ bước đơn cực
Động cơ được dùng trong đề tài này là động cơ bước đơn cực. Động cơ bước đơn
cực cuốn theo sơ đồ hình. Với một đầu mối trung tâm trên các cuộn. Khi dùng các đầu
mối trung tâm được nối lên đầu dương của nguồn cấp, còn 2 đầu còn lại của mỗi mấu
lần lượt được nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi nguồn đó.
Mẫu 1 nằm ở cực trên và dưới của stato, còn mẫu 2 nằm ở 2 cực bên phải và bên trái
động cơ. Rotor là 1 nam châm vĩnh cửu với 6 cực, 3 nam và 3 bắc xếp xen kẽ trên
vòng tròn. Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối xứng hơn.
Động cơ bước được dùng là động cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là 1.8 độ.
Có nhiều cách điều khiển động cơ bước: điều khiển 1 bước, điều khiển nửa bước, điều
khiển vi bước .
DUT.LRCC

- Điều khiển 1 bước:
Như trong hình dòng điện đi qua từ đầu tâm của mẫu 1 đến đầu a tạo ra cực Bắc
trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam. Nếu điện ở mẫu 1 bị ngắt
và kích mẫu 2, rotor sẽ quay 1,8 độ, hay 1 bước . Để động cơ quay liên tục, chúng ta
chỉ cần áp điện vào 2 mẫu của động cơ theo dãy:
Mẫu 1a 1000100010001000100010001 Mẫu 1a
1100110011001100110011001
Mẫu 1b 0010001000100010001000100 Mẫu 1b
0011001100110011001100110
Mẫu 2a 0100010001000100010001000 Mẫu 2a
0110011001100110011001100
Mẫu 2b 0001000100010001000100010 Mẫu 2b 1001100110011001100110011
- Điều khiển nửa bước :
Vị trí bước được tạo ra bởi 2 chuỗi trên không giống nhau, kết quả kết hợp 2 chuỗi
trên cho phép điều khiển nữa bước, với việc dừng động cơ một cách lần lượt ở những
vị trí đã nêu ở một trong hai dãy trên. Chuỗi kết hợp như sau:
Mẫu 1a 11000001110000011100000111
Mẫu 1b 00011100000111000001110000
Mẫu 2a 01110000011100000111000001
Mẫu 2b 00000111000001110000011100
Bảng 2.1 Bảng tiêu chuẩn bước góc của động cơ bước
Step angle Steps per revolution
0.9
1.8
3.6
3.75
7.5
15.0
400
200
100
96
48
24
2.4.2.6. Vấn đề trước sự trượt bước
Trong điều khiển động cơ thì hai vấn đề cơ bản là tốc độ và độ chính xác về vị trí.
Tốc độ của động cơ bước có khả năng điều khiển một cách khá chính xác thông qua
lượng xung cung cấp cho động cơ. Vấn đề quan trọng đối với động cơ bước là độ
chính xác về vị trí hay còn gọi là sự trượt trong quá trình hoạt động của động cơ.
Sau khi thực hiện mỗi bước dịch chuyển, rotor của động cơ bước luôn có xu hướng
dao động xung quanh vị trí cân bằng một thời gian. Nó cũng tương tự như sự giao
DUT.LRCC

động trong một hệ thống cơ học, nguyên nhân của sự dao động này là do tải trọng và
do nguồn cấp điện điều chỉnh động cơ . Sự trượt này có thể được cải thiện bằng cách
tăng ma sát hoặc sử dụng hệ thống dập tắt dao động cơ khí, tuy nhiên sử dụng hai
phương pháp này đều làm tăng giá thành và sự phức tạp của hệ thống. Cách tốt nhất và
thường được sử dụng là sử dụng là làm trễ xung cuối cùng, do đó thời gian tác động
của xung cuối cùng bị giảm bớt và do đó sau khi kết thúc bước cuối cùng động cơ có
thế dừng lại cột cách chính xác hơn.
Mỗi xung điều khiển có thế chia làm 3 phần như chỉ ra trên hình. sử dụng phương
pháp chống dao động bằng điện được thực hiện như sau: khi đến xung cuối cùng , nó
sẽ được làm trễ đi một khoảng thời gian, do đó thay vì tác động từ điểm to , xung cuối
cùng sẽ tác động cơ ở thời điểm t1. Do vậy thời gian tác động của xung cuối cùng sẽ
giảm đi. Điều này làm giảm momen hãm cũng như giảm quán tính của động cơ, do đó
vấn đề trượt bước của động cơ có thế cải thiện được.
2.4.2.7. Các thông số chủ yếu của động cơ bước
 Góc quay:
Động cơ quay một góc xác định ứng với mỗi xung kích thích . Góc bước càng nhỏ
thì độ phân giải vị trí càng cao. Số bước s là một thông số quan trọng:
 Tốc độ quay và tần số xung:
Tốc độ quay của động cơ bước phụ thuộc vào số bước trong một giây. Đối với hầu
hết các động cơ bước (tính theo phút) nên tốc độ có thể tính theo tần số xung f. Tốc độ
quay của động cơ bước được tính theo công thức:
Trong đó: n= f /s (2.15)
n: Tốc độ quay (V/ph)
f: Tần số (bước/phút)
s: số bước trong một vòng quay
Ngoài ra còn có các thông số quan trọng khác như độ chính xác vị trí, momen và
quán tính của động cơ...
Hình 2.7 Động cơ bước
DUT.LRCC

2.5. TÍNH VÀ CHỌN ĐỘNG CƠ TRỤC CHÍNH
Việc tính toán lựa chọn động cơ điện phụ thuộc hoàn toàn vào các yêu tố đầu vào:
- Momen xoắn của trục dẫn động cuối cùng.
- Hiệu suất truyền.
- Chế độ làm việc.
- Loại động cơ điện sử dụng.
- Hiệu suất truyền: nếu có một hệ thống giảm tốc với nhiều cặp truyền thì hiệu suất
của hệ thống bằng tích của các hiệu suất thành phần.
- Các hiệu suất thành phần này được lựa chọn một cách tương đối theo từng bộ
truyền ví dụ như : Trục vít-bánh vít 0.6 => 0.72 , bánh răng thẳng 0.9 => 0.95, vòng bi
0.99, bạc 0.96 => 0.98….
- Chế độ làm việc liên quan tới tuổi thọ của hộp giảm tốc và động cơ. Sau khi tính
toán sơ bộ phải chú ý đến điều này để chọn loại động cơ hợp lí.
- Để phù hợp với dòng kích từ aduino 0.3 - 0.5A lựa chọn động cơ có dòng 0.36A
,8200 vòng/phút vơi công suất cực đại là 240w.
- Momen động cơ được tính theo công thức :
-
6 6
9,55.10 . 9,55.10 .0,24
280 .
8200
P
T N mm
n
  
(2.16)
*Trong đó:
- T là momen xoắn trên trục động cơ( Nmm )
- P là công suất động cơ ( KW )
- N là số vòng ( vòng/phút )
Vậy ta chọn động cơ trục chính là động cơ có thông số:
P=240 W, n= 8200 vòng/phút
 Ta chọn động cơ DC R775 có các thông số phù hợp với tính toán ở trên.
Hình 2.8 Động cơ DC R775
DUT.LRCC

 Thông số động cơ:
- Phạm vi điện áp: 1.5V- 48V
- Tại điện áp 1.5V dòng 0.15A moto đạt 460rpm
- Tại điện áp 12V dòng 0.3A moto đạt 4000rpm
- Công suất tối đa: 240W
2.6. THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT CƠ KHÍ
2.6.1. Một số chi tiết cơ khí được thiết kế
Sử dụng các chi tiết gia công sau để làm khung máy và các gá đỡ trục, động cơ, và
gá dao, gá phôi.
Hình 2.9 Đầu gá dao
DUT.LRCC

Hình 2.10 Chụp gá dao
Hình 2.11 Bàn gá dao
DUT.LRCC

Hình 2.12 Gá gối đỡ trục Y
Hình 2.13 Ray trượt bàn gá dao
DUT.LRCC

Hình 2.14 Gá động cơ bước trục Z
Hình 2.15 Gá động cơ trục chính
DUT.LRCC

Hình 2.16 Gá động cơ bước trục Y
Hình 2.17 Gá gối đỡ trục X
DUT.LRCC

Hình 2.18 Gá động cơ bước trục X
Hình 2.19 Ray gá phôi trục Y
DUT.LRCC

Hình 2.20 Bản vẽ 3D tổng thể máy
2.6.2. Các loại dao được sử dụng trong đề tài
2.6.3.1. Dao khắc mạch
Hình 2.21 Dao khắc mạch
 Thông số dao:
- Làm bằng hợp kim cứng.
DUT.LRCC

- Đường kính cốt: Ø3.175mm
- Chiều dài cả mũi Dao cắt: 38mm±0.2mm
2.6.3.2. Dao quả dứa
Hình 2.22 Dao quả dứa
 Thông số dao:
- Làm bằng hợp kim cứng
- Đường kính mũi là 1.2mm
- Chiều dài cả mũi phay: 38mm±0.2mm
- Chiều dài phần ăn dao: 8mm
2.6.3.3. Mũi khoan mạch
Hình 2.23 Mũi khoan mạch
DUT.LRCC

 Thông số dao
- Làm bằng hợp kim cứng, cứng hơn mũi khoan CNC thường.
- Đường kính mũi khoan: 1mm
- Chiều dài cả mũi khoan: 38mm±0.2mm
- Chiều dài phần ăn dao: 10.5mm
2.6.4. Máy sau khi hoàn thành phần cơ khí
Hình 2.24 Máy khi đã hoàn thành phần cơ khí
DUT.LRCC

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.1. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của máy
- Bàn phím điều khiển: Là nơi nhập dữ liệu cho máy hoạt động, điều khiển tất cả
các lệnh giúp máy hoạt động đúng chu trình.
- Chương trình điều khiển: Là tập hợp các tín hiệu để điều khiển máy, được mã
hóa dưới dạng chữ cái, số và môt số ký hiệu khác như dấu cộng, trừ, dấu chấm, gạch
nghiêng…Chương trình này được ghi lên cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã số
(cụ thể là mã thập – nhị phân như băng đục lỗ, mã nhị phân như bộ nhớ của máy tính)
- Cơ cấu điều khiển: Nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực hiện các phép
biến đổi cần thiết để có được tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ cấu chấp
hành, đồng thời kiểm tra sự hoạt động của chúng thông qua các tín hiệu được gửi về từ
các cảm biến liên hệ ngược. Bao gồm các cơ cấu đọc, cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển
đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuyếch đại, cơ cấu đo
hành trình, cơ cấu đo vận tốc, bộ nhớ và các thiết bị xuất nhập tín hiệu.
- Máy cắt kim loại: Là nơi máy thực hiện việc cắt gọt.
-Vị trí
-Báo lỗi
Máy cắt kim
loại
Chi tiết gia
công
Cơ cấu điều
khiển
Tín hiệu
Chương
trình điều
khiển
-Chuyển
động
-Vận tốc
Bàn phím
điều khiển
DUT.LRCC

3.2. CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG TRONG ĐỂ TÀI
3.2.1. Kit Arduino UNO R3
Hình 3.2 Kit Arduino R3
 Thông số kỹ thuật cơ bản
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của board Arduino UNO R3
TT TÊN THÔNG SỐ
1 Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit
2 Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
3 Tần số hoạt động 16 MHz
4 Dòng tiêu thụ khoảng 30mA
5 Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC
6 Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
7 Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)
8 Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
9 Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
10 Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
11 Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
12 Bộ nhớ flash
32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi
bootloader
13 SRAM 2 KB (ATmega328)
14 EEPROM 1 KB (ATmega328)
DUT.LRCC

 Các chân năng lượng
- GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi bạn dùng
các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với
nhau.
- 5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
- 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
- Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương
của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
- IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở
chân này. Và dĩ nhiên nó luôn là 5V. Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ
chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn.
- 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.
 Bộ nhớ
- Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:
+ 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong
bộ nhớ Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ
được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ
này đâu.
+ 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn khai
báo khi lập trình sẽ lưu ở đây. Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ
nhớ RAM. Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ
mà bạn phải bận tâm. Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.
+ 1Kb cho EEPROM: đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể
đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống
như dữ liệu trên SRAM.
(EEPROM: Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory)
 Các cổng vào/ra
- Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2
mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân
đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc
định thì các điện trở này không được kết nối).
- Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
+ 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận
(receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác
DUT.LRCC

thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối
Serial không dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân
này nếu không cần thiết
+ Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với
độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28
-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm
analogWrite(). Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở
chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân
khác.
+ Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài các
chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao
thức SPI với các thiết bị khác.
+ LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi
bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân
số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
- Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit
(0 → 210
-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên board,
bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là nếu bạn
cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong
khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit.
- Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp
I2C/TWI với các thiết bị khác.
3.2.2. Board CNC SHIELD V3
Hình 3.3 Board CNC SHIELD V3
DUT.LRCC

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.
 Đặc điểm nổi bật:
- Tương thích GRBL (mã nguồn mở chạy trên Arduino UNO R3 để điều khiển
CNC mini).
- Hỗ trợ lên tới 4 trục (trục X, Y, Z và một trục thứ tư tùy chọn).
- Hỗ trợ tới 2 Endstop (cảm biến đầu cuối) cho mỗi trục.
- Tính năng điều khiển spindle.
- Tính năng điều khiển dung dịch làm mát khi máy hoạt động.
- Sử dụng các mô đun điều khiển động cơ bước, giúp tiết kiệm chi phí khi thay thế,
nâng cấp.
- Thiết lập độ phân giải bước động cơ bằng jump đơn giản.
- Thiết kế nhỏ gọn, các đầu nối tiêu chuẩn thông dụng.
- Điện áp nguồn cấp đa dạng từ 12V tới 36V.
3.2.3. Module A4988
Hình 3.4 Module A4988
A4988 là driver điều khiển động cơ bước cực kỳ nhỏ gọn, hổ trợ nhiều chế độ làm
việc, điều chỉnh được dòng ra cho động cơ, tự động ngắt điện khi quá nóng . A4988 hỗ
trợ nhiều chế độ hoạt động của động cơ bước lưỡng cực như: Full, 1/2, 1/4 , 1/8 và
1/16.
DUT.LRCC

 Thông số kỹ thuật:
- Công suất ngõ ra lên tới 35V, dòng đỉnh 2A.
- Có 5 chế độ: full bước, 1/2 bước, 1/4 bước, 1/8 bước, 1/16 bước.
- Điểu chỉnh dòng ra bằng triết áp, nằm bên trên Current Limit = VREF × 2.5.
- Tự động ngắt điện khi quá nhiệt.
 Cách sử dụng:
- Lựa chọn chế độ full hay 1/2 hay 1/4.. sẽ được thông qua 3 pin MS1 MS2 MS3.
Mình thường nối thẳng 3 pin này với công tắc bit 3p để dễ thiết lập từ trên phần cứng.
Lưu ý là nếu thả nổi 3 pin này tức là mode full step.
- Bật tắt động cơ thì thông qua pin ENABLE, mức LOW là bật module, mức
HIGH là tắt module.
- Điều khiển chiều quay của động cơ thông qua pin DIR.
- Điều khiển bước của động cơ thông qua pin STEP, mỗi xung là tương ứng với 1
bước (hoặc vi bước).
- Hai chân Sleep với Reset luôn nối với nhau.
Hình 3.5 Sơ đồ kết nối vi điều khiển nói chung với A4988
DUT.LRCC

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý Step Driver A4988
Hình 3.7 Mạch in driver A4988
DUT.LRCC

3.2.4. Module Relay 5V DC
Hình 3.8 Module Relay 5V DC
Module Relay được sử dụng với mục đích đóng mở dòng qua động cơ trục chính,
giúp đóng ngắt động cơ trục chính theo các lệnh M03 và M05 đã được lập trình.
 Thông số kỹ thuật:
- Sử dụng điện áp nuôi DC 5V.
- Relay tiêu thụ dòng khoảng 80mA.
- Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V ~ 10A hoặc DC30V ~ 10A.
- Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi Relay.
- Có thể chọn mức tín hiệu kích 0 hoặc 1 qua jumper.
- Kích thước: 1.97 in x 1.02 in x 0.75 in (5.0 cm x 2.6 cm x 1.9 cm)
- Weight: 0.60 oz (17 g)
DUT.LRCC

3.3. SƠ ĐỒ KẾT NỐI CÁC MODULE
Hình 3.9 Sơ đồ kết nối các Module
DUT.LRCC

Thiết kế và chế tạo máy CNC phay mạch PCB.pdf

Thiết kế và chế tạo máy CNC phay mạch PCB.pdf

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Thiết kế và chế tạo máy CNC phay mạch PCB.pdf

Similar to Thiết kế và chế tạo máy CNC phay mạch PCB.pdf (20)

More from Man_Ebook

More from Man_Ebook (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Thiết kế và chế tạo máy CNC phay mạch PCB.pdf